Redresseur


Redresseur
Trois redresseurs sous forme de ponts de Graëtz
Redresseur entre les réseaux d'Hydro One et d'Hydro-Québec au poste Outaouais de TransÉnergie à L'Ange Gardien, Québec, pour lignes à haute tension HVDC
Redresseur 150 kV à vapeur de mercure, station de conversion Radisson (Manitoba Hydro), août 2003 (pour ligne HVDC)

Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif - continu (rectifier en anglais), est un convertisseur destiné à alimenter une charge qui nécessite de l'être par une tension ou un courant continu à partir d'une source alternative. L'alimentation est, la plupart du temps, un générateur de tension.

  • Les redresseurs non commandés, essentiellement réalisés à partir de diodes, sont utilisés lorsque la tension de sortie n'a pas besoin d'être ajustée.
  • Les redresseurs commandés dont la tension de sortie peut-être variable et ajustée par l'opérateur comportent des thyristors ou des ensembles de diodes et de thyristors. Ces redresseurs ne sont plus utilisés qu'en forte puissance et lorsqu'il est nécessaire de faire varier les grandeurs électriques en sortie. En faible et moyenne puissance, les redresseurs commandés à thyristor sont en voie d'obsolescence et sont avantageusement remplacés par la « mise en cascade » d'un redresseur non commandé et d'un convertisseur continu-continu. D'une part, la commande d'un transistor à effet de champ ou d'un IGBT est beaucoup plus simple que celle d'un thyristor et d'autre part, les fréquences de fonctionnement des hacheurs qui dépassent aujourd'hui les 200 kHz permettent d'adapter le rapport cyclique du hacheur pour obtenir une régulation de la tension de sortie. Cette propriété permet aussi d'obtenir une tension de sortie constante sans être contraint d'ajouter un condensateur de forte capacité. Enfin il existe des redresseurs à absorption sinusoïdale construits à l'aide de transistors MOSFET et IGBT peuvent être utilisés dans certains cas spécifiques.

Sommaire

En électrophysiologie

En électrophysiologie, certains canaux ioniques se comportent comme des redresseurs (GIRK).
Le terme utilisé dans cette discipline est rectification entrante ou sortante (selon le sens), plutôt que redresseur.

Redresseurs monophasés

En monophasé, on distingue :

  • les redresseurs simple alternance : dans le sens direct, ils admettent les tensions positives et annulent les tensions négatives. Une simple diode en série avec la charge suffit à réaliser cette opération ;
  • les redresseurs double alternance : ils commutent de manière à transformer les tensions négatives en tensions positives. Le montage le moins coûteux et le plus efficace est le pont de Graëtz).


Applications des redresseurs monophasés

Le redresseur à simple diode est un dispositif très fréquent mais il est davantage utilisé comme dispositif de variation de puissance que comme redresseur :: pour les applications de chauffage, il permet, pour un coût très réduit, de diviser par deux la puissance consommée par la charge. La quasi totalité des sèche-cheveux possèdent deux puissances de chauffage. l'interrupteur qui commande le basculement est placé en parallèle d'une diode. Lorsqu'on veut obtenir une pleine puissance, l'interrupteur court-circuite la diode et la résistance est alimentée directement par le secteur. Pour le fonctionnement à demi puissance, l'interrupteur est ouvert et la diode est en série avec la charge.

Le redressement simple alternance commandé, tout comme les redressements commandés en monophasé, n'a pas d'application industrielle.

Redressement mono alternance

Redresseur monophase simple alternance courbe.png

Ce type de redressement permet de supprimer l'alternance négative d'un signal en conservant l'alternance positive. La tension de sortie du convertisseur ressemble à la courbe ci-contre où la courbe du haut représente la tension d'entrée et celle du bas la tension en sortie du redresseur.

La tension redressée a alors la même fréquence que la tension d'entrée.

Il existe deux types de redresseurs simple alternance :

  • les redresseurs non commandés, constitué d'une diode en série avec la charge, avec lesquels il est impossible de faire varier les grandeurs électriques en sortie du convertisseur
  • les redresseurs commandés, constitué d'un thyristor en série avec la charge, qui permettent de faire varier les grandeurs électriques en sortie du convertisseur, notamment les valeurs moyennes de la tension aux bornes de la charge et du courant la traversant

La sortie redressée de ces convertisseurs dépend fortement de la charge[1].

Redresseurs simple alternance non commandés

Redresseur monophase simple alternance.png

Ce type de redresseur est réalisé en mettant simplement une diode en série avec la charge comme le montre le schéma ci-contre.

Le principe des redresseurs simple alternance non commandés est basée sur les propriétés des diodes. En effet, la diode se bloquant lorsque la tension à ses bornes est négative, elle supprime les alternances négatives du signal d'entrée. Pendant les alternances positives, elle se comporte comme un court-circuit et n'altère donc pas le signal d'entrée. La diode joue ainsi le rôle de filtre qui laisse passer les tensions positives et coupe les tensions négatives. Il faut faire attention à la chute de tension de la diode puisqu'elle n'est passante que lorsque sa tension de seuil est présente à ses bornes (de l'ordre de 0,6 V ou 0,7 V).

Ce type de redresseur est qualifié de « non commandé » car il est impossible de faire varier les grandeurs en sortie du convertisseur.

Le comportement de ces redresseurs dépend fortement du type de la charge[2].


Redresseur monophase resistif courbe.png

Si la charge est de type purement résistif, la tension en sortie et le courant délivré ont l'allure représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et celui du bas, la tension aux bornes de la charge représentée en bleu et le courant la traversant en rouge.

SI T est la période de la tension d'entrée, la diode est passante entre 0 et \textstyle{\frac T2} et est bloquée entre \textstyle{\frac T2} et T. En effet, pour ωt = 0, le courant la traversant devient nul.

Si la tension d'entrée est de la forme V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t), les valeurs moyennes des grandeurs de sortie sont :

  • <V_s(t)> = \frac\sqrt2 \pi V
  • <I_D> = \frac\sqrt2 \pi \frac VRR est la valeur de la résistance de la charge


Redresseur monophase inductif courbe.png

Si la charge est de type inductif, la tension de sortie n'est pas correctement redressée si l'on utilise une seule diode. La sortie du convertisseur est représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

La diode conduit à partir de t = 0 et ne se bloque pas en \textstyle{\frac T2} (T étant la période du signal d'entrée) comme avec une charge purement résistive. La tension devient négative aux bornes de la charge tant que le courant ne s'annule pas. La diode se bloque avec un retard tr compris entre 0 et \textstyle{\frac T2}. La tension « redressée » est alors négative pendant une partie de la période.

La bobine impose la continuité du courant dans la charge.

Si la tension d'entrée est de la forme V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t), la valeur moyenne de la tension de sortie est :

Erreur math (La conversion en PNG a échoué ; vérifiez l’installation de latex et dvipng (ou dvips + gs + convert)): <V_s(t)> = \frac\sqrt2{2\pi} V (1 - cos(\omega (t_0 - \frac T2)))

t0 est l'instant auquel se bloque la diode.


Redresseur monophase inductif roue libre courbe.png

Pour corriger le problème intervenant avec une charge de type inductif, on ajoute une diode de roue libre en parallèle de la charge. Les deux diodes sont alors placées en cathodes communes. La sortie du convertisseur est représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

Jusqu'en \scriptstyle{t =} \textstyle{\frac T2} (T étant la période de la tension d'entrée), le montage fonctionne de manière identique au montage sans diode de roue libre. La diode de roue libre intervient en \scriptstyle{t =} \textstyle{\frac T2}. À cette date, la tension aux bornes de la charge devient négative et la diode de roue libre devient passante, bloquant la diode D.

La bobine impose la continuité du courant dans la charge.

Si la tension d'entrée est de la forme V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t), la valeur moyenne de la tension de sortie est :

<V_s(t)> = \frac\sqrt2 \pi V

Ce montage a permis de corriger le problème survenant avec une charge de type inductif. De plus, la valeur moyenne de la tension de sortie a été augmentée. Cependant, la valeur efficace du courant traversant la charge est inférieure au cas sans diode de roue libre.


Redresseur monophase fem courbe.png

Si la charge est de type électromotrice, c’est-à-dire composée d'une résistance et d'une force électromotrice, on obtient la sortie ci-contre. Le graphique du haut représente en bleu la tension d'entrée et en rouge la force électromotrice. Sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

La diode conduit lorsque V(t) > EE est la force électromotrice et est bloquée lorsque V(t) < E.

La force électromotrice impose que la tension au bornes de la charge soit toujours supérieure à E.

Lorsque la diode est passante, le courant traversant la charge est :

i(t)=\frac{V(t)-E}RR est la valeur de la résistance de la charge.


Une diode en série avec la charge permet de redresser la tension aux bornes de la charge. Si la charge est de type inductif, il est nécessaire d'ajouter une diode de roue libre pour éviter que la tension de sortie soit négative.

Redresseurs simple alternance commandés

Redresseur monophase simple alternance thyristor.png

Ce type de redresseur est réalisé en remplaçant la diode du redresseur simple alternance non commandé par un thyristor comme le montre le schéma ci-contre. C'est davantage un exemple didactique qu'un montage réellement utilisé.

le pic WINTER est caractérisé par un courant de gâchette. Cette caractéristique est mise à profit pour faire varier les grandeurs électriques de sortie et ainsi régler les valeurs moyennes de la tension aux bornes de la charge et du courant la traversant. En effet, on utilise des commandes électroniques introduisant un retard à l'amorçage du thyristor. Cette capacité à faire varier les valeurs des grandeurs de sortie a donné le qualificatif « commandé » à ce type de redresseur.

Les redresseurs monophasés simple alternance commandés conservent une partie de l'alternance positive du signal d'entrée et coupent la partie négative.

Le comportement de ce type de redresseur dépend fortement du type de charge[3].


Redresseur monophase thyristor resistif courbe.png

Si la charge est purement résistive, on obtient la sortie représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

Le thyristor s'amorce avec un retard à l'amorçage compris entre 0 et π. Une fois amorcé, il se comporte comme une diode.

Si la tension d'entrée est de la forme V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t), les valeurs moyennes de la tension aux bornes de la charge et du courant la traversant sont, en notant α le retard à l'amorçage du thyristor :

  • Erreur math (La conversion en PNG a échoué ; vérifiez l’installation de latex et dvipng (ou dvips + gs + convert)): <V_s(t)> = \frac \sqrt2{2\pi} V (cos(\alpha)+1)
  • Erreur math (La conversion en PNG a échoué ; vérifiez l’installation de latex et dvipng (ou dvips + gs + convert)): <i(t)> = \frac \sqrt2{2\pi} \frac VR (cos(\alpha)+1)
R est la valeur de la résistance de la charge

Les valeurs moyennes des grandeurs de sortie peuvent donc être réglées en modifiant α.


Redresseur monophase thyristor inductif courbe.png

Si la charge est inductive, on obtient la sortie représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

Le même phénomène que pour le redresseur non commandé apparaît. Le thyristor conduit à partir de ωt = α et ne se bloque pas en \textstyle{\frac T2} (T étant la période du signal d'entrée) comme avec une charge purement résistive. La tension devient négative aux bornes de la charge tant que le courant ne s'annule pas. Le thyristor se bloque avec un retard tr compris entre 0 et \textstyle{\frac T2}. La tension « redressée » est alors négative pendant une partie de la période.

La bobine impose la continuité du courant dans la charge.

Si la tension d'entrée est de la forme V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t), la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge est, en notant α le retard à l'amorçage du thyristor :

Erreur math (La conversion en PNG a échoué ; vérifiez l’installation de latex et dvipng (ou dvips + gs + convert)): <V_s(t)> = \frac\sqrt2{2\pi} V (cos(\alpha) - cos(\omega (t_0 - \frac T2)))

t0 est la date à partir de laquelle le thyristor est bloqué

Les valeurs moyennes des grandeurs de sortie peuvent être régler en jouant sur α.


Redresseur monophase thyristor fem courbe.png

Si la charge est de type électromotrice, c’est-à-dire composée d'une résistance et d'une force électromotrice, on obtient la sortie ci-contre. Le graphique du haut représente en bleu la tension d'entrée et en rouge la force électromotrice. Sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

Le thyristor conduit lorsque V(t) > E (E étant la force électromotrice) et ωt > α. Elle est bloquée lorsque V(t) < E.

La force électromotrice impose que la tension au bornes de la charge soit toujours supérieure à E.

Lorsque le thyristor s'amorce , le courant traversant la charge est :

i(t)=\frac{V(t)-E}RR est la valeur de la résistance de la charge.


Un thyristor en série avec la charge permet de redresser la tension aux bornes de la charge. Le thyristor, et en particulier son retard à l'amorçage, détermine les grandeurs de sortie. Il est donc possible de les faire varier en choisissant le bon retard à l'amorçage.

Filtrage de la tension de sortie

Redresseur simple alternance filtrage courbe.png

La tension de sortie obtenue après redressement constamment dans le même sens, mais elle n'est pas continue. Pour annuler les harmoniques responsables des parasites hautes fréquences, on utilise un filtre en sortie du redresseur. On obtient alors la sortie ci-contre. La tension d'entrée est représentée en bleu et la tension en sortie du filtre est représentée en rouge.



On démontre[4] que la capacité C \, du condensateur, la fréquence f \, de la source, l'intensité maximale I_{max} \, de sortie et l'amplitude maximale de l'ondulation U \,  : C = \frac {I_{max}}{U\cdot f}


Il est possible d'améliorer le lissage en utilisant des filtres plus complexes.

Redressement double alternance

Il existe deux catégories de redresseurs à doubles alternance

  • Le montage à deux diodes utilisant la prise médiane du transformateur
  • Le montage en pont de quatre diodes appelé aussi Pont de Graëtz . En toute rigueur ces montages doivent être considéré comme des redresseurs de courant : si les diodes sont idéales, le courant en sortie correspond à la valeur absolu du courant d'entrée.

Pont de Graëtz à diodes

Article détaillé : Pont de diodes.

Filtrage de la tension de sortie d'un pont de diode

Pour les dispositifs de faible puissance, le filtrage le plus simple est effectué à l'aide d'un ou plusieurs condensateurs placés en parallèle de la sortie. Le condensateur stocke l'énergie lorsque le courant traverse les diodes et la restitue ensuite.

  • Pour une charge donnée, plus la capacité du condensateur est grande plus le filtrage est efficace.
  • Pour un condensateur donné, moins la charge appelle du courant (R grand) , plus le filtrage est efficace
  • En règle générale, lorsque le redresseur alimente une charge résistive de résistance R \,, plus le produit RC  \, est grand, plus le filtrage est efficace.

Ci-contre, la tension de sortie pour deux valeurs de ce produit. Remarque : le produit RC  \, est homogène à un temps.

PD2 filtré avec RC = 0,01 s.png
PD2 filtré avec RC = 0,1 s.png

Inconvénient : le courant à l'entrée du pont n'est plus sinusoïdal.

PD2 filtré, courant d'entrée avec RC = 0,1 s.png

On constate donc que plus la capacité du condensateur est grande plus on limite les ondulations. Cependant l'augmentation de la capacité correspond à une augmentation du coût et de l'encombrement et, d'autre part, une capacité trop importante entraine des pics de courant très étroits ce qui provoque une pollution harmonique sur le réseau de distribution. Enfin le transitoire du courant de charge de la capacité à la mise sous tension du redresseur peut entrainer une destruction de ce dernier par dépassement de l'intensité maximum admissible.

Lissage du courant de sortie d'un pont de diode

Pour les charges qui appellent un fort courant, le filtrage de la tension par un condensateur n'est pas le plus efficace. On préfère alors placer une inductance en série avec la charge.

Pont de Graëtz à thyristors

Un redresseur double alternance monophasé à thyristors ou pont de Graëtz monophasé à thyristors est un redresseur permettant de redresser les courants délivrés par une source de tension alternative. Le signal redressé a alors une fréquence deux fois supérieure à celle de la tension d'entrée.

On considère le cas le plus simple : le redressement du courant délivré par un générateur de tension sinusoidale débitant au travers d'un pont à thyristor sur une charge suffisamment inductive pour que le courant qui la traverse soit supposé ininterrompu (conduction ininterrompue)

La valeur efficace de la tension d'entrée est notée V \, et le courant dans la charge, supposé constant, a pour valeur efficace (supposée égale à sa valeur moyenne) I_0 \,

Les propriétés des thyristors imposent que :

  • Lorsque les impulsions de gâchette existent
    • Parmi les thyristors Th1 et Th3, celui qui a le potentiel de son anode le plus positif conduit.
    • Parmi les thyristors Th2 et Th4, celui qui a le potentiel de sa cathode le plus négatif conduit.
  • Lorsque les impulsions de gâchette n'existent plus, les thyristors qui conduisaient avant l'arrêt des impulsions continuent de conduire jusqu'à la reprise des impulsions.

La valeur moyenne de la tension de sortie peut être calculée par la relation :

V_S = \frac{2V_{max}}{\pi}\cdot cos\alpha  \,

La période de V_S(t) \, est T/2.

Pont de redressement capacitif

Redresseurs triphasés

Redressement simple alternance

Montages à diodes

Montages à thyristors

Redressement simple alternance monophasé

Géneralités:

le redressement monophasé à une alternance présente un inter^t très limité.Par contre, il permet d'aborder simplement la plupart des problèmes posés par l'utilisation des convertisseurs statiques .

On doit noter ici que les phénomènes à l'ouverture et a la fermeture d'un circuit, peuvent être assez différents de ceux qu'une études simplifiée permet de prévoir.Par exemple, la représentation classique d'une bobine par une inductance constante et une résistance en série, ne permet pas de comprendre complétement l'allure des phénomènes, quand la tension subit une discontinuité.

Il faut donc tenir compte des capacités parasites et s'il y'a lieu des courants de FOUCAULT.

Pont de Graëtz à diodes

Article détaillé : Pont de diodes.

Pont de Graëtz à thyristors

Un redresseur double alternance triphasé à thyristors ou pont de Graëtz triphasé à thyristors est un redresseur permettant de redresser les courants délivrés par une source de tension triphasée. Le signal redressé a alors une fréquence six fois supérieure à celle des tensions d'entrée.

On considère le cas le plus simple : le redressement des courants délivrés par un générateur de tensions triphasées équilibrées débitant au travers d'un pont à thyristor sur une charge suffisamment inductive pour que le courant qui la traverse soit supposé ininterrompu (conduction ininterrompue)

Les tensions V_1 \,, V_2 \,, et V_3 \, sont les tensions entre phase et neutre et ont la même valeur efficace V \, donc toutes les tensions entre phases ont la même valeur efficace U = \sqrt 3 V \,

Le courant dans la charge est supposé constant et sa valeur efficace supposée égale à sa valeur moyenne est notée I_0 \,

Les propriétés des thyristors imposent que :

  • Lorsque les impulsions de gâchette existent
    • Parmi les thyristors Th1, Th3 et Th5, celui qui a le potentiel de son anode le plus positif conduit.
    • Parmi les thyristors Th2, Th4 et Th6, celui qui a le potentiel de sa cathode le plus négatif conduit.
  • Lorsque les impulsions de gâchette n'existent plus, les thyristors qui conduisaient avant l'arrêt des impulsions continuent de conduire tant qu'un autre thyristor n'est pas en mesure de prendre le relai en respectant les règles ci-dessus.

La valeur moyenne de la tension de sortie peut être calculée par la relation :

V_S = \frac{3U_{max}}{\pi}\cdot cos\alpha  \,

La période de V_S(t) \, est T/6 .

Structure quatre quadrants

Voir aussi

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Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

  • (fr)

Références

  1. Pour les démonstrations des résultats présentés ici, voir l'article correspondant sur la Wikiversité
  2. Pour les démonstrations des résultats présentés ici, voir l'article correspondant sur la Wikiversité
  3. Pour les démonstrations des résultats présentés ici, voir l'article correspondant sur la Wikiversité
  4. Voir la démonstration sur la Wikiversité


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