Cycloconvertisseurs - types, fonctionnement et applications

Les alimentations peuvent être classées en deux grandes catégories, l'une est l'alimentation CA et l'autre est l'alimentation CC. Comme nous le savons, seule une alimentation CA peut être générée et comme elle est plus économique, nous utilisons CA pour la transmission et ainsi la plupart des machines / appareils électriques fonctionnent sur alimentation CA. Mais la tension et la fréquence standard fournies par les centrales électriques peuvent ne pas être suffisantes pour entraîner certaines machines industrielles. Dans ces cas, nous utilisons des convertisseurs et des onduleurs pour convertir une forme d'alimentation en une autre forme, par exemple en une tension nominale, une intensité nominale ou une fréquence nominale différentes. Un cycloconvètre est l'un de ces convertisseurs qui convertit le courant alternatif d'une fréquence en courant alternatif d'une fréquence réglable. Dans cet article, nous en apprendrons plus sur le fonctionnement et les applications de ces cycloconvertisseurs.

Qu'est-ce que le cycloconvertisseur?

La définition standard des cycloconvertisseurs de Wikipédia est la suivante: «Un cycloconvertisseur (CCV) ou un cycloinverseur convertit une forme d'onde CA à tension constante et fréquence constante en une autre forme d'onde CA de fréquence inférieure en synthétisant la forme d'onde de sortie à partir de segments de l'alimentation CA sans intermédiaire DC link »

Une propriété particulière des cycloconvertisseurs est qu'ils n'utilisent pas de liaison CC dans le processus de conversion, ce qui le rend très efficace. La conversion est effectuée en utilisant des commutateurs électroniques de puissance tels que les thyristors et en les commutant de manière logique. Normalement, ces thyristors seront séparés en deux moitiés, la moitié positive et la moitié négative. Chaque moitié sera amenée à conduire en les tournant pendant chaque demi-cycle de la forme CA permettant ainsi un flux de puissance bidirectionnel. Pour l'instant, imaginez les cycloconvertisseurs comme une boîte noire qui prend en entrée une alimentation CA à tension fixe à fréquence fixe et fournit une fréquence variable, tension variable en sortie, comme indiqué dans l'illustration ci-dessous.

Nous apprendrons ce qui pourrait éventuellement se passer dans cette boîte noire au fur et à mesure que nous parcourrons l'article.

Pourquoi avons-nous besoin de cycloconvertisseurs?

Bon, maintenant nous savons que les cycloconvètres convertissent le courant alternatif de fréquence fixe en courant alternatif de fréquence variable. Mais pourquoi devons-nous faire cela? Quel est l'avantage d'avoir une alimentation AC à fréquence variable?

La réponse à cette question est le contrôle de la vitesse. Les cycloconvètres sont largement utilisés pour entraîner de gros moteurs comme celui utilisé dans les laminoirs, les broyeurs à boulets Ciment kils etc. La fréquence de sortie d'un cycloconvertisseur peut être réduite jusqu'à zéro, ce qui nous aide à démarrer de très gros moteurs à pleine charge à vitesse minimale, puis augmenter progressivement la vitesse du moteur en augmentant la fréquence de sortie. Avant l'invention des cycloconvertisseurs, ces gros moteurs doivent être complètement déchargés, puis après le démarrage du moteur, ils doivent être chargés progressivement, ce qui entraîne une consommation de temps et d'énergie humaine.

Types de cycloconvètres:

En fonction de la fréquence de sortie et du nombre de phase dans la source d'alimentation CA d'entrée, les cycloconvertisseurs peuvent être classés comme ci-dessous

1. Cycloconvertisseurs élévateurs

2. Cycloconvertisseurs Ste-Down

1. Cycloconvertisseur monophasé à monophasé
2. Cycloconvertisseur triphasé à monophasé
3. Cycloconvertisseur triphasé à triphasé

Cycloconvertisseurs Step-Up: Step-Up CCV, comme son nom l'indique, ce type de CCV fournit une fréquence de sortie supérieure à celle de la fréquence d'entrée. Mais il n'est pas largement utilisé car il n'a pas beaucoup d'application de particules. La plupart des applications nécessiteront une fréquence inférieure à 50 Hz, qui est la fréquence par défaut ici en Inde. Le CCV Step-Up nécessitera également une commutation forcée, ce qui augmente la complexité du circuit.

Cycloconvertisseurs Step-Down: Step-Down CCV, comme vous l'avez peut-être déjà bien deviné.. fournit juste une fréquence de sortie qui est inférieure à la fréquence d'entrée. Ceux-ci sont les plus couramment utilisés et fonctionnent avec l'aide de la commutation naturelle, donc relativement faciles à construire et à utiliser. Le CCV Step-Down est en outre classé en trois types, comme indiqué ci-dessous, nous examinerons chacun de ces types en détail dans cet article.

Principe de base des cycloconvertisseurs:

Bien qu'il existe trois types différents de cycloconvertisseurs, leur fonctionnement est très similaire à l'exception du nombre d'interrupteurs électroniques de puissance présents dans le circuit. Par exemple, un CCV monophasé à monophasé n'aura que 6 commutateurs électroniques de puissance (SCR) tandis qu'un CCV triphasé peut avoir jusqu'à 32 commutateurs.

Le strict minimum pour un cycloconvertisseur est indiqué ci-dessus. Il aura un circuit de commutation de chaque côté de la charge, un circuit fonctionnera pendant le demi-cycle positif de la source d'alimentation CA et l'autre circuit fonctionnera pendant le demi-cycle négatif. Normalement, le circuit de commutation sera démontré en utilisant le SCR comme dispositif électronique de puissance, mais dans le CCV moderne, vous pouvez trouver le SCR remplacé par des IGBT et parfois même des MOSFETS.

Les circuits de commutation auront également besoin d'un circuit de commande, qui indique au dispositif électronique de puissance quand conduire et quand s'éteindre. Ce circuit de commande sera normalement un microcontrôleur et pourrait également avoir une rétroaction de la sortie pour former un système en boucle fermée.L'utilisateur peut contrôler la valeur de la fréquence de sortie en ajustant les paramètres dans le circuit de commande.Les diodes du diagramme ci-dessus sont utilisées pour représenter le sens de circulation du courant. Le circuit de commutation positif génère toujours du courant dans la charge et le circuit de commutation négatif absorbe toujours le courant de la charge.

Cycloconvertisseurs monophasés à monophasés:

Le CCV monophasé à monophasé est très rarement utilisé, mais pour comprendre le fonctionnement d'un CCV, il faut d'abord l'étudier afin que nous puissions comprendre le CCV triphasé. Le CCV monophasé à monophasé possède deux paires de circuits redresseurs pleine onde, chacun composé de quatre SCR. Un ensemble est placé droit tandis que l'autre est placé dans la direction anti-parallèle comme indiqué sur l'image ci-dessous.

Toutes les bornes de porte des SCR seront connectées à un circuit de commande qui n'est pas représenté dans le circuit ci-dessus. Ce circuit de contrôle sera responsable du déclenchement des SCR. Pour comprendre le fonctionnement du circuit, supposons que l'alimentation CA d'entrée est de fréquence 50Hz et que la charge est une charge résistive pure et que l'angle de tir du SCR (α) est de 0 °. Étant donné que l'angle d'allumage est à 0 °, le SCR lorsqu'il est activé agira comme une diode dans le sens avant et lorsqu'il est éteint, il agira comme une diode dans le sens inverse. Analysons la forme d'onde ci-dessous pour comprendre comment la fréquence est abaissée à l'aide d'un CCV

La forme d'onde de la fréquence de tension d'alimentation est désignée par Vs et la forme d'onde de la fréquence de tension de sortie est désignée par Vo. Ici, nous essayons de convertir la fréquence de la tension d'alimentation en 1/4 ^ème de sa valeur. Donc, pour faire cela, pour les deux premiers cycles de la tension d'alimentation, nous utiliserons le redresseur en pont positif et pour les deux prochains cycles suivants, nous utiliserons le redresseur en pont négatif. Ainsi, nous avons quatre impulsions positives dans la région positive, puis quatre dans la région négative, comme indiqué dans la forme d'onde de fréquence de sortie Vo. La forme d'onde de courant pour ce circuit sera la même que la forme d'onde de tension puisque la charge est supposée être purement résistive. Bien que l'amplitude de la forme d'onde change en fonction de la valeur de la résistance de la charge.

La fréquence de sortie est représentée en utilisant la ligne pointillée sur la forme d'onde Vo, car elle change de polarité uniquement tous les deux cycles de la forme d'onde d'entrée la fréquence de sortie avec 1/4 ^ème de la fréquence d'entrée, dans notre cas pour une fréquence d'entrée de 50 Hz le la fréquence de sortie sera (1/4 * 50) autour de 12,5 Hz. Cette fréquence de sortie peut être contrôlée en faisant varier le mécanisme de déclenchement dans le circuit de commande.

Cycloconvertisseurs triphasés à monophasés:

Le CCV triphasé à monophasé est également similaire au CCV monophasé à monophasé, mais ici, la tension d'entrée est une alimentation triphasée et la tension de sortie est une alimentation monophasée à fréquence variable. Le circuit est également très similaire, sauf que nous aurons besoin de 6 SCR dans chaque ensemble de redresseur car nous devons redresser la tension alternative triphasée.

Encore une fois, les bornes de porte du SCR seront connectées au circuit de commande pour les déclencher et les mêmes hypothèses sont faites à nouveau pour comprendre le fonctionnement facilement. Il existe également deux types de CCV triphasés à monophasés, le premier type aura un redresseur demi-onde pour les ponts positifs et négatifs et le second type aura un redresseur pleine onde comme indiqué ci-dessus. Le premier type n'est pas souvent utilisé en raison de sa faible efficacité. Également dans un type à onde pleine, les deux redresseurs en pont peuvent générer des tensions dans les deux polarité, mais le convertisseur positif peut fournir du courant (source) uniquement dans le sens positif et le convertisseur négatif ne peut drainer le courant que dans le sens négatif. Cela permet au CCV de fonctionner dans quatre quadrants. Ces quatre quadrants sont (+ V, + i) et (-V, -i) en mode redressement et (+ V, -i) et (-V,-i) en mode d'inversion.

Cycloconvertisseurs triphasés à triphasés:

Les CCV triphasés à triphasés sont les plus utilisés car ils peuvent piloter directement des charges triphasées comme des moteurs. La charge pour un CCV triphasé sera normalement une charge connectée en étoile triphasée comme l'enroulement de stator d'un moteur. Ces convertisseurs acceptent une tension alternative triphasée avec une fréquence fixe en entrée et fournissent une tension alternative triphasée à fréquence variable.

Il existe deux types de CCV triphasé, celui qui a un convertisseur demi-onde et l'autre avec un convertisseur pleine onde. Le modèle de convertisseur demi-onde est également appelé cycloconvertisseurs à 18 thyristors ou cycloconvertisseurs à 3 impulsions. Le convertisseur pleine onde est appelé cycloconvertisseurs à 6 impulsions ou cycloconvertisseurs à 36 thyristors. Un cycloconvertisseur à 3 impulsions est illustré dans l'image ci-dessous

Ici, nous avons six ensembles de redresseurs dont deux sont alloués pour chaque phase. Le fonctionnement de ce CCV est similaire au CCV monophasé sauf qu'ici les redresseurs ne peuvent rectifier que la moitié de l'onde et la même chose se produit pour les trois phases

Applications:

Les cycloconvertisseurs ont un large éventail d'applications industrielles, voici les quelques

• Broyeurs
• Machines à laver lourdes
• Enrouleurs de mine
• Lignes électriques HVDC
• Alimentation électrique de l'avion
• SVG (générateurs VAR statiques)
• Système de propulsion pour navire