Onduleurs Introduction aux variateurs de vitesse. Simulation.

Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse. C. Haouy
Page 1/21
Onduleurs
Introduction aux variateurs de vitesse. Simulation.
Ce cours a pour objectif la compréhension des techniques de bases pour appréhender la structure d'un
convertisseur statique (en partant de l'interrupteur mécanique pour aboutir à l'interrupteur électronique équivalent).
La suite logique est l'explication du principe de fonctionnement des onduleurs MLI et de la variation de vitesse. Ce
cours précède le cours intitulé "Variateurs de vitesse - De la régulation cascade à la commande vectorielle". Il
s'adresse à des étudiants de niveau L1 à L3 (1 à 3 ans après l'obtention du baccalauréat).
Une attention particulière a été portée sur les chronogrammes (issus du logiciel de simulation PSIM) destinés à
comparer les performances essentielles des techniques de commande, afin d'en comprendre les avantages et les
inconvénients.
Plan :
1. Généralités sur les convertisseurs.
1.1. Structure des convertisseurs
1.2. Choix de l'interrupteur électronique adéquat.
2. Commande des onduleurs.
2.1. Commande simultanée et commande décalée.
2.2. Commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) dite aussi PWM (Pulse Width Modulation).
3. Onduleur et variateur de vitesse

Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse. C. Haouy
Page 2/21
1. Généralités sur les convertisseurs.
1.1. Structure des convertisseurs
Les convertisseurs (variateurs de vitesse des moteurs par exemple) reposent tous sur une structure réalisée à
base d'interrupteurs électroniques. Ici est représentée une structure à 4 interrupteurs électroniques qui réalise 3
fonctions différentes (hacheur, onduleur et redresseur) :
De cette manière, le convertisseur possède un rendement de 100% puisqu'il n'est composé que d'interrupteurs qui
ne s'échauffent pas (s'ils sont parfaits, c'est-à-dire sans pertes, ce qui est le cadre de ce cours). Le convertisseur
ne s'échauffe donc pas et transmet ainsi 100% de l'énergie qu'il pompe de la source vers la charge. On
remarquera, en comparant par exemple la structure du hacheur 4Q ci-dessus et de l'onduleur de tension, que les
structures sont en tout point identiques : c'est la stratégie de commande des interrupteurs qui imposera le
fonctionnement du convertisseur en tant que hacheur ou onduleur, si la charge l'autorise. Cette remarque est
valable pour n'importe quelle structure de convertisseur.
On notera que la tension vcharge est toujours composée de morceaux de tension d'entrée : si la source est
sinusoïdale (voir le cas du redresseur ci-dessus) alors vcharge sera composée de morceaux de sinusoïdes et non
pas de morceaux de droites, comme c'est le cas pour l'onduleur ou le hacheur (alimentés par une source de
tension constante).
Exercices 1 et 2.
0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
Time (s)
0
-50
-100
-150
50
100
150
vcharge
icharge
onduleur
vcharge
i
charge
00.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
0
-100
100
200
300
400
vcharge
icharge
redresseur
vcharge
i
charge
00.05 0.1 0.15 0.2
Time (s)
0
-50
-100
50
100
hacheur 4Q
i
charge
vcharge
vcharge
icharge

Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse. C. Haouy
Page 3/21
1.2. Choix de l'interrupteur électronique adéquat.
L'interrupteur électronique qui doit réaliser la fonction voulue est soumis à une contrainte de tension (imposée par
la source) et par une contrainte de courant (imposée par la charge). Il existe de multiples interrupteurs
électroniques et il conviendra de bien les choisir, citons les 3 plus courants à partir desquels on peut en construire
d'autres :
La diode (convention récepteur)
La diode est un composant unidirectionel en courant et unidirectionel en tension. Cela signifie qu'on la détruit si on
lui impose un courant ou une tension de polarité interdite. Les zones de fonctionnement autorisées de la diode sont
indiquées sur la caractéristique statique ci-dessus : en rouge la zone de conduction (seul iK 0 est autorisé) et en
bleu la zone de blocage (seul vK  0 est autorisé). C'est la source qui imposera généralement la valeur de la
tension de blocage et la charge qui imposera généralement la valeur du courant de conduction : il ne faudra pas
que ces valeurs sortent de la plage autorisée pour le type de diode choisie.
On remarquera que le produit p(t) = vK × iK est toujours  0 : la diode est un dipôle passif qui ne peut qu'absorber
de la puissance (p(t) toujours  0). Si la diode est "parfaite", alors le produit p(t) = vK × iK vaut toujours 0 : la diode
parfaite ne s'échauffe pas. C'est toujours la source ou la charge qui déterminera l'état passant ou conducteur de la
diode et jamais l'opérateur (circuit de commande) : la diode est un interrupteur dépourvu d'une troisième électrode
de blocage ou de conduction.
Le thyristor (convention récepteur).
Il possède une troisième électrode (broche) appelée gâchette et qui permet de le débloquer. Il reste donc bloqué si
l'opérateur n'agit pas sur la gachette (tension positive entre gâchette et cathode sous forme d'impulsions répétées
de 1 V crête environ). Une tension vK positive peut donc se développer à ses bornes, contrairement à ce qui était
observé avec une diode, lorsque le thrystor est bloqué.
Lorsque le thyristor est passant, rien ne le distingue d'une diode.
Le transistor (convention récepteur).
Il possède également une troisième broche, comme le thyristor. Mais, contrairement à ce dernier, cette troisième
broche appelée "base" permet non seulement de débloquer le transistor (tension base - émetteur de l'ordre de 0,7
V) mais aussi de le bloquer (tension base - émetteur nulle). En revanche il n'admet pas de tension vK négative à
ses bornes, contrairement au thyristor :
Le choix de l'interrupteur électronique adéquat (diode, transistor, thyristor) dépend des points de fonctionnement
qu'il doit assurer : l'ensemble des points de fonctionnement de l'interrupteur mécanique dessine, hors instants de
commutation, la caractéristique statique que doit posséder l'interrupteur électronique.
vK
iK
anode cathode
iK
vK
passante
bloquée
vK iK
vK
opérateur (commande ON - OFF)
bloqué
iK
vK
opérateur (commande ON)
bloquée bloquée
iK émetteur
collecteur
base
ON - OFF
tension de
commande
iK
vK
anode
gâchette
ON
tension de
commande
cathode

Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse. C. Haouy
Page 4/21
Exemple : on souhaite utiliser un convertisseur pour obtenir une tension en créneaux alternatifs aux bornes d'une
charge RL à partir d'une tension constante positive (onduleur). Choisir l'interrupteur électronique K1 qui permet de
réaliser la fonction décrite par les chronogrammes.
Pour répondre à cette question, il faut connaître la courbe de fonctionnement (vK1, iK1) dessinée par les blocages /
conductions successives de K1. Il faut donc connaître les chronogrammes de vK1 et iK1. Une étude rapide nous
donne les allures suivantes
On compare alors cette caractéristique statique avec celles qui sont données dans la bibliothèque de
caractéristiques disponibles (voir annexe). On en déduit que l'interrupteur électronique adéquat est :
On remarquera que la structure de convertisseur utilisée (4 interrupteurs et 1 source d'alimentation constante) peut
parfaitement réaliser un hacheur 4 quadrants pour moteur DC : c'est la stratégie de commande des interrupteurs
qui permet de définir la fonction (hacheur, onduleur…) de la structure
2. Commande des onduleurs.
2.1. Commande simultanée et commande décalée.
Le circuit étudié précédemment était un onduleur sur charge RL, par exemple une table de cuisson à induction (on
rajouterait un condensateur en série pour réaliser une résonance de courant en pratique). Observons le détail de
sa réalisation :
Vcharge
i
iK1
vK1
remplacé par :
iK1 iK1
vK1 vK1
Cela permet de tracer la caractéristique,
dite statique, dessinée par les points de
fonctionnement au cours du temps (hors
instants de commutation dessinées par les
flèches vertes) :
vK1
iK1
iK1
vK1
i
Vcharge

Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse. C. Haouy
Page 5/21
0200 400
Frequency (Hz)
0
20
40
60
80
100
100%
spectre de icharge et de vcharge
20%
4,2% 14%
2,1%
Les angles indiqués sont les angles de conduction des interrupteurs, en [°]. On appelle ce type de commande la
"commande simultanée" car les interrupteurs k1 et k3 sont commandés simultanément (de même pour les
interrupteurs k2 et k4). On l'appelle également "commande symétrique" car la tension vcharge vaut +E ou -E.
le circuit inductif filtre la tension : le courant est moins distordu que la tension. On peut également modifier l'angle
de conduction des interrupteurs. On obtient alors la "commande décalée", dite aussi "commande 1/3 - 2/3" ou
encore "commande adjacente" qui n'est plus symétrique comme précédemment, car il existe à présent des paliers
de tension à 0 V :
La commande 1/3 – 2/3 permet d'éliminer les harmoniques de rang 3. On voit donc tout l'intérêt de bien choisir la
commande des interrupteurs pour obtenir un courant aussi sinusoïdal que possible (si la nécessité s'en fait sentir) :
la stratégie de commande permet de supprimer certains harmoniques. On remarquera ici que la valeur efficace est
fixe, imposée par l'alimentation DC (500 V en symétrique par ex, 78% de 500 V en 1/3 - 2/3). Cette commande 1/3
- 2/3 (tension entre-phase) est utilisée en traction ferroviaire avec machine asynchrone en pleine puissance
(commande "pleine onde").
icharge
00.04 0.08
Time (s)
0
-200
-400
-600
200
400
600
fcommande = 50 Hz, charge RL = 10 , 0,1 H
commande simultanée
vcharge
icharge
0.92 0.96 1
Time (s)
0
-200
-400
-600
200
400
600
fcommande = 50 Hz, charge RL = 10 , 0,1 H
commande 1/3 - 2/3
0200 400
Frequency (Hz)
0
20
40
60
80
100
spectre de icharge et de vcharge
20%
4,2% 14%
2,1% 11%
1,3%
33%
12%
100%