les onduleurs les onduleurs

LES ONDULEURS
1.
Introduction
1.1. Définition
L'onduleur est un convertisseur statique prélevant son énergie sur une source
continue et la restituant à une charge sous une forme alternative à fréquence
variable.
1.2. Onduleurs autonomes
Les onduleurs autonomes convertissent une
tension continue d'entrée Ve en une tension
Ve
alternative de sortie Vs. Le signal de
commande C sert à régler la tension de sortie
fe = 0
par rapport à la tension d'entrée :
C
Vs
fs
P
• Vs = cte avec Ve variable ou
V
• Vs variable avec Ve = cte.
L’énergie nécessaire à la commutation
(extinction) des thyristors est fournie par des
circuits auxiliaires. La fréquence de
fonctionnement est indépendante de la
charge. On en est maître.
s
fig.19
0
Is
Fig. 6.1. Onduleur autonome
1.3. Onduleurs non autonomes
Si l’énergie nécessaire à la commutation est prélevée au réseau alternatif, l’onduleur
est dit non autonome. La fréquence est alors imposée par le réseau. On n’en est pas
maître.
C
fe
Ve
C
Is
Is
Ve fe
Vs
Vs
fs = 0
P
(a)
P
Vs
fs = 0
(b)
Redresseur
fig.20
0
Is
Onduleur non autonome
Fig. 6.2. Fonctionnement d’un redresseur en onduleur non autonome
c:/.../EPchapitre6
01/03/2007
PI - 1/7
Ce type de fonctionnement est observé pour les redresseurs contrôlables.
La puissance est alors transférée de la charge vers la source.
Dans les deux cas, P circule du continu vers l'alternatif.
1.4. Différents type d’onduleurs autonomes
Suivant la nature de la source continue, on distingue :
• les onduleurs de tension
• les onduleurs de courants (commutateurs de courant)
Ces dispositifs fonctionnent en commutation forcée et existent en monophasé et
triphasé.
2.
Onduleur autonome de tension
Un onduleur de tension est alimenté par une source de tension continue, d'impédance
négligeable. Grâce à un jeu d'interrupteurs, il impose à la sortie une tension
alternative formée de créneaux rectangulaires. La nature capacitive de la source
impose que la charge est de nature inductive.
2.1. Structure en pont d’un onduleur de tension monophasé
Le signal alternatif recherché s'obtient
K1
K4
en inversant périodiquement la polarité
v
+
de la source continue appliquée aux E
bornes de la charge par le jeu des interR
L
K2
K3
rupteurs commandés (fig.3). L'onduleur
de tension décrit est un onduleur en pont.
fig49a
K1 et K3 d'une part et K2 et K4 d'autre
part ne doivent être fermés en même
v
temps! La variation de fréquence du E
signal périodique est obtenue par action
0
sur la fréquence de fermeture et
T/2
t
T
-E
d'ouverture des interrupteurs. Si de plus,
K2
K4
(a)
on ménage des intervalles à tensions
K1
K3
nulles, on peut faire varier la valeur de la
tension de sortie, (fig. 3):
Fig. 6.3. Formes d'ondes en fonction de la
durée de fermeture des interrupteurs
Trois cas :
a) commutation retardée (cas reporté sur la figure 3) :
• quand K1 et K2 sont fermés, v = E,
• quand K3 et K4 sont fermés, v = - E,
• quand K1 et K4 ou K2 et K3 sont fermés, v = 0.
c:/.../EPchapitre6
01/03/2007
PI - 2/7
L’ordre de fermeture des interrupteurs est
1, 2, 3, 4.
v
E
b) commutation simultanée : les fermetures et
ouvertures des interrupteurs sont 0
-E
simultanées.
• 0 < t < T/2,
K1 et K2 fermés,
K3 et K4 ouverts
v=E
K3 et K4 fermés
Fig. 6.5.
K3
0
-E
v
E
K3 est ensuite fermé, K1 étant maintenu
ouvert. K2 et K4 sont à leur tour
0
successivement et alternativement fermés -E
v = 0 et - E
fig49b
K4
T/2
v=-E
K2 est maintenu fermé, K4 étant ouvert.
K1 et K3 sont fermés successivement et
alternativement v = 0 et E,
K
K2
t
(a)
v
E
c) commutation alternée :
D
T
K1
K1 et K2 ouverts,
• T/2 < t < T,
T/2
t
T
K2
K4
K1
K3
(b)
K1
fig49d
T/2 K2
T
K3
t
K2
(c)
K4
K3
Dans le cas des onduleurs
Fig. 6.4. Onduleurs de tension
de tension, on constate
que le courant s'inverse dans l'interrupteur qui est passant. Il faut
donc ajouter à l'interrupteur unidirectionnel commandé, une diode
montée en anti-parallèle qui assure la continuité du courant
lorsqu'il change de sens, (fig.5). On obtient alors le schéma plus
réaliste de la fig.6.
Fonctionnement en commutation simultanée :
phase 1 : supposons que
Th3
et
Th4
soient
initialement conducteurs :
v = - E et i < 0 (de
B vers A).
Th1
D1
+
E
D4
v
i
A
D3
fig49c
R
Th3
L
D2
Th4
B
Th2
phase 2 : on éteint Th3 et
Th4 . A cause de la self, le
Fig. 6.6.
courant ne s’éteint pas
instantanément mais s’écoule à travers D1 et D2. v passe de -E à +E et le courant
s’éteint au bout d’un certain temps et, si on ne fait rien, reste nul. A partir de ce
moment, les diodes D1 et D2 sont polarisées en inverse et les thyristors susceptibles
d’être allumés.
phase 3 : on amorce Th1 et Th2 au moment où i(t) = 0.
c:/.../EPchapitre6
01/03/2007
PI - 3/7
Ensuite, le processus recommence. On obtient donc les formes d’onde de la fig. 7
E
v
is
i
0
i
T
T/2
t
0
T
T/2
t
fig.6_6
-E
D1 Th1
D2 Th2
fig.6_9
D3 Th3
D4 Th4
Fig. 6.7.
Fig. 6.8.
Le courant iS débité par la source est donné à la figure 8. Si T << τ (τ = L/R,
constante de temps), le courant moyen débité par la source vaut :
E T2
ISmoy ≈ R
8 τ2
2.2. Onduleur en demidemi-pont
On peut remplacer deux des
interrupteurs par un diviseur
capacitif (fig.9) On obtient
alors un onduleur en demipont dont le signal de sortie
est donné par:
• v = +E/2, quand Th1 ou
D1 conduit,
• v = - E/2, quand Th2 ou
D2 conduit.
M
is
C
E/2
+
E
D1
v
i
Th1
A
B
R
E/2
fig50
L
D2
C
Th2
N
Fig. 6.9. – Onduleur en demi-pont
2.3. Onduleur pushpush-pull
K1
Si le diviseur de tension de l'entrée est
remplacé par un transformateur à point
milieu, fig.10, on obtient l'onduleur pushpull dont le résultat se traduit par :
E
N
fig51
• quand K1 est fermé, v = + 2 N2 E,
1
N
• quand K2 est fermé, v = - 2 N2 E
B
N1
2
N1
2
K2
N2
v
A
Fig. 6.10. – Onduleur push-pull
1
c:/.../EPchapitre6
01/03/2007
PI - 4/7
Les deux thyristors sont à l’état passant à tour de rôle ce qui produit des impulsions
de courants en sens inverses dans les deux moitiés du primaire induisant ainsi un
tension alternative de forme rectangulaire au secondaire.
2.4. Principales utilisations.
utilisations.
Les principaux domaines d'application des onduleurs de tension sont :
* la réalisation d'alimentations
de
sécurité
pour
les
charge
équipements ne pouvant
supporter les coupures et
commutateur
automatique
les microcoupures du réseau
Redresseur
Onduleur
industriel:
ordinateurs, secteur
appareils médicaux,... Les
onduleurs fonctionnent à
C8_112
partir de batteries et
Batterie
délivrent des tensions de
d'accumulateurs
valeur et de fréquence
Fig. 6.11. – Principe d'une alimentation de sécurité
constantes (fig.11). C’est le
principal débouché des onduleurs autonomes. La commutation est forcée.
* la réalisation de variateurs de vitesse pour moteur à courant alternatif (moteurs
synchrones et asynchrones) par action sur la fréquence (V/f constant). L'onduleur
est alors alimenté à partir du réseau industriel par un redresseur. La commutation
est également forcée.
* la ligne CCHT permet le transfert de l’énergie électrique sous forme de courant
continu de HT (fig.12). Exemple la ligne par câble sous-marin entre la France et
l’Angleterre fonctionne depuis 1961.
C8_110
France : 225 kV
T HT
Angleterre : 275 kV
HT T
+ 100 kV
filtre
filtre
- 100 kV
Alternateur
Redresseur
ligne CCHT
Onduleur
Utilisation
Fig. 6.12. – Exemple de ligne courant continu haute tension (CCHT)
* liaison asynchrone entre deux réseaux alternatifs de fréquences différentes
(exemple Japon 50 et 60 Hz)
* Récupération d’énergie lors du freinage de puissants moteurs à courant continu
(train, métro, laminoir,..).
2.5. Formes d’ondes
Les signaux présentés par les onduleurs classiques sont des créneaux rectangulaires.
La décomposition en série de Fourier donne pour composante fondamentale une
sinusoïde de fréquence f (habituellement 50 Hz). Si on élimine toutes les autres
c:/.../EPchapitre6
01/03/2007
PI - 5/7
composantes de la série de Fourier, on obtiendra donc un signal (à peu près)
sinusoïdal : le problème de filtrage est sous-jacent dans toute étude d’onduleur. La
résolution de ce problème nécessite des cellules de filtrage lourdes, encombrantes
et onéreuses mais peut être simplifié par l’obtention de signaux adaptés.
Ces signaux (fig.13) peuvent être obtenus par action sur la commande des thyristors
Th1, Th2, Th3, Th4. On définit ainsi divers types d'onduleurs autonomes :
(a) Les onduleurs à ondes rectangulaires ou
mutateurs
Réglables par la valeur du générateur
continu.
(a)
t
(b) Les onduleurs en créneaux de largeur
variable
La valeur moyenne de la tension de sortie
est réglable par action sur la durée du
créneau (rapport cyclique).
(c et d) Les onduleurs à modulation de largeur
d'impulsion. MLI (ou PWM: pulse width
modulation). La largeur et l'espacement
variables réduisent le taux d'harmoniques.
Ce sont des onduleurs sophistiqués.
(e) Les onduleurs en marche d'escalier
(b)
t
(c)
t
(d)
La forme se rapproche de la sinusoïde.
Ces onduleurs possèdent un grand
nombre d'éléments.
3.
Onduleur autonome de
courant
courant
t
(e)
t
fig53
Les onduleurs de courant ou commutateurs de
courant sont alimentés par une source de
Fig. 6.13. – Diverses formes d'ondes
courant d'ondulation négligeable et
imposent à la sortie un courant formé de créneaux rectangulaires.
La figure 14 schématise la commutateur de courant à sortie triphasé qui est le plus
usuel. La commutation du courant est favorisée par la présence de condensateurs,
en parallèle sur la charge, non représentés.
Les onduleurs de courant fonctionnant en commutation forcée sont surtout utilisés
pour la réalisation d'entraînement à vitesse variable avec moteurs synchrones ou
asynchrones.
La forme des ondes est donnée à la figure 15.
c:/.../EPchapitre6
01/03/2007
PI - 6/7
K1
I
K2 K3
K'3 K'1 K'2
i1
K1
K'1
K2
K'2
K3
K'3
i1
i2
i3
t
i2
t
fig52a
i3
T
t
fig52b
Fig. 6.14. Onduleur de courant triphasé
4.
Fig. 6.15. courants triphasés
Onduleur à résonance
Dans les onduleurs à résonance, la charge est constituée par un circuit résonnant peu
amorti alimenté à une fréquence très proche de la fréquence de résonance. La
fréquence de fonctionnement est donc imposée par la charge et la commutation est
naturelle. Le fonctionnement de l’onduleur n’est plus autonome.
• l'onduleur série : source de tension continue circuit résonnant série peu amorti,
• l'onduleur parallèle : source de courant continu circuit résonnant parallèle, (fig.
Les onduleurs à résonance sont souvent
appelés onduleurs moyenne fréquence car ils
fonctionnent
à
des
fréquences
nettement supérieures à celle du réseau
industriel (400 Hz à 400 kHz).
Leur utilisation classique consiste à
fig54
alimenter des charges qui, à leur
fréquence normale de fonctionnement, i
sont nettement capacitives (générateurs I
d'ozone,..) ou nettement inductives
(générateurs
de
chauffage
par - I0
induction,..).
I
v
G
K1
i
L
C
K3
T/2
K4
K2
T
t
Fig. 6.16. – Onduleur parallèle
Ces charges ont en général un très
mauvais facteur de puissance qu’il faut compenser. On ajoute alors une inductance
ou un condensateur et on forme ainsi un circuit résonnant.
Le double avantage de la commutation naturelle et du fonctionnement à fréquence
élevée conduit à les utiliser de plus en plus comme convertisseurs intermédiaires
dans une cascade de conversion de l'énergie. Dans une alimentation à résonance, par
exemple, on trouve successivement un redresseur à diodes, un onduleur à
résonance, un transformateur moyenne fréquence et un redresseur à diodes.
c:/.../EPchapitre6
01/03/2007
PI - 7/7