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Les Gradateurs
Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
113
LES CONVERTISSEURS AC/AC : LES GRADATEURS
Objectifs :
Savoir le principe de fonctionnement du gradateur.
Savoir tracer les différentes grandeurs d’entrés et de sorties d’un gradateur.
Savoir dimensionner et calculer un gradateur dans une installation.
Les Gradateurs
Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
114
1. Généralités
1.1.Définition
Un gradateur c’est un convertisseur statique qui produit un système de tension et courant
alternatifs variable à partir d’une source de tension alternative, sans en modifier la fréquence.
 L’intensité de courant du courant débité par la source est la même que celle absorbé
par le récepteur.
 La fréquence (f) est imposée par la source.
Un gradateur est un appareil de commande qui permet de contrôler la puissance absorbée par
un récepteur en régime alternatif.
Fig.7.1: Structure générale
1.2.Principe de fonctionnement
Le gradateur est un interrupteur qui permet d’établir et d’interrompre la liaison entre la source
et le récepteur. La tension aux bornes du récepteur évolue en fonction de la séquence de
commande de l’interrupteur.
1.3.Constitution
Généralement l’interrupteur est bidirectionnel en courant. Il se compose d’une partie
puissance et d’une partie commande intégrées dans le même bloc.
La partie puissance est constituée de deux thyristors montés « tête-bêche » pour les fortes
puissances supérieures à 10 kW, ou d’un triac pour les puissances inférieures.
La partie commande est constituée de divers circuits électroniques permettant d’élaborer les
signaux de commande des thyristors à partir d’un ordre de commande extérieur. Suivant les
types de gradateur, ce signal de commande sera de type tout ou rien (TOR) ou bien
analogique.
e
alternativ
tension
de
Source
Gradateurs
commande
et
Contrôle
fs
alterrnati
Récepteurs
ns
informatio
d'
Retour
Les Gradateurs
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Fig.7.2: Montage à deux thyristors en « tête-bêche »
Fig.7.3: Montage à triac
2. Gradateur monophasé à angle de phase
Il est alimenté par une tension sinusoïdale de valeur efficace constante, et fournit à la charge
une tension alternative non sinusoïdale de même fréquence que la tension d’alimentation,
mais de valeur efficace réglable.
2.1.Charge résistive
Fig.7.4: Gradateur monophasé sur R
Les impulsions de commande des gâchettes des thyristors sont générées périodiquement aux
instants successifs
w
α
t1  et
w
π
α
t2

 , comme le montre la figure7.5.
Récepteur
1
Th
2
Th
1
G
2
G
tension
de
Source
Récepteur
tension
de
Source
G
v
R
c
u
c
i
1
Th
2
Th
1
G
2
G
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100
200
300
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Temps(s)
v
&
uc
uc
v
Fig.7.5: Tensions des grandeurs « v » et uc
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Temps(s)
iG1
&
iG2
Fig.7.6 : Impulsions de commande « iG1 et iG2 » des thyristors Th1 et Th2
 Valeurs caractéristiques:
Tensions de charge efficace : c eff
α sin(2α)
(u ) =V. 1- +
π 2π
Courant efficace : eff
V α sin(2α)
(i) = . 1- +
R π 2π
Puissance moyenne :
2
ch moy
V α sin(2α)
(P ) = .(1- + )
R π 2π
Conclusion :
Lorsque l’angle d’amorçage varie de 0 à , la valeur efficace du courant varie aussi de son
maximum
R
V
Imax  à 0.
Les Gradateurs
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117
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0
2
4
6
8
(i)eff
 (rad)
Fig.7.7 : Courant efficace en fonction de ( )
2.2.Charge à caractère inductif
Le déphasage () du circuit de charge (R, L), réduit la variation de l’angle d’amorçage ( ).
Fig.7.8: Gradateur monophasé sur RL
v
R
c
u
c
i
L
1
Th
2
Th
1
G
2
G
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Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
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0
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uch
ich
vTh1
Fig.7.9: Allures de grandeurs (uch, ich et vTh1) pour  >
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0
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Temps(s)
uch
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vTh1
Fig.7.10: Allures de grandeurs (uch, ich et vTh1) pour  <
Les Gradateurs
Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
119
3. Gradateur monophasé à train d’ondes
3.1.Définition
C’est un convertisseur statique, qui est alimenté par une tension sinusoïdale de valeur efficace
constante, et fournit à la charge des salves de tension de manière à faire varier la valeur
efficace de la tension aux bornes de la charge.
3.2. Principe de fonctionnement
Dans ce type de gradateur, le signal envoyé sur l’entrée de commande du gradateur est de type
« TOR ». Le thyristor Th1 et le thyristor Th2 sont amorcés de manière continue pendant le
temps « Ton » et ils sont ensuite bloqués jusqu’à la fin de la période de modulation.
 Valeurs caractéristiques :
 Valeur efficace de la charge : β
V
)
(u eff
ch 
 Puissance moyenne dissipée dans la charge : .β
R
V
)
(P
2
moy
ch 
3.3.Domaine d’utilisation de ce genre de gradateur
 Chauffage.
 Utilisés sur des systèmes présentant une inertie thermique importante.
Avantage:
 La tension aux bornes de la charge est alternative sinusoïdale, donc le courant
absorbé l’est aussi. La présence d’harmonique de courant sera donc nulle.
 On a une relation linéaire entre la puissance moyenne dans la charge et le signal de
commande ().
Les Gradateurs
Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
120
4. Gradateur Triphasé
4.1.Constitution
Un gradateur triphasé est formé par trois gradateurs monophasés montés en étoile ou en
triangle.
4.2.Gradateur triphasé en amont
Fig.7.11: Montage étoile des récepteurs
Fig.7.12: Montage triangle des récepteurs
R
v
Charge
T
v
S
v
1
v
2
v
3
v
1
Th
1
Th'
2
Th
2
Th'
3
Th
3
Th'
R
v
Charge
T
v
S
v
1
v
2
v
3
v
1
Th
1
Th'
2
Th
2
Th'
3
Th
3
Th'
Les Gradateurs
Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
121
4.3.Gradateur triphasé en aval
Fig.7.13: Gradateur en étoile
Fig.7.14: Gradateur en triangle
R
v
T
v
S
v
1
Th
1
Th'
2
Th
2
Th'
3
Th
3
Th'
Charge
1
v
2
v
3
v
1
Th
1
Th'
2
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Th'
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Th
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Th'
R
v
T
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S
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Charge
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v
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Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
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4.4.Gradateur triphasé cas d’une charge résistive
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Temps(s)
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Fig.7.15: Allure de la tension (v1) « Mode1 »
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-400
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300
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Temps(s)
v1
Fig.7.16: Allure de la tension (v1) « Mode2 »
Les Gradateurs
Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
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0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
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Temps(s)
v1
Fig.7.17: Allure de la tension (v1) « Mode3 »
4.5.Gradateur triphasé cas d’une charge RL
Fig.7.18: Allure de la tension (v1) « Mode1 »
Les Gradateurs
Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
124
Fig.7.19: Allure de la tension (v1) « Mode2 »
5. Gradateur triphasé mixte
Fig.7.20 : Gradateur triphasé mixte
R
v
Charge
T
v
S
v
1
v
2
v
3
v
1
Th
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D
2
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2
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Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami
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Fig.7.21: Allure de la tension (v1) « Mode1 »
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Temps(s)
v1
Fig.7.22: Allure de la tension (v1) « Mode2 »
Les Gradateurs
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0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
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Fig.7.23: Allure de la tension (v1) « Mode3 »
6. Domaine d’utilisation des gradateurs
 Chauffage,
 Eclairage,
 Variation de la vitesse des moteurs alternatifs de faibles puissances (perceuse,
aspirateurs de quelques centaines de watts)
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200
300
400
Fig.7.24: Abaque pour gradateurs triphasés

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  • 1. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 113 LES CONVERTISSEURS AC/AC : LES GRADATEURS Objectifs : Savoir le principe de fonctionnement du gradateur. Savoir tracer les différentes grandeurs d’entrés et de sorties d’un gradateur. Savoir dimensionner et calculer un gradateur dans une installation.
  • 2. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 114 1. Généralités 1.1.Définition Un gradateur c’est un convertisseur statique qui produit un système de tension et courant alternatifs variable à partir d’une source de tension alternative, sans en modifier la fréquence.  L’intensité de courant du courant débité par la source est la même que celle absorbé par le récepteur.  La fréquence (f) est imposée par la source. Un gradateur est un appareil de commande qui permet de contrôler la puissance absorbée par un récepteur en régime alternatif. Fig.7.1: Structure générale 1.2.Principe de fonctionnement Le gradateur est un interrupteur qui permet d’établir et d’interrompre la liaison entre la source et le récepteur. La tension aux bornes du récepteur évolue en fonction de la séquence de commande de l’interrupteur. 1.3.Constitution Généralement l’interrupteur est bidirectionnel en courant. Il se compose d’une partie puissance et d’une partie commande intégrées dans le même bloc. La partie puissance est constituée de deux thyristors montés « tête-bêche » pour les fortes puissances supérieures à 10 kW, ou d’un triac pour les puissances inférieures. La partie commande est constituée de divers circuits électroniques permettant d’élaborer les signaux de commande des thyristors à partir d’un ordre de commande extérieur. Suivant les types de gradateur, ce signal de commande sera de type tout ou rien (TOR) ou bien analogique. e alternativ tension de Source Gradateurs commande et Contrôle fs alterrnati Récepteurs ns informatio d' Retour
  • 3. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 115 Fig.7.2: Montage à deux thyristors en « tête-bêche » Fig.7.3: Montage à triac 2. Gradateur monophasé à angle de phase Il est alimenté par une tension sinusoïdale de valeur efficace constante, et fournit à la charge une tension alternative non sinusoïdale de même fréquence que la tension d’alimentation, mais de valeur efficace réglable. 2.1.Charge résistive Fig.7.4: Gradateur monophasé sur R Les impulsions de commande des gâchettes des thyristors sont générées périodiquement aux instants successifs w α t1  et w π α t2   , comme le montre la figure7.5. Récepteur 1 Th 2 Th 1 G 2 G tension de Source Récepteur tension de Source G v R c u c i 1 Th 2 Th 1 G 2 G
  • 4. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 116 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Temps(s) v & uc uc v Fig.7.5: Tensions des grandeurs « v » et uc 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Temps(s) iG1 & iG2 Fig.7.6 : Impulsions de commande « iG1 et iG2 » des thyristors Th1 et Th2  Valeurs caractéristiques: Tensions de charge efficace : c eff α sin(2α) (u ) =V. 1- + π 2π Courant efficace : eff V α sin(2α) (i) = . 1- + R π 2π Puissance moyenne : 2 ch moy V α sin(2α) (P ) = .(1- + ) R π 2π Conclusion : Lorsque l’angle d’amorçage varie de 0 à , la valeur efficace du courant varie aussi de son maximum R V Imax  à 0.
  • 5. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 117 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 2 4 6 8 (i)eff  (rad) Fig.7.7 : Courant efficace en fonction de ( ) 2.2.Charge à caractère inductif Le déphasage () du circuit de charge (R, L), réduit la variation de l’angle d’amorçage ( ). Fig.7.8: Gradateur monophasé sur RL v R c u c i L 1 Th 2 Th 1 G 2 G
  • 6. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 118 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -500 0 500 Temps 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -10 0 10 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -500 0 500 uch ich vTh1 Fig.7.9: Allures de grandeurs (uch, ich et vTh1) pour  > 0 0.01 0.02 0.03 0.04 -500 0 500 0 0.01 0.02 0.03 0.04 -10 0 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 -500 0 500 Temps(s) uch ich vTh1 Fig.7.10: Allures de grandeurs (uch, ich et vTh1) pour  <
  • 7. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 119 3. Gradateur monophasé à train d’ondes 3.1.Définition C’est un convertisseur statique, qui est alimenté par une tension sinusoïdale de valeur efficace constante, et fournit à la charge des salves de tension de manière à faire varier la valeur efficace de la tension aux bornes de la charge. 3.2. Principe de fonctionnement Dans ce type de gradateur, le signal envoyé sur l’entrée de commande du gradateur est de type « TOR ». Le thyristor Th1 et le thyristor Th2 sont amorcés de manière continue pendant le temps « Ton » et ils sont ensuite bloqués jusqu’à la fin de la période de modulation.  Valeurs caractéristiques :  Valeur efficace de la charge : β V ) (u eff ch   Puissance moyenne dissipée dans la charge : .β R V ) (P 2 moy ch  3.3.Domaine d’utilisation de ce genre de gradateur  Chauffage.  Utilisés sur des systèmes présentant une inertie thermique importante. Avantage:  La tension aux bornes de la charge est alternative sinusoïdale, donc le courant absorbé l’est aussi. La présence d’harmonique de courant sera donc nulle.  On a une relation linéaire entre la puissance moyenne dans la charge et le signal de commande ().
  • 8. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 120 4. Gradateur Triphasé 4.1.Constitution Un gradateur triphasé est formé par trois gradateurs monophasés montés en étoile ou en triangle. 4.2.Gradateur triphasé en amont Fig.7.11: Montage étoile des récepteurs Fig.7.12: Montage triangle des récepteurs R v Charge T v S v 1 v 2 v 3 v 1 Th 1 Th' 2 Th 2 Th' 3 Th 3 Th' R v Charge T v S v 1 v 2 v 3 v 1 Th 1 Th' 2 Th 2 Th' 3 Th 3 Th'
  • 9. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 121 4.3.Gradateur triphasé en aval Fig.7.13: Gradateur en étoile Fig.7.14: Gradateur en triangle R v T v S v 1 Th 1 Th' 2 Th 2 Th' 3 Th 3 Th' Charge 1 v 2 v 3 v 1 Th 1 Th' 2 Th 2 Th' 3 Th 3 Th' R v T v S v Charge 1 v 2 v 3 v
  • 10. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 122 4.4.Gradateur triphasé cas d’une charge résistive 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Temps(s) v1 Fig.7.15: Allure de la tension (v1) « Mode1 » 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Temps(s) v1 Fig.7.16: Allure de la tension (v1) « Mode2 »
  • 11. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 123 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Temps(s) v1 Fig.7.17: Allure de la tension (v1) « Mode3 » 4.5.Gradateur triphasé cas d’une charge RL Fig.7.18: Allure de la tension (v1) « Mode1 »
  • 12. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 124 Fig.7.19: Allure de la tension (v1) « Mode2 » 5. Gradateur triphasé mixte Fig.7.20 : Gradateur triphasé mixte R v Charge T v S v 1 v 2 v 3 v 1 Th 1 D 2 Th 2 D 3 Th 3 D
  • 13. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 125 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Temps(s) v1 Fig.7.21: Allure de la tension (v1) « Mode1 » 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Temps(s) v1 Fig.7.22: Allure de la tension (v1) « Mode2 »
  • 14. Les Gradateurs Cours d’électronique de puissance Proposé par Mr: SOYED-Abdessami 126 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Temps(s) v1 Fig.7.23: Allure de la tension (v1) « Mode3 » 6. Domaine d’utilisation des gradateurs  Chauffage,  Eclairage,  Variation de la vitesse des moteurs alternatifs de faibles puissances (perceuse, aspirateurs de quelques centaines de watts) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Fig.7.24: Abaque pour gradateurs triphasés