Nous avons vu dans le tutoriel précédent que le processus de conversion d’une alimentation AC en une alimentation DC fixe est appelé rectification, et le circuit le plus populaire utilisé pour effectuer ce processus de rectification est celui basé sur des diodes semi-conductrices à état solide.

En effet, la rectification des tensions alternatives est l’une des applications les plus populaires des diodes, car les diodes sont peu coûteuses, petites et robustes, ce qui nous permet de créer de nombreux types de circuits de redresseurs en utilisant soit des diodes connectées individuellement, soit un seul module de redresseur en pont intégré.

Les alimentations monophasées, telles que celles dans les maisons et les bureaux, sont généralement de 120 Vrms ou 240 Vrms phase-à-neutre, également appelés ligne-à-neutre (L-N), et nominalement d’une tension et d’une fréquence fixes produisant une tension ou un courant alternatif sous la forme d’une onde sinusoïdale, abrégée par « AC ».

La rectification triphasée, également connue sous le nom de circuits de rectification polyphasés, est similaire aux redresseurs monophasés précédents. La différence cette fois-ci réside dans l’utilisation de trois alimentations monophasées connectées ensemble, produites par un seul générateur triphasé.

L’avantage ici est que les circuits de rectification triphasés peuvent être utilisés pour alimenter de nombreuses applications industrielles telles que le contrôle des moteurs ou la charge de batteries, qui nécessitent des niveaux de puissance plus élevés qu’un circuit de redressement monophasé ne peut fournir.

Les alimentations triphasées poussent cette idée un peu plus loin en combinant trois tensions AC de fréquence et d’amplitude identiques, chaque tension AC étant appelée une « phase ». Ces trois phases sont déphasées de 120 degrés électriques les unes par rapport aux autres, produisant une séquence de phase, ou rotation de phase de : 360^o ÷ 3 = 120^o, comme illustré.

L’avantage ici est qu’une alimentation de courant alternatif triphasé (AC) peut être utilisée pour fournir de l’énergie électrique directement aux charges équilibrées et aux redresseurs. Étant donné qu’une alimentation triphasée a une tension et une fréquence fixes, elle peut être utilisée par un circuit de rectification pour produire une puissance DC à tension fixe, qui peut ensuite être filtrée, entraînant une tension DC de sortie avec moins de ondulations par rapport à un circuit de redressement monophasé.

Ayant vu qu’une alimentation triphasée consiste simplement en trois monophasées combinées, nous pouvons utiliser cette propriété multiphasée pour créer des circuits de redresseurs triphasés.

Comme pour la rectification monophasée, la rectification triphasée utilise des diodes, des thyristors, des transistors ou des convertisseurs pour créer des circuits de redressement à demi-onde, à onde pleine, non contrôlés et entièrement contrôlés, transformant une alimentation triphasée donnée en un niveau de sortie DC constant. Dans la plupart des applications, un redresseur triphasé est alimenté directement à partir du réseau d’alimentation électrique ou d’un transformateur triphasé, si un niveau de tension DC différent est requis par la charge connectée.

Comme pour le redresseur monophasé précédent, le circuit de redresseur triphasé le plus basique est celui d’un circuit de redressement à demi-onde non contrôlé qui utilise trois diodes semi-conductrices, une diode par phase comme indiqué.

Alors, comment fonctionne ce circuit de redressement à demi-onde triphasé ? L’anode de chaque diode est connectée à une phase de l’alimentation de tension, les cathodes des trois diodes étant connectées ensemble à un même point positif, créant ainsi une configuration de type « OU ». Ce point commun devient la borne positive (+) pour la charge, tandis que la borne négative (-) de la charge est connectée au neutre (N) de l’alimentation.

Supposons une rotation de phase Rouge-Jaune-Bleu (V_A – V_B – V_C) et que la phase rouge (V_A) commence à 0^o. La première diode à conduire sera la diode 1 (D₁) car elle aura une tension plus positive à son anode que les diodes D₂ ou D₃. Ainsi, la diode D₁ conduit pendant la demi-onde positive de V_A, tandis que D₂ et D₃ sont en état de polarisation inverse. Le fil neutre fournit un chemin de retour pour le courant de charge vers l’alimentation.

120 degrés électriques plus tard, la diode 2 (D₂) commence à conduire pour la demi-onde positive de V_B (phase jaune). Son anode devient maintenant plus positive que les diodes D₁ et D₃, qui sont toutes deux « OFF » car elles sont en polarisation inverse. De même, 120^o plus tard, V_C (phase bleue) commence à augmenter, activant la diode 3 (D₃) lorsque son anode devient plus positive, désactivant ainsi les diodes D₁ et D₂.

À partir des formes d’onde ci-dessus pour une charge résistive, nous pouvons voir que pour un redresseur à demi-onde, chaque diode passe le courant pendant un tiers de chaque cycle, la forme d’onde de sortie ayant une fréquence trois fois celle de l’alimentation AC. Il y a donc trois pics de tension dans un cycle donné. Ainsi, en augmentant le nombre de phases d’une monophasée à une triphasée, la rectification de l’alimentation est améliorée, c’est-à-dire que la tension DC de sortie est plus lisse.

Pour un redresseur à demi-onde triphasé, les tensions d’alimentation V_A, V_B et V_C sont équilibrées mais avec un déphasage de 120^o, donnant :

V_A = V_P*sin(ωt – 0^o)

V_B = V_P*sin(ωt – 120^o)

V_C = V_P*sin(ωt – 240^o)

Ainsi, la valeur DC moyenne de la forme d’onde de tension de sortie d’un redresseur à demi-onde triphasé est donnée par :

Comme la tension de pointe des alimentations, V_P est égale à V_RMS*1.414, il s’ensuit donc que V_RMS est égal à V_P/1.414, ou 0.707*V_P, car 1/1.414 = 0.707. Ensuite, la tension de sortie DC moyenne du redresseur peut être exprimée en fonction de sa tension de phase à valeur efficace (RMS) comme suit :

Un redresseur à demi-onde triphasé est construit en utilisant trois diodes individuelles et un transformateur triphasé connecté en étoile de 120VAC. S’il est nécessaire d’alimenter une charge connectée avec une impédance de 50Ω, calculez : a) la tension de sortie DC moyenne à la charge. b) le courant de charge. c) le courant moyen par diode. Supposons des diodes idéales.

a). La tension moyenne de charge DC :

V_DC = 1.17*V_rms = 1.17*120 = 140.4 volts

Notez que si nous avions le pic de tension (V_p), alors :

V_DC serait égal à 0.827*V_p ou 0.827*169.68 = 140.4V.

b). Le courant de charge DC :

I_L = V_DC/R_L = 140.4/50 = 2.81 ampères

c). Le courant moyen par diode :

I_D = I_L/3 = 2.81/3 = 0.94 ampères

L’un des inconvénients de la rectification triphasée à demi-onde est qu’elle nécessite une alimentation à 4 fils, c’est-à-dire trois phases plus une connexion neutre (N). De plus, la tension moyenne de sortie DC est faible à une valeur représentée par 0.827*V_P comme nous l’avons vu.

Cela est dû au fait que le contenu d’ondulation de sortie est trois fois la fréquence d’entrée. Mais nous pouvons améliorer ces inconvénients en ajoutant trois diodes supplémentaires au circuit de redressement de base, créant ainsi un redresseur en pont à onde pleine non contrôlé triphasé.

Le circuit de redresseur en pont triphasé à onde pleine non contrôlé utilise six diodes, deux par phase, de manière similaire au redresseur en pont monophasé. Un redresseur triphasé à onde pleine est obtenu en utilisant deux circuits de redressement à demi-onde. L’avantage ici est que le circuit produit une sortie avec moins d’ondulations que le redresseur triphasé à demi-onde précédent, car il a une fréquence de six fois celle de l’onde AC d’entrée.

De plus, le redresseur à onde pleine peut être alimenté à partir d’une alimentation équilibrée triphasée en delta, car aucune quatrième connexion neutre (N) n’est requise. Considérons le circuit de redresseur triphasé à onde pleine ci-dessous.

Comme précédemment, en supposant une rotation de phase Rouge-Jaune-Bleu (V_A – V_B – V_C) et que la phase rouge (V_A) commence à 0^o. Chaque phase se connecte entre une paire de diodes comme indiqué. Une diode de la paire conductrice alimente le côté positif (+) de la charge, tandis que l’autre diode alimente le côté négatif (-) de la charge.

Les diodes D₁, D₃, D₂ et D₄ forment un réseau de redresseurs en pont entre les phases A et B, de même les diodes D₃, D₅, D₄ et D₆ entre les phases B et C et D₅, D₁, D₆ et D₂ entre les phases C et A.

Les diodes D₁, D₃ et D₅ alimentent le rail positif. La diode qui a une tension plus positive à son anode conduit. De même, les diodes D₂, D₄ et D₆ alimentent le rail négatif, et quelle que soit la diode ayant une tension plus négative à son cathode conduit.

Donc, pour la rectification triphasée non contrôlée, les diodes conduisent par paires correspondantes, chaque voie de conduction passant par deux diodes en série. Ainsi, un total de six diodes de redressement est requis, avec la commutation du circuit ayant lieu toutes les 60^o, ou six fois par cycle.

Si nous commençons le schéma de conduction à 30^o, cela nous donne un schéma de conduction pour le courant de charge de : D_1-4, D_1-6, D_3-6, D_3-2, D_5-2, D_5-4 et retour à D_1-4 et D_1-6 pour la prochaine séquence de phase, comme montré.

Dans les redresseurs de puissance triphasée, la conduction se produit toujours dans la diode la plus positive et la diode la plus négative correspondante. Ainsi, à mesure que les trois phases tournent à travers les bornes du redresseur, la conduction est transmise de diode en diode.

Chaque diode conduit alors pendant 120^o (un tiers) dans chaque cycle d’alimentation, mais comme il faut deux diodes pour conduire par paires, chaque paire de diodes ne conduira que pour 60^o (un sixième) d’un cycle à la fois, comme illustré ci-dessus.

Ainsi, nous pouvons dire que pour un redresseur triphasé alimenté par « 3 » secondaires de transformateur, chaque phase sera séparée par 360^o/3, nécessitant donc 2*3 diodes.

Notez également qu’à la différence du précédent redresseur à demi-onde, il n’y a aucune connexion commune entre les bornes d’entrée et de sortie des redresseurs. Il peut donc être alimenté par un transformateur connecté en étoile ou en delta.

La valeur DC moyenne de la forme d’onde de sortie d’un redresseur à onde pleine triphasé est donnée par :

Où : V_S est égal à (V_L(PEAK) ÷ √3) où V_L(PEAK) est la tension maximale ligne-à-ligne (V_L*1.414).

Un redresseur en pont triphasé à onde pleine est requis pour alimenter une charge résistive de 150Ω à partir d’une alimentation delta connectée de 3 phases de 127 volts, 60Hz. En ignorant les chutes de tension aux bornes des diodes, calculez : 1. la tension de sortie DC du redresseur et 2. le courant de charge.

1. la tension de sortie DC :

La tension de ligne à valeur efficace (RMS) est de 127 volts. Par conséquent, la tension de pointe de ligne à ligne (V_L-L(PEAK)) sera :

Étant donné que l’alimentation est triphasée, la tension phase à neutre (V_P-N) de n’importe quelle phase sera :

Notez que c’est essentiellement la même chose que de dire :

Ainsi, la tension de sortie DC moyenne du redresseur triphasé à onde pleine est donnée par :

Encore une fois, nous pouvons réduire un peu les mathématiques en disant correctement que pour une valeur donnée de tension RMS de ligne, dans notre exemple 127 volts, la tension moyenne de sortie DC est :

2. le courant de charge du redresseur :

La sortie du redresseur alimente une charge résistive de 150Ω. En utilisant la loi d’Ohm, le courant de charge sera :

La rectification triphasée non contrôlée utilise des diodes pour fournir une tension de sortie moyenne d’une valeur fixe par rapport à la valeur des tensions AC d’entrée. Mais pour varier la tension de sortie du redresseur, nous devons remplacer les diodes non contrôlées, soit certaines d’entre elles, soit toutes, par des thyristors pour créer ce qu’on appelle des redresseurs en pont demi-contrôlés ou totalement contrôlés.

Les thyristors sont des dispositifs semi-conducteurs à trois terminaux. Lorsqu’une impulsion de déclenchement appropriée est appliquée à la borne de porte du thyristor alors que sa tension anode-à-cathode est positive, le dispositif conduira et passera un courant de charge.

En retardant le moment de l’impulsion de déclenchement (angle de tir), nous pouvons retarder l’instant auquel le thyristor s’allumerait naturellement s’il s’agissait d’une diode normale et le moment où il commence à conduire lorsque l’impulsion de déclenchement est appliquée.

Ainsi, avec une rectification triphasée contrôlée utilisée à la place de diodes, nous pouvons contrôler la valeur de la tension de sortie moyenne DC en contrôlant l’angle de tir des paires de thyristors, de sorte que la tension de sortie redressée devienne une fonction de l’angle de tir, α.

Par conséquent, la seule différence avec la formule utilisée ci-dessus pour la tension de sortie moyenne d’un redresseur en pont triphasé réside dans l’angle cosinus, cos(α) de l’impulsion de tir ou de déclenchement. Donc, si l’angle de tir est zéro, (cos(0) = 1), le redresseur contrôlé fonctionne de manière similaire au précédent redresseur à diodes triphasé non contrôlé, avec des tensions de sortie moyennes identiques.

Un exemple de redresseur en pont triphasé totalement contrôlé est donné ci-dessous :

Nous avons vu dans ce tutoriel que la rectification triphasée est le processus de conversion d’une alimentation AC triphasée en une tension DC pulsée, car la rectification convertit l’alimentation d’entrée de tension et de fréquence sinusoïdales en une puissance DC à tension fixe. Ainsi, la rectification de la puissance transforme une alimentation alternative en une alimentation unidirectionnelle.

Mais nous avons également vu que les redresseurs triphasés à demi-onde non contrôlés, qui utilisent une diode par phase, nécessitent une alimentation connectée en étoile comme un quatrième fil neutre (N) pour fermer le circuit de la charge à la source. Le redresseur en pont triphasé à onde pleine qui utilise deux diodes par phase nécessite uniquement trois lignes principales, sans neutre, comme celles fournies par une alimentation connectée en delta.

Un autre avantage d’un redresseur en pont à onde pleine est que le courant de charge est bien équilibré dans le pont, améliorant l’efficacité (le rapport de la puissance DC de sortie à la puissance d’entrée fournie) et réduisant le contenu d’ondulation, tant en amplitude qu’en fréquence, par rapport à la configuration à demi-onde.

En augmentant le nombre de phases et de diodes dans la configuration du pont, il est possible d’obtenir une tension DC de sortie moyenne plus élevée avec une moindre amplitude d’ondulation, car par exemple dans une rectification à 6 phases, chaque diode ne conduirait que pendant un sixième de cycle.

De plus, les redresseurs multiphasés produisent une fréquence d’ondulation plus élevée, ce qui signifie moins de filtrage capacitif et une tension de sortie beaucoup plus lisse. Ainsi, des redresseurs non contrôlés à 6, 12, 15 et même 24 phases peuvent être conçus pour améliorer le facteur d’ondulation pour diverses applications.