Les onduleurs autonomes

LES ONDULEURS AUTONOMES
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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 puis-
sance 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 pro-
blème 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 commuta-
teurs ) 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 semi-
conducteurs 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
− Onduleurs à onde rectangulaire
− Onduleurs à créneau réglable
− Onduleurs en marche d'escalier
− Onduleurs à modulation de largeur d'impulsion ( M.L.I. ou P.W.M. pour pulse width modu-
lation ) et qui se classent en deux sous-catégories:
M.L.I. à onde unipolaire
M.L.I. à onde bipolaire
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 com-
mande 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 modi-
fications 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 ten-
sion "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 conduc-
tion, qui ne coïncide généralement pas avec la première.
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u

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 fonctionne-
ment sont les mêmes.
figure 1: onduleur en pont 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 re-
présenté 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 corres-
pondent 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 in-
tervalles 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
E
H'2 D'2
D2 H2
H'1
H1 D
1
D'1
i
u
Z
i
1
i
H1
i
D1
Eu
E
u

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 cou-
rant, ce qui permettra en particulier de préciser les intervalles de conduction des différents
éléments.
figure 3: charge inductive 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
intervenir au niveau de la tension continue
d'alimentation E. Les intervalles de commande
restent égaux à une demi-période mais sont dé-
calés comme indiqué ci-contre, ce qui entraîne
l'annulation de la tension de sortie pendant les
intervalles de chevauchement ( le courant conti-
nuant de circuler, on a ici une analogie formelle
avec un pont mixte fonctionnant en roue libre ).
−E
u
E
t
H
2 H
'
2 H 2 H
'
2
H
1 H
'
1H1
T
2 T
fi
gure 5
i
−E
E
u
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2 T
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1
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1 H 1;H
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2
D1D
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2 H 1H
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1H2H
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1 D 1D
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2
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−
E
E
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2 T
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t
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D1
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H1
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2H2;H
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1 H 1;H
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2
H1H
'
2D1D
'
2H2H
'
1 D2D
'
1H1H
'
2