Différence entre commutateur et redresseur
Les deux commutateur et redressent le courant dans une direction préférée, mais ils se trouvent dans différentes couches d'un système. Un commutateur fait partie intégrante de la machine tournante elle-même, synchronisé avec son angle mécanique, tandis qu'un redresseur est un étage de conversion séparé qui se trouve dans le circuit d'alimentation et traite tout courant alternatif qui lui est fourni. Leurs fonctions se recoupent parfois, mais leur conception ne se recoupe presque jamais.
Table des matières
Un modèle mental rapide
Commençons par ceci : chaque induit de générateur à courant continu conventionnel produit une tension alternative interne. Le commutateur est un interrupteur rotatif qui reconnecte en permanence les bobines aux balais afin que, vu depuis les bornes, le courant de sortie semble unidirectionnel. En ce sens, il se comporte comme un redresseur mécanique, intégré au rotor et synchronisé par l'arbre.
Un redresseur, quant à lui, est tout dispositif ou circuit qui prend une entrée CA et produit une sortie CC, généralement à l'aide d'éléments qui préfèrent naturellement une direction de courant : diodes, thyristors, ponts à transistors, etc.
Les deux “ redressent ” donc le courant. L'un le fait en déplaçant des segments de cuivre sous des balais fixes. L'autre le fait à l'aide de jonctions statiques et d'impulsions de commande.
Ce que chacun est réellement
Le commutateur est un cylindre segmenté monté sur l'arbre du rotor, chaque segment étant relié à une partie du bobinage de l'induit. Des balais fixes appuient sur ce cylindre, captant ou fournissant du courant. Lorsque le rotor tourne, les segments successifs rencontrent les balais, qui inversent la connexion entre les bobines et les bornes. Cette inversion périodique, liée à la position mécanique, maintient le couple d'un moteur à courant continu à peu près unidirectionnel et le courant externe d'un générateur à courant continu à peu près unidirectionnel.
Le redresseur n'est absolument pas lié à la position de l'arbre. Il s'agit simplement d'un circuit : il peut s'agir d'une seule diode pour une demi-onde, d'un pont utilisant quatre diodes pour une onde complète, ou encore d'un pont à thyristors à six ou douze impulsions dans une station HVDC. Sa commutation est électrique, et non mécanique, déterminée par la forme d'onde CA et les caractéristiques du dispositif ou les impulsions de déclenchement.
Ainsi, un commutateur repose littéralement sur le rotor. Un redresseur est simplement placé là où la disposition et la conception thermique l'exigent.
Comparaison côte à côte
Voici la comparaison générale que la plupart des explications superficielles omettent.
| Aspect | Commutateur | Redresseur |
|---|---|---|
| Nature physique | Commutateur électromécanique rotatif : segments en cuivre sur l'arbre et balais en carbone (ou similaire). | Circuit statique utilisant des diodes, des thyristors, des transistors ou des dispositifs unidirectionnels similaires. |
| Où il vit | Intégré dans le rotor des moteurs et générateurs à courant continu (et des moteurs universels). | Étape distincte dans le circuit d'alimentation : pont au niveau de la carte, module ou baie de convertisseur. |
| Emploi principal | Inverse périodiquement les connexions entre les bobines d'induit et le circuit externe afin que le courant externe reste unidirectionnel et que le sens du couple reste utile. Agit comme un redresseur mécanique à l'intérieur des machines à courant continu. | Convertit le courant alternatif à ses bornes d'entrée en courant continu à ses bornes de sortie en bloquant une polarité ou en la dirigeant, alimentant souvent un filtre ou un bus CC. |
| Ce qu'il “ voit ” | EMF d'armature interne dans une machine, étroitement couplé à la position du rotor et au champ. | Tension secondaire de ligne ou de transformateur, souvent sans connaissance du système mécanique. |
| Mécanisme de contrôle | Le moment de commutation est déterminé par la géométrie : position des balais, nombre de segments et angle de l'arbre. Réglage fin via le décalage des balais, les interpoles, etc. | Le contrôle (le cas échéant) est électronique : impulsions de porte dans les redresseurs à thyristors/IGBT, stratégies de modulation, contrôleurs numériques. |
| Options de mise en forme d'onde | Limité. Vous pouvez améliorer la commutation, mais le profil d'ondulation de base dépend du nombre de pôles/segments du commutateur. | Extrêmement flexible avec des redresseurs actifs modernes : peut modeler le courant, le facteur de puissance, les harmoniques, le flux bidirectionnel. |
| Pertes et stress | Chute de balais, frottement, résistance des segments en cuivre, arc électrique. L'usure thermique et mécanique se produisent au même endroit. | Principalement des pertes par conduction et commutation dans les semi-conducteurs, ainsi que des pertes magnétiques et de filtrage ; pas de contacts glissants. |
| Fiabilité et maintenance | Usure des balais et de la surface du commutateur ; nécessite une inspection, un nettoyage et un resurfaçage dans les machines de grande taille. Les étincelles peuvent poser problème dans les atmosphères poussiéreuses ou explosives. | Souvent considéré comme ne nécessitant aucun entretien jusqu'à la panne ; durée de vie dominée par les cycles de température, les surtensions et le vieillissement de l'isolation. |
| Échelle de puissance | Pratique jusqu'à une puissance modérée ; les machines à courant continu de très grande taille sont rares car la commutation devient difficile et risquée. | Échelles allant des chargeurs de téléphone de l'ordre du milliwatt aux stations de conversion HVDC de l'ordre du gigawatt utilisant des convertisseurs à commutation de ligne ou à tension. |
| Utilisation moderne typique | Moteurs à courant continu de petite/moyenne taille, moteurs universels dans les outils et les appareils électroménagers, certains anciens systèmes d'entraînement de traction. | Alimentations CA-CC, liaisons CC, transmission CCHT, entraînements moteurs, chargeurs, pratiquement partout où vous voyez “ entrée CA, sortie bus CC ”. |
Le tableau cache un point silencieux : l'un d'entre eux disparaît progressivement des nouvelles conceptions. Il ne s'agit pas du redresseur.
“ Un commutateur n'est-il pas simplement un redresseur ? ”
À l'intérieur d'un générateur à courant continu classique, oui, dans un sens strictement fonctionnel. L'enroulement de l'induit produit une tension alternative interne ; le commutateur inverse les connexions afin que la tension au niveau des balais ne s'inverse pas, ce qui donne une sortie unidirectionnelle. Il s'agit d'une rectification par commutation mécanique.
Mais cette définition est trop restrictive par rapport à la façon dont les ingénieurs utilisent ces termes au quotidien.
Aujourd'hui, lorsque les gens parlent de “ redresseur ”, ils font généralement référence à un bloc convertisseur CA-CC autonome, souvent composé de semi-conducteurs, pouvant être équipé d'un système de contrôle et de correction du facteur de puissance. Il n'est pas limité par la géométrie du rotor. Il peut être repensé ou remplacé sans toucher à l'arbre de la machine. Il peut fonctionner de manière bidirectionnelle dans un entraînement régénératif.
Lorsque les gens parlent de “ commutateur ”, ils font généralement référence à une structure mécanique spécifique sur un moteur/générateur à courant continu ou universel qui doit résister à l'usure, aux arcs électriques et au désalignement, et qui est étroitement liée à la conception du champ, à la disposition des enroulements de l'induit et à l'ondulation du couple. Le fait qu'il serve également à redresser le courant est presque accessoire par rapport à son rôle qui consiste à maintenir le couple et la direction du courant alignés avec le champ.
Donc, oui : chaque commutateur de machine à courant continu effectue une rectification. Non : dans le langage moderne de l'électronique de puissance, ce n'est pas ce que nous appelons un “ redresseur ”.
Perspective de conception : où chaque image a encore un sens
Si vous concevez un appareil alimenté par le secteur ou par un transformateur haute fréquence, vous opterez pour un redresseur à semi-conducteurs. Les modules ponts sont bon marché, compacts et efficaces, et leur taille varie de celle d'un petit bloc d'alimentation mural à celle d'un grand frontal dans les entraînements industriels. Au niveau de la transmission, les convertisseurs à thyristors et à VSC dominent tous les liens CC importants, car les contacts glissants et les arcs de commutateur n'ont pas leur place à ces tensions et puissances.
Le commutateur survit dans un ensemble plus restreint de niches. Outils à main, aspirateurs, certains moteurs de petits appareils électroménagers : le moteur universel classique offre toujours un bon rapport puissance/poids à faible coût, et les commutateurs fabriqués en série sont acceptables dans ces domaines. Dans les démarreurs automobiles et certains systèmes de traction traditionnels, les commutateurs sont toujours utilisés, car la plate-forme a été conçue autour d'eux. Mais dès lors que les concepteurs peuvent se permettre d'utiliser des composants électroniques, les machines à courant continu sans balais avec commutation électronique et redresseurs à semi-conducteurs l'emportent généralement en termes d'efficacité, de bruit et de durée de vie.
Il existe également des concepts hybrides dans le domaine de la recherche, où des redresseurs mécaniques utilisant des structures de type commutateur sont combinés à des générateurs triboélectriques ou à d'autres générateurs innovants. Même dans ce cas, la distinction entre “ commutateur ” et “ redresseur ” relève davantage de la mise en œuvre que de la forme de la courbe de courant.
Contrôle, commutation et formes d'onde
Le timing du commutateur est défini en cuivre et en carbone. Modifiez la position des balais ou ajoutez des interpoles pour ajuster le chevauchement de commutation, le comportement des étincelles et l'ondulation du couple, mais vous restez soumis au cycle mécanique. La qualité de la forme d'onde dépend du nombre de pôles, du nombre de segments du commutateur et du courant de charge. La résolution d'un problème de commutation implique généralement un meulage, un nettoyage et éventuellement un rebobinage.
Les redresseurs, en particulier ceux qui sont contrôlés, sont plus malléables. Un pont à thyristors à six impulsions dans un système CCHT ajuste son angle de déclenchement pour contrôler la tension continue et le flux de puissance, et un frontal VSC peut modeler son courant de manière presque arbitraire dans les limites des caractéristiques nominales du dispositif. Les harmoniques, le facteur de puissance et la réponse dynamique deviennent autant des questions de micrologiciel que de matériel.
Cette différence est importante lorsque vous déboguez un système. Les défauts de commutation mécanique se manifestent généralement par des arcs électriques, l'usure des balais, la décoloration des barres du commutateur et un échauffement localisé. Les problèmes liés aux redresseurs se manifestent souvent par des formes d'onde anormales, une température élevée des appareils, des déclenchements intempestifs ou des bruits acoustiques provenant des composants magnétiques. Même objectif, langage de défaillance différent.
Comment cela modifie votre schéma de connexion mentale
Considérer le commutateur comme “ une partie de la machine ” et le redresseur comme “ une partie de la chaîne de conversion ” permet de clarifier les décisions de conception.
Si votre problème est “ J'ai du courant alternatif et j'ai besoin d'un bus à courant continu ”, vous êtes dans le domaine des redresseurs. Le choix de la topologie, les pertes de conduction, les filtres, les interférences électromagnétiques et les algorithmes de contrôle constituent le véritable travail.
Si votre problème est le suivant : “ Je possède une machine à courant continu à balais ou une machine universelle et je me soucie du couple, de la durée de vie ou de la maintenance ”, vous êtes dans le domaine des commutateurs. La qualité des balais, la pression des ressorts, la finition de surface, les pôles de commutation et la subtile interaction entre la distorsion du champ et la position des balais commencent à avoir leur importance.
Les deux objets imposent un comportement unidirectionnel dans le courant. L'un le fait en faisant tourner du cuivre sous du graphite. L'autre le fait en intégrant la physique des jonctions PN et des commutateurs contrôlés par grille dans un bloc statique. Les traiter comme s'ils étaient identiques occulte la plupart des éléments qui déterminent la réussite ou l'échec des conceptions réelles.
