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Dernière mise à jour : 19/02/2023Présentation
Ce circuit a été conçu pour limiter l'intensité de courant crête d'une charge résistive telle qu'une lampe à filament de forte puissance ou la résistance chauffante d'un convecteur électrique fonctionnant sur le secteur 230 V.
Le but de cet appareil est d'éviter la disjonction d'un départ électrique volontairement bridé (par exemple dans un camping). Ainsi et par exemple, il devient possible d'utiliser une charge de puissance 1500 W sur un départ limité à 3 A (690 W sous 230 V) ou limité à 5 A (1150 W sous 230 V).Contrairement à un gradateur/variateur classique qui fonctionne en début ou en fin de période de l'onde secteur, celui-ci travaille en début et en fin de période, évitant ainsi une perte inutile de la moitié de la puissance livrable. Pour l'utilisation avec un convecteur (radiateur électrique), cela signifie une monté en température plus rapide.
Deux systèmes ont été développés :
- schéma 001 : sans composant programmable, adapté à une
application fixe (réglages nécessitant un oscilloscope)
- schéma 001b : équipé d'un microcontrôleur, plus adapté à l'utilisation de
plusieurs appareils différents (réglage simplifié)
Avertissement
Projet protégé par copyright auprès de Copyright France (dépôt effectué le 17/02/2023).
Dépôt CopyrightFrance (GM892P2) - 17/02/2023
Schéma 001
Variante sans composant programmable. Réglages à effectuer avec un oscilloscope (une seule fois), adapté à un appareil.
Schéma volontairement embrouillé
Schéma 001b
Variante avec microcontrôleur. Réglage simplifié grâce à l'emploi de micro-interrupteurs pour la sélection du taux de puissance de 1% à 100%, par pas de 1%. Ce système est davantage adapté à l'utilisation de plusieurs appareils différents.
Schéma volontairement embrouillé
Principe de fonctionnement
Les deux variantes (avec ou sans composant programmable) fonctionnent sur le même principe de découpage de l'onde secteur, comme on le fait traditionnellement dans les gradateurs/variateurs de lumière secteur avec un triac comme élément de commutation et une cellule de retard de phase. Mais ici - et c'est ce qui fait la différence, on alimente la charge deux fois durant chaque demi-période de l'onde secteur, et non pas une seule fois. L'idée générale est de "contourner" les valeurs les plus élevées de la tension secteur (crêtes positives et négatives) qui seules sont susceptibles de provoquer une disjonction (puisqu'ici la charge est résistive, le courant est en phase avec la tension).
Sur le graphe qui suit, la courbe rouge montre la tension appliquée à la charge (AcLoad), le courant y est proportionnel et en phase.
Un 1er déclenchement a lieu immédiatement après chaque passage par zéro (pendant un temps T1a, voir graphe suivant) et un 2è déclenchement survient juste avant le passage par zéro suivant, pendant un temps T1b identique au temps T1a. La fin de la période de conduction T1b coïncide avec le début de la période de conduction T2a. Autre façon de décrire les événements : chaque passage par zéro déclenche une période de conduction de durée égale à (T1a * 2) après un retard de durée égale à 10 ms - T1a.
Exemple (graphe suivant) : si la durée T1a est de 2,5 ms, alors le courant passe dans la charge pendant 2,5 ms, puis est coupé pendant 5 ms, puis se réactive pendant 2,5 ms. La même opération se répète 100 fois par seconde, toutes les 10 ms (à chaque demi-période. Au total et pour cet exemple précis, l'élement de commutation se trouve activé la moitié du temps, mais pas pendant les crêtes.
Tension appliquée à la charge limitée à 230 V au lieu de 320 V => puissance instantanée limitée à 72%
Dans l'exemple donné ci-devant, la puissance instantanée est limitée à hauteur de 72% de la puissance nominale. Une charge de 1000 W consommerait donc en crête une puissance de seulement 720 W. La puissance crête dispensée est donc bien inférieure à la puissance crête nominale (maximale) et le risque de disjonction disparaît - si bien entendu la durée d'activation de la charge durant chaque demi-période est correctement choisie (en fonction de la réduction de puissance désirée).
On devine qu'un convecteur électrique de 1500 W qu'on veut limiter à 500 W ne réclamera pas le même réglage qu'un convecteur électrique de 800 W qu'on veut limiter à 500 W. Dans le second cas, la durée de conduction doit être réglée à une valeur supérieure.
Remarque : la notion de pourcentage ne s'applique qu'à la puissance instantanée. La limitation de tension à une valeur de X% ne produira pas une puissance efficace de X%, mais une puissance efficace inférieure. Ceci dit, une puissance efficace réduite de 65% restera toujours supérieure à une puissance réduite de 100%... en cas de disjonction systématique.
Pourcentage puissance en fonction du temps
Comme la puissance instantanée p d'une charge résistive est directement liée à la tension instantanée u qu'on lui applique, on peut dire que le pourcentage de puissance désirée est équivalent au pourcentage de tension nécessaire. Par exemple, si on applique une tension "pleine" de 325 V pour une puissance "pleine" de 1000 W, on peut dire qu'à une tension de 32,5 V (1/10 ou 10%) correspondra une puissance de 100 W (1/10 ou 10%).
La tension instantanée u appliquée à la charge à un instant t est nommée u(t) et est définie par la formule suivante :
u(t) = Umax * sin(ωt + ϕ)
avec :
. u(t) = tension u (en volts) à l'instant t (en secondes)
. Umax = 230 Vrms * 1.4142 = 325 V
. ω = 2 * Pi * F. Pour F = 50 Hz, on a ω = (omega, pulsation) = 314 radians/seconde
. ϕ = déphasage (en radians) au point de départ. Pour simplifier, on choisit ici ϕ = 0
Exemple
#1 : t = 1 ms => u(t) = 325 * sin(314 * 0,001) = 325 * sin(0,314) = 325 * 0,30886 = 100,38 V (30,88% de puissance)
Exemple
#2 : t = 5 ms => u(t) = 325 * sin(314 * 0,005) = 325 *
sin(1,57) = 325 * 0,99999 = 324,99 V (99,99% de puissance)
Exemple
#3 : t = 10 ms => u(t) = 325 * sin(314 * 0,010)
= 325 * sin(3,14) = 325 * 0,00159 = 0,51 V (0,15% de
puissance)
Exemple #4 : t = 15 ms => u(t)
= 325 * sin(314 * 0,015) = 325 * sin(4,71) = 325 * -0,99999 = -324,99 V (99,99% de puissance)
Exemple
#5 : t = 19 ms => u(t) = 325 * sin(314 * 0,019)
= 325 * sin(5,966) = 325 * -0,31189 = -101,36 V (31,18% de
puissance)
Exemple #6 : t = 19,9 ms => u(t) = 325 *
sin(314 * 0,0199) = 325 * sin(6,2486) = 325 * -0,03457 =
-11,23 V (3,45% de puissance)
Exemple #7 : t = 20 ms => u(t)
= 325 * sin(314 * 0,02) = 325 * sin(6,28) = 325 * -0,00318 = -1,03 V (0,31% de puissance)
Remarque : chipotons un peu... Les valeurs ci-devant ont subi une petite erreur d'arrondi lors des calculs. Dans l'exemple #2 (t = 5 ms) on devrait avoir 325 V au lieu de 324,99 V ; dans l'exemple #3 (t = 10 ms) on devrait avoir 0 V au lieu de 0,51 V ; dans l'exemple #4 (t = 15 ms) on devrait avoir -325 V au lieu de -324,99 V ; dans l'exemple #7 (t = 20 ms) on devrait avoir 0 V au lieu de -1,03 V.
Pour la variante sans microcontrôleur, le réglage s'effectue avec un oscilloscope associé à une sonde différentielle, sur la base de la tension secteur maximale que le réseau est susceptible de délivrer (par exemple 240 V). Le réglage peut également se faire sans oscilloscope, par tâtonnement (méthode plus "amateur", mais on n'emporte pas forcément ses appareils de laboratoire en vacances).
Pour la variante avec microcontrôleur, le réglage s'effectue avec des micro-interrupteurs (microswitches)
qui expriment directement le pourcentage de puissance désirée codé
en binaire. Sur le schéma 001b partiellement embrouillé, le
réglage
adopté correspond à 65% de la puissance max (64% + 1%). Avec cette
variante, la procédure de réglage est simple. Il suffit de déterminer
le pourcentage de puissance désiré par rapport à la valeur nominale ;
par exemple si on dispose d'un convecteur 1200 W qu'on veut limiter à
690 W, le réglage se fera à :
(690 / 1200) * 100 = 57%.
Commutateur de puissance : triac ou thyristor ?
Ni l'un ni l'autre ! Un triac ou un thyristor reste amorcé tant que persiste un courant de charge suffisant (courant de maintien) et pour cette raison, il faut attendre que l'onde secteur repasse par zéro pour que le composant retourne à son état bloqué. En clair, on peut le déclencher (le faire conduire) quand on veut, mais on ne peut pas le bloquer quand on veut. Aucun triac ni thyristor ne peut donc être utilisé dans l'affaire qui nous concerne et d'autres composants de puissance ont dû être sélectionnés.
En réalité, on pourrait très bien utiliser un triac ou deux thyristors montés tête-bêche comme on le fait pour un gradateur standard. Toutefois et comme déjà dit, la réduction de puissance ne pourrait avoir lieu qu'en alimentant la charge après la crête de tension (et pas avant), on ne disposerait alors que de la moitié de ce qu'on peut utiliser et le résultat serait deux fois moins efficace.
Découpage standard avec triac : on ne bénéficie pas de l'énergie disponible juste après le passage par zéro
Parasitage
Tout système occasionnant une mise en service rapide ou une coupure rapide de l'onde secteur entraîne inévitablement un parasitage qu'il convient de filtrer. Une réduction du taux de parasitage peut être envisagée en réduisant volontairement les temps d'établissement et de coupure de la tension arrivant à la charge, mais l'élement de commutation subit dans ce cas plus de pertes et accuse un échauffement supérieur. L'ajout d'un filtre secteur est indispensable.
Si on accepte une perte de puissance plus élevée dans l'élément de commande (bien sûr en ces temps qui courent, ce serait une très mauvaise idée) on peut envoyer à la charge une tension non nulle (et évidement inférieure à la crête qu'on cherche toujours à éviter) durant les périodes de blocage... qui dans ce cas deviennent des périodes de limitation de tension et non plus des périodes de blocage. En procédant de la sorte, on gagne en efficacité côté vitesse de chauffe de la charge utile et le taux de parasitage diminue, mais on perd côté rendement global. Je n'ai pas retenu cette façon de faire.
Historique
19/02/2023
- Première mise à disposition.