Onduleur monophasé de tension à quatre interrupteurs

David CHANEZ

ONDULEUR MONOPHASE

DE TENSION

Etude de l'onduleur de tension à 4 interrupteurs


sommaire

I. Etude théorique 2

1) L'onduleur 2
2) Réalisation 2
3) Les interrupteurs bidirectionnels 3
4) L'onduleur à quatre interrupteurs 3
5) La commande symétrique 4
6) Commande décalée 7
7) Modulation de largeur d'impulsion: MLI 8

II. Conception de la maquette 8

1) Fonctionnement de la maquette 8

III. Commande de la maquette (voir schéma structurel page15) 12

1) Décomposition du signal 13
2) L'horloge du compteur 16
3) Le régulateur 17

IV. L'étage de puissance :(voir le schéma structurel page 18) 15

1) Choix des interrupteurs commandés 15
2) Le lien entre commande et étage de puissance 17
3) Le fonctionnement 17
4) Les LEDS 18

V. Les essais 17

1) Précaution liée au problème de masse 17
2) Les essais( voir relevé page 21,22,23) 18
3) Les charges 18
4) Ce qui ne correspond pas avec la théorie 18

VI. exploitation pédagogique ( autre fichier ) 20





introduction


L'objectif est de proposer une réalisation d'une maquette à but
pédagogique pouvant être utilisée en physique et électricité appliquée dans
les classes constituant la filière STI. La maquette doit trouver sa place
dans le programme des classes précédemment citées et se veut en conformité
avec le référentiel de physique appliquée.
En l'occurrence, l'onduleur monophasé de tension est inclus dans le
programme de terminale génie électrotechnique. C'est donc essentiellement
pour cette classe que le projet est réalisé.
Le travail présent dans ce document étant destiné aux professeurs, la
partie théorique de l'onduleur se résumera au strict. Par contre la
réalisation de la maquette, et les possibles améliorations seront plus
étoffées, afin que la reproduction de celle-ci soit possible sans trop de
difficultés. Enfin et surtout, un intérêt particulier sera porté sur
l'exploitation devant les élèves afin de profiter au maximum de la
maquette.

Remarque :
Tous les schémas sont réalisés par le logiciel VISIO et celui-ci ne
prend pas en compte la lettre grecque ?, c'est pourquoi les valeurs de
résistances sont notées par exemple 10 K pour 10 k? .



l'onduleur monophase de tension
à
4
interrupteurs

I. Etude théorique

1) L'onduleur
Un onduleur est un convertisseur de tension continue en tension
alternative. En clair, à partir d'une source continue de tension, nous
réaliserons une tension alternative (de valeur moyenne nulle).
L'onduleur le plus simple est constitué seulement de deux
interrupteurs. Bien sûr, ce montage est utile pour expliquer aux élèves le
principe de fonctionnement de ce convertisseur, mais il n'est en pratique
jamais utilisé. C'est pourquoi l'étude de l'onduleur à quatre interrupteurs
est intéressante, car il permet d'obtenir des formes de tension plus
élaborées se rapprochant de la réalité industrielle.


2) Réalisation
Qu'il soit à deux ou quatre interrupteurs, le principe de base et la
constitution sont les mêmes :
- Créer aux bornes de la charge une tension de valeur positive
et négative en alternance.
- Utilisation de l'électronique de puissance.
- Utilisation d'interrupteurs bidirectionnels formés par un
transistor et une diode montée en antiparallèle (voir schéma
).
- Commande permettant de gérer les interrupteurs.


3) Les interrupteurs bidirectionnels
a) schéma


b) explication
Le transistor constitue l'élément commandé. Il est
unidirectionnel tout comme la diode. L'assemblage des deux composants
permet de créer un bloc qui sera, lui, bidirectionnel.
Le choix des composants est divers et sera traité dans un autre
chapitre.
Pour l'étude théorique, nous supposerons toujours que les composants
sont parfaits (tension à leurs bornes nulles lorsqu'ils sont conducteurs).
Ainsi, le transistor sera schématisé par un interrupteur parfait.

Au point de vue du vocabulaire, nous dirons qu'un interrupteur est
susceptible d'être passant lorsqu'il est commandé à la fermeture.
Inversement, il sera bloqué quand il est commandé à l'ouverture.


4) L'onduleur à quatre interrupteurs
a) schéma du montage

















b) analyse du fonctionnement
Nous nommerons K chaque interrupteur bidirectionnel. A l'aide
de la maquette, chacun est commandé indépendamment des autres. Il a été
dit précédemment que le but est de créer aux bornes de la charge une
tension alternative. Pour cela, il suffit de
commander les interrupteurs deux à deux. Nous verrons deux types de
commandes :
- Commande symétrique.
- Commande décalée.
Dans un premier temps, nous étudierons la commande la plus
simple (symétrique) puis nous verrons la commande décalée avec
ce qu'elle apporte de plus. Dans les deux cas, l'allure de la
tension dépend uniquement de la commande utilisée et non pas de
la charge. Seul dépendra de la charge, l'allure des courants.

5) La commande symétrique
Cette commande se résume à commander les interrupteurs K1 et K3 à la
fermeture pendant une demi-période puis de commander K2 et K4 durant la
deuxième demi-période. (Nous sous-entendons que les interrupteurs non
commandés à la fermeture sont en fait commandés à l'ouverture).
L'analyse se décompose en deux phases :
- 1ère phase : K1 et K3 sont commandés à la fermeture de
l'instant 0 à [pic]. Durant cette durée K2 et K4 sont ouverts. Nous
obtenons donc le schéma équivalent très simple suivant :


la tension aux bornes de la charge aura donc la valeur uc = E.

- 2ème phase : K2 et K4 sont à leur tour commandés à la
fermeture de l'instant [pic] à T. Le schéma équivalent sera le suivant :

durant cette phase uc = -E

Il suffit donc de dessiner des oscillogrammes suivant la charge
choisie:
a) charge résistive R



La valeur efficace de la tension aux bornes de la charge est
fixée par la tension d'alimentation.
Nous obtenons donc les valeurs suivantes :
Uc = E
< uc > = 0 V
a) charge inductive RL
La charge inductive simule un moteur alternatif. Nous
nous apercevons que pour cette charge, seul l'allure des
différents courants change.
Dans l'utilisation sur une charge résistive pure, nous voyons que les
diodes sont inutiles. Elles trouvent leur fonction dans le cas d'une
charge inductive. Elles évitent une discontinuité dans la conduction du
courant et prennent donc le relais des transistors, quand ceux-ci bien
qu'étant commandés à la fermeture, ne peuvent pas conduire car ils sont
unidirectionnels.
De plus, il faut remarquer que la charge fournie de la puissance à la
l'alimentation quand les diodes sont passantes. Il s'agit de phases de
récupération.
Ces phases de récupération nécessitent d'utiliser des alimentations en
tension réversible en courant.

6) Commande décalée
Cette commande, plus sophistiquée dans sa conception, est une
première étape vers l'obtention d'un courant sinusoïdale. Si nous nous
attachons à une analyse spectrale, nous verrions dans la commande
précédente que la tension, ainsi que le courant, sont riches en
harmoniques ce qui pose des problèmes pour une utilisation avec des
moteurs(pertes joules, couples pulsatoires ...).
La commande décalée permet d'éliminer en partie ces harmoniques et
améliore donc le convertisseur. D'ailleurs l'allure du courant s'en
ressent.
Au niveau de la commande, il suffit de décaler la fermeture des
différents interrupteurs dans un ordre précis(ordre donné ci-dessous).
Nous traçons à nouveau les oscillogrammes.
La puissance échangée par la charge comporte une phase de plus avec
la commande décalée. Pendant deux intervalles de temps, elle est nulle : il
s'agit de phase de roue libre. Au cours de ces intervalles, l'énergie
emmagasinée par la bobine est cédée à la résistance car la tension aux
bornes de la charge est nulle.
De plus, nous retrouvons les phases de récupération.


7) Modulation de largeur d'impulsion : MLI
Cette commande ne fait pas partie du projet. Néanmoins, il s'agit de
l'étape supérieure pour obtenir un courant quasi sinusoïdal. La tension aux
bornes de la charge est fragmentée en plusieurs impulsions de tension
(négative et positive). Cette fragmentation permet si elle est savamment
calculée d'éliminer les harmoniques gênants. L'allure de la tension MLI
permet de se rendre compte du principe de cette commande.


II. Conception de la maquette

1) Fonctionnement de la maquette
Afin d'avoir une maquette facile à utiliser, car rappelons que le but
est de créer un outil accessible rapidement par les élèves, il fallait
limiter le câblage et les manipulations diverses par les élèves. Dans ce
but, la mise sous tension de la maquette se fait grâce à une alimentation
unique et sous 24 V. Il suffira donc à l'élève de brancher l'alimentation,
la charge(qui est facilement repérable sur la maquette) et les divers
appareils de mesures.
La faible tension permet d'éviter les problèmes de sécurité car le
travail sera sous tension non dangereuse. Malgré tout, comme cela est
obligatoire maintenant, toutes les douilles seront des douilles de
sécurité. Par contre, il ne no