Chapitre Onduleur.pdf

Chapitre 5: Les convertisseurs DC/AC : Onduleurs autonomes

Introduction: Applications des onduleurs

Les Variateurs de vitesse  Alimentation triphasée

 Redresseur

Filtrage

Onduleur

M 3



Moteur asynchrone

Un onduleur est un élément clé des variateurs de vitesse pour machine à courant alternatif (moteur synchrone ou asynchrone). La source continue est obtenue à partir du redressement du réseau. La tension engendrée est de fréquence et amplitude variables, ce qui fait varier la vitesse des machines à courant alternatif.

Introduction: Applications des onduleurs

Systèmes photovoltaïques

Un onduleur est un élément principal dans les systèmes photovoltaïques ou éoliennes,

Introduction: Application des onduleurs

Alimentations de secours Les ASI: Alimentation sans interruption (UPS:uninterruptible supply system ).

- En temps normal, la batterie est maintenue en charge, mais l'énergie est fournie par le réseau via le redresseur et l'onduleur. - En cas de défaut de réseau, l'énergie est fournie par la batterie via l'onduleur. La fréquence et l‘amplitude de la tension de sortie sont fixes.

On les utilise dans les deux cas suivants: • Pour les installations qui nécessitent la continuité de l’alimentation: hôpitaux, centres téléphoniques, circuits de sécurité… • Pour les appareils (ordinateurs) qui exigent non seulement la continuité de leur alimentation mais encore la protection contre les perturbations du réseau de distribution: variation de tension, parasites, coups de foudre…

Objectif Synoptique d’une Alimentation Sans Interruption (ASI) Source continue

Onduleur

uS

Filtrage

Charge

us est périodique mais n’est pas sinusoïdale

Décomposition en série de Fourier Onde fondamentale (rang n = 1, pulsation ω1)

+

Ondes harmoniques (rang n > 1, pulsation ωn = nω1) d'amplitude plus ou moins importante. On cherche à diminuer le plus possible l'amplitude des harmoniques de rang faible car : - les harmoniques de rang élevé sont faciles à filtrer : un onduleur est toujours suivi d'un filtre passe-bas. - sur charge inductive, ce sont les harmoniques de rang faible qui génèrent les courants les plus importants.

Cette diminution s’obtient en améliorant la commande de l’onduleur.

PLAN

I- Principe de base en monophasé II- Principe d’un onduleur de tension en pont

II-1 Commande symétrique ou pleine d’onde II-2 Commande décalée II-3 Commande MLI III- Onduleur triphasé

I- PRINCIPE DE BASE EN MONOPHASÉ Le principe de base consiste à connecter, alternativement dans un sens puis dans l’autre, une source continue (de tension ou de courant) à une charge de manière à lui imposer une alimentation (en tension ou courant) alternative. Les structures possibles sont: Onduleur en pont

Onduleur en demi-pont

Onduleur avec transformateur à point milieu

Onduleurs de tension et de courant

II- PRINCIPE D’UN ONDULEUR DE TENSION EN PONT Structure Ce type d’onduleur comporte quatre diodes montées en antiparallèle sur quatre interrupteurs électroniques unidirectionnels et commandables en fermeture et en ouverture. Les diodes permettent ainsi à l’inductance, de restituer l’énergie emmagasinée, lors de l’ouverture des interrupteurs, permettant au courant de ne pas subir de discontinuité.

Afin d’améliorer le rendement, on cherche à diminuer l’influence des harmoniques de rang ≥ 2. Cette diminution s’obtient en améliorant la commande de l’onduleur.

II-1 Commande symétrique ou pleine onde – Charge inductive • Stratégie de commande Les deux séquences de commande se décomposent comme suit : 0
T/2
• Si 0 ≤ t ≤ T/2

K1 , K3 fermés et K2, K4 ouverts. On a:

iS   ISMaxe • Si T/2≤ t ≤T

t



t USMax L  (1  e  ) , Avec   R R

K1 , K3 ouverts et K2 , K4 fermés. On a:

iS  ISMaxe

 ( t T 2 )



 ( t T USMax  (1  e R

2)



)

(00 et is<0)

(t10 et is>0)

(T/20)

(t2
t1

t2

• Spectre La tension uS est impaire. Son développement en série de sinus est: 4USMax  1 uS  sin[( 2 p  1)t ]   p 0 2 p  1 fcommande = 50 Hz, charge RL = 10Ω, 0,1 H

n=1

n=3

n=5

n=7

n=9

On constate que us est riche en harmoniques de rang faible et donc de fréquence basse, ce qui rend le filtrage très difficile.

II-2 Commande décalée – Charge inductive • Stratégie de la commande La commande de K3 et K4 est décalée de 2α (0 ≤ 2 α ≤ π) par rapport à la commande de K1 et K2. α
π-α
π+α
2π-α
• Spectre La tension uS est impaire. Son développement en série de sinus est:

uS 

4USMax





1 cos[(2 p  1) ] sin[( 2 p  1)t ]  p 0 2 p  1

On peut supprimer l’harmonique 3 (p = 1) et ses multiples en choisissant α = π/6.

fcommande = 50 Hz, charge RL = 10Ω, 0,1 H α=π/6

n=1

n=5

n=7

Cette stratégie de commande permet de supprimer certains harmoniques(n=3,9,15..).

• Valeur efficace de uS

1

USEff 



 



U 2 SMaxd  USMax 1 

• Spectre La tension uS est impaire. Son développement en série de sinus est:

uS 

4USMax



2





1 cos[(2 p  1) ] sin[( 2 p  1)t ]  2 p  1 p 0

Soient US1Max l’amplitude du fondamental et USnMax l’amplitude de l’harmonique n, (n = 2p + 1 avec p ∈ N). On peut supprimer l’harmonique 3 (p = 1) et ses multiples en choisissant α = π/6 ; les harmoniques pairs étant nuls, on a alors :

Remarque : La valeur efficace du fondamental se règle par USMax ou α.

US1Eff 

Pour α=π/6

4USMax cos  2 US 1Eff 

(0 ≤α≤π/2)

6USMax



II-3 Commande M.L.I. a) M.L.I. pré-calculée ou M.L.I. à neutralisation d’harmoniques La M.L.I. (modulation de largeur d’impulsions, ou P.W.M. pour pulse width modulation) permet de supprimer des harmoniques en commutant les interrupteurs électroniques à des instants pré-calculés. Elle est particulièrement adaptée à l’obtention d’une sinusoïde avec peu de commutations par période. M.L.I. – Onde 2 niveaux • Stratégie de commande

Les interrupteurs électroniques sont tous simultanément commandés ; on a soit K1-K3 fermés et K2-K4 ouverts, soit K1-K3 ouverts et K2-K4 fermés. La tension uS est impaire et symétrique par rapport à la droite verticale passant par π/2. Dans le cas général, on a un nombre m d’angle αi, avec 0 ≤ αi ≤ π/2.

• Spectre La tension uS est impaire et possède une symétrie de « glissement » . La tension uS peut aussi être vue comme la somme pondérée de m + 1 tensions ui : m

uS  u 0  2 ( 1) i ui i 1

On en déduit le développement en série de sinus de uS :

us 

4USMax





m

p 0

i 1

 (1  2 (1)i cos[(2 p  1)i])

sin[( 2 p  1)t ] 2 p 1

Soient US1Max l’amplitude du fondamental et USnMax l’amplitude de l’harmonique n, (n = 2p + 1 avec p ∈ N). Pour supprimer les harmoniques 3 à 2m + 1, (p = 1 à p = m), les harmoniques pairs étant nuls, il faut résoudre numériquement le système suivant qui donne les m angles αi.

D’où:

• Exemple: m=2 Allure des courants et tensions Courant

Tension

Spectre de la tension de sortie n=1 n=9 n=7

temps

n=11

fréquence

On vérifie la suppression des harmoniques de rang 3 et 5. Cette stratégie de commande permet d’augmenter la fréquence des premiers harmoniques et donc facilite le filtrage. Il est difficile de faire varier l’amplitude du fondamental. Cette méthode est donc surtout utilisée dans les ASI.

M.L.I. – Onde 3 niveaux • Stratégie de la commande Pendant la première demi-période, K3 est fermé et K4 ouvert, tandis que l’on a soit K1 fermé et K2 ouvert, soit K1 ouvert et K2 fermé ; Pendant la deuxième demi-période, K2 est fermé et K1 ouvert, tandis que l’on a soit K4 fermé et K3 ouvert, soit K4 ouvert et K3 fermé. La tension uS est impaire et symétrique par rapport à la droite verticale passant par π/2. Dans le cas général, on a un nombre m impair d’angle αi, avec 0≤ αi ≤ π/2. 0≤θ≤π

π ≤ θ ≤ 2π

• Spectre La tension uS est impaire et possède une symétrie de « glissement » . La tension uS peut aussi être vue comme la somme pondérée de m tensions ui, m étant impair :

uS 

m

i 1 (  1 ) ui  i 1

On en déduit le développement en série de sinus de uS :

us 

4USMax





m

p 0

i 1

 ( (1)i1 cos[(2 p  1)i])

sin[( 2 p  1)t ] 2 p 1

Soient US1Max l’amplitude du fondamental et USnMax l’amplitude de l’harmonique n, (n = 2p + 1 avec p ∈ N). Pour supprimer les harmoniques 3 à 2k + 1, (p = 1 à p = k), les harmoniques pairs étant nuls, il faut résoudre numériquement le système suivant qui donne les m angles αi.

D’où:

b) M.L.I. par découpage à fréquence élevée ou M.L.I. sinus-triangle

• La porteuse, Vp(t) est un signal triangulaire symétrique et régulier de fréquence et d 'amplitude constante. • Le signal modulant (signal sinusoïdal) , Vm(t) est le signal que l'on veut reproduire à l'aide l'onduleur. • Le signal modulé, S(t) est le signal de synchronisation de la commande du pont.

+

Vp

Vm

Tension de commande S(t)

M.L.I. – Onde 2 niveaux • Allure des tensions et courants

Courant

Tension de sortie

USMax

-USMax

• Spectre de la tension de sortie

temps

Fondamental Harmonique à la fréquence de la porteuse

fréquence

L’étude du spectre de la tension de sortie montre que l’on obtient un fondamental dont la fréquence et l’amplitude dépendent de celles du signal modulant (Vm) et des harmoniques d’amplitudes importantes mais de fréquences proches de celle de la porteuse(Vp) donc très élevées. Le filtrage et donc très facile. Cette méthode qui permet d’obtenir un fondamental variable en amplitude et en fréquence est très utilisée pour les variateur pour moteur asynchrone.

M.L.I. – Onde 3 niveaux • Allure des tensions et courants Courant

Tension

• Spectre de la tension de sortie

temps

Fondamental

Fréquence de la porteuse

fréquence

On constate que le courant en sortie de l'onduleur est de meilleure qualité par rapport à la modulation précédente. De même, on constate que le spectre de la tension est plus favorable.

III- Onduleur triphasé en pont III-1 Commande en onde peine Structure

Charge ‘moteur asynchrone’ • Le pont est constitué de 6 interrupteurs commandables à l’ouverture et à la fermeture. • Les tensions simples du charge (moteur) sont notées v1(t) , v2 (t) et v3 (t) . • Les tensions composées du moteur sont notées u12 (t) , u23 (t) et u31 (t) .

Neutre Bras On fait l’hypothèse que la charge à piloter est équilibrée. De ce fait, le courant de neutre est nul. Les commandes des interrupteurs d’un même bras sont complémentaires. Un seul interrupteur par bras conduit à un instant donné. La commande de chaque « bras » est décalé d’un tiers de période par rapport aux deux autres.

π/3

2π/3

π

4π/3

5π/3

2π

• Stratégie de commande

π/3 2π/3 A

A

B A

0 ≤ θ ≤ π/3

B π ≤ θ ≤ 4π/3

π

4π/3

5π/3

2π A

B

B

π/3≤ θ ≤ 2π/3 A

A

B

B

4π/3≤ θ ≤ 5π/3

2π/3≤ θ ≤ π

5π/3≤ θ ≤ 2π

• Tensions composées

0 ≤ θ ≤ π/3

π/3≤ θ ≤ 2π/3

π ≤ θ ≤ 4π/3

2π/3≤ θ ≤ π

4π/3≤ θ ≤ 5π/3

5π/3≤ θ ≤ 2π

θ

0≤θ≤ π/3

π/3≤θ≤2π/3

2π/3≤θ≤π

π≤θ≤4π/3

4π/3≤θ≤5π/3

5π/3≤θ≤2π

u12

E

E

0

-E

-E

0

u23

-E

0

E

E

0

-E

u31

0

-E

-E

0

E

E

• Allure des tensions composées θ

0≤θ≤ π/3

π/3≤θ≤2π/3

2π/3≤θ≤π

π≤θ≤4π/3

4π/3≤θ≤5π/3

5π/3≤θ≤2π

u12

E

E

0

-E

-E

0

u23

-E

0

E

E

0

-E

u31

0

-E

-E

0

E

E

π

5π/3

2π

5π/3

2π

E

0 -E 2π/3 E 0 -E π/3

2π/3

4π/3

E 0 -E π/3

π

4π/3

2π

• Tensions simples La détermination des tensions simples sur une charge triphasée équilibrée se fait à partir de la somme des tensions : v +v +v =0 1

2

3

Pour chaque tension simple, on pose : v1 =1/3[ 2 v1 − v2− v3 ] = 1/3 [(v1− v2) + (v1− v3) ]= 1/3[ u12 – u31]

v2 =1/3[−v1 + 2v2 − v3 ] = 1/3 [(v2 - v3) + (v2 - v1) ]= 1/3[ u23 - u12 ] v3 =1/3[−v1− v2 + 2 v3 ]= 1/3 [(v3 - v1) + (v3 - v2) ]= 1/3[ u31- u23 ] θ

0≤θ≤ π/3

π/3≤θ≤2π/3

2π/3≤θ≤π

π≤θ≤4π/3

4π/3≤θ≤5π/3

5π/3≤θ≤2π

u12

E

E

0

-E

-E

0

u23

-E

0

E

E

0

-E

u31

0

-E

-E

0

E

E

θ

0≤θ≤ π/3

π/3≤θ≤2π/3

2π/3≤θ≤π

π≤θ≤4π/3

4π/3≤θ≤5π/3

5π/3≤θ≤2π

v1

E/3

2E/3

E/3

-E/3

-2E/3

-E/3

v2

-2E/3

-E/3

E/3

2E/3

E/3

-E/3

v3

E/3

-E/3

-2E/3

-E/3

E/3

2E/3

• Allure des tensions simples θ

0≤θ≤ π/3

π/3≤θ≤2π/3

2π/3≤θ≤π

π≤θ≤4π/3

4π/3≤θ≤5π/3

5π/3≤θ≤2π

v1

E/3

2E/3

E/3

-E/3

-2E/3

-E/3

v2

-2E/3

-E/3

E/3

2E/3

E/3

-E/3

v3

E/3

-E/3

-2E/3

-E/3

E/3

2E/3

v1 2E/3

i1

E/3

v1 -E/3 -2E/3

v2 2E/3 E/3

Les trois tensions simples reconstruisent bien un système triphasé déphasé de 2π/3.

-E/3 -E/3

La pulsation ω des tensions simples est fixée par la fréquence de commutation des interrupteurs. La valeur efficace des tensions simples est fixée par la tension d’alimentation du pont.

2E/3 E/3 -E/3 -E/3

v3

III-2 Commande en MLI • Tension et courant de la sortie La commande MLI présentée au paragraphe précédente peut être appliquée à un onduleur triphasé. On présente ci-dessous les spectres tension et courant réalisés avec une fréquence de découpage « de la porteuse" de 10 kHz.

• Spectre du courant et de la tension de sortie On présente ci-dessous les spectres tension et courant réalisés avec un fréquence de découpage (dite "porteuse") de 10 kHz. On remarquera que si la tension est distordue (80% à la fréquence de 10 kHz), il n'en n'est pas de même du courant (0,4% d'amplitude à 10 kHz) : la MLI évite l'utilisation de composants de filtrage coûteux, encombrants et lourds. Le courant harmonique ci-dessous est maximum à la fréquence de 10 kHz et a pour amplitude relative 0,4% seulement du fondamental de courant.

III-3 Techniques de la commande MLI. Il existe plusieurs techniques de MLI: La MLI asynchrone intersective

La MLI synchrone La MLI synchrone intersective calculée • fp=n*fsin (n indice de • fp = cte ~la fréquence maximale • 1 à 5 angle précalculés. modulation). de commande des interrupteurs. • utilisé lorsque le MAS • Contrôler les courants • Démarrages des MAS. atteint sa vitesse nominale. harmoniques. • Alimentation de MAS jusqu'à une certaine vitesse. Allure des courants statorique d'une Mas en fonction des différentes commandes MLI

IV- Applications • Variateur de vitesse Structure interne d’un variateur de vitesse d’un moteur synchrone ou asynchrone.

• Véhicule électrique

• Onduleur :applications