Le document présente un cours sur l'électronique de puissance et la variation de vitesse des moteurs électriques, abordant les notions de base, les composants, et les convertisseurs statiques tels que les redresseurs et les onduleurs. Les objectifs incluent l'optimisation de l'énergie, l'étude des cycles de fonctionnement, et la caractérisation des interrupteurs électroniques. De plus, il traite des fonctions des variateurs de vitesse et de la gestion des harmoniques dans les systèmes électriques.

1. UNIVERSITÉ HASSAN 1er – SETTAT
Faculté des Sciences et Techniques
LP : Automation Industrielle
Dr. Mourad ZEGRARI
Chapitre
ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE
VARIATION DE VITESSE

2. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
2
Objectifs du cours
 Acquérir les notions de base sur la variation de vitesse.
 Caractériser les composants de l’électronique de puissance.
 Analyser les principaux convertisseurs statiques : Redresseurs,
Hacheurs, Onduleurs, Gradateurs.
 Étudier les procédés de variation de vitesse des moteurs électriques.

3. Dr. Mourad ZEGRARI
1
Chapitre
ÉLÉMENTS DE LA VARIATION DE
VITESSE DES MACHINES ÉLECTRIQUES

4. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
4
Plan
 Intérêt de la variation de vitesse.
 Composantes d’un système de variation de vitesse.
 Convertisseurs statiques de l’électronique de puissance.
 Caractérisation des interrupteurs électroniques.
 Structures de base des convertisseurs statiques.
 Pollution harmonique et facteur de puissance.

5. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
Cycles de fonctionnement dans les unités industrielles :
 Variation de vitesse intermittente
La variation n’est pas une nécessité absolue, c’est une phase
intermédiaire de fonctionnement (pompes, compresseurs).
 Variation de vitesse continue
L’application envisagée nécessite un fonctionnement à vitesse
variable (traction, machines-outils, enrouleurs)
5
Intérêt de la variation de vitesse
© M. ZEGRARI
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs

6. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
 Entraînement à vitesse constante
Couple résistant de la pompe Tr et puissance Pm constantes.
Réduction de débit de 20% :
Baisse du rendement :
6
unun P8.0PD8.0D 
an
un
n
a
u
P
P
P
P

Optimisation de l’énergie
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Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs

7. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
 Entraînement à vitesse variable
Couple résistant de la pompe :
Réduction du débit de 20% :
Puissance en mode réduit :
7
nn 8.0D8.0D 
2
nrr kT 
3
nrnrn kTP 
n
3
n
3
r P5.08.0kP 
Réduction
de 50%
Optimisation de l’énergie
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Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs

8. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
8
 Entraînement à vitesse constante
• Baisse de rendement.
• Coût élevé.
• Mauvaise précision.
Optimisation des protocoles
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Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs

9. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
9
nn 8.0D8.0D 
2
nrr kT 
 Entraînement à vitesse variable
• Grande souplesse.
• Meilleure précision.
Optimisation des protocoles
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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10. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
10
Exemples d’optimisation
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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11. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
11
Techniques de variation de vitesse
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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12. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
12
Schéma synoptique d’un système d’entraînement électromécanique :
Équation fondamentale de mouvement :
dt
dΩ
JTT rm 
Moteurs
d’entraînement
Charges
mécaniques
Composantes d’un moto-variateur
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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Variateur Moteur Réducteur ChargeSource
Commande
Vs Va
Tm Tc
m c
Capteur
Cosigne
Régulateur

13. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
13
Évolution de la vitesse en fonction du temps :
Étude des phases de démarrage et de freinage.
Cycle de vitesse : profil
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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14. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
14
• Couple de démarrage :
• Couple d’accélération :
ard TTT 
a
a
t60
N2
J
dt
d
JT




Cycle de vitesse : Accélération
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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15. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
15
• Couple de ralentissement :
• Couple de freinage :
r
rra
t60
N2
J
dt
d
JTT




f
frarrêt
t60
N2
JTTT


Cycle de vitesse : Décélération
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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16. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
16
 Accélération et décélération contrôlées.
 Variation de vitesse.
 Régulation de vitesse.
 Inversion du sens de marche.
 Protections intégrées.
 État du moteur (courant, tension, couple, vitesse, température)
Fonctions d’un variateur de vitesse
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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17. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
17
 Communication et supervisions ;
 Alarmes et diagnostic avancé ;
 Cartes multi-moteur
Fonctions évoluées
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
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Ethernet
Control net
Device net
Power Flex 700S - Allen Bradley Altivar ATV58H - Télémécanique

18. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
18
Fonctions des variateurs évolués
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
© M. ZEGRARI
Système de commutation des pompes

19. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
19
 Modifier la nature des grandeurs électrique (CC-CA).
 Régler la puissance d’un système électrique.
 Assurer conjointement, en cas de besoin, la modification de la nature
et le réglage de la puissance électrique.
Fonctions des convertisseurs
Source de l’énergie
électrique
Convertisseur
Statique
Utilisation de
l’énergie électrique
Non réversible
Réversible
(CC ou CA) (CC ou CA)
Variateurs Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseurs

20. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
20
Classification des convertisseurs
Redresseurs
Gradateurs
Hacheurs
Onduleurs
Charge CC
Charge CA
Source CA
Source CC
+
-
Charge CA
Charge CC
• Chargeurs de batterie.
• Commande des moteurs cc.
• Systèmes d’alimentation.
• Gradateurs de lumière.
• Démarreurs électroniques.
• Variateurs de vitesse à MAS.
• Abaisseur-élévateur (tension).
• Alimentation à découpage.
• Commande des MCC.
• Alimentation sans interruption
• Fours industriels.
• Commande des MAS.
Variateurs Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseurs

21. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
21
Un convertisseur statique comporte essentiellement :
 Des interrupteurs électroniques fonctionnant, de manière périodique,
en régime de commutation (tout ou rien).
 Des éléments réactifs (inductances et/ou condensateurs) permettant
le stockage intermédiaire de l’énergie électrique.
Convertisseur
Statique
Source
d’entrée
ie
Commande
Structure des convertisseurs statiques
is
Source
de sortie
ve vs
Variateurs Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseurs

22. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
22
 Dispositifs à semi-conducteurs …
• Diodes.
• Thyristors et triacs.
• Transistors (BJT, MOSFET, IGBT)
 … adaptés aux dispositifs de puissances
• Courants et tensions élevés.
• Phénomènes de commutation (limites en tension et en courant).
Types des interrupteurs
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

23. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
23
Interrupteur à 2 électrodes : Anode (A), Cathode (K)
• Conduction : VAK > 0 (conduction spontanée)
• Blocage : IA = 0 (blocage spontané)
Diode (D) : caractéristiques
Symbole
VAK
IA
Conduction
en direct
Blocage
en inverse
Caractéristique v-i
A
K
VAK
IA
Diode de puissance
Date1954
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

24. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
24
Interrupteur à 3 électrodes : Anode (A), Cathode (K), Gâchette (G)
• Amorçage : VAK > 0 ET IG > 0 (amorçage commandé)
• Blocage : IA < IH OU VAK << 0 (blocage spontané)
Thyristor (SCR) : caractéristiques
Symbole
VAK
IA
Conduction
en direct
Blocage
en inverse
Caractéristique v-i
A
K
VAK
IA
Thyristor de puissance
BTW 48A-1200V
IG
Blocage
en direct
Date1962
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

25. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
25
Le Circuit d’Aide à La Commutation (CALC) permet de protéger contre :
 Les variations importantes de la tension (dv/dt) par un circuit RC.
 Les variations importantes du courant (di/dt) par une inductance L.
Thyristor : Circuit de protection
L
RTh D
C
• Th : thyristor à protéger.
• L : inductance pour protéger contre les (di/dt).
• C : condensateur pour protéger contre les (dv/dt).
• R : protège le thyristor pendant la décharge de C.
• D : permet la charge rapide du condensateur.
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

26. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
26
Variante du thyristor rapide complètement commandé par sa gâchette :
 Amorçage : maintenir un courant IG > 0.
 Blocage : maintenir un courant IG < 0.
Utilisation
Convertisseurs de forte puissance (jusqu’à 10 kV et 5 000 A). Toutefois,
en raison des progrès des IGBT, leur part de marché tend à décroître.
Thyristor GTO (Gate Turn-Off)
Date1962
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

27. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
27
Interrupteur à 3 électrodes : Base (B), Collecteur (E), Emetteur (E)
• Amorçage : VCE > 0 ET IB > 0 (amorçage commandé)
• Blocage : IB = 0 OU VCE << 0 (blocage commandé)
Transistor bipolaire (BJT) : caractéristiques
Symbole
VCE
IC
Conduction en direct
Caractéristique v-i
C
E
VCE
IC
Transistor bipolaire
TIP 3055 – TO 218
IB
Blocage
en direct
B
Date1968
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

28. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
28
Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Drain (D), Source (S)
• Amorçage : VDS > 0 ET VGS > 0 (amorçage commandé)
• Blocage : VGS  0 (blocage commandé)
Transistor à effet de champ (MOS-FET)
Symbole
VDS
ID
Conduction
en direct
Caractéristique v-i
D
S
VDS
ID
Transistor MOS-FET
en pont
IB
Blocage
en direct
G
Date1963
VGS
Conduction
en inverse
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

29. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
29
Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Collecteur (E), Emetteur (E)
• Amorçage : VCE > 0 ET VGE > 0 (amorçage commandé)
• Blocage : VGE  0 (blocage commandé)
Transistor à grille isolée (IGBT)
Symbole
VCE
IC
Conduction
en direct
Caractéristique v-i
C
E
VCE
IC
Transistor IGBT
400 V - 12 A
VGE
Blocage
en direct
G
Date1995
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

30. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
30
Dans le plan (vk, ik), le point de fonctionnement décrit un cycle au
cours d'une période. Les modes de commutation se déduisent alors
de ses positions initiales et finales.
Choix d’un interrupteur
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

31. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
31
Amorçage
Blocage
Spontané Commandé
Spontané  Diodes  Thyristors
Commandé
 Thyristor dual
 Transistor
 Thyristor avec circuit
d’e blocage.
Tableau de synthèse
Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs

32. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
32
• Source de tension
• Source de courant
Caractérisation des sources
Circuit
actif
vsC Source de tension
Circuit
actif
is Source de courant
Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

33. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
33
Le convertisseur statique connecte deux sources par l’intermédiaire des
interrupteurs électroniques.
Les règles d’interconnexion des sources sont :
1. Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée, mais elle
peut être ouverte.
2. Une source de courant ne doit jamais être ouverte, mais elle peut
être court-circuitée.
3. Ne jamais connecter entre elles deux sources de même nature.
4. On ne peut connecter directement que deux sources de natures
différentes.
Règles d’interconnexion des sources
Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

34. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
34
Elle met en liaison une source de tension avec une source de courant.
Séquences
Configuration de base
Conception des convertisseurs directs
Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

35. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
35
1ère Structure : Modifier la nature de l’une des sources.
L’élément de stockage est placé à l’extérieur du convertisseur.
Conception des convertisseurs indirects
Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

36. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
36
2ème Structure : Utiliser deux convertisseurs directs intercalés.
L’élément de stockage fait partie du convertisseur global.
Conception des convertisseurs indirects
Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques

37. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
37
En pratique, les convertisseurs statiques sont le plus souvent alimentés
par des sources de tensions sinusoïdales 1~ ou 3~ :
Le courants absorbé est périodique (T)
mais non sinusoïdal :
 Courant moyen :
 Courant efficace :
Fonctionnement non linéaire
Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs
tT
vs
is
Pulsation :  = 2f = 2/T
is
vs
Dipôle
non-linéaire

38. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
38
La décomposition en série de Fourrier du courant donne :
Où : et
Notion d’harmoniques
• si la fonction est paire, les coefficients bn sont nuls.
• si la fonction est impaire, les coefficients an sont nuls.
• si la fonction est symétrique, les termes d’indices pairs sont nuls.
• le terme d’indice n = 1 est appelé fondamental. Les autres
termes sont désignés « harmoniques »
Propriétés
générales
Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs

39. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
39
En électronique de puissance, le courant est non sinusoïdal et déphasé
de  par rapport à la tension d’alimentation :
Représentation spectrale
• termes an nuls.
• coefficients In = bn/2
tT
vs
is
f 2f 3f 4f 5f nf
Fréquence
Fondamental Harmoniques
0
I1
I2
I3
I4
I5 In
Courant efficace :
Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs

40. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
40
Nous définissons les puissances suivantes :
 Puissance active :
 Puissance réactive :
 Puissance apparente :
 Puissance déformante :
Puissances effectives
Puissance due uniquement au fondamental I1 du courant is.
Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs

41. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
41
Le fonctionnement en mode non-linéaire met en évidence :
 Facteur de puissance :
 Facteur de déplacement :
 Taux de Distorsion Harmonique du courant :
 Facteur de crête du courant source absorbé :
Grandeurs caractéristiques
Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs

42. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
42
La présence des harmoniques du courant absorbé par un convertisseur
provoque les effets suivants :
 Diminution du facteur de puissance (à cause de la puissance D).
 Augmentation des pertes Joule (effet accentué par l’effet de peau).
 Augmentation des pertes magnétiques.
 Déclassement des appareils alimentés (moteurs, transformateurs, etc.)
 Création de courants homopolaires dans la ligne neutre.
Effets de la pollution harmonique
Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs

43. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
43
Les effets des harmoniques peuvent être réduit par :
 Connexion sur des réseaux HTA (moyenne tension) ou HTB (haute
tension) moins sensibles à la pollution harmonique.
 Utilisation d’un filtre passif (par circuit RLC placé en parallèle).
 Utilisation d’un filtre actif (onduleur) permettant d’absorber la
composante polluante du courant fourni par le réseau.
 Synthèse de convertisseurs avec des commandes particulières, de
façon à compenser les effets des harmoniques.
Compensation des harmoniques
Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs

44. Dr. Mourad ZEGRARI
2
Chapitre
REDRESSEURS – HACHEURS
VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CC

45. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
45
Plan
 Montages Redresseurs Non commandés à diodes.
 Montages Redresseurs Commandés à thyristors.
 Montages Hacheurs à 1 quadrant.
 Montages Hacheurs à 2 et 4 quadrants.
 Variateurs de vitesse des moteurs à courant continu.

46. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
46
Conversion d’une source CA en une source CC :
 Facteur de forme :
 Facteur d’ondulation :
Redresseur
•Interrupteurs
•Éléments LC
Source
alternative
Charge
ica icc
vca vcc
Principe
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
)moy(v
)eff(v
FF
cc
cc

   
1²FF
)moy(v
²)moy(v²)eff(v
FO
cc
cccc




47. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
47
 Grandeurs caractéristiques
 Performances
FF = 1.11
FO = 48.2%
D1
R
iS
iCC
iD1
Tr
vCCvS
D3
D2 D4
ip
vp
D2 – D3D1 – D4
iD1, iD4
ωt
π 2π
vS
vCC
ωt
vCC(moy)
iCC
ωt
iCC(moy)
Vm
Im
ωt
pcc = vcc icc
Pm
pCC(moy)
iD2, iD3
D1 – D4
m
cc
2V
v (moy)

cc m
cc
v (moy) 2V
i (moy)
R R
 

m
cc
V
v (eff)
2
 m
cc
I
i (eff)
2

Pont monophasé : PD1
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

48. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
48
m
cc
2V
v (moy)

D1
R
iS
iCC
iD1
Tr
vCCvS
D3
D2 D4
ip
vp
L
Charge très
inductive
D1 – D4
ωt
 conduction
iCC
ωt
iCC(moy)
π
vCC
ωt
vCC(moy)Vm
2π
2π
D1 – D4D2 – D3
π
 Tension vcc doublement redressée.
 Courant icc pratiquement constant.
cc
cc
v (moy)
i (moy)
R

iD1
iS
ωt
Pont monophasé : PD1
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

49. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
49
 Tension moyenne dans la charge :
 Ondulations du courant négligeables :
 cc m
3 3
v moy V
2


D1
ia
icc
A
vcc
D2 D3vAN
vBN
vCN
B
C
ib
ic
N
Source
triphasée
équilibrée R
L
Charge très
inductive
Vm
D2D1
ωt
vAN
π 2π
vCC
ωt
vCC(moy)
iCC
ωt
iCC(moy)
ωt
D3
vBN vCN
ωt
ωt
ia
ib
ic
    tecc
cc C
R
moyv
moyi 
Pont Simple Triphasé : PS3
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

50. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
50
Tension vcc composée des sections les
plus positives et les plus négatives :
vcc = vXN - vYN
D1
R
ia
icc
A
vcc
D2 D3vAN
vBN
vCN
B
C
ib
ic
N
Source
triphasée
équilibrée
Vm
ωt
vAN
π 2π
ωt
vXN
ωt
vBN vCN
ωt
ia
 cc m
3 3
v moy V

D4 D6D5
vYN
vCC(moy)
vCC = vXN - vYN
1.73 Vm
X
Y
 
 cc
cc
v moy
i moy
R

Pont Double Triphasé : PD3
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

51. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
51
 Principe
• L’élément redresseur est un thyristor amorcé à partir d’un circuit
d’allumage ;
• La tension obtenue est continue et réglable.
 Structures
• Redressement simple ou double alternance ;
• Source monophasée ou triphasée ;
• Emploi d’un pont tout thyristors ou mixte.
Redresseurs commandés
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

52. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
52
T1
R
iS
icc
Tr
vCCvS
T3
T2 T4
ip
vp
Charge
résistive
Circuit
d’allumage
G1 G2 G3 G4
T2–T3T1–T4
ωt
π 2π
vS
vCC
ωt
vCC(moy)
iCC
ωt
iCC(moy)
Vm
T1–T4
   

 cos1
V
moyv m
cc    
R
moyv
moyi cc
cc 

Angle de conduction : θcond =  – 
Valeurs moyennes :
Im
iT1
iS
ωt
ωt
Pont commandé PD1
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

53. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
53
T2–T3T1–T4
ωt
π 2π
vS
vCC
ωt
vCC(moy)
iCC
ωt
iCC(moy)
Vm
Im
ωt
Pm
pCC(moy)
T1–T4
  m
cc
2V
v moy cos 

 
 cc
cc 0
v moy
i moy I
R
 
  m 0
cc
2V I
p moy cos 


Les caractéristiques électriques sont :
Courbes de variation de vcc(moy) et P :
m2V


vCC(moy)

pCC(moy)
P0
pcc  0
Redresseur
pcc  0
Onduleur
 /2/2
 
   
cc
p
s s
p moy 2 2
F cos
v eff i eff
  
 
Pont commandé : marche en onduleur
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

54. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
54
Vm
T2T1
ωt
vAN
π 2π
vCC
ωt
vCC(moy)
iCC
ωt
iCC(moy)
ωt
T3 T1
vBN vCN
ωt
ωt
ia
ib
ic
T1
R
ia
icc
A
vcc
T2 T3vAN
vBN
vCN
B
C
ib
ic
N
Source
triphasée
équilibrée
Sections les plus positives :
 Conduction continue : 0    30°
 Conduction discontinue : 30°  
 cc m
3 3
v moy V cos
2
 

  m
cc
3V
v moy 1 cos
2 6
  
        
Pont commandé PS3
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

55. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
55
On converti une source CC fixe à une source CC variable.
 Hacheur dévolteur : Vcc > Vch
 Hacheur survolteur : Vcc < Vch
Source
continue
Charge
continueHacheurVcc Vch
icc ich
Tension continue variable
Tension continue fixe
Montage Hacheur
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

56. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
56
Un transistor de puissance
fonctionnant en commutation
T
Commande
Un thyristor de puissance avec un
circuit de blocage
T
Blocage
t
vcomSignal de
commande
Source
VCC vCh
D
icc
T
Hacheur Charge
L’interrupteur "T" peut être :
Réalisation des interrupteurs
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

57. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
57
 Temps de conduction : tON
 Temps de blocage : tOFF
 Période de hachage : Ts = tON + tOFF
 Rapport cyclique :  = tON / Ts
tON = α Ts
tOFF = (1 – α) Ts
Source Charge
VCC
icc
iD
iR
iC
vRvC
L
D RC
T
iL
vF
Hacheur Filtre
tON tOFF
Ts = 1/fs
t
vCOM
Signal de
commande
Hacheur dévolteur (série)
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

58. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
58
 Phase de conduction
vF = Vcc
vL = Vcc - VR
iL = iT
iD = 0
 Phase de récupération
vF = 0
vL = - VR
iL = iD
iT = 0
VCC
icc = iL
iD = 0
iR
iC
vRvC
L
D
RC
T iL
vF = Vcc
vL
VCC
icc= 0
iD= iL
iR
iC
vRvC
L
D
RC
T
iL
vF= 0
vL
Phases de fonctionnement
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheur non réversible en courant et en tension (1Q)

59. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
59
 Courant iL ininterrompu
(L suffisamment grande).
 Tension vR constante
(C suffisamment grande).
0 t
vF
vcc
tON tOFF
vF(moy)
0 tvL
(1-α)vcc
-αvcc
0 t
iL ΔI iL(moy)
0 t
iT
0 t
iD
  ccFR Vmoyvv 
 F ccv moy V 
 Lv moy 0
0

VR
Vcc
1
Formes d’onde
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

60. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
60
 Ondulation du courant iL
 Ondulation de la tension vR
 
  cc
L min
1 V
i t t I
L

 
  s
cc
ON
Rcc
T
L
V
1t
L
VV
I 


 
R
V
R
V
moyi ccR
L


0 t
vF
vcc
tON tOFF
vF(moy)
0 tvL
(1-α)vcc
-αvcc
0 t
iL ΔI iL(moy)
0 t
vC ΔV
VC(moy) 
 
2cc
2s
s
R cc
1 V
T 1 TV 8 LC
V V 8 LC
  
   
  

Filtre de sortie
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés

61. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
61
Source Charge
VCC
icc iD iR
iC
vRvC
L D
RCT
iL
vL
Hacheur Filtre
iT
 Tension de sortie :
 Ondulation de courant :
Hacheur Survolteur (parallèle)
Hacheurs
réversibles
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
1 Quadrant
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
cccc
OFF
s
R V
1
1
V
t
T
v


0

VR/Vcc
1
1
2
3
4
5
0.5
s
cc
ON
cc
T
L
V
t
L
V
I 

62. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
62
Combinaison de 2 hacheurs (série et parallèle) avec un sens de rotation :
 Hacheur série : Fonctionnement en moteur.
 Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération.
Source
VCC
icc
L
D1
R
T1
ia1
Hacheur dévolteur Moteur CC
E
Source
VCC
icc
L
T2
RD2
ia2
Hacheur survolteur Moteur CC
E
Source
VCC
icc
L
R
Moteur CC
E
T2
T1
ia
Hacheur 2Q
D2
D1
Hacheur réversible en I (2Q)
Variateurs de
vitesse
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Hacheurs
réversibles

63. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
63
Combinaison de 2 hacheurs avec inversion du sens de rotation :
 Hacheur série : Fonctionnement en moteur.
 Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération.
Source
VCC
icc
L
D3
R
T3
ia1
Hacheur dévolteur Moteur CC
E
Source
VCC
icc
L
T2
RD2
ia2
Hacheur survolteur Moteur CC
E
Source
VCC
icc
L
R
Moteur CC
E
ia
T2
T3
Hacheur 2Q
D2
D3
Hacheur réversible en V (2Q)
Variateurs de
vitesse
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Hacheurs
réversibles

64. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
64
Combinaison de deux hacheurs à 2 quadrants (dévolteur-survolteur) :
 Hacheur à 4 Quadrants réversible en courant et en tension.
Source
VCC
is
LR
Moteur CC
E
ia
T2
T1
Hacheur 2Q
D1
D2 D4
T3
Hacheur 2Q
D3
T4va
Hacheur réversible en V et en I (4Q)
Variateurs de
vitesse
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Hacheurs
réversibles

65. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
65
 Tension moyenne :
Forme bipolaire de la tension.
0 tva
vcc
- vcc
0 t
ia ΔI ia(moy)
0 t
is
   a ccv moy 2 1 V 
0 
+Vcc
1
-Vcc
0.5
va
Hacheur 4Q : caractéristiques
Variateurs de
vitesse
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Hacheurs
réversibles

66. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
66
Équations simplifiés :
Expression de la vitesse :
Caractéristique mécanique :
Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().
Paramètres de variation de la vitesse :
 Résistance d’induit : Ra
 Flux inducteur : 
 Tension d’alimentation : Va
 
a a a a a
em v em2
V R I V R
T mT
K K K

     
  
a
v
V
K
 
  
a
2
R
m
K


v emmT   
Variation de vitesse des moteurs cc
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles

67. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
67
Procédure :
Placer une résistance Rv en série avec l’induit.
Mode de variation :
 Vitesse à vide v inchangée.
 Modification de la pente m de la
caractéristique mécanique. 1
Tr
Tem

v
 
a v
2
R R
m
K



a
v
V
K
 

Ra1Ra2Ra3
3 2
Entraînement à couple résistant constant
Action sur la résistance d’induit
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles

68. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
68
Procédure :
Varier le courant inducteur Ie d’excitation.
Mode de variation :
 Modification de la vitesse à vide v.
 Modification de la pente m de la
caractéristique mécanique.
Tr
Tem

 
a
2
R
m
K


a
v
V
K
 
 1 2 3
v1 v2
Entraînement à couple résistant constant
v3
Action sur le flux inducteur
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles

69. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
69
Procédure :
Varier la tension Va d’alimentation de l’induit.
Mode de variation :
 Vitesse à vide v déplacée.
 Pente m de la caractéristique mécanique
reste inchangée.
Tr
Tem

v1
 
a
2
R
m
K


a
v
V
K
 
 Va1Va2Va3
v3 v2
Entraînement à couple résistant constant
Action sur la tension d’alimentation
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles

70. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
70
Équation de la vitesse :
Courbes paramétrées en tension. Courbes paramétrées en couple.
 
a a
em v em2
V R
T mT
K K
    
 
Tem

v1
Va1
Va2
Va3
v3
v2
Va

Tm1 Tm2 Tm3
Action sur la tension d’alimentation
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles

71. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
71
Plusieurs critères sont à prendre en considération :
 Nature de la source d’énergie (continue ou alternative)
 Inversion du sens de rotation
 Charge entraînante ou non
 Mode de freinage (naturel ou forcé)
 Gamme de puissance du moteur
 Mode de commande du moteur
(en couple ou en vitesse)
Structure des variateurs MCC
Tem (Ia)
 (Va)
Q1
Moteur
Q4
Génératrice
Q3
Moteur
Q2
Génératrice
© M. ZEGRARI

72. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
72
Redresseur
À Diodes
Hacheur
Réseau
Alternatif
Redresseur Commandé
À Thyristors
Convertisseur Direct
MCC
Variateurs de vitesse pour MCC
Réseau
Alternatif
Convertisseur Indirect
Hacheur
Convertisseur Direct
Réseau
Continu
MCC
MCC
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles

73. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
73
Hacheur 4 quadrants
Pont en H réversible en
courant et en tension.
VCC
icc
ia
T2
T1 D1
D2 D4
T3D3
T4
va
MCC
M
A
C
B
A
B
C
LS
LS L
L
Double pont redresseur SCR
Redresseurs à thyristors
réversibles montés en inverse.
Modes de variation de la tension
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles

74. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
74
P < 5 kW
Double pont PD2 completPont PD2 mixte

Tem
Q1

Tem
Q1
Q4
Q2
Q3
Source Schneider Électrique gamme Rectivar
Alimentation par réseau monophasé
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

75. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
75
P > 5 kW
Double pont PD3 completPont PD3 mixte

Tem
Q1

Tem
Q1
Q4
Q2
Q3
Source Schneider Électrique gamme Rectivar
Alimentation par réseau triphasé
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

76. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
76
Réseau M
=
DRL
Th2Th1
D1 D2
Schéma de principe :
 Les interrupteurs statiques sont unidirectionnels en courant (non
réversible en couple).
 Un seul sens de rotation.
 1 quadrant de fonctionnement (Q1).
 Aucune contrainte de freinage.
Montage avec pont mixte
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

77. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
77
Pour inverser le sens de rotation, il faut croiser les connexions
sur le moteur (inversion de polarité) à l’aide d’un contacteur :
Réseau M
=
DRL
Th2
Th1
D1 D2
 2 quadrants de fonctionnement (Q1 et Q3).
 Les conclusions précédentes restent identiques.
 Industriellement, on utilise un pont mixte avec des blocs intégrés.
Montage avec pont mixte
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

78. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
78
Réseau M
=
Th2
Th1
Th3 Th4
Nous utilisons le schéma suivant :
 Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant.
 Nous obtenons 2 sens de rotation.
 Fonctionnement sur 2 quadrants (Q1 et Q2).
 Freinage statique (Q°2).
Montage avec pont complet
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

79. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
79
Première solution : croiser les connexions par contacteur
Solution peu retenue industriellement  pas de freinage dynamique.
 Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant
 2 sens de rotation.
 4 quadrants de fonctionnement.
 Freinage statique (quadrants Q2 et Q4).
Inversion du sens de marche
Réseau M
=
Th2
Th1
Th3 Th4
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

80. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
80
Deuxième solution : ajouter un deuxième pont en tête-bêche.
 Les interrupteurs composés sont bidirectionnels en courant
 2 sens de rotation.
 4 quadrants de fonctionnement.
 Freinage statique et dynamique (quadrant Q2 et Q4).
 Solution rentable en cas de récupération de l’énergie.
Inversion du sens de marche
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
Réseau M
=
Th2Th1
Th3 Th4
Réseau
T’h2T’h1
T’h3 T’h4
© M. ZEGRARI

81. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
81
Alimentation par source continue
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI
Redresseur
À Diodes
Hacheur
MCC
Réseau
Alternatif
Convertisseur Indirect
Hacheur
Convertisseur Direct
Réseau
Continu
MCC
Le réseau continu provient :
- soit de batteries
- soit d’un redresseur à diode

82. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
82
Type de hacheur : Série
 Pas de freinage : Q1  Hacheur non réversible en courant.
 Avec freinage : Q1 - Q2  Hacheur réversible en courant (condition à
satisfaire par les interrupteurs et par la source).
Fonctionnement à 1 sens de rotation
Tem

Q2 Q1
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
MoteurGénératrice
© M. ZEGRARI

83. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
83
Type de hacheur : Pont
 Réversibilité en tension (vitesse) et en courant (couple).
 Freinage assuré dans les deux sens de rotation.
 Les interrupteurs statiques doivent être bidirectionnels en courant.
Fonctionnement à 2 sens de rotation
Tem

Q2 Q1
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
MoteurGénératrice
Q4Q3
Moteur Génératrice
© M. ZEGRARI

84. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
84
Afin de freiner le mouvement du moteur, il faut pour dissiper l’énergie
cinétique (inertie) emmagasinée par le rotor et la charge.
Plusieurs solutions sont possibles :
 Freinage mécanique (non abordé dans ce chapitre)
 Utilisation d’un module de freinage (résistance électrique) pour faire
débiter la machine cc.
 Renvoi de l’énergie dans la source d’alimentation.
Freinage des moteurs cc
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

85. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
85
Réseau M
=
DRL
Th2Th1
D1 D2
Module de
freinage
 Aucune possibilité de freinage par le variateur.
 Ajouter un module de freinage.
Commande par pont mixte
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

86. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
86
 Fonctionnement aux quadrants Q1 et Q2 : Freinage par inversion
de la tension (renvoi de l’énergie sur le réseau).
Réseau M
=
Th2
Th1
Th3
Th4
Module de
freinage
 Par contre, la réversibilité en courant n’est pas possible.
Solution : Rajouter un module de freinage : quadrants Q2 et Q4.
Commande par pont complet
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

87. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
87
Commande
VaM
DRL
Ia
Vcc
T
 Freinage possible sans modification de la structure si l’interrupteur
statique et la source sont réversibles en courant.
 Dans le cas d’une impossibilité de la réversibilité de la source on
rajoute un module de freinage
 Il faut alors surveiller la tension aux bornes de la source afin qu’elle
ne devienne pas trop importante (tenue des composants en tension).
Commande par Hacheur série
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
© M. ZEGRARI

88. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
88
Commande par Hacheur en pont
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non commandés
Hacheurs
1 Quadrant
Variateurs de
vitesse
Hacheurs
réversibles
 Freinage possible sans modification de la structure à condition que :
• les interrupteurs statiques soient réversibles en courant.
• La source d’alimentation soit réversible en courant.
 En cas de non réversibilité de la source (cas fréquent en industrie), le
freinage peut être réalisé par un module de freinage placé aux
bornes de la source.
© M. ZEGRARI

89. Dr. Mourad ZEGRARI
3
Chapitre
GRADATEURS – ONDULEURS
VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CA

90. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
90
Plan
 Montages Gradateurs à contrôle de phase.
 Montages Gradateurs à ondes entières.
 Montages Onduleurs monophasés.
 Montages Onduleurs triphasés.
 Variateurs de vitesse des moteurs à courant alternatif.

91. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
91
Conversion d’une source CA en une source CC réglable en puissance :
 Réglage par contrôle de phase : Découpage de l’onde de la source.
 Réglage par train d’ondes entières.
GradateurSource
alternative
Charge
ica ica
vca vca
Principe
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

92. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
92
Le contrôle de la valeur efficace de la sortie s’effectue par modification
de l’angle de retard à l’amorçage de 2 thyristors en tête-bêche.
Tension efficace :
Gradateur
VAN
Charge 

vch
t
N
VCh
Gradateur monophasé
    



2
2/2sin
Veffv mch
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Pour un récepteur inductif :
  

93. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
93
Les dispositifs utilisés sont à base de triacs ou de thyristors :
Gradateur triphasé
A
B
C
La difficulté de réglage apparaît quand le déphasage  varie avec
l'état de la charge, ce qui est le cas pour un moteur asynchrone.
Gradateur triphasé
Charge
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

94. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
94
Fonctionnement
 Variation de la valeur efficace de la
tension Vs par réglage de l’angle de
retard à l’amorçage des thyristors.
 Intégration des fonctions de
protections et de contrôle avancées
(exemple : Démarreur SMC-3).
Gradateur
Q
RT
L1 L2 L3
KML
W
MAS
U V
Application : Démarreur pour MAS
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

95. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
95
La tension fournie par un montage gradateur présente des
harmoniques de valeur importante :

1
0.5
90 1800
V1 / Vs
u = 90°

0.4
0.3
0.2
0.1
90 1800
V3 / V1
30°
u = 90°
60°
0°
u = 0°
Fondamentale Harmonique 3
Problème des harmoniques
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

96. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
96
La présence des harmoniques entraine des pertes en puissance.
75
50
25
0.50 10.25 0.75
Onde pleine
 = 30°
 = 90°
 = 120°
P1 / Pn
Rendement %
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Altération du rendement

97. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
97
À l’aide d’un interrupteur à commandé périodique, on laisse
passer un certain nombre de sinusoïdes complètes.
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateur à train d’ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Interrupteur
Vs Charge
vch
t
VCh
 Période de la source : Ts = 1/fs
 Période de commande de l’interrupteur : Tg = NTs
 Durée de conduction de l’interrupteur : Tc = nTs
Tg = N Ts
Tc = n Ts

98. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
98
 Rapport de commande : a =
n
N
 Valeur efficace : Vch eff = a × Vs
 Puissance de sortie : Pch = a × Ps
Applications :
• Chauffage industriel.
• Mélangeur (homogénéisation).
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Valeurs caractéristiques
Gradateurs
Contrôle Phase

99. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
99
Conversion d’une source CC en une source CA réglable en fréquence :
Champs d’application :
 Continuité de service (Alimentations Sans Interruptions).
 Productions de tensions sinusoïdales.
 Variation de la vitesse des moteurs à courant alternatif.
OnduleurSource
continue
Charge
icc ica
vcc vca
Structure de l’onduleur
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

100. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
100
Les onduleurs se classent en deux groupes :
 Onduleurs à fréquence fixe : alimentations de secours en urgences
(centres hospitaliers, systèmes informatiques, centrales
téléphoniques, etc.). Ces dispositifs sont alimentés par une batterie
d’accumulateurs.
 Onduleurs à fréquence variable : systèmes alimentés en courant
continu à partir du réseau alternatif par l’intermédiaire d’un
redresseur. (variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones).
Types d’onduleurs
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

101. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
101
Le circuit de puissance identique à celui d’un hacheurs 4Q :
 4 interrupteurs électroniques.
 4 diodes de récupération.
Source
VCC
icc
LR
Charge CA
ica
T2
T1
Hacheur 2Q
D1
D2 D4
T3
Hacheur 2Q
D3
T4
vca
Onduleur en pont
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

102. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
102
Séquences de fonctionnement
Les commandes sont symétriques :
 0  t  Ts/2 : amorçage de T1-T4.
 Ts/2  t  Ts : amorçage de T2-T3.
Onde sortie
La tension de sortie vac est alternative,
rectangulaire en créneaux.
Le taux d’harmoniques est élevé.
0 t
T1
T1 : ON
Ts/2 Ts
T1 : ON
État passant
État bloqué
0 t
T2
T2 : ON
Ts/2 Ts
0 t
T3
T3 : ON
Ts/2 Ts
0 t
T4
T4 : ON
Ts/2 Ts
T4 : ON
0 t
vca
+Vcc
-Vcc
Commande symétrique
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

103. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
103
 Tension vac en forme de créneaux symétriques
de moyenne nulle, riche en harmoniques.
 Courant iac continu pour débit sur charge
inductive. La forme devient linéaire si
l’inductance est élevée.
0 tVac – iac
0 t
vca
Composante
Fondamentale
+Vcc
-Vcc
T1-T4 : ON T1-T3 : ON
ica
vca
Ts/2 Ts
 ac ccv eff V
  cc
ac
4V 1 1 1
v t sin sin3 sin5 sink
3 5 k
 
         
  
k : impair
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Formes d’onde

104. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
104
Séquences de fonctionnement :
Les commandes sont décalées :
 0  t  Ts/2 : amorçage de T1.
 Ts/2  t  Ts : amorçage de T3.
 t0  t  t0+Ts/2 : amorçage de T4.
 t0+Ts/2  t  t0+Ts : amorçage des T2.
Tension e de sortie
0 t
T1
T1 : ON
Ts/2 Ts
T1 : ON
État passant
État bloqué
0 t
T2
T2 : ON
Ts/2 Ts
0 t
T3
T3 : ON
Ts/2 Ts
0 t
T4
T4 : ON
Ts/2 Ts
T4 : ON
0 t
vca
+Vcc
-Vcc
  0
ac cc
s
2t
v eff V 1
T
 
  
 
Commande décalée
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

105. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
105
Analyse graphique :
Les commandes sont décalées :
 Tension de sortie en forme de créneaux
séparés par des intervalles où elle est nulle.
 Zones mortes de largeur t0 ajustable,
permettant le réglage de la valeur efficace de
la tension de sortie.
Tension efficace de sortie :
0 t
Composante
Fondamentale
ica
vca
  0
ac cc
s
2t
v eff V 1
T
 
  
 
0 t
vca
+Vcc
-Vcc
T1 : ON
T1-T3 : ON
Ts/2 Tst0
T3 : ON
T4 : ON T2 : ON
Formes d’onde
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

106. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
106
Dans la technique de Modulation de la Largeur d’Impulsion (MLI ou
PWM), la génération de la tension de sortie est obtenue par
découpage de la tension redressée au moyen d’impulsions dont la
durée, donc la largeur, est modulée de telle manière que le courant
alternatif résultant soit aussi sinusoïdal que possible.
ia
t
va
t
Onde de sortie
moyenne
Modulation de la Largeur d’Impulsion MLI
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

107. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
107
Séquence d’amorçage en Modulation de Largeur d’Impulsions.
t
ia
t
va
Fondamentale
Formes d’onde de la commande MLI
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Onduleurs
Monophasés
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase

108. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
108
Circuit produisant un système triphasé équilibré de courant :
 Trois transistors sont en conduction à chaque instant.
 Deux transistors d’un même bras (T1-T4) sont amorcés à 180° de décalage.
Source
continue
VCC
icc
A
ia
T1 D1 T2 D2 T3 D3
T4 D4 T5 D5 T6 D6
Charge
triphasée
B
C
ib
ic
Structure de l’onduleur triphasé
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés

109. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
109
On distingue les trois commandes suivantes :
 Commande 180°
Chaque transistor est commandé pendant 180°. Les commandes de deux transistors
d’un même bras sont décalées de 120° par rapport aux transistors du bras voisin.
 Commande 120°
Elle est identique à celle d’un pont triphasé à thyristors. Chaque transistor conduit
pendant le 120°, ce qui correspond à une zone vide de 60° entre la commande de
deux transistors d’un même bras.
 Commande MLI
Afin d’atténuer certaines harmoniques de la tension, on module les largeurs des
impulsions. Cette technique permet d’éviter l’emploi d’un filtre encombrant et onéreux
en sortie de l’onduleur.
Commandes de l’onduleur triphasé
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés

110. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
110
Les formes d’onde de la tension et du courant sont :
t
va
t
ia
Fondamentale
Formes d’onde : Commande 180°
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés

111. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
111
Les formes d’onde de la tension et du courant sont :
t
ua
b
t
ia
Fondamentale
Formes d’onde : Commande MLI
Onduleurs
Triphasés
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés

112. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
112
Équations simplifiés :
Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().
Paramètres de variation de la vitesse :
 Nombre de paires de pôles : p
 Tension d'alimentation : Vs
 Résistance rotorique : Rr
 Fréquence d'alimentation : fs
s
s
s
s
VE




T
2
T
2
s
s
maxe
L2
p3
X2
Vp3
T




T
r
max
X
'R
g ; ;
Modes de variation de vitesse
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés

113. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
113
Moteur 2 vitesses
DAHLANDER
Moteur DAHLANDER
Ce moteur est réalisé avec une conception particulière de l'enroulement statorique. Cette
conception permet, grâce à des connexions extérieures, de varier le nombre de paires de
pôles (p) de la machine, et par conséquent la vitesse de rotation.
On se limite en général à deux vitesses :
PV : Petite Vitesse.
GV : Grande Vitesse.
Action sur les de pôles
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés

114. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
114
Solution réalisée par un autotransformateur ou un gradateur de tension.
 Le couple maximal Temax est atténué  Faible couple de démarrage.
 Charges Tr = k.n avec service continu : Pompes, Centrifugeuses, Ventilateurs.
 L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement :  = (1 – g)
 Le glissement gmax se conserve puisqu'il est indépendant de la tension Vs.
Tem

s
Tem
Tr = k ²
V2 = 85 %
V1 = 100 %
V3 = 65 %
s

V1
V2
V3
V4
Tr = k 
min
max
min max
MAS à
cage.
MAS à
bagues.
s
s
V


T
2
maxe
L2
p3
T


T
r
max
X
'R
g 
Action sur la tension du stator
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés

115. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
115
Solution applicable uniquement aux moteurs à rotor bobiné.
 Le couple maximal Tem(max) reste constant  Td important tout en diminuant Id.
 Charges à couple constant Tr = k : Engins de levage, Treuil.
 L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement.
 Le glissement gc augmente avec R’r. Le rendement est diminué.
Tem

Tmax
s
Tr
Rr1 Rr0Rr2
s
s
V


T
2
maxe
L2
p3
T


T
r
max
X
'R
g ; ;
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés
Action sur le rotor

116. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
116
L’énergie prélevée du rotor est renvoyée vers le réseau par un redresseur-onduleur.
Le glissement s’écrit :
 Niveaux de rendements élevés pouvant dépasser les 90%.
 Possibilité d’obtenir un freinage par récupération.
Transformateur
(m)
MAS
Redresseur OnduleurFiltre
MAS triphasé
à rotor bobiné
Réseau
d'alimentation
Vdc
V'dc
Vs
Vr
 
 cos
n/n
m
g
sr
Commande 
des thyristors
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés
Cascade hypo-synchrone

117. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
117

Tem
Tmax
s
fs
Tr
On varie la vitesse s du champ tournant par action sur la fréquence fs de la source Vs :
 Le couple maximal Temax reste inchangé.
 Le glissement reste pratiquement constant, le rendement est conservé.
s
s
V


T
2
maxe
L2
p3
T


T
r
max
X
'R
g ; ;
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés
Action sur la fréquence

118. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
118
Objectif : Éviter la saturation du circuit magnétique et limiter le courant à vide Is0.
Procédure :Maintenir le flux constant en ajustant la fréquence fs avec la tension Vs :
Usage général : Bon rendement et bon couple même a basses vitesses.
ttancons:
V
s
s


Redresseur Onduleur à transistorsFiltre
A
B
C
MAS
Vs
t
Tension instantanée
Tension moyenne
t
Is
Courant moteur
Convertisseur indirect de fréquence :
Redresseur PD3 à diodes + Onduleur à transistors IGBT.
Tension et courant fournis par
l’onduleur à MLI.
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés
Commande V/f

119. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
119
 Démarrage et arrêt : réglage de l'accélération et de
la décélération au moyen d’un profil de vitesse.
 Variation et régulation de la vitesse : certains
variateurs sont munis d'un régulateur de vitesse
avec une boucle de retour.
 Inversion du sens de rotation : cette fonction est
souvent réalisée par inversion de la consigne à
l’entrée du variateur.
 Freinage : réalisé par injection du courant continu
dans le moteur avec un fonctionnement réversible de
l’étage de puissance.
 Protections intégrées : contre les courts-circuits, les
surtensions et les chutes de tension, les
déséquilibres et la marche en monophasé.Variateur de vitesse pour MAS
(type ATV58H – Télémécanique)

Démarrage Arrêt
td ta
t
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés
Variateur de vitesse industriel

120. Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
120
C’est une classification des moteurs asynchrones
à cage afin d’adapter leurs caractéristiques
nominales aux charges mécaniques usuelles.
Pour un moteur asynchrone, le rapport (Td/Tn) est
proportionnel à Rr alors que le rapport (Id/In) lui est
inversement proportionnel.
 Couple de démarrage :
 Glissement maximal correspondant :
 
2
2 s
d r sd r 2 2
s s r T
V3p 3p
T R' I R'
R' X
 
  
T
r
max
X
'R
g  Caractéristiques normalisées des classes
NEMA des moteurs asynchrones.
Variateurs de
vitesse MAS
Gradateurs
Ondes
Gradateurs
Contrôle Phase
Onduleurs
Monophasés
Onduleurs
Triphasés
Classification NEMA