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INFORMATION dernière mise à jour
18 mars 2013
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COMPOSANTS DE PUISSANCE
quatrième partie : applications essentielles

introduction
une vue d'ensemble
relais statique simple
pour un radiateur électrique
relais temporisé
dans votre cage d'escalier
commande de phase
votre perceuse ou un TGV
applications de redressement
quelques exemples
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introduction
Dans ce dernier chapitre nous allons aborder quelques applications typiques des composants de puissance. Celles-ci sont très nombreuses aussi nous ne présenterons qu'une très petite sélection. Nous distinguerons les applications, dites de commutation statique, où le thyristor joue le rôle d'un relais sans pièces mécaniques, de celles dites de commande de phase, où son rôle est de commuter dans une charge une puissance dont il permet l'ajustement. En mode statique on associera souvent un processus de temporisation au composant de puissance.


vue générale des applications des composants de puissance

La figure ci-dessous donne un aperçu des principaux domaines d'application des composants de puissance. On constate que les MOSFET sous forme de composants discrets ou de micromodules se taillent, en concurrence avec les transistors, la part du lion dans les applications domestiques et automobiles, tandis que les GTO sont réservés aux applications de traction et de redressement/commutation de puissance. Les triacs conservent encore quelques domaines comme les machines à laver et les thyristors sont réservés aux applications basse fréquence

relais statique
C'est une application fondamentale dérivée de la commande d'amorçage par résistance. Un exemple classique concerne la commande à deux allures d'un radiateur électrique de 3kW, voire sa commande ajustable.


Un commutateur à 3 positions permet de contrôler le circuit à faible courant, c'est à dire la gâchette. La liaison directe via la résistance permet l'amorçage à chaque alternance du triac (ou du double thyristor monté tête-bêche), tandis qu'en passant par la diode on enclenche le dispositif une alternance sur deux. En remplaçant la résistance R par un potentiomètre on pourra de plus modifier le point d'amorçage et donc la puissance moyenne dans la charge.

relais temporisé
Deux types d'applications sont envisageables : soit un dispositif à arrêt automatique après un certain temps de fonctionnement, soit au contraire un dispositif s'enclenchant après une certaine temporisation. La première famille est typiquement représentée par la minuterie pilotant l'éclairage dans un escalier d'immeuble, et le second par les barrières automatiques de passage à niveau qui s'abaissent après une certaine durée d'un signal lumineux clignotant.


dispositif de mise sous tension différée

Initialement la gâchette n'étant pas alimentée, le thyristor T1 est évidemment bloqué, de même que le triac T2 pour la même raison. Quand on ferme l'interrupteur S il ne se passe rien au début car le courant dans le circuit résistif est trop faible pour amorcer T1, mais simultanément le condensateur C se charge, ce qui initie un cycle de temporisation jusqu'à ce que l'UJT devienne conducteur, ce qui amorce le thyristor T1 et par suite T2 qui restera conducteur tant que l'interrupteur S sera fermé.

commande de phase
L'exemple le plus connu est celui de la commande d'un moteur universel à vitesse variable, principe qui peut aussi bien s'appliquer à une simple perceuse qu'à une machine-outil beaucoup plus puissante voire à un...TGV. Il est évidemment plus simple de commander une perçeuse qu'un TGV mais, aux dimensions des composants près et des systèmes de protection, le principe de base est le même.


commande bi-alternance à déclenchement par diac

Ici encore on utilisera avantageusement un triac pour un petit moteur de perceuse et des thyristors beaucoup plus gigantesques, et de surcroît mis en parallèle, pour le TGV. Bien entendu dans ce dernier cas le circuit d'amorçage sera nécessairement plus élaboré car la multiplicité des thyristors et l'inévitable dispersion de leurs caractéristiques imposera un amorçage par impulsion à front raide dont la durée doit être suffisante pour garantir que tous les thyristors en parallèle, y compris le plus lent, seront amorcés.

On notera dans ce montage un double pont RC utilisé pour augmenter la plage de déphasage pratique et un circuit RC (cadre vert) destiné à compenser les effets inductifs du moteur. Si la charge n'était pas un moteur mais une charge de type résistif (cas d'un gradateur de lumière par exemple) ce circuit RC ne serait pas utile.

Précisons que ce montage n'est pas régulateur de vitesse : si la charge vient à augmenter la vitesse du moteur va diminuer. Pour maintenir cette vitesse constante (ou à peu près constante) quelle que soit la charge on utilisera la fcem du moteur qui est proportionnelle à la vitesse et on la comparera à une tension de référence appliquée à la gâchette et définie comme ci-dessus par le curseur d'un potentiomètre. On utilisera volontiers un montage tel celui ci-dessous.


commande de vitesse régulée

On alimente le moteur en tension redressée double-alternance. Le thyristor sera amorcé dès que l'écart V1-V2 dépassera le seuil d'amorçage et se désamorcera lorsque V2 sera supérieure à V1. Ce qui se produira lorsque la tension secteur sera faible telle que la fcem du moteur (qui continue à tourner même s'il n'est plus alimenté en raison de l'inertie) quasiment inchangée deviendra supérieure à V1. En jouant sur la position du curseur du potentiomètre on voit qu'il sera possible de modifier l'angle d'ouverture et donc la vitesse atteinte par le moteur. Examinons pourquoi ce système permet une régulation de cette vitesse. Supposons que la charge du moteur augmente, il va en résulter logiquement une tendance au ralentissement ce qui se traduit par une diminution de la fcem V2 et donc à une augmentation de l'écart entre V1 et V2. Par conséquent l'instant pour lequel l'amorçage va se produire va être déplacé et à l'alternance suivante l'amorçage aura lieu plus tôt ce qui induit une augmentation de la vitesse du moteur. On a donc bien un effet de régulation.

On notera qu'il est toujours préférable d'employer un seul thyristor de forte puissance plutôt que deux de puissance plus faible. C'est pourquoi les derniers travaux sur ces composants de puissance ont privilégié le développement des composants basés non sur le silicium mais sur le carbure de silicium qui permet des températures de fonctionnement supérieures et donc à superficie identique des courants plus intenses et la réduction du nombre de composants en parallèle dans les applications de très fortes puissances.

applications de redressement
Les composants de puissance sont très employés dans les redresseurs polyphasés. Sans entrer dans le détail précisons qu'en combinant des sources de tension polyphasées, donc sinusoidales décalées dans le temps on peut obtenir une tension presque constante sans avoir la nécessité, comme en redressement monophasé, d'ajouter des condensateurs de grande valeur pour lisser la tension. Un pont triphasé double alternance produit une tension continue avec une ondulation résiduelle dont l'amplitude est de quelques pourcents.


Bien évidemment on peut remplacer les diodes par des thyristors afin d'obtenir un redresseur commandé, ci-dessous un système simple alternance par exemple.


A titre indicatif on donne un exemple d'association thyristor/diode destiné à piloter un moteur à courant continu en exploitant la tension générée par une dynamo tachymétrique solidaire du moteur pour assurer la constance de la vitesse de rotation. A quoi servent les diodes appellées diodes de roue libre? Elles ont un rôle essentiel au démarrage, pendant les premières périodes où le courant id(t) sera faible et peut-être insuffisant pour maintenir les thyristors passants.


En examinant ce schéma on constate que l'on va avoir plusieurs phases de conduction : dans un premier temps T1 va être conducteur par suite d'une impulsion sur sa gâchette et D2 va conduire simultanément ce qui referme le circuit via le transfo et le moteur. Quand la tension va s'inverser le thyristor T1 va se désamorcer et alors le moteur étant lancé il continue évidemment à tourner (phase dite de roue libre) et donc à générer une fcem, l'ensemble (D2,D1) est alors conducteur. Jusqu'à l'instant où une nouvelle impulsion va être générée et amorcer T2, alors D2 n'est plus en jeu et le circuit se referme par D1.
Pour le lecteur intéressé par le détail (mathématique) de ces systèmes redresseurs nous conseillons sur le web l'excellent cours de licence EEA de Philippe Ferrari de l'Université de Savoie auquel nous avons emprunté l'idée de ces derniers exemples.