III) Onduleur de tension monophasée à 4 interrupteurs ou en pont

Sommaire des onduleurs
Conversion Continu Alternatif 2
Onduleurs 2
I) Introduction : 2
I.1) Fonction: 2
I.2) Symbole: 2
I.3) Utilisation: 2
I.4) Principe : 2
I.5) Les interrupteurs : 3
I.6) Types de commande des interrupteurs et critère de choix: 3
I.7) Les Phases de fonctionnement 4
II) Onduleur de tension monophasée à 2 interrupteurs: 5
II.1) Schéma de principe : 5
II.2) Alimentation d'une charge résistive: 5
II.3) Alimentation d'une charge inductive: 5
II.1) Analyse: 6
II.1.1) Séquence des commandes des interrupteurs: 6
II.1.2) Etude de uc(t): 6
II.1.3) Etude des courants: 7
III) Onduleur de tension monophasée à 4 interrupteurs ou en pont: 9
III.1) Commande symétrique 9
III.1.1) Schéma: 9
III.1.2) Courbes représentatives: 9
III.1.3) Etude de uc(t): 10
III.1.4) Etude des courants: 10
III.1.5) Critique du montage: 11
III.2) Commande décalée 13
III.2.1) Courbes représentatives 13
III.2.2) Tension aux bornes de la charge: 13
III.2.3) Courants dans la charge: 14
III.3) Commande à modulation de largeur d'impulsion : MLI 15
III.3.1) Commande à modulation de largeur d'impulsion : MLI 15
III.3.2) Commande à angles pré calculés : 15
III.3.3) Caractéristiques de la MLI : 16
III.3.4) Avantages de la MLI : 16
IV) Onduleurs triphasés: 17
IV.1) Schéma de principe: 17
IV.2) Mode de calcul: 17
IV.3) Commandes: 17
IV.3.1) Commande adjacente :Type 180° 17
IV.3.2) Commande disjointe :type 120° ou 150°. 18
IV.3.3) Commande MLI : 19
Conversion Continu Alternatif
Onduleurs 1 Introduction :
1 Fonction: C'est un convertisseur statique qui permet d'alimenter une charge en
alternatif à partir d'une source continue.
On les retrouve dans deux types de systèmes :
. Les Alimentations Sans Interruption (ASI ou UPS en anglais). Elles
servent d'alimentation de secours. La source continue est généralement
une batterie d'accumulateurs. La fréquence est l'amplitude sont
fixées.
. Les variateurs de vitesse pour machines à courant alternatifs. La
source continue est obtenue par redressement du réseau. La fréquence
est l'amplitude sont contrôlées.
[pic] Comme le convertisseur relie une source et une charge, ils sont forcément
de natures différentes
. Si la source continue est une source de tension, on a un onduleur de
tension.
. Si la source continue est une source de courant, on a un commutateur
de courant. 2 Symbole: [pic]
Figure 1 3 Utilisation: Alimentations de sécurité, ou d'appoint (protection contre les micro-
coupures en informatique, ou dans les centraux téléphoniques ... )
Alimentations de moteurs synchrones et asynchrones, dans un fonctionnement
à V/f constant.
[pic]
Figure 2 4 Principe : Pour l'onduleur le plus simple qui soit donc l'onduleur monophasé à deux
bras.
H1 et H2 sont commandés à l'ouverture ainsi qu'à la fermeture.
Les interrupteurs sont constitués par des thyristors ou des transistors
fonctionnant en commutation.
Le basculement des interrupteurs est commandé par une tension périodique
générée par un montage utilisant le principe des multivibrateurs astables. |[pic] |[pic] |
|Figure 3 |Figure 4 |
5 Les interrupteurs :
Les interrupteurs électroniques sont, ou des transistors ou des
thyristors fonctionnant en commutation; ils sont rendus bidirectionnels
par la mise en antiparallèle de diodes . Par la suite, nous ne préciserons plus la nature des composants :
transistors ou thyristors; ils seront désignés par H. Justification : dans le cas de charge inductive ou capacitive, le courant
dans la charge est déphasé par rapport à la tension; dans certaines phases
de fonctionnement, le courant ne peut circuler dans les transistors ou
thyristors unidirectionnels ( par exemple quand iH1 est négatif même si H1
est commandé ), d'où la présence de diodes en anti-parallèle sur ces
composants.
[pic] 6 Types de commande des interrupteurs et critère de choix:
|- symétrique ( à deux |- décalée ( à trois états |- à MLI: : pour l'onduleur |
|états : [pic]E ): pour |[pic]E et 0 ) : pour |en pont |
|les onduleurs à 2 ou 4 |l'onduleur en pont | |
|interrupteurs ( en pont )| | |
|[pic] |[pic] | |
| | |[pic] |
| | | |
| | |[pic] |
|[pic] |[pic] |[pic] |
Les tensions de commande sont périodiques mais non sinusoïdales. Les harmoniques sont gênants pour les machines électriques ( bruit,
vibrations ) et un taux THD de 5% est recommandé par la norme EN 6100-3-2. La qualité de la tension ou du courant généré est caractérisé par le taux
de distorsion en courant ou tension [pic] ou par le taux global de
distorsion [pic] Rappelons cependant que pour un circuit inductif, les harmoniques de rang
élevé sont "étouffés" ( la réactance est X = nL( pour l'harmonique de rang
n ). On cherche à obtenir une tension uc où seules subsisteraient des
harmoniques de rangs élevés, facilement filtrables ( par un filtre passe-
bas ) . Avec une commande décalée , l'observation des spectres montre que
l'onduleur à commande décalée présente un spectre plus favorable que
celui à commande symétrique. En effet la décomposition en série de
Fourier du signal montre que seuls les harmoniques de rang n impair
existent et ont pour amplitude : [pic]. On arrive donc, pour un décalage
convenable ( ( = 1/3 ) à supprimer l'harmonique de rang 3. . Avec une commande MLI ,beaucoup plus répandue, les harmoniques proches du
fondamental sont éliminés (les harmoniques de fréquences élevées sont
faciles à filtrer) les courants alimentant un moteur asynchrone sont
alors sinusoïdaux . N.B. : Les graphes ci-contre donnent le principe de la commande d'un
onduleur MLI : on compare un signal en dents de scie de fréquence très
élevée à une sinusoïde. La sortie du comparateur, un créneau de largeur
variable sert de commande aux interrupteurs électronique de l'onduleur
7 Les Phases de fonctionnement
Selon le type d'onduleur, le type de commande et la nature de la charge, on
peut observer trois phases de fonctionnement : une phase d'alimentation de la charge par la source une phase de récupération pour laquelle la charge fournit de l'énergie à la
source ( la source doit être réversible ) une phase de roue libre pour laquelle la charge dissipe de l'énergie par
circulation dans une maille du circuit ne comprenant pas la source.
2 Onduleur de tension monophasée à 2 interrupteurs:
1 Schéma de principe : [pic]
Figure 5 2 Alimentation d'une charge résistive: Le courant suit la tension et est donc de la même forme au coefficient R
près ( uc =Ric) 3 Alimentation d'une charge inductive: Dans le cas d'une charge inductive, l'annulation du courant et celle de la
tension ne sont pas simultanées.
Lorsque H2 est ouvert et H1 fermé (uc=E), le courant est soit positif soit
négatif.
H1 est unidirectionnel en courant et ne laisse passer le courant que si
celui-ci est positif.
Pour assurer la circulation du courant dans les deux sens, on doit placer
une diode en antiparallèle avec H. L'onduleur de tension à commande symétrique impose aux bornes de la charge,
quelle que soit la nature de celle-ci, une tension alternative de valeur
efficace U = E, de fréquence f égale à celle de la commande L'expérience, appuyée par les graphique de la Figure 6 montre que les
instants t1 et t2 dépendent de l'impédance de la charge. Malgré les phases
de récupération, il y a globalement transfert d'énergie de la source de
tension vers la charge.
[pic]
Figure 6
4 Analyse:
1 Séquence des commandes des interrupteurs: . De 0 à T/2 : K1 est commandé
. De T/2 à T : K2 est commandé
La diode placée en antiparalèlle permet le passage du courant dans les 2
sens. 2 Etude de uc(t): . De 0 à T/2 : uc(t) = E
. De T/2 à T : uc(t) = -E 1 La valeur moyenne de uc(t) : [pic]
2 La valeur efficace de uc(t) : [pic]
3 Décomposition spectrale de uc(t) : La tension uc(t) est une fonction créneau impaire , sa décomposition ne
contient que des termes en sinus et ne présente que des harmoniques
pairs :[pic] 3 Etude des courants:
1 Exemples: Le courant dépend de la nature de la charge.
|Exemple de courants pour diverses valeurs|Exemple de courants pour diverses valeurs|
|de l'inductance d'une charge RL |de l'inductance d'une charge RLC |
|[pic] |[pic] |
2 Constatations: Comme le courant n'es pas sinusoïdal, il est riche en harmoniques (de même
fréquences que la tension) qui
. génèrent des couples pulsatoires néfastes sur les machines tournantes
. génèrent des parasites radioélectriques pouvant perturber des signaux
de commande. 3 Méthode d'étude: On peut associer une impédance complexe Z(n() à chaque harmonique de rang n
de la tension.
D'aprè