Etude d’un onduleur de tension autonome monophasé : L’ONDULEUR AUTONOME Schéma de principe : Définition : Un onduleur est un convertisseur statique continu – alternatif. L’onduleur est dit autonome quand il impose sa propre fréquence à la charge (ce qui est différent de l’onduleur assisté où la fréquence est imposée par la fréquence du réseau) . Les onduleurs autonomes sont utilisés : • pour alimenter des moteurs synchrones ou asynchrones pour faire varier la vitesse ; • comme alimentations de secours ; • comme alimentation de dispositifs de chauffage par induction (les fréquences des courants fournis par ces onduleurs sont comprises entre quelques dizaines de hertz à quelques centaines de hertz) . E Principe de fonctionnement : i • • E T/2 T u t E k2 Commande décalée : La tension u peut prendre 3 valeurs : • Pour k1 est fermé ; u = E. • u = 0. • Pour k2 est fermé, u = E. E H1 T1 C+ D1 E RB iB1 iD1 2E vBB CHARGE C+ E i u D2 RB T2 H2 Les transistors T1 et T2 sont deux transistors complémentaires NPN et PNP qui fonctionnent en régime de saturation (bloqué-saturé) qui peuvent être commandés soit par un générateur de fonctions soit à partir d’un montage à amplificateur . T De 0 ≤ t < 2 ; c’est l’élément H1 qui est commandé. T De 2 ≤ t < T ; c’est l’élément H2 qui est commandé. Charge T Pour 0 ≤ t < 2 l’interrupteur électronique k1 est fermé, k2 est ouvert et u = E. T Pour 2 ≤ t < T l’interrupteur électronique k2 est fermé, k1 est ouvert et u = -E. u iT1 Le générateur 2E est une alimentation stabilisée 0-30V réglée à 30V. Cette alimentation n’est pas réversible (c’est-à-dire qu’il ne peut y avoir de courant entrant) d’où d’adjonction de condensateurs qui, eux peuvent emmagasiner temporairement une quantité d’électricité. k1 Commande symétrique : iE1 Très souvent, la charge alimentée par l’onduleur est de nature inductive ce qui implique que l’allure du courant i(t) est différente de celle de la tension u(t). E u i u t1 T/2 T t -E -E T/2 T t -E k1 Page 1 sur 9 0 k2 0 k1 k2 Pour 0 ≤ t < t 1 , u = E et i < 0, c’est le condensateur C qui fournit de l’énergie et le courant circule dans le sens inverse que celui représenté sur le schéma. Comme les interrupteurs électroniques sont en général unidirectionnel, pour permettre au courant de circuler, on place une diode (D1) en parallèle (montage dit antiparallèle); c’est une phase de récupération. Les diodes D1 et D2 sont des diodes de récupération. Page 2 sur 9 Manipulation : L’onduleur en pont à quatre interrupteurs électroniques : Montage : La charge est une charge R =100 Ω et L = 0,5 H et f = 50 Hz. Visualiser les différentes formes des courants et tensions. D1 D4 Mesurer E et <E> en précisant quelle doit-être la position de l’appareil. H1 E H4 i Supprimer la résistance R et observer que l’intensité i(t) du courant dans la charge est presque triangulaire. Démontrer par le calcul l’allure visualisée. D2 D3 u H2 La charge est une charge R =100 Ω , L = 0,5 H , f0 = 400 Hz C est à déterminer. Faire varier sensiblement la fréquence f délivrer par le GBF et observer ce qui se passe pour le maximum de i. Lorsque la charge est composée de R, L et C en série, la fréquence de résonance est 1 f = donnée par la formule 0 2 π L C . 0 Relever U et I. H3 Le montage pratique nécessite quatre interrupteurs. Il présente l’avantage de pouvoir être alimenté par une source de tension continue fixe ou variable sans point milieu. Les diodes D1, D2, D3 et D4 sont des diodes de récupération. Contrairement au montage à deux interrupteurs, un tels montage permet d’utiliser soit une commande symétrique soit une commande décalée. Commande symétrique : Les interrupteurs H sont commandés périodiquement et deux par deux ( H1 en même temps que H3 ; H2 en même temps que H4 ). (Compléter les oscillogrammes de l’annexe 1). • D1 T Pour 0 ≤ t < 2 , H1 et H3 sont fermés, H2 et H4 sont ouverts. u = ….. H1 D4 H4 E D2 • D1 H2 u i D3 H3 Page 3 sur 9 i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est une ………… De t1 à T/2, ce sont …. et …. qui conduisent. i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est la source ………… T Pour 2 ≤ t < T , H2 et H4 sont fermés, H1 et H3 sont ouverts. u = ….. H1 D4 H4 E D2 De 0 à t1, ce sont …. et …. qui conduisent. H2 u i D3 H3 De T/2 à t2, ce sont …. et …. qui conduisent. i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est une ………… De t2 à T, ce sont …. et …. qui conduisent. i … 0 ; et p = u.i …. 0 ; c’est la source ………… Page 4 sur 9 Commande décalée : Principe de la commande décalée : Pour obtenir la tension de la page 1 : • H1 est fermé lorsque H2 est ouvert et inversement ; il en est de même pour H3 et H4. • Les actions de commande portant sur H1 sont décalées par rapport à celles qui concernent H3. De même la commande de H2 est décalée par rapport à celle de H4. • T Pour 2 ≤ t < t 3 : u = ……. D1 H1 D4 H4 Eléments commandés : …………. E D2 H2 u Eléments passants : ……………. i D3 H3 Compléter les schémas ci dessous ainsi que les oscillogrammes de l’annexe 2. • Pour 0 ≤ t < t 1 : • Pour t 3 ≤ t < t 4 : u = ……. D1 H1 D4 u = ……. H4 D1 Eléments commandés : …………. E D2 • H2 u Eléments passants : ……………. i D3 H1 D4 H4 E H3 D2 Pour t 1 ≤ t < t 2 : • H2 u Eléments passants : ……………. i D3 H3 Pour t 4 ≤ t < T : u = ……. D1 H1 D4 H4 E D2 • D1 H2 u D3 H3 T Pour t 2 ≤ t < 2 : H1 u = ……. D4 H4 Eléments commandés : …………. Eléments passants : ……………. E D2 H2 u u = ……. Eléments commandés : …………. Eléments passants : ……………. i Eléments commandés : …………. D1 H1 D2 H2 D4 H4 i D3 H3 E u Eléments commandés : …………. Eléments passants : ……………. Relations à déterminer : Donner l’expression de <u> : Donner l’expression littérale de U en fonction de E et t2. i D3 H3 Page 5 sur 9 Page 6 sur 9 ANNEXE 1 u(t) i(t) ANNEXE 2 u( t ) i( t ) Allure de la tension u(t) et i(t) ; on suppose que i est en retard par rapport à u. 4 0 0 t1 T/2 t2 t T uH1 ; uH3 iH1 ; iH3 u( t ) 0 i( t ) u( t ) i( t ) i( t ) t 4 0 0 0 t1 t2 0 .0 0 5 T/2 0 .0 1 t3 t4 T0 t4 T 0 .0 1 5 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 t iD1 ; iD3 u( t ) i( t ) 0 i( t ) t1 t2 T/2 t3 Eléments passants t iG Eléments commandés u( t ) i( t ) i( t ) t Eléments passants Eléments commandés ANNEXE 3 Signe de la puissance p = ui Page 7 sur 9 Page 8 sur 9 Intérêt et application de l’onduleur à commande décalée : Les onduleurs sont particulièrement utilisés pour alimenter des moteurs asynchrones dont la vitesse de rotation doit pouvoir être réglée. Pour un moteur asynchrone, le valeur efficace de la f.é.m. induite dans un enroulement est V = KfNΦ. f La fréquence de rotation n = ns(1 – g) = p (1 − g ) . Ainsi, pour faire varier la vitesse d’un moteur asynchrone, il suffit de faire varier la fréquence f de la tension d’alimentation du stator. De plus, pour obtenir un couple électromagnétique maximal, il faut obtenir un flux V 1 V co.stane Φ maximal soit Φ = KN . f . Il faut donc alimenter le moteur en maintenant le rapport = f En T.P., nous avons vu lorsque la charge est inductive, le courant n’est pas sinusoïdal car la tension u est en créneau. Ceci entraîne la création d’harmoniques de fréquences 2f, 3f, … non désirables car elles perturbent le bon fonctionnement des machines (moteurs en particulier). Pour réduire ces harmoniques en nombres et en intensité, on utilise des onduleurs à modulation de largeur d’impulsion ( M.L.I.). Page 9 sur 9