onduleur - Franck FRESNEL (Ressources)

Tle STI GET
Onduleur
ONDULEUR
I. PRINCIPE DES ONDULEURS AUTONOMES
On appelle onduleur, un convertisseur statique continu-alternatif qui permet d'obtenir une tension alternative
de valeur efficace fixe ou réglable à partir d'une source de tension continue.
—
L'onduleur est autonome si sa fréquence de
fonctionnement est indépendante de la sortie.
~
Les onduleurs sont utilisés:
✔ pour réaliser des variateurs de vitesse des moteurs synchrones ou asynchrones;
✔ dans des alimentations de secours.
II. ONDULEUR DE TENSION MONOPHASÉE À 2 INTERRUPTEURS
1. Débit sur charge résistive
a. Schéma du montage
b. Oscillogrammes
K1
E
E
u K1
u
R
E
u
i
T/2
T
t
T/2
T
t
T/2
T
t
-E
u K2
i
E/R
K2
-E/R
u K1
2E
interrupteur
fermé
ouvert
1/11
T/2
T
Tle STI GET
Onduleur
c. Interprétation
De 0 à
T
2
K1 est fermé ⇒ uK1 = 0
Loi des mailles: E + uK1 – u = 0 ⇒ u = E
u=R.i ⇒i=
Loi d'ohm:
i=
On en déduit:
u
R
E
R
T
àT
2
De
K2 est fermé ⇒ uK2 = 0
Loi des mailles: E + uK2 + u = 0 ⇒ u = -E
Loi d'ohm:
en déduit:
u=R.i ⇒i=
i=
−E
R
u
R
La tension u et le courant i, alternatifs et rectangulaire, ont même période; celle ci est imposée par l'ouverture
et la fermeture des interrupteurs K1 et K2.
d. Conclusion
K1 et K2 sont commandés à l'ouverture, ainsi qu'à la fermeture; lorsqu'ils sont ouverts, ils doivent supporter
une tension positive. On peut envisager l'utilisation de deux transistors T1 et T2 travaillant en commutation.
2. Débit sur charge inductive
a. Structure des interrupteurs
Dans le cas d'une charge inductive, l'annulation du courant i et celle de la tension u ne sont pas simultanée
(loi de Lenz).
Rappel: Le courant à travers une inductance ne peut subir de discontinuité. Lorsque K2 est ouvert et K1 fermé
(u = E), l'intensité du courant peut être positive ou négative. Or un transistor (K1) ne laisse passer le courant
que s'il est positif.
Afin de permettre la circulation du courant dans les deux sens, on place une diode en formant un montage dit
antiparallèle.
T2
T1
K1
D1
NPN
2/11
K2
D2
PNP
Tle STI GET
Onduleur
b. Schéma du montage.
i1
T1
E
u K1
RB
D1
u
K1
NPN
i
R
T/2
T2
E
u K2
RB
D2
i2
PNP
K2
c. Observation des oscillogrammes
Voir feuille en annexe
d. Analyse de fonctionnement
a. 0 < t <
T
2
K2 ouvert et K1 fermé ⇒ uΚ1 = 0 et u = E
0< t < t1
i<0,
le transistor délivre uniquement un courant positif.
T1 bloqué,
la diode D1 conduit.
La diode est appelée «diode de récupération ». C'est une phase de récupération
p = u.i < 0: il y a transfert d'énergie de la charge vers la source de tension.
T1< t <
T
2
i > 0,
T1 devient saturé
et la diode se bloque.
Puissance: p = u.i = E.i > 0: transfert d'énergie de la source vers la charge.
3/11
VBB
Tle STI GET
b.
Onduleur
T
<t<T
2
K1 ouvert et K2 fermé ⇒ uΚ2 = 0 et u = -E
T
< t < t2
2
i>0⇒
i2 < 0 et
iD2 > 0, la diode D2 est passante (T2 bloqué): phase de récupération
Puissance: p = u.i = -E.i < 0: transfert d'énergie de la charge vers la source.
t 2< t < T
i < 0 ⇒ i2 > 0, iD2 < 0: la diode D2 se bloque et T2 est saturé.
Puissance: p = u.i = -E.i > 0: transfert d'énergie de la source vers la charge.
e. Grandeurs caractéristiques
✔
✔
La période u est imposée par la commande des interrupteurs K1 et K2;
la valeur efficace U = E
Remarques:
✔ Les sources de tension doivent être réversible en courant.
✔ Le montage à deux interrupteurs impose une commande symétrique.
u K1
f. Modélisation
iD1
K1
i1
E
La commande et la nature des
interrupteurs ne figurent pas
sur ce schéma
u
i
u K2
E
i2
iD2
4/11
K2
Tle STI GET
Onduleur
III. ONDULEUR DE TENSION MONOPHASÉE EN PONT.
1. schéma du montage
K2
K1
T2
T1
D1
D2
NPN
u
iD1
E
u K2
u K1
iD2
i
R
T3
T4
D4
u K3
u K4
D3
PNP
K4
K3
2. Observation des oscillogrammes.
Dans le cas où la charge est la même que précédemment et où la source de tension à la même valeur de E, les
oscillogrammes de u et de i sont identiques.
3.Analyse de fonctionnement
a.0≤ t ≤
T
2
La commande impose que K2 et K4 soient ouverts et K1 et K3 fermés. u = E > 0.
de 0 < t < t1
i > 0.
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K4
u K3
D3
PNP
K4
5/11
K3
Tle STI GET
Onduleur
Le courant i est négatif, ce qui impose la conduction de D1 et D3. Ces diodes restent passantes tant que
l'intensité du courant qui les traverse (iD1 = iD3 = -i) reste positive.
Pendant cet intervalle de temps, la puissance instantanée p = u.i = E.i < 0: il y a transfert d'énergie de la
charge vers la source de tension.
De t1 < t <
T
2
i > 0.
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K3
u K4
D3
PNP
K4
K3
A l'instant t1, le courant i s'annule et devient positif, ce qui impose la conduction de T1 et T3.
Il y a commutation de D1 vers T1 et de D3 vers T3.
Pendant cet intervalle de temps, la puissance instantanée p = u.i = E.i > 0: il y a transfert d'énergie de la
source de tension vers la charge.
T
2
b.
≤t≤Τ
La commande impose que K1 et K3 soient ouverts et K2, K4 fermés: u = -E < 0
T
≤ t ≤ t2
2
K2
K1
i>0
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K4
u K3
D3
PNP
K4
6/11
K3
Tle STI GET
Onduleur
Le courant i est positif, ce qui impose la conduction de D2 et D4.
Ces diodes restent passantes tant que l'intensité du courant qui les traverse (iD2= iD4 = i) reste positive.
Pendant cet intervalle de temps, la puissance instantanée p = u.i = - E.i< 0: il y a transfert d'énergie de la
charge vers la source de tension.
De t2 < t < T
i < 0.
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K4
u K3
D3
PNP
K4
K3
A l'instant t2, le courant i s'annule et devient négatif, ce qui impose la conduction de T2 et T4.
Il y a commutation de D2 vers T2 et de D4 vers T4.
IV.ONDULEUR À COMMANDE DÉCALÉE
1. Schéma de montage
Le schéma est le même que précédemment, la commande des interrupteurs est décalée.
2.Observations des oscillogrammes.
Voir feuille en annexe
3.Analyse de fonctionnement
a. De 0 < t < τ
la commande impose K1, K2 ouverts et K3, K4 fermés : u = 0 et i < 0
Puisque i < 0 ⇒ conduction de T4 et D3.
Pendant cet intervalle de temps, la puissance vaut p = u.i = 0W
C'est la phase de roue libre (u = 0)
7/11
Tle STI GET
Onduleur
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K3
u K4
D3
PNP
K4
K3
T
2
b. De τ < t <
la commande impose K2, K4 ouverts et K1, K3 fermés : u = E
b.1. De τ < t < t1
i < 0.
Puisque i<0 ⇒ conduction de D1 et D3
Pendant cet intervalle de temps, la puissance vaut p = u.i = E.i < 0: tranfert d'énergie de la charge vers la
source: c'est la phase de récupération.
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K4
u K3
D3
PNP
K4
b.2. De t1 < t <
K3
T
2
i>0
Puisque i > 0 ⇒ conduction de T1 et T3.
Pendant cet intervalle de temps, la puissance vaut p = u.i = E.i > 0: tranfert d'énergie de la source vers la
charge : c'est la phase d'alimentation.
8/11
Tle STI GET
Onduleur
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K3
u K4
D3
PNP
K4
c.De
T
<t<
2
K3
T
+τ
2
i>0
La commande impose K3, K4 ouverts et K1, K2 fermé : u = 0 et i > 0.
Puisque i > 0 ⇒ conduction de T1 et D2.
Pendant cet intervalle de temps, la puissance vaut p = u.i = 0W
C'est la phase de roue libre (u = 0)
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K4
u K3
D3
PNP
K4
d.De
K3
T
+τ < t < Τ
2
La commande impose K1, K3 ouvert et K2, K4 fermé: u = -E
d.1.De
T
+τ < t < t 2
2
i>0
Le courant i > 0 impose la conduction de D2 et D4.
Pendant cet intervalle de temps, la puissance instantanée p = u.i = - E.i < 0 :tranfert d'énergie de la charge
vers la source; phase de récupération
9/11
Tle STI GET
Onduleur
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K3
u K4
D3
PNP
K4
K3
d.2.De t2 < t < T
i<0
Puisque i< 0 ⇒ conduction de T2 et T4.
Pendant cet intervalle de temps, p = u.i > 0: tranfert d'énergie de la source vers la charge:
phase d'alimentation.
K2
K1
T1
T2
D1
u
iD1
E
T4
u K2 D
2
u K1
R, L
i
iD2
NP
N
T3
D4
u K4
u K3
D3
PNP
K4
K3
4.Grandeurs caractéristiques du montage.
a. Période
La période est imposée par la commande forcée des interrupteurs
b. Valeur efficace
Par définition: U = ⟨ u 2 ⟩
T
2
T
2
  
2
1
2
2
2 2 T 2 2 T
2
2
2
2
U = ∫ u dt= ∫ u dt= ∫ E dt= E [t ] 2 = E
− =E 1−
T 0
T 0
T 
T
T
2
T

T
2
10/11

Tle STI GET
Onduleur

U =E 1−
2
T
En réglant τ, il est possible de faire varier la valeur efficace de la tension et, en particulier d'obtenir
V
=constant
un rapport
f
11/11