Onduleurs autonomes classe: EM11 Enseignant: Moez Youssef 1-1 1-1 I) Introduction : Un onduleur autonome est un convertisseur statique continu-alternatif, il permet d’alimenter une charge en alternatif à partir d’une source continue. Un onduleur est dit autonome lorsqu’il impose sa propre fréquence à la charge, il est dit assisté si la fréquence et la tension sont imposées par le réseau. Applications: alimentation de secours, chauffage par induction, commande des machines asynchrones 2 classification: Les montages onduleurs sont très nombreux en fonction de leurs applications, de leurs structures et de leurs commandes. Nous pouvons classer les onduleurs suivant : * le nombre de phases de la charge : nous distinguerons les onduleurs monophasés et les onduleurs triphasés. * la nature de la source : - l'onduleur de tension : alimenté par un générateur de tension continu, il impose par sa commande la tension u(t); la charge impose alors l'intensité i(t). - l'onduleur de courant : alimenté par un générateur de courant continu, il impose par sa commande le courant i(t); la charge impose la tension u(t). * la structure du convertisseur : on trouve des structures en demi-pont, en pont, avec transformateur * le mode de commande : on distingue la commande symétrique, la commande décalée, la commande MLI (modulation largeur 3 d’impulsions) II) Onduleur de tension monophasé en pont à commande symétrique : 1) Principe (cas d’une charge R): 𝑲𝟏 E R i u 𝑲𝟒 𝑲𝟐 𝑲𝟑 Les interrupteurs 𝑲𝒊 sont commandés d’une façon symétrique: 𝑇 Pour la moitié de la période 0, 𝑲𝟏 et 𝑲𝟑 sont fermés, 𝑲𝟐 et 𝑲𝟒 sont 2 ouverts Pour l’autre moitié 𝑇 ,𝑇 2 𝑲𝟏 et 𝑲𝟑 sont ouverts, 𝑲𝟐 et 𝑲𝟒 sont fermés 4 Pour t ∈ 𝑇 0, 2 : 𝑲𝟏 et 𝑲𝟑 sont fermés 𝑲𝟏 E R i u 𝑲𝟒 Pour t ∈ E 𝑇 2 𝑲𝟐 𝒖=𝑬 𝑲𝟑 , 𝑇 : 𝑲𝟐 et 𝑲𝟒 sont fermés: 𝑲𝟏 𝑲𝟒 i R u 𝑲𝟐 𝒖 = −𝑬 𝑲𝟑 5 𝒖(𝒕) 𝑬 𝑻 𝟎 𝟐 𝑻 𝒕 𝑻 𝒕 −𝑬 𝒊(𝒕) 𝟎 𝑬 𝑹 𝑻 𝟐 −𝑬 𝑹 6 2) cas d’une charge R-L : u(t) garde la même forme mais i(t) n’a plus la même forme que u(t). 𝒖(𝒕) 𝒊(𝒕) 7 Pour chaque demi période i tant tôt >0 tant tôt <0, les interrupteurs doivent être bidirectionnels en courant: on utilise un semiconducteur commandable à la fermeture et à l’ouverture avec une diode en antiparallèle 𝑻𝟏 𝑻𝟐 𝑫𝟏 𝑬 𝑹 𝑳 𝑫𝟐 𝒊(𝒕) 𝒖(𝒕) 𝑻𝟒 𝑫𝟒 𝑻𝟑 𝑫𝟑 8 Etude du courant i(t): 𝑇 2 Pour t ∈ 0, : 𝑲𝟏 et 𝑲𝟑 sont fermés: 𝒖 = 𝑬 = 𝑳 La solution est de la forme: 𝒊(𝒕) = 𝝀 𝒆 𝑹 −𝑳 𝒕 + Donc: 𝒊(𝒕) = Pour t ∈ 𝑇 2 − 𝑬 𝑹 + 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝒆 𝑬 − 𝑹 − 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝑹 −𝑳 𝒕 (1) , 𝑇 : 𝑲𝟐 et 𝑲𝟒 sont fermés: 𝒖 = −𝑬 = 𝑳 La solution est de la forme: 𝒊(𝒕) = 𝝀 𝒆 La condition initiale Donc: 𝒊(𝒕) = 𝑬 𝑹 𝑻 𝒊( ) 𝟐 𝑹 −𝑳 𝒕 − = 𝑰𝒎𝒂𝒙 donne 𝝀 = + 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝒆 𝑹 𝑳 − + 𝑹𝒊 𝑬 𝑹 La condition initiale 𝒊(𝟎) = −𝑰𝒎𝒂𝒙 donne 𝝀 = 𝑬 𝑹 𝒅𝒊 𝒅𝒕 𝑻 𝟐 𝒕− − 𝑬 𝑹 𝒅𝒊 𝒅𝒕 + 𝑹𝒊 𝑬 𝑹 𝑬 𝑹 + 𝑰𝒎𝒂𝒙 𝒆 𝑹𝑻 𝑳𝟐 (2) 9 Détermination de 𝑰𝒎𝒂𝒙 : 𝑻 𝟐 Pour déterminer 𝑰𝒎𝒂𝒙 on écrit 𝒊( ) = 𝑰𝒎𝒂𝒙 dans (1) On obtient : 𝑰𝒎𝒂𝒙 = 𝑬 𝑹 𝑹𝑻 −𝑳𝟐 𝟏− 𝒆 𝑹𝑻 −𝑳𝟐 𝟏+ 𝒆 Spectre de u(t): La décomposition en série de Fourier de u(t) est: 𝟒𝑬 𝟏 𝟏 𝒖 𝒕 = 𝒔𝒊𝒏 𝝎𝒕 − 𝒔𝒊𝒏 𝟑𝝎𝒕 + 𝒔𝒊𝒏 𝟓𝝎𝒕 ⋯ 𝝅 𝟑 𝟓 Spectre de i(t): 𝑰𝒎𝒂𝒙 (𝒇) = 𝑼𝒎𝒂𝒙 (𝒇) 𝒁 avec: 𝒁 = 𝑹𝟐 + 𝑳 𝟐 𝝅 𝒏 𝒇 𝟐 On constate que lorsque 𝒇 ↑ 𝑼𝒎𝒂𝒙 ↓ et 𝒁 ↓ Donc le spectre de i présente une décroissance plus rapide 10 VP1 VP2 0 100 140 120 100 80 60 40 20 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Frequency (Hz) 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Spectre de u Spectre de i 11 Intervalles de conduction des différents composants: D1 D3 T1 T3 D2 D4 T2 T4 12 3) cas d’une charge R-L-C série : Pour rendre i(t) quasi sinusoïdal, il suffit d’introduire C en série. On obtient alors un filtre passe bande. Il suffit de choisir C telle que la fréquence fondamentale f soit très 𝟏 proche de la fréquence de résonance du filtre 𝒇𝟎 = , il faut aussi 𝟐𝝅 𝑳𝑪 que le filtre soit sélectif de sorte que les harmoniques 3f, 5f… n’appartiennent pas à la bande passante On distingue 2 cas: 13 1er cas i(t) en avance sur le fondamental de u(t): VP1 VP2 VP3 Fondamental de u(t) u(t) 150 i(t) 100 50 0 -50 -100 -150 1 1.005 T1 T3 D1 D3 1.01 T2 T4 D2 D4 1.015 Time (s) 1.02 1.025 1.03 La commutation est naturelle car les transistors cessent de conduire à courant nul 14 2eme cas i(t) en retard sur le fondamental de u(t): VP1 VP2 VP3 Fondamental de u(t) 150 u(t) 100 50 i(t) 0 -50 -100 -150 1 1.005 D1 D3 T1 T3 D2 D4 1.01 1.015 Time (s) 1.02 1.025 1.03 T2 T4 La commutation est forcée car les transistors cessent de conduire à courant non nul 15 III) Onduleur monophasé en pont à commande décalée : Avec la commande symétrique, on a vu que la tension ainsi que le courant sont riches en harmoniques. La commande décalée permet d’éliminer en partie ces harmoniques. La structure de l’onduleur est la même, il suffit de décaler la fermeture de deux interrupteurs. E u p+a a p-a 2p-a p 2p -E K1 K4 K3 K2 Un choix judicieux de a permet d’éliminer l’harmonique 3 16 IV) Onduleur monophasé: commande MLI (modulation de largeur d’implusion) : La structure électronique est toujours la même (pont à 4 transistors et 4 diodes). Le but principal de cette technique est de régler la fréquence et la valeur efficace de la tension de sortie et de rejeter les harmoniques indésirables vers les fréquences élevées, leurs amplitudes devenant alors négligeables. La commande est plus complexe, il s’agit d’une commande symétrique présentant un grand nombre de commutations par période avec des ouvertures et des fermetures d’interrupteurs de durées modulées. La commande MLI ne permet non seulement de régler la valeur efficace et la fréquence de la tension alternative, mais aussi de lui donner un taux d’harmoniques réduit. La modulation de largeur d’impulsion est une technique de découpage de la tension ou du courant permettant de générer des formes quasi sinusoïdales. On distingue deux types de commande à modulation de largeur d’impulsion qui sont la MLI naturelle (ou modulation par onde triangulaire et onde sinusoïdale) et la MLI calculée. Dans chacune d’elle, 17 on distingue la MLI bipolaire, et la MLI monopolaire. 1) MLI naturelle: a) MLI bipolaire: La commande MLI bipolaire génère une tension de sortie comprise entre + E et –E. Le procédé est de type analogique et consiste à comparer une onde modulante (ou de référence), généralement sinusoïdale, de fréquence f (désirée) et d'amplitude réglable, à une onde porteuse triangulaire de fréquence mf, les instants de commutation étant déterminés par les points d'intersection de ces deux ondes comme indiqué dans la figure suivante 18 19 Allure de la tension et du courant de la charge Spectre de la tension de la charge Avec ce type de commande les harmoniques sont rejetés vers les hautes fréquences ce qui facilite le filtrage 20 b) MLI monopolaire: La tension de la charge est comprise entre 0 et –E pour l’alternance négative et 0 et +E pour l’alternance positive. Etat des interrupteurs 21 Allure de la tension et du courant de la charge Spectre de la tension de la charge Avec ce type de commande les harmoniques sont rejetés vers les hautes fréquences ce qui facilite le filtrage 22 2) MLI calculée: La tension de sortie est composée de créneaux de tension de largeur variable. Les angles de commutations sont calculés de façon à éliminer un certain nombre d’harmoniques. Le fait de disposer de cinq angles permet d’éliminer cinq harmoniques. En choisissant par exemple d'éliminer les harmoniques 3, 5, 7, 9 et 11 on obtient un système homogène à cinq inconnus. Tension de sortie de MLI calculée 23 La résolution du système d’équation nous donne les valeurs des angles suivants : a1=18.17°, a2=26.64°, a3= 36.87°, a4 = 52.9°, a5 = 56.69°. Les angles (a1 , … ,a5 ) permettent d’éliminer les harmoniques 3, 5, 7, 9, 11 d’ou le nom de MLI calculée. Etat des interrupteurs 24 Allure de la tension et du courant de la charge 25 Spectre de la tension de la charge on constate que les harmoniques 3, 5, 7, 9 et 11 sont éliminés par les instants de commutations des interrupteurs. La forme du courant s’approche de la sinusoïde 26 V) Onduleur triphasé: La commande en vitesse des machines alternatives (machines synchrones et asynchrones) nécessite d’alimenter la machine par l’intermédiaire d’un onduleur triphasé autonome. En pratique, les machines étant des récepteurs inductifs fonctionnant à courant alternatif, l’onduleur réalise donc la conversion source de tension continue en source de courant alternatif. Ces machines sont alimentées par un onduleur de tension, à commande simple ou à modulation de largeur d’ impulsions (MLI).Dans cette partie nous allons traiter que la commande simple comme exemple. 27 Schéma de principe: L’onduleur triphasé en constitué de 3 branches d’onduleur comportant deux interrupteurs commandables à l’ouverture et à la fermeture et de deux diodes branchées en antiparallèle de ces interrupteurs permettant la bidirectionnalité du courant. 28 Commande simple: La commande simple (ou « commande à 120° ») consiste à fermer les interrupteurs de la manière suivante, ce qui impose la forme d’onde des tensions composées de sorties : 29 On montre que: On obtient alors les allures de v1(t), v2(t), v3(t) 30
