Définition : Principe de fonctionnement : Etude d`un

Etude d’un onduleur de tension autonome monophasé :
L’ONDULEUR AUTONOME
Schéma de principe :
Définition :
Un onduleur est un convertisseur statique continu – alternatif. L’onduleur est dit
autonome quand il impose sa propre fréquence à la charge (ce qui est différent de l’onduleur
assisté où la fréquence est imposée par la fréquence du réseau) .
Les onduleurs autonomes sont utilisés :
• pour alimenter des moteurs synchrones ou asynchrones pour faire varier la
vitesse ;
• comme alimentations de secours ;
• comme alimentation de dispositifs de chauffage par induction (les fréquences
des courants fournis par ces onduleurs sont comprises entre quelques dizaines
de hertz à quelques centaines de hertz) .
E
Principe de fonctionnement :
i
•
•
E
T/2
T
u
t
E
k2
Commande décalée :
La tension u peut prendre 3
valeurs :
•
Pour k1 est fermé ; u = E.
•
u = 0.
•
Pour k2 est fermé, u = E.
E
H1
T1
C+
D1
E
RB
iB1
iD1
2E
vBB
CHARGE
C+
E
i
u
D2
RB
T2
H2
Les transistors T1 et T2 sont deux transistors complémentaires NPN et PNP qui
fonctionnent en régime de saturation (bloqué-saturé) qui peuvent être commandés soit par un
générateur de fonctions soit à partir d’un montage à amplificateur .
T
De 0 ≤ t < 2 ; c’est l’élément H1 qui est commandé.
T
De 2 ≤ t < T ; c’est l’élément H2 qui est commandé.
Charge
T
Pour 0 ≤ t < 2 l’interrupteur
électronique
k1 est fermé, k2 est
ouvert et u = E.
T
Pour 2 ≤ t < T l’interrupteur
électronique
k2 est fermé, k1 est
ouvert et u = -E.
u
iT1
Le générateur 2E est une alimentation stabilisée 0-30V réglée à 30V. Cette
alimentation n’est pas réversible (c’est-à-dire qu’il ne peut y avoir de courant entrant) d’où
d’adjonction de condensateurs qui, eux peuvent emmagasiner temporairement une quantité
d’électricité.
k1
Commande symétrique :
iE1
Très souvent, la charge alimentée par l’onduleur est de nature inductive ce qui
implique que l’allure du courant i(t) est différente de celle de la tension u(t).
E
u
i
u
t1
T/2
T
t
-E
-E
T/2
T
t
-E
k1
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0
k2
0
k1
k2
Pour 0 ≤ t < t 1 , u = E et i < 0, c’est le condensateur C qui fournit de l’énergie et le
courant circule dans le sens inverse que celui représenté sur le schéma. Comme les
interrupteurs électroniques sont en général unidirectionnel, pour permettre au courant de
circuler, on place une diode (D1) en parallèle (montage dit antiparallèle); c’est une phase de
récupération.
Les diodes D1 et D2 sont des diodes de récupération.
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Manipulation :
L’onduleur en pont à quatre interrupteurs électroniques :
Montage :
La charge est une charge R =100 Ω et L = 0,5 H et f = 50 Hz.
Visualiser les différentes formes des courants et tensions.
D1
D4
Mesurer E et <E> en précisant quelle doit-être la position de l’appareil.
H1
E
H4
i
Supprimer la résistance R et observer que l’intensité i(t) du courant dans la charge est
presque triangulaire. Démontrer par le calcul l’allure visualisée.
D2
D3
u
H2
La charge est une charge R =100 Ω , L = 0,5 H , f0 = 400 Hz C est à déterminer.
Faire varier sensiblement la fréquence f délivrer par le GBF et observer ce qui se passe
pour le maximum de i.
Lorsque la charge est composée de R, L et C en série, la fréquence de résonance est
1
f =
donnée par la formule 0 2 π L C .
0
Relever U et I.
H3
Le montage pratique nécessite quatre interrupteurs. Il présente l’avantage de pouvoir
être alimenté par une source de tension continue fixe ou variable sans point milieu. Les diodes
D1, D2, D3 et D4 sont des diodes de récupération.
Contrairement au montage à deux interrupteurs, un tels montage permet d’utiliser soit
une commande symétrique soit une commande décalée.
Commande symétrique :
Les interrupteurs H sont commandés périodiquement et deux par deux ( H1 en même
temps que H3 ; H2 en même temps que H4 ). (Compléter les oscillogrammes de l’annexe 1).
•
D1
T
Pour 0 ≤ t < 2 , H1 et H3 sont fermés, H2 et H4 sont ouverts.
u = …..
H1
D4
H4
E
D2
•
D1
H2
u
i
D3
H3
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i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est une …………
De t1 à T/2, ce sont …. et …. qui conduisent.
i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est la source
…………
T
Pour 2 ≤ t < T , H2 et H4 sont fermés, H1 et H3 sont ouverts.
u = …..
H1
D4
H4
E
D2
De 0 à t1, ce sont …. et …. qui conduisent.
H2
u
i
D3
H3
De T/2 à t2, ce sont …. et …. qui conduisent.
i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est une …………
De t2 à T, ce sont …. et …. qui conduisent.
i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est la source
…………
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Commande décalée :
Principe de la commande décalée :
Pour obtenir la tension de la page 1 :
• H1 est fermé lorsque H2 est ouvert et inversement ; il en est de même pour H3
et H4.
• Les actions de commande portant sur H1 sont décalées par rapport à celles qui
concernent H3. De même la commande de H2 est décalée par rapport à celle de
H4.
•
T
Pour 2 ≤ t < t 3 :
u = …….
D1
H1
D4
H4
Eléments commandés : ………….
E
D2
H2
u
Eléments passants : …………….
i
D3
H3
Compléter les schémas ci dessous ainsi que les oscillogrammes de l’annexe 2.
•
Pour 0 ≤ t < t 1 :
•
Pour t 3 ≤ t < t 4 :
u = …….
D1
H1
D4
u = …….
H4
D1
Eléments commandés : ………….
E
D2
•
H2
u
Eléments passants : …………….
i
D3
H1
D4
H4
E
H3
D2
Pour t 1 ≤ t < t 2 :
•
H2
u
Eléments passants : …………….
i
D3
H3
Pour t 4 ≤ t < T :
u = …….
D1
H1
D4
H4
E
D2
•
D1
H2
u
D3
H3
T
Pour t 2 ≤ t < 2 :
H1
u = …….
D4
H4
Eléments commandés : ………….
Eléments passants : …………….
E
D2
H2
u
u = …….
Eléments commandés : ………….
Eléments passants : …………….
i
Eléments commandés : ………….
D1
H1
D2
H2
D4
H4
i
D3
H3
E
u
Eléments commandés : ………….
Eléments passants : …………….
Relations à déterminer :
Donner l’expression de <u> :
Donner l’expression littérale de U en fonction de E et t2.
i
D3
H3
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ANNEXE 1
u(t)
i(t)
ANNEXE 2
u( t )
i( t )
Allure de la tension u(t) et i(t) ; on suppose que i est en retard par rapport à u.
4 0
0
t1
T/2
t2
t
T
uH1 ; uH3
iH1 ; iH3
u( t )
0
i( t )
u( t )
i( t )
i( t )
t
4 0
0
0
t1
t2
0 .0 0 5
T/2
0 .0 1
t3
t4
T0
t4
T
0 .0 1 5
.0 2
0 .0 2 5
0 .0 3
t
iD1 ; iD3
u( t )
i( t )
0
i( t )
t1
t2
T/2
t3
Eléments passants
t
iG
Eléments commandés
u( t )
i( t )
i( t )
t
Eléments passants
Eléments commandés
ANNEXE 3
Signe de la puissance p = ui
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Intérêt et application de l’onduleur à commande décalée :
Les onduleurs sont particulièrement utilisés pour alimenter des moteurs asynchrones
dont la vitesse de rotation doit pouvoir être réglée.
Pour un moteur asynchrone, le valeur efficace de la f.é.m. induite dans un enroulement
est V = KfNΦ.
f
La fréquence de rotation n = ns(1 – g) = p (1 − g ) . Ainsi, pour faire varier la vitesse
d’un moteur asynchrone, il suffit de faire varier la fréquence f de la tension d’alimentation du
stator.
De plus, pour obtenir un couple électromagnétique maximal, il faut obtenir un flux
V
1 V
co.stane
Φ maximal soit Φ = KN . f . Il faut donc alimenter le moteur en maintenant le rapport =
f
En T.P., nous avons vu lorsque la charge est inductive, le courant n’est pas sinusoïdal
car la tension u est en créneau. Ceci entraîne la création d’harmoniques de fréquences
2f, 3f, … non désirables car elles perturbent le bon fonctionnement des machines (moteurs en
particulier). Pour réduire ces harmoniques en nombres et en intensité, on utilise des onduleurs
à modulation de largeur d’impulsion ( M.L.I.).
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