TRANSFORMATEUR HAUTE FRÉQUENCE AVEC COMMUTATION

RENDEMENT OPTIMAL ET UTILISATION FLEXIBLE
TRANSFORMATEUR HAUTE FRÉQUENCE AVEC COMMUTATION
TRANSFORMATEUR
L'une des nombreuses caractéristiques exigées des onduleurs modernes est une large plage de tension
d'entrée et de tension MPP, avec un rendement élevé quasi constant sur toute la plage de travail de l'onduleur.
Pour répondre à ces exigences, Fronius développe sur la majeure partie de ses onduleurs actuels un concept
dans lequel est utilisé un transformateur haute fréquence (en abrégé : transfo HF). Ce transfo HF possède
également une commutation transformateur, produisant ainsi un rendement élevé constant sur toute la plage de
tension d’entrée.
Ce n'est pas comme on le croit souvent le rendement maximal pour une seule tension, mais un rendement
élevé quasi constant sur toute la plage de tension MPP qui, entre autres, fournira un gain annuel élevé. Grâce à
leur transfo HF commutable, les onduleurs Fronius IG Plus et Fronius CL offrent un rendement maximal dans
pratiquement toutes les longueurs de chaîne admissibles.
Principes de base sur les onduleurs
Il existe fondamentalement trois technologies d'onduleurs différentes. Elles sont décrites ci-dessous :
/ Onduleur avec un transformateur 50 Hz
/ Onduleur sans transformateur
/ Onduleur avec transformateur haute fréquence (HF)
Technologie 50 Hz
La tension DC existante est transformée via un pont complet (S1...S4) en tension alternative 50 Hz. Elle est
ensuite transmise via un transfo 50 Hz puis injectée dans le réseau électrique public.
Avantages :
/ Grande fiabilité grâce au petit nombre de composants mis en œuvre
/ Sécurité grâce à la séparation galvanique des côtés DC et AC.
Inconvénients
/ Faible rendement en raison des pertes élevées au transformateur.
/ Poids et volume élevés (p. ex. en raison du transfo 50 Hz).
08/2011
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Technologie d'onduleurs sans transformateur
La tension continue existante est transformée via un pont complet (S1...S4) en une tension alternative
rectangulaire 50 Hz, lissée ensuite par les réducteurs (L1+L2) en une tension alternative sinusoïdale 50 Hz,
puis injectée dans le réseau électrique public.
Avantages :
/ Léger et compact en raison de l'absence de transformateur.
/ Rendement très élevé (p. ex. pas de pertes au transfo).
Inconvénients :
/ Mesures de sécurité supplémentaires nécessaires (interrupteur de protection différentiel). Dans certains pays,
pour des raisons de sécurité, il est interdit d'avoir une séparation galvanique entre les côtés DC et AC.
/ Parafoudre complexe.
/ Non compatible avec les modules devant être mis à la terre (p. ex. certaines technologies couche mince ou
cellules à contact arrière).
Technologie HF
Cette technologie cumule les avantages des deux technologies précédentes.
Le pont complet (S1...S4) génère un signal rectangulaire à haute fréquence de 20 – 24 kHz, qui est transmis
par le transfo HF (Tr1). Le redresseur à pont (D1...D4) retransforme le signal rectangulaire en tension continue,
qui est stockée dans le circuit intermédiaire (L1+C2). Un deuxième pont complet (S5...S8) génère alors une
tension alternative 50 Hz, lissée ensuite par les réducteurs (L2+L3) en une tension alternative sinusoïdale
50 Hz, puis injectée dans le réseau électrique public.
Avantages :
/ Compact et léger, car le transfo HF est très compact et léger.
/ Rendement élevé grâce à la réduction des pertes du transformateur.
/ Sécurité grâce à la séparation galvanique entre les côtés DC et AC.
/ Adapté à toutes les technologies de modules, car une mise à la terre (positive et négative) est possible.
04/2012
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Wirkungsgrad
Commutation transformateur
En fonction de la tension d'entrée, les courbes de rendement sont les suivantes pour les différentes
technologies :
50Hz-Trafo
ohne Trafo
HF-Trafo ohne
Umschaltung
HF-Trafo mit
Umschaltung
DC Spannung
Pour l'onduleur avec transfo 50 Hz, il existe toujours un rapport de transmission transfo fixe entre le côté
primaire et secondaire (DC et AC). Plus la tension d'entrée sera élevée, plus faible sera le rendement.
Cela dépend entre autres du coefficient d'utilisation du transformateur qui baisse avec les tensions élevées,
augmentant ainsi les pertes.
Avec un onduleur sans transformateur, la tension du générateur solaire doit être plus importante que l'amplitude
de la tension de réseau ; en tenant compte des tolérances, le rendement est maximal pour une tension d'entrée
d'environ 350 V. Celle-ci est le résultat de la tension de réseau à 230 V où le pic de tension est de 325 Volt et
des pertes complémentaires de semi-conducteurs d'env. 10 V. Si l'on quitte cette plage de tension, un
abaisseur ou un élévateur de tension s'active ; il relève ou abaisse la tension d'entrée à la valeur nécessaire,
dégradant ainsi le rendement.
Dans le concept de transfo HF avec rapport de transmission transfo fixe, le rendement baisse également avec
une tension d'entrée supérieure. Mais en modifiant le rapport de transmission transfo (commutation
transformateur) on obtient, en optimisant le coefficient d'utilisation du transfo, plusieurs pointes de rendement et
un rendement élevé pratiquement constant sur toute la plage d'entrée.
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Principes de base de la commutation transfo
Dans la pratique, lors de la conception du système, il est rarement possible de sélectionner la plage de la
meilleure tension d'entrée de l'onduleur, c'est-à-dire la plage dans laquelle le rendement de conversion est le
meilleur selon la fiche technique. Pour des gains optimaux lors de chaque branchement autorisé il est donc
impérativement nécessaire que le rendement de conversion soit constamment élevé dans l'ensemble de la
plage de travail de l'onduleur.
Mode de fonctionnement
Le transfo HF possède trois bobines sur le côté primaire (U1, U2 et U3). En fonction de la tension d'entrée, une
autre bobine est utilisée pour la transmission, modifiant ainsi le rapport de transmission.
Ex. : 230 - 280 V = U1, 280 – 370 V = U2, 370 - 500 V = U3
Pour qu'un rapport optimal soit ainsi constamment garanti, les limites de commutation sont déplacées avec la
tension de sortie (p. ex. pour les réseaux US).
Primärseite
U3 U2 U1 1.1
2.2
1.3
1.4
1.2
U
Sekundärseite
Tr1
2.1
On obtient ainsi toujours une tension constante (U) sur le côté secondaire, une minimisation des pertes dues à
la transmission et de cette manière un rendement élevé constant sur toute la courbe de tension.
Lors de chaque connexion entre deux spires, la puissance est ramenée à zéro pour un bref instant, puis la
connexion s'effectue sur la spire suivante et la puissance est ensuite reconnectée. Les pertes de connexion
sont ainsi quasiment nulles.
Avantages de la commutation transformateur
La commutation transformateur entraîne un rendement élevé constant sur toute la plage de tension d'entrée.
Ce n'est pas le rendement maximal pour une seule tension, mais un rendement élevé quasi constant sur toute
la plage de tension MPP qui, entre autres, fournira un gain annuel élevé. Grâce à leur transfo HF commutable,
les onduleurs Fronius IG Plus et Fronius CL offrent un rendement maximal dans pratiquement toutes les
longueurs de chaîne admissibles.
Il n'est donc pas nécessaire de savoir lors de la planification si l'installation doit être conçue pour des tensions
élevées ou basses. De même, la variation de la tension en raison de conditions de température variables
durant le fonctionnement est compensée par la commutation transformateur.
Inconvénients de la commutation transformateur
En raison du temps de connexion du relais, une courte pause (200 ms) est nécessaire lors de la commutation
sur une autre bobine de transformateur. Lors de cette courte période, la tension d'entrée monte en direction de
la tension à vide. Les composants secondaires Fronius ont été développés pour résister à une tension
supérieure pendant un bref instant.
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Détails relatifs à la commutation transformateur
Chaque étage de puissance des onduleurs des séries Fronius IG Plus et Fronius CL est équipé d'un transfo HF
qui dispose de différents rapports de transmission qui deviennent actifs en fonction de la tension d'entrée. Il
existe trois plages différentes avec trois rapports de tension différents. Les onduleurs Fronius avec transfo HF
présentant ainsi trois pointes de rendement.
Un rendement élevé constant est ainsi obtenu sur toute la plage de tension d'entrée. Cela est très important
pour la planification, mais également pour les variations de température durant le fonctionnement de
l'installation, car la tension des modules varie en fonction de la température.
Exemple module couche mince
En raison de la structure spéciale des modules couche mince, ceux-ci ont généralement des courants plus
faibles et des tensions de module plus élevées que les modules cristallins. Désormais, pour obtenir des
longueurs de chaînes raisonnables ainsi que des combinaisons de modules avec le facteur de forme le plus
petit, l'onduleur a besoin d'une large fenêtre de tension d'entrée et de tension MPP avec un rendement de
conversion élevé quasiment constant sur toute la plage de travail.
En raison des caractéristiques décrites des modules, et en comparaison avec les modules cristallins, on obtient
des longueurs de chaîne peu différentes dans la plage de travail d'un onduleur
Le graphique suivant montre parfaitement que pour un module couche mince avec une tension à vide et une
tension MPP respectivement de 95 et 65 V et une plage de travail de l'onduleur Fronius IG Plus de 230 V à 500
V, trois longueurs de chaîne différentes sont possibles. En raison des coefficients de température des modules
et de la plage de température observée de -10°C à +60°C, on obtient les plages MPP suivantes en fonction de
la longueur de chaîne :
[%]
Eingangsbereich Wechselrichter
UMPP-Bereich
Maximaler Umwandlungswirkungsgrad
100
98
UMPP-Bereich
4 Module
UMPP-Bereich
5 Module
UMPP-Bereich
6 Module
96
94
Trafoumschaltung
92
90
88
86
84
+60°C
-10°C
+60°C
260
290
320
-10°C
+60°C
-10°C
82
80
230
UMpp
min
350
380
MPP-Spannung
410
440
470
500
600
U[V]
UMpp UDC
max
max
On voit parfaitement qu'en raison du rendement de conversion élevé constant, une conception est possible sur
toute la plage de tension MPP et ainsi avec toutes les longueurs de chaîne différentes.
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Si l'on compare ceci avec les autres concepts d'onduleur, on se rend compte que généralement une seule
longueur de chaîne avec rendement maximal est possible et que les autres longueurs de chaîne entraînent des
pertes de rendement significatives et par conséquent des pertes de gains.
Sur un onduleur avec transformateur mais sans commutation transformateur, représenté dans le graphique
suivant, le rendement avec tension DC croissante décroît sur toute la plage de tension MPP de l'onduleur.
[%]
Eingangsbereich Wechselrichter
UMPP-Bereich
Maximaler Umwandlungswirkungsgrad
UMPP-Bereich
n Module
+60°C
UMpp
min
-10°C
UMPP-Bereich
n+1 Module
+60°C
-10°C
UMPP-Bereich
n+2 Module
+60°C
MPP-Spannung
-10°C
UMpp UDC
max
max
U[V]
On obtient ainsi le rendement maximal le plus élevé avec une conception dans la plage de tension MPP
inférieure (zone rouge).
Un onduleur avec un concept sans transformateur n'a son rendement optimal que pour une tension DC. Pour
toutes les tensions DC inférieures ou supérieures, il a besoin d'un élévateur ou d'un abaisseur, ce qui signifie
également une perte de rendement (voir graphique suivant).
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[%]
Eingangsbereich Wechselrichter
UMPP-Bereich
Maximaler Umwandlungswirkungsgrad
UMPP-Bereich
n Module
+60°C
-10°C
UMpp
min
UMPP-Bereich
n+1 Module
+60°C
-10°C
UMPP-Bereich
n+2 Module
+60°C
MPP-Spannung
-10°C
UMpp UDC
max
max
U[V]
La longueur de chaîne optimale est ainsi située dans la plage de tension MPP médiane (zone bleue).
L'utilisation des plages de tension MPP supérieure et inférieure entraîne des pertes de gains.
Résumé
Outre les avantages cités concernant la séparation galvanique et les faibles pertes de transfo, les onduleurs
Fronius avec la technologie transfo HF disposent, grâce à la commutation transformateur côté tension d'entrée,
un rendement élevé quasi constant sur toute la plage de tension d'entrée.
Avec ces onduleurs, outre pour les modules cristallins, vous êtes parfaitement équipés pour répondre aux
exigences des modules couche mince et donc pour tous les types de modules.
Référence : 9.486 (sans espace)
Mots : 1.764
Informations :
Rédacteur : DI Jürgen Wolfahrt, +43 (664) 8502193, [email protected], Froniusplatz 1, 4600 Wels,
Autriche.
Presse spécialisée : Mag. Andrea Schartner, +43 (664) 88536765, [email protected], Froniusplatz
1, 4600 Wels, Autriche.
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