ÉLECTRICITÉ - Convertisseurs et variateurs

ÉLECTRICITÉ - Convertisseurs et variateurs

Le réseau alternatif industriel fournit l’énergie électrique principalement sous des tensions sinusoïdales de fréquence et d’amplitude fixes (50 Hz-220 V, par exemple); les batteries d’accumulateurs ou de photopiles solaires donnent des tensions continues fixes (48 V, par exemple). Or, de nombreuses applications nécessitent des tensions et des fréquences autres que celles qui sont imposées par le réseau ou les batteries, et parfois continûment variables. Cette conversion d’énergie, autrefois réalisée par des convertisseurs électromécaniques, est aujourd’hui essentiellement effectuée, dans un large domaine de puissance, par des convertisseurs statiques de faible entretien, moins lourds et plus performants, qui se sont développés grâce aux progrès constants des composants électroniques de puissance. Leurs applications concernent les alimentations de secours et de sécurité, l’électrochimie et l’électrométallurgie, le conditionnement de l’électricité et, surtout, la variation de vitesse des machines tournantes. Cette dernière utilisation intervient dans le domaine de la traction électrique, mais aussi dans toutes les techniques de fabrication, de plus en plus complexes du fait des exigences croissantes (au niveau des produits finis: qualité, prix, économie d’énergie...) de l’industrie moderne.

1. Les convertisseurs

Les convertisseurs statiques sont des circuits électriques constitués principalement d’interrupteurs à semi-conducteurs et permettant, par des séquences convenables de fonctionnement de ces derniers, un transfert d’énergie entre un générateur et un récepteur appartenant à des systèmes de caractéristiques différentes (fig. 1).

Les interrupteurs à semi-conducteurs

Pour des questions de rendement, les interrupteurs doivent être aussi parfaits que possible : chute de tension négligeable à l’état passant (interrupteur fermé) et courant négligeable à l’état bloqué (interrupteur ouvert). Trois éléments fondamentaux sont représentatifs de l’ensemble des interrupteurs statiques: la diode, le thyristor et le transistor.

Dans la diode (fig. 2 a et b), la borne d’entrée du courant est l’anode, la borne de sortie la cathode. La diode peut atteindre en courant-tension 5 000 A - 5 000 V. Le thyristor , dans son principe, peut être considéré comme une diode possédant une électrode de contrôle appelée gâchette (fig. 3 a) qui permet seulement de rendre le dispositif conducteur (état passant, fig. 3 b 1), mais n’autorise par le contrôle de son blocage. En effet, celui-ci (fig. 3 b 2) ne peut avoir lieu que si le courant direct s’annule et si la tension est maintenue négative pendant un temps suffisant. Les thyristors peuvent atteindre 5 000 A - 5 000 V et des fréquences de plusieurs milliers de hertz suivant les convertisseurs. Le transistor est un élément à structure symétrique possédant un sens de conduction privilégié: collecteurémetteur dans le cas d’un npn (fig. 4). Dans son application aux convertisseurs statiques, il fonctionne en «tout ou rien». Ses caractéristiques sont alors sensiblement analogues à celles d’un thyristor, associé à son circuit de commutation forcée, qui ne tolère cependant pas de tension inverse à ses bornes (fig. 3 c et b). Les transistors actuels atteignent de 5 A - 700 V à 100 A 1 000 V et des fréquences de quelques milliers de hertz.

Commutation et réversibilité

Tous ces interrupteurs interconnectent des branches de natures différentes pour lesquelles le courant ou la tension ne peuvent généralement pas subir de discontinuité. Le transfert de courant d’une branche à l’autre, appelé commutation , peut être provoqué soit par l’action d’une source de tension appartenant au montage (commutation assistée ), soit par une électrode de commande pour les transistors ou par un circuit auxiliaire capacitif pour les thyristors (commutation forcée ). Les commutations mettent en jeu des énergies d’autant plus grandes que les branches en commutation sont inductives et les semiconducteurs lents. Ces derniers étant unidirectionnels, on trouvera des structures réversibles en tension ou en courant s’ils sont associés par paires opposées. Notons que les convertisseurs susceptibles d’alimenter des charges complexes en alternatif doivent avoir de toute façon une structure réversible, afin de pouvoir prendre en compte les réversibilités instantanées dues au déphasage des courants et des tensions.

Les structures

Les convertisseurs les plus répandus que l’on rencontre habituellement dans les applications électrotechniques sont le redresseur, le gradateur, le cycloconvertisseur, l’onduleur et le hacheur.

Les convertisseurs non autonomes

Le redresseur, le gradateur et le cycloconvertisseur (fig. 1) sont les principaux convertisseurs non autonomes. Le plus important, le redresseur , constitué de diodes ou de thyristors, est destiné à effectuer une conversion du courant alternatif en continu, à partir d’un réseau que l’on peut généralement considérer comme une source de tension alternative. Il est donc amené à alimenter une charge inductive en courant continu. Un filtrage supplémentaire en aval peut aboutir à une tension continue. Une de ses structures possibles, connue sous le nom de pont de Graetz (fig. 5), utilise les tensions du réseau alternatif pour assurer ses commutations. Lorsqu’il est constitué de thyristors, il devient réversible avec une commande convenable. Les interrupteurs étant unidirectionnels en courant, la réversibilité se traduit par un changement de signe de la tension de sortie, côté continu. On dit alors que le redresseur fonctionne en onduleur non autonome.

L’association de semi-conducteurs opposés donne naissance à un système réversible en tension et courant, donc susceptible d’alimenter en alternatif des charges complexes: le gradateur , constitué de semi-conducteurs connectés tête-bêche et insérés sur les phases d’un réseau alternatif, permet d’effectuer un réglage de tension sans changement de fréquence. L’association de redresseurs-onduleurs tête-bêche se nomme cycloconvertisseur . Chaque convertisseur élémentaire assure une alternance du courant et fonctionne en onduleur lorsque courants et tensions sont de signes opposés.

Les convertisseurs autonomes

Les principaux convertisseurs autonomes sont les onduleurs (de courant et de tension) et le hacheur (fig. 1). Lorsque le réseau alternatif n’existe pas mais doit être créé, il ne peut assurer les commutations du convertisseur: il faut alors recourir à des circuits particuliers de commutation forcée. Lors de la conversion du régime continu en alternatif, on parle d’onduleur autonome à commutation forcée.

L’onduleur de courant ou commutateur (fig. 6), formé par l’ensemble source de courant-pont principal, a un comportement global absolument analogue à celui de l’onduleur non autonome. Les commutations sont assurées par des condensateurs intervenant pendant des temps très brefs par l’intermédiaire des thyristors d’extinction du pont auxiliaire.

L’onduleur de tension (fig. 7), constitué de semi-conducteurs mis tête-bêche pour assurer sa réversibilité instantanée, est donc, par structure, naturellement réversible. Son fonctionnement en redresseur se matérialise par une conduction prépondérante des diodes sur les semi-conducteurs commandés.

Le hacheur , destiné à transférer de l’énergie entre deux systèmes électriques continus, revêt deux aspects selon que l’énergie est fournie par une source de courant ou de tension continus. Dans ce dernier cas, par exemple, on peut utiliser des thyristors (fig. 8); les séquences d’amorçage des deux thyristors règlent alors l’échange d’énergie. Unidirectionnel en tension et en courant, le hacheur n’est pas réversible. Pour qu’il le soit, on en associe deux, soit sous forme de pont, soit sous forme de branche bidirectionnelle.

2. La variation de vitesse des machines tournantes (générateurs et moteurs)

La machine à courant continu est la plus simple à mettre en œuvre pour réaliser des variateurs de vitesse. Cependant, les limitations du collecteur (problèmes de maintenance, impossibilité de fonctionner en atmosphère explosive ou corrosive, difficultés d’atteindre des vitesses périphériques importantes, etc.) nécessitent des solutions permettant de le supprimer. Ainsi, la variation de vitesse d’une machine asynchrone, connectée au réseau alternatif à fréquence fixe, peut être obtenue en modifiant le glissement. Cependant, les solutions les plus performantes, rendues possibles grâce au progrès des convertisseurs statiques, consistent à alimenter les machines en courants alternatifs à fréquence variable.

Machines à courant continu à collecteur

Les machines le plus souvent utilisées sont à excitation série, à cause de leur robustesse et de leurs caractéristiques naturelles propices à la traction, ou à excitation séparée. Pour ces dernières, le flux inducteur étant constant, les formules de force électromotrice (f.é.m.) et de couple ^{[cf. MOTEURS ÉLECTRIQUES]} montrent que le contrôle de vitesse peut se faire par variation de la tension d’induit. Ce contrôle est réalisé par un redresseur (fig. 5) à partir du réseau alternatif monophasé ou triphasé suivant la gamme de puissance, ou par un hacheur à partir du réseau continu (fig. 8). Lorsque la tension maximale d’induit est atteinte, il est encore possible d’augmenter la vitesse par diminution du courant inducteur. La réversibilité du dispositif est liée à celle des convertisseurs d’alimentation.

Machines asynchrones; variation du glissement à fréquence fixe

Pour modifier le glissement d’une machine asynchrone, alimentée par le réseau alternatif industriel à fréquence fixe dans le but de faire varier sa vitesse, on intercale un gradateur entre le réseau et le moteur: c’est la méthode la plus simple. Le gradateur permet de diminuer la tension d’alimentation du moteur, ce qui entraîne pour les charges usuelles (pompes, ventilateurs, etc.) une diminution de la vitesse. L’étendue du réglage de vitesse est en général faible et se fait au détriment du rendement. Pour une machine asynchrone à rotor bobiné, alimentée au stator par le réseau alternatif, il est possible, à partir d’un montage redresseur à diodes sur le rotor suivi d’un onduleur connecté au réseau, de réinjecter une partie de l’énergie électrique rotorique sur ce réseau et, par là même, de modifier le glissement de la machine, donc sa vitesse. On obtient une variation continue de vitesse et un bon rendement. Ce dispositif est utilisé en particulier pour l’entraînement des pompes jusqu’à des puissances de quelques milliers de kilowatts.

Machines à courants alternatifs; variation de la fréquence d’alimentation

Dans la réalisation des dispositifs de variation de vitesse pour les machines à courants alternatifs, le but est de s’affranchir des limitations inhérentes au collecteur, tout en conservant des caractéristiques globales qui autorisent les mêmes facilités de variation que pour les machines à courant continu. Pour cela, on reproduit le double rôle du collecteur. Ainsi, la détection de la position du rotor par rapport au stator se fait au moyen de circuits électroniques et la commutation de courant dans les enroulements est réalisée par des interrupteurs de puissance.

En exemple, une machine synchrone, excitée au moyen d’un enroulement rotorique, est connectée à un convertisseur dont les thyristors sont commandés à partir d’un capteur de la position du rotor (fig. 9). La fréquence de fonctionnement du convertisseur est ainsi asservie à la vitesse de rotation, ce qui supprime tout risque de décrochage. On a coutume de dire que la machine est autopilotée. Le fonctionnement de ce dispositif est analogue à celui d’une machine à courant continu comportant l’équivalent de trois lames au collecteur et une paire de balais. Seule la disposition de l’induit et de l’inducteur est inversée pour les besoins de la commutation électronique. De cette analogie, on peut déduire que les caractéristiques globales de la machine synchrone autopilotée sont voisines de celles d’une machine à collecteur. Cependant, en raison de ce faible nombre de lames équivalentes au collecteur, le fonctionnement interne de l’ensemble convertisseur-machine n’est pas absolument identique à celui d’une machine à collecteur classique (oscillation du champ induit par rapport au champ inducteur, par exemple). Par ailleurs, la commutation du courant d’un enroulement à l’autre peut être assistée, en utilisant les tensions apparaissant aux bornes de la machine, ou forcée si l’on met en œuvre des condensateurs de commutation. De tels ensembles sont désormais employés dans un domaine inaccessible au collecteur: pour des puissances de 500 à 50 000 kW, à des vitesses variant de 0 à plus de 3 000 tours par minute. Pour ces puissances, des considérations d’économie conduisent à adopter généralement le mode de commutation assistée, en raison du prix de revient des condensateurs de commutation. Dans le cas où la source est le réseau 50 Hz, l’alimentation est réalisée par un redresseur-onduleur, qui sert à régler le courant dans le circuit intermédiaire (fig. 9), ce qui correspond en première approximation au réglage du couple. L’ensemble ainsi constitué est réversible par inversion des fonctions des deux convertisseurs (redresseur 曆onduleur), sans modification du sens du courant dans le circuit intermédiaire.

Les possibilités d’adaptation de l’électronique de puissance permettent la réalisation d’autres ensembles, inconcevables en commutation mécanique. Ces nouveaux ensembles mettent en œuvre soit d’autres types de machines, soit d’autres structures de convertisseurs, soit encore d’autres lois de commande.

Une première variante concerne l’association d’une machine asynchrone avec un onduleur de courant. Ce dispositif est très voisin de celui qui a été décrit précédemment. Il en diffère essentiellement par la façon dont est commandé le convertisseur statique. En effet, l’autopilotage de la machine asynchrone peut être réalisé à partir d’un capteur de la vitesse de rotation 諸, et consiste à imposer la pulsation 諸^r des courants rotoriques. Pour cela, on alimente la machine (au moyen d’une commande appropriée des thyristors de l’onduleur de courant) avec des courants de pulsation 諸^s , telle que 諸^s = 諸^r + 諸. Le domaine d’application est celui des puissances inférieures à 500 kW, car une commutation forcée est nécessaire, en raison du déphasage arrière des courants par rapport aux tensions. Par ailleurs, pour ces puissances, on préfère la machine asynchrone à cage à la machine synchrone, à cause de sa plus grande simplicité de construction.

Il est encore possible de concevoir des ensembles à vitesse variable à partir de machines à courants alternatifs (synchrones ou asynchrones) en remplaçant, dans la boucle d’autopilotage, le commutateur par un onduleur de tension (fig. 7). Pour obtenir un couple indépendant de la vitesse et éviter la saturation de la machine, il est nécessaire, dans ce cas, de faire varier, au moyen du convertisseur, la tension d’alimentation U en fonction de la fréquence f (U/f = constante en première approximation). Le domaine d’utilisation est limité, à des puissances inférieures à 500 kW, par le prix de revient des circuits de commutation pour les interrupteurs à thyristors, et à quelques dizaines de kilowatts, par les caractéristiques des transistors actuels.

Il existe d’autres dispositifs à vitesse variable . L’alimentation par cycloconvertisseur est utilisée pour des puissances élevées (face=F0019 閭1 MW), à des vitesses relativement lentes (quelques centaines de tr/mn). Ce convertisseur, bien que présentant l’inconvénient d’un nombre élevé de thyristors, a l’avantage de fonctionner en commutation assistée et de délivrer, en basse fréquence, des formes d’ondes proches de la sinusoïde.

L’alimentation des machines asynchrones à fréquence variable par onduleur de tension sans autopilotage est très répandue pour les petites puissances. Il offre l’avantage d’une plus grande simplicité de commande (absence de capteur), mais peut poser certains problèmes de stabilité aux basses fréquences.

La conception d’ensembles performants ne se limite pas à la seule association de machines classiques (synchrones ou asynchrones) avec les convertisseurs statiques. En effet, il est nécessaire de rechercher des structures de machines mieux adaptées à ce type d’alimentation, ou permettant de tirer le meilleur profit du fonctionnement possible des convertisseurs statiques à fréquence élevée. C’est le cas, par exemple, de la machine à réluctance variable , pour laquelle il est possible d’obtenir, en jouant sur la structure des dentures du rotor et du stator, l’équivalent d’un grand nombre de pôles, tout en conservant un bobinage à petit nombre de pôles. La machine tourne alors aux vitesses usuelles en fournissant des couples importants. Pour les petites et moyennes puissances, la machine synchrone est handicapée par le prix de l’excitation à diodes tournantes, généralement utilisée pour les puissances importantes afin de supprimer les contacts glissants. On peut réaliser cette excitation, soit de façon homopolaire, soit au moyen d’aimants permanents frittés (ferrites ou composés de terres rares et cobalt) qui supportent des champs démagnétisants importants. En outre, leur perméabilité dynamique, voisine de celle de l’air, permet d’obtenir des propriétés de réaction d’induit particulières, intéressantes en commutation électronique.

Les progrès constants réalisés sur les semi-conducteurs de puissance et les convertisseurs statiques permettent de satisfaire les besoins variés de l’industrie en énergie électrique, et cela dans une large gamme de puissance. Ainsi, pour répondre aux exigences des utilisateurs de variateurs de vitesse électrique, des solutions s’affranchissant des défauts du collecteur mécanique des machines à courant continu ont pu être mises en œuvre, en associant des machines à courants alternatifs du type synchrone ou asynchrone et des convertisseurs statiques (machines à commutation électronique). Des ensembles se développent qui utilisent des machines mettant à profit les progrès sur les matériaux magnétiques et qui sont conçues pour l’alimentation par semi-conducteurs de puissance (machines à réluctance Vernier, à ferrite, etc.). Pour des raisons économiques, les machines à commutation électronique n’ont d’abord couvert que les créneaux inaccessibles à la machine à courant continu à collecteur, mais, avec l’amélioration des composants, l’abaissement des coûts et l’apport de la micro-informatique au niveau de la commande, on élargit beaucoup les domaines d’application de ces dispositifs.

Encyclopédie Universelle. 2012.