Les onduleurs autonomes

LES ONDULEURS AUTONOMES
Presser la touche F5 pour faire apparaître les signets
qui favorisent la navigation dans le document.
Sommaire
1 Introduction ............................................................................................................................... 1
2 Onduleurs de tension ................................................................................................................. 1
2.1 Généralités .......................................................................................................................... 1
2.2 Onduleurs monophasés....................................................................................................... 3
2.2.1 Onduleurs en pont........................................................................................................ 3
2.2.1.1 Commande simple − Onduleur à onde rectangulaire........................................... 3
2.2.1.2 Commande décalée − Onduleur trois états........................................................... 4
2.2.1.3 Commande à modulation de largeur d'impulsion................................................. 5
2.2.2 Onduleurs en marche d'escalier................................................................................... 7
2.3 Onduleurs triphasés ............................................................................................................ 7
2.3.1 Onduleur à onde rectangulaire .................................................................................... 8
2.3.2 Onduleur à modulation de largeur d'impulsion........................................................... 8
3 Commutateurs............................................................................................................................ 9
3.1 Généralités .......................................................................................................................... 9
3.2 Commutateur monophasé................................................................................................. 10
3.3 Commutateur triphasé ...................................................................................................... 11
3.3.1 Structure et principe de fonctionnement ................................................................... 11
3.3.2 Exemple de commutateur à thyristors ....................................................................... 12
4 Onduleurs à résonance............................................................................................................. 12
5 Applications des onduleurs...................................................................................................... 13
6 Annexe: Développements en série de Fourier des signaux usuels.......................................... 14
ON 1
LES ONDULEURS AUTONOMES
1 Introduction
Contrairement à l'onduleur non autonome qui se contentait de réaliser le transfert de puissance d'une source continue vers un réseau alternatif préexistant, l'onduleur autonome génère
un réseau alternatif totalement indépendant à partir d'une alimentation continue qui peut être,
soit une batterie d'accumulateurs ( ou toute autre source de f.é.m. continue ), soit la tension
issue d'un réseau alternatif redressé ( dans ce cas, on qualifie également le montage de
convertisseur indirect de fréquence ).
En théorie, l'onduleur autonome est l'équivalent de l'alternateur. Dans la pratique, c'est loin
d'être le cas. En effet, de par sa conception, l'alternateur fournit des tensions quasi sinusoïdales
et peut donc débiter sur n'importe quel type de charge. Pour obtenir le même résultat avec un
onduleur, il faudrait utiliser des dispositifs très complexes, dont le coût serait démesuré par
rapport aux avantages apportés par l'universalité du montage. On a donc préféré traiter le problème au "coup par coup", en concevant un grand nombre d'onduleurs différents, chacun adapté
à un type de charge bien précis.
Malgré la diversité des réalisations, on peut mettre en évidence trois catégories principales de
montages, les onduleurs de tension, les onduleurs de courant ( également appelés commutateurs ) et les onduleurs à circuit oscillant. Leur structure de puissance pouvant être, soit à base
de thyristors simples, soit à base de transistors ou de thyristors GTO, nous les décrirons a priori
à l'aide d'interrupteurs électroniques. Sauf exception, nous ne préciserons pas la nature des
circuits de blocage pour les systèmes à thyristors fonctionnant en auto-commutation, ces
derniers étant de toute façon de plus en plus remplacés par des montages comportant des semiconducteurs à blocage par l'électrode de commande.
Signalons pour terminer que, comme on retrouve très souvent les mêmes formes d'onde, nous
avons regroupé en annexe à la fin les développements en série de Fourier des signaux les plus
classiques.
2 Onduleurs de tension
2.1 Généralités
En se limitant pour le moment au cas des onduleurs monophasés, on peut classer ceux-ci en
fonction de la forme d'onde qu'ils délivrent, classement que nous avons résumé ci-après.
ON 2
u
− Onduleurs à onde rectangulaire
t
u
− Onduleurs à créneau réglable
t
u
− Onduleurs en marche d'escalier
t
− Onduleurs à modulation de largeur d'impulsion ( M.L.I. ou P.W.M. pour pulse width modulation ) et qui se classent en deux sous-catégories:
u
M.L.I. à onde unipolaire
t
u
M.L.I. à onde bipolaire
t
Signalons tout de suite que, dans la pratique, et exception faite des onduleurs en marche
d'escalier et de certains onduleurs à créneau réglable, tous les montages dérivent d'une même
structure de base, les différentes formes d'onde étant obtenues en modifiant le mode de commande des semi-conducteurs de puissance.
Le classement précédent peut s'étendre aux onduleurs triphasés, à cela près que, comme les
tensions sont prises entre des sorties décalées d'un tiers de période, il peut apparaître des modifications de forme supplémentaires dont il ne faut pas tenir compte car elles ne dépendent pas
du type de l'onduleur. De ce fait, on préfère dans la pratique prendre comme référence la tension "simple" existant entre une phase de sortie et une des lignes de l'alimentation continue et
classer les montages en fonction de la forme de cette dernière.
Remarque: Comme dit lors de l'étude des hacheurs en pont, nous serons amenés ici à faire la
distinction entre la durée d'application du signal de déblocage sur l'électrode de commande de
l'interrupteur, que nous appellerons "intervalle de commande", et sa durée effective de conduction, qui ne coïncide généralement pas avec la première.
ON 3
2.2 Onduleurs monophasés
2.2.1 Onduleurs en pont
La structure de principe est représentée sur la figure 1. Comme dans le cas des hacheurs, on
peut lui associer des structures en demi-pont ( Cf. figure 2 ) dont les principes de fonctionnement sont les mêmes.
i1 iH1
H1
E
H'1
iD1
D1
H2
u
i
Z
D'1 H'2
figure 1: onduleur en pont
u
D2
E
u
E
D'2
figure 2: onduleurs en demi-pont
2.2.1.1 Commande simple − Onduleur à onde rectangulaire
Les intervalles de commande sont égaux à une demi-période de l'onduleur. Nous avons représenté sur les figures 3 et 4 les allures des différentes grandeurs obtenues, d'une part pour un
débit sur circuit RL, d'autre part pour un débit sur un circuit plus complexe ( par exemple un
montage RLC série ) mais à prédominance capacitive. Signalons que les traits plus épais correspondent aux intervalles de commande, convention que nous utiliserons dans tout ce qui suit.
L'examen de ces courbes amène plusieurs remarques:
− Sur charge capacitive, les interrupteurs fonctionnent en commutation naturelle, ce qui permet
d'utiliser des thyristors sans circuit auxiliaire de blocage. Cependant, ceux-ci n'étant polarisés
en inverse que pendant la conduction des diodes, il faudra veiller à ce que l'avance du
courant sur la tension reste toujours suffisante.
− La source de tension doit pouvoir fournir un courant bidirectionnel. Si ce n'est pas le cas ( ou
si l'inductance de ligne est importante ), on place un condensateur tampon en parallèle sur
l'entrée de l'onduleur.
− On vérifie bien que les durées de conduction des interrupteurs ne coïncident pas avec les intervalles de commande. Par contre, si on considère l'association de chaque interrupteur avec
sa diode de récupération comme un interrupteur unique ( qui devient alors bidirectionnel ), sa
durée de conduction redevient égale à l'intervalle de commande. Ceci est lié à la nature
"continue" du courant débité et reste vrai tant qu'il présente cette caractéristique. Dans ce qui
suit, nous admettrons toujours qu'il en est ainsi, car cela simplifie l'étude. En effet, dans ce
cas, les tensions ne dépendent que des intervalles de commande, ce qui permet de les
ON 4
tracer en faisant abstraction de la forme du courant débité ( donc de la nature de la charge,
procédé analogue à l'étude en courant ininterrompu des redresseurs et des hacheurs ). Une
fois déterminée la forme de la tension, on pourra éventuellement en déduire l'allure du courant, ce qui permettra en particulier de préciser les intervalles de conduction des différents
éléments.
u
i
H1;H'2
D1D'2
H2;H'1
H1H'2
D2D'1
u
i
H1;H'2
H2H'1
D1D'2
E
H1;H'2
H1H'2
H2;H'1
D1D'2
H2H'1
H1;H'2
D2D'1 H1H'2
E
T
2
T
T
2
t
−E
iH1
T
t
−E
iH1
t
iD1
t
iD1
t
i1
t
i1
t
figure 3: charge inductive
t
figure 4: charge capacitive
2.2.1.2 Commande décalée − Onduleur trois états
Ce procédé permet de modifier les caractéristiques de la tension de sortie, en particulier la
valeur efficace de son fondamental, sans avoir à
u
H1
H'1
H1
intervenir au niveau de la tension continue
H2
H'2
H2
H'2
d'alimentation E. Les intervalles de commande
E
restent égaux à une demi-période mais sont décalés comme indiqué ci-contre, ce qui entraîne
T
T
t l'annulation de la tension de sortie pendant les
2
intervalles de chevauchement ( le courant continuant de circuler, on a ici une analogie formelle
−E
figure 5
avec un pont mixte fonctionnant en roue libre ).
ON 5
2.2.1.3 Commande à modulation de largeur d'impulsion
Ce mode de commande permet d'atteindre un double objectif:
− Obtenir une valeur donnée pour le fondamental de la tension de sortie, toujours sans avoir à
intervenir au niveau de la tension d'alimentation.
− Atténuer fortement, voire éliminer totalement, les harmoniques de rang faibles, ceux de rang
élevé étant supposés sans influence sur le comportement de la charge.
Les deux formes d'onde citées en introduction peuvent être obtenues à l'aide du même montage en pont, il suffit de modifier les intervalles de commande des interrupteurs comme indiqué
sur les deux exemples simplistes représentés sur les figures 6 et 7. Par contre, du fait qu'ils ne
comportent que deux interrupteurs, les structures en demi-pont ne permettent d'obtenir que des
ondes bipolaires.
u H1 H'1
H1 H'1 H1 H'1 H1
H'1 H1 H'1 H1 u H1 H'1
H1 H'1 H1
H'2 H2
H'2 H2 H'2 H2 H'2
H2 H'2 H2 H'2
H'2
E
T
2
−E
E
T t
H'1
H2 H'2
H1
H2 H'2 H2 H'2
T
2
T t
−E
figure 6: onde bipolaire
figure 7: onde unipolaire
Les onduleurs actuels étant en majorité de type à MLI, on peut s'attarder un peu sur ce procédé en décrivant brièvement les deux techniques les plus employées pour générer les intervalles de commande.
a) MLI précalculée
Les formes d'onde telles que celles représentées ci-dessus étant périodiques, on peut calculer
les expressions théoriques de leur développement en série de Fourier. Celles-ci dépendant en
particulier des instants des différentes commutations, on conçoit qu'il est possible de les choisir
en fonction des harmoniques à fixer ou à éliu
miner. A titre d'exemple, considérons le signal
E
unipolaire ci-contre pour lequel on raisonne
3π
2
2π
ici sur l'angle électrique θ = 2π·t/T. Vu les difθ1 θ2 θ3 π
π
θ férentes symétries, ses harmoniques pairs sont
2
nuls et ses harmoniques impairs ont pour va−E
leur efficace
figure 8
Un
ON 6
Le fait de disposer de trois angles permet de se fixer la valeur de trois harmoniques. En choisissant par exemple d'éliminer les harmoniques 3, 5 et 7, on obtient un système homogène dont
la solution est θ1 = 22,7°, θ2 = 37,8° et θ3 = 46,8° ce qui conduit à un fondamental U1 = 0,736E et
à des premiers harmoniques non nuls U9 = 0,137E et U11 = 0,148E.
La résolution du système d'équation étant relativement longue, surtout si le nombre d'angles
est élevé, les valeurs sont calculées une fois pour toutes ( d'où le nom de MLI précalculée ).
Ceci ayant a priori l'inconvénient de figer les paramètres de la tension de sortie, on recourt
éventuellement à une surmodulation ( redécoupage du motif de base à fréquence élevée ) si on
veut obtenir un fonctionnement à tension variable.
b) MLI en temps réel
Initialement, le procédé était de type analogique et consistait à comparer une onde "modulante", généralement sinusoïdale, de fréquence f0 et d'amplitude réglable, à une onde "porteuse"
triangulaire de fréquence f en principe très supérieure à f0, les instants de commutation étant
déterminés par les points d'intersection de ces deux ondes comme indiqué sur la figure 9 où on
a admis pour simplifier que f est un multiple impair de f0 et que la porteuse est "calée" sur la
modulante.
porteuse
modulante
T
2
T t
T
2
T t
u
E
−E
figure 9
Ce procédé possède entre autres les propriétés suivantes:
− Les premiers harmoniques importants apparaissent pour des fréquences voisines de celle de
la porteuse ( d'où l'intérêt de prendre une valeur élevée pour cette dernière ).
− Dès que le rapport f/f0 dépasse 5, l'amplitude du fondamental est proportionnelle à celle de la
modulante.
Ces propriétés ne sont cependant vérifiées que tant que l'amplitude de la modulante reste
inférieure ou égale à celle de la porteuse ( au-delà, les intersections disparaissent peu à peu et le
ON 7
signal de sortie tend vers une onde rectangulaire ). On montre que ceci a en particulier pour
effet de limiter la valeur efficace du fondamental à 0,71E si on veut profiter pleinement de l'élimination des harmoniques de faible rang. En comparant cette valeur à celle obtenue pour une
onde rectangulaire, soit 0,9E ( Cf. annexe finale ), on constate que l'amélioration de la forme
d'onde se fait au détriment de la tension maximale disponible ( phénomène tout à fait général
que nous aurions déjà pu signaler dans le paragraphe consacré à la MLI précalculée ).
Le procédé analogique précédent peut évidemment être transposé sur le plan numérique, les
valeurs de la modulante, calculées ou lues dans des tables, étant comparées au signal délivré par
un compteur-décompteur jouant le rôle de porteuse. On peut également se passer de la comparaison en calculant directement l'instant de la prochaine commutation à partir de relations
basées sur les propriétés de la modulation analogique. Dans tous les cas, les résultats sont très
proches de ceux obtenus par le procédé initial.
Remarque: Au vu des résultats précédents, il est tentant de choisir un grand nombre d'angles ou
une fréquence de porteuse élevée. Deux limitations apparaissent cependant, l'une, liée à la
puissance dissipée, qui augmente avec le nombre des commutations, l'autre, aux temps de commutation des interrupteurs qui imposent des durées minimales pour chaque créneau. C'est ce qui
explique que dans la pratique, on choisit la valeur minimale compatible avec un fonctionnement
correct de la charge.
2.2.2 Onduleurs en marche d'escalier
Destinés à fournir une tension de sortie à faible taux d'harmoniques, ils peuvent être réalisés
suivant divers procédés: mise en série d'onduleurs à onde rectangulaire dont les commandes
sont judicieusement décalées, utilisation de plusieurs tensions continues d'alimentation, emploi
de transformateurs de sortie à prises multiples. On peut noter que, dans la mesure où les puissances mises en jeu en monophasé sont relativement modestes, la tendance actuelle est de remplacer ce type d'onduleurs par des systèmes à MLI équipés d'un filtre passe-bas de sortie.
2.3 Onduleurs triphasés
E
H2 D2
H1 D1
v2
v1
H'1 D'1
H3 D3
v3
H'2 D'2
H'3 D'3
u12
u23
figure 10
u31
Nous nous intéresserons ici essentiellement
aux onduleurs en pont, dont le schéma de principe est représenté ci-contre. Comme dit plus haut,
nous supposerons que les courants débités sont
ininterrompus, ce qui nous permettra de faire
l'étude des tensions à partir des seuls intervalles
de commande.
ON 8
2.3.1 Onduleur à onde rectangulaire
H1
H'1
H'2
v1
E
H2
H3
H'2
H'3
v2
E
v3
E
H1
H3
T/2
H'3
T
T+T/2
t
t
T/3
u12
E
H2
2T/3
t
t
−E
u23
E
t
T/3
−E
u31
E
2T/3
Les différents intervalles de commande sont décalés d'un tiers de période comme indiqué ci-contre.
Les tensions par voies v1, v2 et v3
s'en déduisent immédiatement en
remarquant que v1 vaut E lorsque
l'interrupteur (H1;D1) conduit et que
v1 est nul lorsque l'interrupteur
(H'1;D'1) est passant.
Les tensions composées s'obtiennent ensuite en construisant graphiquement les différences v1 − v2,
v2 − v3 et v3 − v1. L'examen de ces
tensions montre en particulier que,
du fait de l'empiétement des intervalles de commande, il apparaît un
effet de roue libre analogue à celui
observé dans le cas de l'onduleur
monophasé à commande décalée.
t
−E
figure 11
2.3.2 Onduleur à modulation de largeur d'impulsion
Les principes et les procédés sont les mêmes que ceux utilisés pour les onduleurs monophasés, aux deux détails suivants près:
− Les différentes voies étant décalées entre elles d'un tiers de période, il faut créer trois commandes distinctes. En particulier, pour la MLI en temps réel, on utilisera donc trois modulantes et, a priori, trois porteuses ( on peut cependant employer une porteuse commune dans
la plupart des cas ).
− On montre que les harmoniques multiples de 3 présents dans les tensions par voie ne sont pas
transmis vers les tensions de sortie. En MLI précalculée, il n'est donc pas utile de les éliminer
ce qui permet de gagner un rang d'harmoniques avec un découpage donné. On peut
également utiliser cette propriété dans le cadre de la MLI en temps réel en ajoutant à la
ON 9
modulante un harmonique 3 de caractéristiques adéquates, ce qui permet d'obtenir une valeur
efficace maximale de fondamental égale à 0,8E sans perte de découpages ( au lieu de 0,71E
pour la MLI monophasée − Cf. paragraphe 2.2.1.3 ).
Remarque: Pour les équipements de très forte puissance, les contraintes en tension sur les semiconducteurs imposent la mise en série de deux interrupteurs par bras. Ceux-ci pourraient être
commandés de façon synchrone, l'ensemble restant alors équivalent à un onduleur en pont, mais
il est ici plus intéressant de compléter le montage à l'aide de
condensateurs et de diodes comme indiqué sur le schéma
partiel de la figure 12. En effet, ceci permet de commander
E C
2
séparément les interrupteurs de chaque bras pour obtenir une
E
1 structure pour laquelle la tension par voie peut prendre trois
valeurs, E, E/2 et 0, qui, de ce fait, est appelée onduleur à trois
niveaux de tension. Le fonctionnement de l'ensemble étant
relativement complexe, nous n'insisterons pas davantage en siE C
2
gnalant simplement que, grâce à ce procédé de commande, on
peut, en particulier, réduire de façon importante les harmoniques des tensions de sortie par rapport à ceux obtenus pour un
figure 12
onduleur en pont fonctionnant dans les mêmes conditions.
3 Commutateurs
3.1 Généralités
Le commutateur ( ou onduleur de courant ) est le circuit dual de l'onduleur de tension: alimenté par une source de courant, il impose dans la charge une onde de courant de forme donnée. Il faut cependant noter qu'en général, la source de courant n'existe pas physiquement, mais
qu'elle est constituée par une source de tension variable en série avec une inductance de forte
valeur, l'ensemble étant contrôlé en intensité grâce à une boucle de régulation. Ceci permet par
ailleurs de régler l'amplitude du courant au niveau de la source, donc de contrôler le fondamental de la grandeur de sortie sans avoir à agir sur la commande des interrupteurs.
En ce qui concerne l'étude qui va suivre, deux remarques s'imposent.
a) Les applications étant essentiellement à base de structure en pont, nous nous limiterons à ce
type de montages. Comme précédemment, nous les décrirons a priori à l'aide d'interrupteurs
électroniques. Toutefois, étant donné que le commutateur triphasé à thyristors reste très employé dans le cadre de la variation de vitesse pour machine synchrone, nous lui consacrerons ici
un paragraphe particulier.
b) Nous ne considérerons que les fonctionnements en onde rectangulaire car la modulation de
largeur d'impulsion est beaucoup moins utilisée. Ceci est dû au fait que, contrairement au cas
des onduleurs de tension où les effets capacitifs parasites étaient négligeables et permettaient
ON 10
d'obtenir des formes d'onde très découpées, les effets inductifs correspondants dans les commutateurs s'opposent aux variations rapides de courant, donc au découpage à haute fréquence. Cela
dit, la MLI est beaucoup moins utile ici car, d'une part, le réglage du courant peut se faire directement au niveau de la source, d'autre part, les charges, essentiellement constituées de machines
tournantes, s'accommodent en général assez bien des harmoniques de rang faible ( si, exceptionnellement, ce n'est pas le cas, on utilise une MLI, en principe de type précalculée, pour éliminer les harmoniques les plus gênants ).
3.2 Commutateur monophasé
La structure de principe est schématisée ci-contre. On
peut y remarquer en particulier l'absence des diodes de révH1
I
u H2
i
cupération sur chaque interrupteur, celles-ci étant rendues
v1
Z
inutiles par le fait que le sens du courant est imposé par la
H'1
H'2
source. Nous avons représenté sur les figures 14 et 15 les
allures des différentes grandeurs pour une charge inductive
figure 13
et une charge capacitive, en supposant celles-ci suffisamment sélectives pour que seul le fondamental de u subsiste. Signalons, à propos de la charge
inductive, qu'elle doit tolérer des discontinuités importantes de courant, ce qui suppose une
structure plus complexe qu'un simple circuit RLC série.
iH1
H1
i
u
H1 H'2
H2 H'1
i
u
H1 H'2
I
−I
H1 H'2
H2 H'1
H1 H'2
I
T
2
T
t
−I
iH1
I
T
2
T
t
iH1
I
t
vH1
t
vH1
t
v1
t
v1
t
figure 14
t
figure 15
ON 11
L'examen des courbes amène plusieurs remarques:
− Dans tous les cas, la tension aux bornes des interrupteurs bloqués est alternative. Si on utilise
des semi-conducteurs à blocage unidirectionnel ( comme, par exemple, les transistors ), il
faudra leur adjoindre des diodes placées en série.
− Sur charge inductive, l'interrupteur ne semble pas pouvoir s'amorcer puisque la tension à ses
bornes est négative au moment où on applique le signal de commande. Cette contradiction
apparente est due au fait qu'on a négligé, pour représenter les courbes, les phénomènes transitoires apparaissant au moment des commutations. Ceux-ci se traduisent en particulier par
une modification des tensions aux bornes des interrupteurs, permettant effectivement leur
déblocage ( ces phénomènes sont à rapprocher de ceux permettant la mise en conduction des
diodes de roue libre dans le cas des hacheurs ).
− Sur charge capacitive, vH1 est initialement négatif, le montage peut donc fonctionner en
commutation naturelle. Cette possibilité est utilisée dans les applications de commutateurs à
thyristors.
3.3 Commutateur triphasé
3.3.1 Structure et principe de fonctionnement
Le schéma de base est celui représenté sur la figure 16. Pour empêcher la conduction simultanée de deux interrupteurs situés sur une même ligne, donc éviter une répartition non contrôlée
du courant I entre deux phases successives, les intervalles de commande sont ici égaux à un
tiers de période. On obtient de ce fait les allures de courant représentées ci-dessous.
H1
i1 H'2
I
I
H2
H1
H'1
H3
H'2
H2
H3
H'3
H'1
T/3
2T/3
H1
H'2
t
−I
i2
I
H'3
i1
i2
i3
Z
Z
Z
t
−I
i3
I
t
−I
figure 16
figure 17
ON 12
3.3.2 Exemple de commutateur à thyristors
Le schéma proposé ci-contre est celui d'un
variateur de vitesse pour moteur synchrone.
Comme le montrera l'étude faite dans le cours
I
C
correspondant, aux fréquences moyennes et
vC
élevées, le moteur, convenablement excité, se
T'e
T'1 T'2 T'3
comporte comme un récepteur capacitif et permet le fonctionnement en commutation naturelle ( Cf. dernière remarque faite dans l'étude
figure 18
du commutateur monophasé ). Le dispositif de
iT1
T
T
T
iT2
blocage constitué par Te, T'e et C n'est donc
I
utilisé qu'aux basses fréquences. Le blocage se
fait ici par annulation de courant, comme on
t
peut le montrer en décrivant par exemple la
vC
succession des événements accompagnant le
U0
blocage de T1 et la mise en conduction de T2.
− Le condensateur étant supposé chargé init
tialement sous la tension U0, le déblocage du
−U0
figure 19
thyristor d'extinction Te entraîne la décharge
de C dans le thyristor T1 ( décharge rendue
oscillante par la présence de l'inductance de commutation de la machine ). Lorsque le courant
dans T1 s'annule, ce thyristor se bloque.
− Le courant I ne pouvant alors transiter que par le condensateur, la tension aux bornes de
celui-ci continue à décroître jusqu'au moment où on amorce le thyristor T2.
− Le régime permanent, seul cas envisagé ici, imposant la symétrie des évolutions, le courant
dans T2 croît jusqu'à I, ce qui entraîne le blocage de Te. La tension aux bornes de C étant
alors égale à −U0, le dispositif est prêt pour la commutation suivante ( blocage de T'3 par
amorçage de T'e, puis mise en conduction de T'1 ).
Te
moteur
synchrone
T1 T2 T3
iT1 iT2
4 Onduleurs à résonance
On désigne sous ce nom des onduleurs de tension ou de courant dont la charge est constituée
par des circuits oscillants peu amortis et dont la fréquence de fonctionnement est adaptée aux
paramètres de la charge de façon à avoir en permanence un fonctionnement au voisinage de la
résonance, ce qui entraîne en particulier que la grandeur non imposée par la source présente une
allure quasi sinusoïdale. Par ailleurs, l'impédance de la charge évoluant très rapidement avec la
fréquence, ceci permet de régler l'amplitude de la grandeur de sortie libre par simple action sur
la fréquence de fonctionnement de l'onduleur.
Initialement, les onduleurs à résonance étaient réalisés à base de thyristors. Pour éviter
ON 13
d'avoir à leur adjoindre des circuits de blocage, on faisait systématiquement fonctionner ceux-ci
à des fréquences telles que le circuit de charge se comporte comme un récepteur capacitif. Actuellement, l'utilisation, au moins dans le cas des onduleurs de tension, de semi-conducteurs à
blocage par l'électrode de commande permet de s'affranchir de cette contrainte, le choix de la
fréquence de fonctionnement n'étant plus guidé que par des considérations de réglage du signal
de sortie non imposé par la source.
Les onduleurs à résonance étant essentiellement à base de structures en pont, que nous avons
vus en détail dans les paragraphes précédents, nous nous contenterons ici de rappeler les deux
montages possibles, en précisant simplement leurs conditions de fonctionnement.
a) Onduleur de tension à résonance série
Sa charge est constituée par un circuit RLC série. Compte tenu de ses caractéristiques, comportement capacitif aux fréquences inférieures à la fréquence de résonance 1 / 2 π LC et inductif au-delà, la fréquence de l'onduleur devra être inférieure à la fréquence de résonance pour
avoir un fonctionnement en commutation naturelle. Par contre, si les interrupteurs de l'onduleur
peuvent fonctionner en commutation forcée, il est préférable d'utiliser une fréquence supérieure
ou égale à la fréquence de résonance puisque les harmoniques du signal de sortie sont d'autant
plus étouffés que la fréquence est plus grande.
b) Onduleur de courant à résonance parallèle
Sa charge est constituée par un circuit RLC parallèle dont la fréquence de résonance reste
égale à 1 / 2 π LC mais qui, lui par contre, est inductif aux basses fréquences et capacitif aux
fréquences élevées. Ceci permet en particulier un fonctionnement en commutation naturelle audelà de la fréquence de résonance, donc l'utilisation de commutateurs à thyristors tout en minimisant les harmoniques du signal de sortie ( Cf. ce qui a été dit à la fin du paragraphe précédent ).
Il faut cependant noter que, dans ce cas, comme le condensateur est déchargé à la mise sous
tension de l'onduleur, la première commutation ne pourrait pas s'effectuer correctement. Il faut
donc procéder à un "démarrage" de l'onduleur, par exemple en excitant une première fois le
circuit RLC à l'aide d'un condensateur auxiliaire, lui-même chargé au préalable.
5 Applications des onduleurs
En dehors de leurs applications dans les variateurs de vitesse pour machines alternatives sur
lesquels nous reviendrons ultérieurement, les onduleurs peuvent être employés dans les
domaines suivants
Alimentations moyenne fréquence pour ozoneurs, chauffage par induction, ...
On utilise essentiellement des onduleurs à résonance. Sans entrer dans le détail, signalons
simplement que, comme au départ, les circuits de charge ne sont généralement pas de type
oscillant, il faut les compléter par une inductance ou un condensateur suivant le cas.
ON 14
Alimentations de sécurité
Dites aussi "sans coupure", ce sont des associations redresseur + onduleur de tension que l'on
interpose entre le réseau industriel et les appareillages sensibles aux perturbations. L'onduleur
peut être soit de type à MLI avec filtre de sortie, soit de type en marches d'escaliers, le but étant
d'obtenir une tension la plus sinusoïdale possible. L'ensemble est complété par une batterie
tampon placé entre le redresseur et l'onduleur qui assure une autonomie du système ( de l'ordre
de 10 minutes en général ) en cas de disparition prolongée du réseau.
Alimentations à résonance
Il s'agit d'une variante de certaines alimentations à découpage classiques. Au lieu d'attaquer
directement le primaire du transformateur de séparation par la tension issue de l'onduleur, on
interpose un circuit LC pour constituer un circuit oscillant avec l'impédance ramenée du secondaire. Au niveau des interrupteurs, les di/dt sont donc beaucoup plus faibles que dans une alimentation classique, ce qui réduit d'autant les pertes en commutation et les parasites électromagnétiques.
6 Annexe: Développements en série de Fourier des signaux usuels
Signalons d'entrée que comme les demi-ondes positives et négatives sont toujours symétriques, les développements ne comportent pas d'harmoniques pairs. Dans ce qui suit, n sera donc
systématiquement impair. D'autre part, les différents termes sont donnés en valeur efficace.
Onde rectangulaire
u
A
t
−A
Créneau réglable
u
A
−A
αT
2
T
2
t
T
2
U1 =
6A
π
harmonique n: n multiple de 3
fondamental:
t
U1 =
2 2A  απ 
cos 
 2
π
2 2A
 απ 
harmonique n: U n =
cos n 
 2
πn
fondamental:
Créneau à rapport cyclique 2/3
u
A
−A
2 2A
π
U
harmonique n: U n = 1
n
fondamental:
U1 =
Un = 0
U
n non multiple de 3 U n = 1
n