Electricité
Optimaliser le facteur de crête et de puissance
Facteur de crête et de puissance
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Dans un article précédent, nous avons décrit ce qu'étaient le facteur de puissance et le facteur de crête. Nous allons ici décrire plus en détail comment les optimaliser.
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Alimentation traditionellee d'une radio,
d'un amplificateur, etc.


Tension (en rouge) et courant (en bleu)


Courant prélevé au secteur (bleu) et
tension aux bornes du condensateur


Ajout d'une inductance


Courant prélevé sur le secteur


Déphasage produit par l'inductance
(réduction du facteur de puissance)


Correction du facteur de puissance
et du facteur de crête


Transistor en conduction


Transistor ouvert


Courant prélevé sur le réseau et
courant dans l'inductance


Détail du courant dans l'inductance

A partir d'une certaine puissance, les appareils doivent être corrigés pour qu'ils aient un facteur de puissance et un facteur de crête le plus optimal possible. Les normes deviennent de plus en plus strictes et les nouveaux appareils doivent répondre à ces normes pour pouvoir être mis sur le marché.

La puissance à partir de laquelle la réglementation est applicable devient également de plus en plus basse, ce qui fait que par exemple un amplificateur hifi qui il y a quelques années ne nécessitait pas de correction de puissance doit en avoir une maintenant. Les chaines hifi typiques d'il y a 20 ans (avec tuner, platine CD, cassette et amplificateur) ne pourraient plus être fabriquées actuellement.

Dans certains cas, la correction est assez simple et se résume à l'ajout d'un condensateur de la bonne valeur pour améliorer le facteur de puissance. Il s'agit principalement de moteurs qui se comportent comme une inductance. Cette opération suffit a améliorer le facteur de puissance.

Le cas le plus complexe est l'alimentation continue d'un appareil à partir du courant alternatif. Prenons comme exemple un amplificateur qui doit être alimenté en basse tension. Nous avons un transfo réducteur, un pont de diodes et puis un condensateur de filtrage.

Cette construction était autorisée jusqu'il y a quelques années (elle est encore autorisée, mais uniquement pour les très petites puissances).

C'est le cas le plus complexe, mais qui se présente de façon de plus en plus fréquente car tous les appareils électroniques doivent être alimentés en continu: modem internet avec point d'accès wifi, ordinateur (portable ou fixe), tablette et smartphone, écran LCD ou OLED, chaine hifi,...

Ce type d'alimentation simple avec pont redresseur et condensateur de filtrage est caractérisé par un très fort courant pendant un instant très court, quand la tension du secteur est supérieure à celle du condensateur de filtrage. Le facteur de crête est désastreux et ce pic produit des harmoniques qui apparaissent même dans le signal amplifié si le circuit n'a pas été réalisé avec soin.

Une première amélioration est le placement d'une inductance entre le pont de diodes et le condensateur. L'inductance a comme effet d'amoindrir le pic du courant (il est étalé dans le temps). Un effet secondaire est la réduction de la tension au condensateur. Plus la valeur de l'inductance est élevée, plus la tension récoltée est basse et plus les pics de courant sont réduits. Dans le cas extrème, l'inductance est constamment en conduction mais cela nécessite une inductance de forte valeur.

Plus la valeur de l'inductance est élevée, et plus son effet se fait sentir d'une autre façon, notament le déphasage: le courant est de plus en plus en retard sur la tension, et si le facteur de crête est acceptable, ce n'est plus la cas du facteur de puissance.

De plus, l'inductance qui travaille à la fréquence de réseau doit être assez lourde (beaucoup de fer pour avoir une inductance suffisante).

La situation idéale serait que le condensateur de filtrage n'existait pas. Le courant serait alors proportionnel à la tension. Le condensateur est naturellement nécessaire pour fournir une alimentation constante à la charge, mais on peut faire en sorte que le réseau ne "voit" pas ce condensateur.

En plus de l'inductance, on va ajouter un transistor et une diode. Le transistor va permettre au courant de continuer à circuler, même quand la tension d'alimentation est inférieure à la tension sur le condensateur.

Le transistor est commandé de telle façon que le courant moyen (dans l'inductance) corresponde à la tension d'alimentation. Le transistor ne fonctionne pas en mode linéaire (il produirait trop de pertes), mais en mode de commutation à fréquence élevé. La fréquence est suffisamment haute pour que courant moyen ne varie que très peu, c'est comme si le transistor fonctionnait en mode linéaire pour tirer une charge constante au réseau. La fréquence est généralement supérieure à 20kHz pour que ma magnétostriction (vibration des spires de l'inductance) ne soit pas audible.

La diode qu'on a ajouté a deux fonctions:

  • Quand le transistor est en conduction, elle va empècher que le condensateur ne se décharge violemment à travers du transistor. C'est comme si le circuit était coupé à l'endroit de la diode. Maintenant, c'est uniquement le condensateur qui alimente la charge. Le transistor en conduction maintient le courant dans l'inductance (le courant croît).

  • Quand le transistor n'est pas en conduction, le courant continuera à circuler dans l'inductance (mais de façon décroissante), même si la tension d'alimentation est inférieure à la tension du condensateur. Maintenant l'inductance agit comme une source de courant qui compense la tension d'alimentation trop basse.
Ce système a plusieurs avantages:
  • Le système permet au courant de circuler même quand la tension d'alimentation est plus basse que la tension du condensateur. Le condensateur est donc également chargé entre deux pics de la tension d'alimentation. Pour une ondulation résiduelle donnée, il est donc possible de réduire la capacité du condensateur, qui est en fait alimenté par des pics haute fréquence, et non plus des pics au double de la fréquence du secteur. Pour plusieurs raisons, on a intérêt à ne pas trop réduire cette capacité.

  • Le courant suit la tension de secteur, mais avec une petite variation haute fréquence qu'il est relativement facile de filtrer avec un petit filtre de réseau.

  • Le circuit qui commande le transistor est conçu de telle manière à ajuster le courant moyen dans l'inductance pour qu'il correspond à la tension de secteur. Le déphasage que l'inductance pourrait produire est ainsi éliminé.

  • La tension en sortie est devenue relativement indépendante de la tension d'alimentation. On peut ainsi réaliser des blocs d'alimentations universels (100 à 240V).

  • L'inductance qui doit lisser le courant travaille maintenant à une fréquence bien plus élevée et on peut utiliser une petite inductance à noyau de ferrite au lieu d'une self avec empilement de tôles en fer.
Le circuit de controle doit tenir compte de plusieurs facteurs:
  • De la tension à la sortie pour corriger le courant moyen dans l'inductance (rapport cyclique = rapport entre le temps de conduction du transistor et le temps total). Il s'agit d'une correction lente qui agit sur plusieurs périodes du secteur.

    C'est la stabilisation de la tension de sortie. Cette correction peut être limitée si la tension de sortie ne doit pas être stabilisée précisément. La vitesse de réaction (par exemple lors d'un changement de la charge) est moins importante que dans le cas d'une alimentation linéaire.

  • De la tension à l'entrée pour modifier le rapport cyclique du transistor pour avoir un courant qui suit la tension d'alimentation.

    C'est la correction du facteur de puissance et de crête. Pour être effective, cette correction doit agir directement, donc à chaque cycle de commutation. Sur le graphgique on voit que le courant suit pafaitement la tension d'alimentation. Les oscillations parasites peuvent être éliminées par un filtrage.

  • Du courant dans l'inductance, pour déterminer quand le transistor est mis en conduction. C'est ici que les différent systèmes diffèrent:
    • Système où le courant ne devient jamais zéro. Ce système produit le moins d'harmoniques et le filtrage en amont peut donc être réduit. Le courant maximal dans l'inductance est moindre et on peut utiliser un circuit magnétique moindre sans risquer la saturation. Les graphiques en exemple montrent cette situation.

    • Système où le courant dans l'inductance passe constamment d'une valeur minimale (pratiquement nulle) à une valeur maximale. L'inconvénient est que la fréquence du circuit de commutation peut varier dans de très fortes proportions, ce qui rend l'élimination des harmoniques plus complexe. La fréquence de commutation dépend de la charge et de la tension instantanée du secteur. la fréquence est la plus élevée en charge partielle, ce qui augmente les pertes à la commutation et diminue le rendement.

    • Système où le courant dans l'inductance devient nul. Avec le système précédent, la fréquence peut devenir très élevée. Ici le rapport cyclique peut devenir si bas que le courant dans l'inductance devient nul. Ce système nécessite un préfiltrage du coté du réseau plus important pour éviter que les harmoniques ne pénètrent dans le réseau de distribution, mais ce système a un rendement élevé qui ne chute pas à charge partielle.
Dans l'exemple montré ci-dessus, on utilise un transformateur directement connecté au réseau, mais dans de nombreuses applications, cela n'est pas le cas. Le transformateur est lourd et cher car il fonctionne à une fréquence de 50 ou 60Hz.

Dans la plupart des applications, on élimine le transformateur de réseau. Une alimentation se compose successivement:

  • d'un filtre de réseau pour éliminer les parasites de commutation,
  • d'un pont de diodes (redresseur),
  • du système de commutation qui se compose d'une inductance, d'un transistor haute tension (et de l'électronique associée), d'une diode et puis d'un condensateur électrolytique. Nous obtenons une tension redressée relativement stable d'environ 300V ou plus. C'est la partie correction du facteur de puissance, qui ne fait qu'une chose, transformer l'alternatif en continu.
  • La tension continue sert maintenant à alimenter une alimentation à découpage classique, qui va fournir les différentes tensions nécessaires. Pour un ordinateur il s'agit par exemple des tensions de + et - 12V, + et -5V et +3.3V. Jusqu'il y a quelques années, une "alimentation" ne se composait que de cette partie (avec évidemment le redresseur et le condensateur électrolytique).

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