Cours onduleur - Académie de Nancy-Metz
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Spé génie électrique ATS Onduleur CONVERSION DC-AC (ONDULEUR TRIPHASE) INTRODUCTION : L'onduleur est un montage électronique permettant de transformer une tension continue en une tension alternative (sinusoïdale). Les onduleurs ont été conçus essentiellement pour fonctionner dans 2 domaines d'application : - La variation de vitesse : Comme nous l'avons vu sur les cours sue les MAS et machines synchrones, la façon la plus efficace de régler la vitesse de ces machines et d'agir sur la fréquence de leur tension d'alimentation. Pour répondre à ce besoin, on conçoit donc un redresseur triphasé qui fournit une tension continue et on place un onduleur à la suite qui crée le réseau de tension triphasé sinusoïdal à une l'amplitude et à la fréquence permettant le fonctionnement désiré. - Les alimentations sans interruption (ASI) : Certaines applications sensibles (hôpitaux, serveurs informatiques….) ne peuvent supporter la moindre panne d'alimentation. Pour réaliser une alimentation sécurisée, on a la même structure que précédemment avec des batteries sur le bus continu, ce qui permet de continuer à fournir de l'énergie et donc une tension sinusoïdale le temps qu'un groupe électrogène prenne le relais. (Rq : onduleurs plus souvent en monophasé) Dans les deux cas, on a des structures identiques que l'on peut schématiser comme suit : Cde moteur Réseau 3 , 50 Hz Redresseur ASI triphasé Module de freinage Bus continu Batteries Onduleur triphasé Fréquence et amplitude variables Réseau 3 50Hz, V=230 V Rq : Dans le langage courant, on désigne souvent par onduleur, l'ensemble du montage précédent. A STRUCTURE DE L'ONDULEUR : La structure de l'onduleur peut se déduire à partir de la fonction qu'il doit réaliser : Entrée : . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma : Sortie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......................... Fonction à réaliser : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...................................... ...................................... ...................................... ......... D'un point de vue technologique, les interrupteurs peuvent être réalisés par des IGBT en forte puissance, par des MOS en faible puissance. Afin de permettre une réversibilité en courant, il faut adjoindre aux IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lycée P. Mendès France Epinal Cours onduleur 1 Spé génie électrique ATS Onduleur B COMMANDE : Problématique : comment créer une tension alternative à partir d'une tension parfaitement continue ? 1. Commande pleine onde La première idée qui peut venir à l'esprit est de tout simplement, pour chaque phase, on commande pour un bras d'onduleur la moitié du temps l'interrupteur du haut, la moitié celui du bas afin de créer une alternance tension positive, tension négative et ainsi créer une tension alternative. La commande du bras suivant est ensuite décalée de . . . . . . . . .. Chronogramme de conduction des interrupteurs : T 6 T 3 𝑇 2 2T 3 5T 6 T 7T 6 4T 3 Chronogramme des tensions composées : U12 T 6 T 3 𝑇 2 2T 3 5T 6 Schéma équivalent de 0 à T/6 : T 7T 6 4T 3 U31 U12 = ….. U31=……. Chronogramme des tensions simple : (ex pour v1) .............. .............. ............................................................... ............................................................... .............. V1 T 6 T 3 𝑇 2 2T 3 5T 6 T 7T 6 4T 3 Lycée P. Mendès France Epinal Cours onduleur 2 Spé génie électrique ATS Onduleur Conclusion : La tension n'est pas sinusoïdale mais s'en approche, pour une approche quantitative, on peut tracer le spectre en fréquence On constate qu'il reste tout de même des harmoniques de tension relativement importantes et surtout à baisse fréquence donc difficiles (ou couteux) à filtrer. Par exemple, dans le cas d'une commande de moteur, cela créerait des harmoniques de courant, donc de couple d'où des vibrations qui seraient inacceptables (détérioration prématurée du moteur, de la charge entrainée, bruit …) + pb de CEM… Il faut donc adopter une commande plus fine permettant d'obtenir moins d'harmoniques. 2. Commande MLI (modulation de largeur d'impulsion) L'idée cette fois ci est d'utiliser la même technique que dans le montage hacheur. On découpe la tension continue à haute fréquence afin de reconstituer par morceaux une sinusoïde à la fréquence et amplitude voulue. Exemple : on veut obtenir à l'aide d'un onduleur (entrée continue de 200V) fonctionnant avec une fréquence de découpage de 600 Hz la tension ci-dessous (f0=30Hz, 𝑉̂ = 110𝑉): Approximation par morceau (en vert) Réalisation des "morceaux" par découpage de la tension de 200 V : ex de calcul d'un rapport cyclique. Lycée P. Mendès France Epinal Cours onduleur 3 Spé génie électrique ATS Onduleur Spectre pour la tension composée en sortie d'onduleur pour p=20 (p= 𝑓𝑑 ,) f0=30Hz. 𝑓0 On constate donc que les harmoniques sont rejetés autour de la fréquence de découpage fd. Cette fréquence étant généralement élevée par rapport à la fréquence f0 de la modulante (le sinus), la tension est alors beaucoup facile à filtrer (cas des ASI). Dans le cas de la commande des moteurs, le paramètre important n'est pas la tension appliquée mais le courant, et généralement (au moins pour les MAS), l'inductance propre des moteurs est suffisamment importante pour filtres les harmoniques de courant sans avoir à rajouter un quelconque filtre. Rq : Une manière simple de réaliser les commandes d'interrupteur est de comparer la tension de référence voulue appelée modulante (sinusoïdale à fréquence f et amplitude donnée) à un signal triangulaire appelée porteuse de fréquence fp=p×f. L'amplitude se règle en paramétrant l'amplitude de la modulante. La sortie de cette comparaison commande directement les transistors. (cf schéma PSIM) CONCLUSION : Les montages onduleurs, installés industriellement depuis relativement peu longtemps à cause du manque de performances des transistors, sont aujourd'hui omniprésents dès qu'il s'agit de contrôle moteur. Simplement, en paramétrant les instants de commutation des transistors, l'onduleur crée n'importe quelles tensions triphasées. En pratique, les onduleurs actuels (pour ASI ou variateurs) sont pilotés par des algorithmes très compliqués (contrôle vectoriel de flux) et surtout comporte des fonctionnalités annexes, support de plusieurs protocoles de communication, pilotage par PC déporté, paramétrage différent suivant la charge … Rq : l'onduleur seul peut fonctionner dans les quatre quadrants (à condition de mettre en anti parallèle des diodes sur les transistors), mais souvent le bus continu est alimenté par un pont redresseur triphasé à diode qui lui n'est pas réversible en courant. Lycée P. Mendès France Epinal Cours onduleur 4
