T/2 < t < T

1 Principe de l’onduleur autonome:
1.1 Définition - Généralités :
Onduleur : Convertisseur statique permettant l’échange d’énergie entre une grandeur continue et une grandeur alternative.
Symbole :
~
Autonome : Impose sa propre fréquence à la charge
Assisté : Par opposition, un onduleur assisté (redresseur avec transfert d’énergie du continu vers l’alternatif) voit sa fréquence
imposée par celle du réseau sur lequel il est branché.
1.2 Principe de l’onduleur de tension (monophasé) :
On ferme alternativement les deux interrupteurs K1 et K2 de sorte à imposer une tension alternative (et carrée) à la
charge. La commande est symétrique.
2 Onduleur de tension à 2 interrupteurs :
2.1 Charge résistive :
Pour une charge résistive, le courant se détermine facilement :
2.2 Charge inductive (R, L) :
M. ALLAMAND
LP. ALFRED DE MUSSET
1
- Schéma de montage : (Dans la pratique, on rajoute 2 diodes aux interrupteurs qui sont des transistors )
- Observation des oscillogrammes :
Si la charge est inductive, les diodes D1 et D2 permettent de renvoyer l’énergie vers l’alimentation :
Tension aux bornes de la charge
Courant dans la charge
Elément commandé
Elément conducteur
- Analyse du fonctionnement :
0 < t < T/2
- Le courant i est négatif, T2 est ouvert, c’est donc D1 qui conduit.
- D1 reste passante tant que l’intensité du courant iD1 = -i qui la traverse reste positive.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = E.i négative : il y a donc transfert d’énergie
de la charge vers la source, on parle alors de phase de récupération.
- A l’instant t1, i s’annule et devient positif, ce qui impose la conduction de T1. Il y a
t1 < t < T/2 : i > 0 commutation de la diode D1 au transistor T1.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = E.i positive : il y a donc transfert d’énergie
de la source vers la charge, on parle alors de phase active.
- Le courant i est positif, K1 est ouvert, c’est donc D2 qui conduit.
T/2 < t < t2 : i > 0 - Il y a eu commutation de T1 à D2 à l’instant T/2.
- D2 reste passante tant que l’intensité du courant iD2 = -i qui la traverse reste positive.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = - E.i négative : il y a donc transfert
d’énergie de la charge vers la source, on est alors en phase de récupération.
- A l’instant t2, i s’annule et devient négatif, ce qui impose la conduction de T2. Il y a
t2 < t < T : i <0
commutation de la diode D2 au transistor T2.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = - E.i positive : il y a donc transfert
d’énergie de la source vers la charge, on est alors en phase active.
0 < t < t1 : i < 0
T1 commandé
T2 ouvert
Impose
v=E
T/2 < t < T
T2 commandé
T1 ouvert
Impose
v = -E
2.3 Grandeurs caractéristiques de l’onduleur :
M. ALLAMAND
LP. ALFRED DE MUSSET
2
Fréquence : Imposée par la commande des interrupteurs.
3 Onduleur en pont :
3.1 Schéma de principe :
Intérêt : Il n’y a plus besoin que d’une seule source de tension.
3.2 Commande symétrique (charge RL) :
- Observation des oscillogrammes :
Tension aux bornes de la charge
Courant dans la charge
Eléments commandés
Eléments conducteurs
- Analyse du fonctionnement :
Dans toute l'étude, on adoptera la représentation suivante :
0 < t < T/2
M. ALLAMAND
Parcours du courant
Elément commandé
La commande impose K2, K4 ouverts et K1, K3
commandés ! v = E > 0
LP. ALFRED DE MUSSET
3
! 0 < t < t1 : i < 0
K1
- Le courant i est négatif, ce qui impose la conduction de D1 et
D3.
- Ces diodes restent passantes tant que l’intensité du courant +E
iD1 = iD3 = -i qui les traverse reste positive.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = E.i négative :
il y a donc transfert d’énergie de la charge vers la source, on
est alors en phase de récupération.
K2
D1
D2
v
R
L
K4
K3
D4
D3
! t1 < t < T/2 : i > 0
K1
- A l’instant t1, i s’annule et devient positif, ce qui impose la
conduction de K1 et K3.
+E
- Il y a commutation de D1 vers K1 et de D3 vers K3.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = E.i positive : il
y a donc transfert d’énergie de la source vers la charge, on est
alors en phase active.
K2
D1
D2
v
R
L
K4
K3
D4
T/2 < t < T
D3
La commande impose K1, K3 ouverts et K2, K4
commandés ! v = - E < 0
! T/2 < t < t2 : i > 0
- Le courant i est positif, ce qui impose la conduction de D2 et
D4.
- Ces diodes restent passantes tant que l’intensité du courant +E
iD2 = iD4 = i qui les traverse reste positive.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = - E.i négative :
il y a donc transfert d’énergie de la charge vers la source, on
est alors en phase de récupération.
K1
K2
D1
D2
v
R
L
K4
K3
D4
D3
! t2 < t < T : i < 0
- A l’instant t2, i s’annule et devient négatif, ce qui impose la
conduction de K2 et K4.
+E
- Il y a commutation de D2 vers K2 et de D4 vers K4.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = - E.i positive :
il y a donc transfert d’énergie de la source vers la charge, on
est alors en phase active.
K1
K2
D1
D2
v
R
L
K4
D4
K3
D3
3.3 Commande décalée (charge RL) :
- Observation des oscillogrammes :
M. ALLAMAND
LP. ALFRED DE MUSSET
Tension aux bornes de la charge
4
- Analyse du fonctionnement :
0<t<τ
K1, K2 ouverts et K3, K4 commandés ! v = 0, i est négatif
K1
- Le courant i est négatif, ce qui impose la conduction de K4 et
D3.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i nulle : il n’y a +E
donc aucun transfert d’énergie, cette phase est communément
appelée phase de roue libre.
K2
D1
D2
v
R
L
K4
K3
D4
D3
Courant dans la charge
τ < t < T/2
K2, K4 ouverts et K1, K3 commandés ! v = E > 0
! τ < t < t1 : i < 0
K1
- Le courant i est négatif,
ce qui impose
la conduction de D1 et
Eléments
conducteurs
+E
D3.
- Ces diodes restent passantes tant que l’intensité du courant
iD1 = iD3 = -i qui les traverse reste positive.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = E.i négative :
il y a donc transfert d’énergie de la charge vers la source, on
est alors en phase de récupération.
! t1 < t < T/2 : i > 0
D2
v
R
L
K4
K3
D4
D3
K1
K2
D1
- A l’instant t1, i s’annule et devient positif, ce qui impose la
+E
conduction de K1 et K3.
- Il y a commutation de D1 vers K1 et de D3 vers K3.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = E.i positive : il
y a donc transfert d’énergie de la source vers la charge, on est
alors en phase active.
T/2 < t < T/2 + τ
K2
D1
D2
v
R
L
K4
K3
D4
D3
K3, K4 ouverts et K1, K2 commandés ! v = 0, i est positif
K1
- Le courant i est positif, ce qui impose la conduction de K1 et
D2.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i nulle : il n’y a +E
donc aucun transfert d’énergie, on est en phase de roue libre.
K2
D1
D2
v
R
L
K4
K3
D4
T/2+ττ < t < T
K1, K3 ouverts et K2, K4 commandés ! v = - E < 0
! T/2+τ < t < t2 : i > 0
K1
- Le courant i est positif, ce qui impose la conduction de D2 et
+E
D4.
- Ces diodes restent passantes tant que l’intensité du courant
iD2 = iD4 = i qui les traverse reste positive.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = - E.i négative :
il y a donc transfert d’énergie de la charge vers la source, on
est alors en phase de récupération.
M. ALLAMAND
D3
LP. ALFRED DE MUSSET
K2
D1
D2
v
R
L
K4
D4
K3
D3
5
! t2 < t < T : i < 0
K1
- A l’instant t2, i s’annule et devient négatif, ce qui impose la
+E
conduction de K2 et K4.
- Il y a commutation de D2 vers K2 et de D4 vers K4.
- Pendant cet intervalle de temps, on a p = v.i = - E.i positive :
il y a donc transfert d’énergie de la source vers la charge, on
est alors en phase active.
K2
D1
D2
v
R
L
K4
K3
D4
D3
3.4 Notion de MLI :
MLI : Modulation de Largeur d’Impulsion
v
+E
T/2
T
t
-E
Avec les onduleurs, on cherche à se rapprocher le plus possible d’une sinusoïde, la commande décalée semble donc plus
appropriée que la commande symétrique. Cependant, à l’aide de la MLI, on peut recréer une sinusoïde presque parfaite à l’aide
d’impulsions calibrées et d’un filtre passe-bas adéquat. C’est ce type de commande qui est utilisé sur la plupart des onduleurs
du marché (Onduleurs pour la sécurité des ordinateurs par exemple).
4 Principe de l’onduleur assisté :
4.1 Redressement commandé avec charge (R, L, E) :
On considère le redresseur à 2 thyristors ayant pour charge : une batterie de fem E, une inductance L et une résistance R
On suppose le courant dans la charge bien lissé : ic = Io, i > 0,
La conduction est ininterrompue : <Uc> = Uco.cos(α), donc pour α>π/2, <Uc> est négative.
4.2 Fonctionnement en onduleur assisté :
Considérons le transfert d’énergie mis en œuvre par le système précédent :
M. ALLAMAND
LP. ALFRED DE MUSSET
6
α < π/2
P = Uc.Ic > 0
Réseau
Redresseur
Source
Pour α < π/2, le dispositif transfère l’énergie du réseau vers la source continue, il en consomme très peu par lui-même et
fonctionne en redresseur (redresseur " conversion énergie ≈ ! = ).
α > π/2
P = Uc.Ic < 0
Réseau
Onduleur assisté
Source
Pour α > π/2, le dispositif transfère l’énergie de la batterie vers le secteur à la fréquence du secteur. On dit qu’il
fonctionne en onduleur assisté (onduleur " conversion énergie = ! ≈, assisté car cet onduleur ne peut fonctionner seul, sa
fréquence étant imposée par celle du réseau).
4.3 Application : Freinage en récupération :
Montage de deux pont tout thyristors tête bêche avec comme charge un moteur à courant continu (MCC) et à excitation
séparée.
- Premier cas α > π/2 :
Seul le pont 1 fonctionne. Le MCC fonctionne en moteur et tourne dans le sens indiqué. <Uc1> ≈ e > 0 et <Uc1> =
Uco.cos(α1) ! ei > 0. Le réseau fournit la puissance à la machine.
- Second cas α < π/2 :
Le fonctionnement du pont 1 est interrompu et provoque le fonctionnement du pont 2 en onduleur assisté. Le sens de
rotation de la machine ne pouvant changer brutalement, sa fém e ne change pas de signe. Il n’en est pas de même de l’intensité i
qui devient égale à -ic2; e = -Uc2 = -Uco.cos(α2), i = -ic2 < 0, ! ei <0
Le MCC fonctionne en génératrice et fournit de la puissance au réseau. L’énergie cinétique du moteur est ainsi
partiellement récupérée, la machine étant freinée. C’est ce qu’on appelle le freinage par récupération qui est utilisé dans les
rames de métro ou dans les trains de banlieue : il n’y a plus perte inutile d’énergie (gain : rendement, moins de chaleur à
dissiper dans les freins).
5 Conclusion générale sur les onduleurs :
Un onduleur est un convertisseur statique assurant la conversion de l’énergie d’une source continue vers un récepteur
alternatif.
Symbole :
M. ALLAMAND
~
LP. ALFRED DE MUSSET
7
Alimenté en continu, il modifie de façon périodique les connexion entre l’entrée et la sortie et permet ainsi d’obtenir de
l’alternatif en sortie.
! L’onduleur assisté est branché au réseau et peut lui renvoyer de l’énergie, à la fréquence imposée par le réseau
(ce qui explique que sans réseau il ne puisse fonctionner, d’où le nom assisté). La source est généralement un MCC à
excitation séparée. Application : Freinage par récupération.
! Dans l’onduleur autonome, c’est la commande des semi-conducteurs qui impose la fréquence des grandeurs alternatives
(f est réglable). La source continue fournit l’énergie. Application : Réglage de vitesse des moteurs asynchrones,
autopilotage, alimentations de secours se substituant au réseau en cas de panne (Onduleurs à MLI très utilisés sur les
systèmes informatiques, il fournissent une sinusoïde presque parfaite). Une application particulière de l’onduleur autonome
est l’onduleur à résonance utilisant une charge RLC, il est utilisé pour le chauffage par induction.
M. ALLAMAND
LP. ALFRED DE MUSSET
8
Conversion Continu ! Alternatif
TEST
1 Schéma de principe :
Une charge assimilable à un dipôle RL série est alimentée par le dispositif de la figure 1. K1, K2, K3 et K4 sont des
interrupteurs unidirectionnels commandés. Les diodes et les interrupteurs sont supposés parfaits.
j
K1
K2
D1
+E
Figure 1
D2
v
i
R
L
K4
K3
D4
D3
Les chronogrammes de u(t) et i(t) sont donnés à la figure 2.
# Toutes les réponses seront obligatoirement justifiées.
(2 points)
1°) Quelle est la fonction électronique remplie par ce montage ?
Citer une application de ce type de convertisseur.
(4 points)
2°) Pour chaque phase de l’évolution du système:
- Indiquer sur le document réponse les éléments (interrupteurs ou diodes) passants,
- Faire un schéma du circuit passant correspondant (en y spécifiant les tensions u et E, les courants i et j, et les
courants dans les interrupteurs ou diodes passants iD1, iK1, iD2, iK2, iD3, iK3, iD4, iK4 ).
(2 points)
3°) A partir de considérations simples sur la puissance reçue par la charge, déterminer les phases dites de
« récupération » et celles dites « actives ».
(4 points)
4°)
(2 points)
a) Tracer les chronogrammes de j(t) et u3(t) sur le document réponse.
b) Indiquer un mode opératoire permettant d’observer simultanément les chronogrammes de j(t) et
u3(t): préciser le branchement de l’oscilloscope et le mode (AC ou DC) utilisé.
5°) En mesurant la valeur moyenne de j(t) et la valeur efficace de i(t) on obtient : Jmoy = 2,7A et Ieff = 7,6A.
(1 point)
a) Quel type de multimètre, quelles fonctions, et quel mode doit-on utiliser ?
-pour mesurer Jmoy .
-pour mesurer Ieff .
(2 points)
b) - Calculer la puissance moyenne fournie par la source de tension E.
- En déduire la puissance moyenne reçue par la charge.
(1 point)
c) Déterminer la résistance R de la charge.
(2 points)
6°) Calculer Umoy et Ueff .
M. ALLAMAND
LP. ALFRED DE MUSSET
9
v (V)
Figure 2 :
+220
10
0
20
t (ms)
-220
i (A)
+12,5
t (ms)
0
-12,5
Eléments passants :
u3 (V)
+220
t (ms)
0
-220
j (A)
+12,5
t (ms)
0
-12,5
M. ALLAMAND
LP. ALFRED DE MUSSET
10