S3 ET3 CM3 Onduleurs [PDF]

Zitiervorschau

Département de Génie Electrique & Informatique Industrielle Electrotechnique & Electronique de Puissance

Chapitre 3: Les Onduleurs 1. Introduction. Les onduleurs sont des convertisseurs statiques permettant, à partir d'une tension continue, d'obtenir des grandeurs électriques alternatives. Ils sont utilisés principalement dans deux catégories d'appareils: • Les alimentations sans coupures (Ex: onduleurs pour l'informatique, ...). La source continue est souvent constituée de batteries. La tension engendrée est souvent d'amplitude et de fréquence fixe. • Les variateurs de vitesse pour machine à courant alternatif. La source continue est obtenue à partir du redressement du réseau. La tension engendrée est de fréquence variable, ce qui fait varier la vitesse des machines à courant alternatif. Dans ce cas, il convient que l'amplitude de cette tension soit également variable. • La stratégie de commande de l'onduleur dépendra de l'application envisagée. On se limitera ici à la commande Pleine Onde et à la commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion).

2. L'Onduleur Monophasé en Pont. L’onduleur monophasé en pont est un montage constitué de 4 soupapes (IGBT, MOS, ...) schématisés par les 4 interrupteurs K1, K2, K3, K4, avec leurs diodes de roue libre. Le schéma de principe de ce montage est donné ci dessous. i1

K1

D1

u

K4

D4

K3

D3

i L

E1 K2

R

D2

Schéma de principe de l'onduleur en Pont

• •

Le montage est constitué de deux bras d'onduleur: le bras A constitué de K1 et K2, le bras B constitué de K4 et K3. Si on considère A, K1, K2, B, K4, K3 comme des variables logiques (fonctionnement en soupapes), on obtient les équations logiques suivantes: Ki=0 => Transistor bloqué Ki=1 => Transistor saturé o Soupape Ki o Bras A A = 0 => K1 = 0, K2 = 1 A = 1 => K1 = 1, K2 = 0 o Bras B B = 0 => K3 = 1, K4 = 0 B = 1 => K3 = 0, K4 = 1

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Page Ond-1

B) ETUDE DU FONCTIONNEMENT DE LA PARTIE PUISSANCE: Nous allons illustrer le fonctionnement dans le cas de la commande pleine onde.

1)- Commande Pleine Onde: Dans cette commande, K1 et K3 sont commandés en même temps, saturés pendant l'alternance positive et bloqués pendant l'alternance négative. De même pour K2 et K4, bloqués pendant l'alternance positive et saturés pendant l'alternance négative. En reprenant les notations ci-dessus, on peut écrire: S = A = B = K1 = K 2 = K3 = K 4 , où S est le signal de synchronisation. On obtient le chronogramme de commande ci-dessous.

S

• On remarque que A = B , c'est une commande complémentaire.

A

• On remarquera, en début d'alternance un temps mort (retard à la saturation des transistors) permettant au transistor conduisant précédemment de se bloquer.

K1, K3 B

• On remarquera que ce sont les blocages des transistors qui délimitent les alternances.

K2, K4 Chronogramme de commande

2)- Mailles de Conduction: Avec cette commande, il y a enchaînement de quatre mailles de conduction:

1) - Accumulation alternance positive

3) - Accumulation alternance négative - S3_ET3_CM3_Onduleurs.doc-

2) - Restitution alternance négative

4) - Restitution alternance positive Page Ond-2

• •

Le signe de l'alternance est déterminé par le signe de u(t). Chaque alternance débute par une phase de restitution et se termine par une phase d'accumulation.

•

Les mailles 1) et 4) ont même équation: L di + R.i=u =+E1

•

dt Les mailles 2) et 3) ont même équation: L di + R.i =u =−E1 dt

C) FONCTIONNEMENT SUR CHARGE R, L: 1)- COMMANDE PLEINE ONDE: a)- Résumé des Résultats: La commande Pleine Onde est une commande complémentaire où le signal de synchronisation a une fréquence constante ainsi qu'un rapport cyclique constant égal à un demi. • D'après ce qui précède, la tension u(t) est signal carré d'amplitude ± E1 . • Le courant i(t) sera la réponse à u(t) par l'équation différentielle: L di +i =± E1

R dt

R

• La condition de raccordement permet de déterminer l'amplitude du courant: I = E1 .th( x )

R

4

avec x= T = 1 et τ = L .

τ τf0

R

• Le spectre est composée d'un harmonique impair sur deux. L'enveloppe spectrale varie en 4E1 où

πn

n est le rang de l'harmonique considérée. • On constate que u(t) est riche en harmoniques de rang faible, ce qui rend le filtrage du courant peu aisé. Doc. http://sitelec.free.fr/cours/onduleurs.pdf

b)- Etude du courant de sortie: D'après ce qui précède, le courant i(t) sera la réponse à u(t) par deux équations différentielles:

L di + Ri=±E1=cste dt

L di +i =± E1 que l’on rapproche de τ di +i=I∞ dt R dt R L Par identification, on trouve la constante de temps : τ = et la valeur asymptotique : I∞ =± E1 R R

En normalisant cette équation, on obtient

−t

On sait que cette équation a pour solution : On pose l’intensité initiale :

i(t)= A.e τ + B

i(t =0)=−I0 .

En injectant cette valeur dans la solution, on obtient :

−t −t i(t)=I∞.1−e τ −I0.e τ  

On obtient alors le chronogramme de la solution mathématique : I∞

t

τ

0

3τ

-I0

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Pour obtenir le chronogramme du courant de sortie, il faut introduire l’équation de raccordement. Pour ce faire, on remarque que i(t) est un courant inductif et, par conséquent n’a pas de discontinuité. Pour le chronogramme précédent on peut écrire : i(t =T )=−i(t =0)=+I0 . En faisant ainsi, on voit que I0 correspond à la valeur finale (à ne

2

pas confondre avec la valeur asymptotique) de l’intensité du courant i(t) et donc l’intensité maximale du courant débité par l’onduleur. On a donc à résoudre l’équation : + I0 =I∞.1−e

−T 2τ



+(−I0 ).e− 2Tτ =I∞.1−e− 2x −I0.e− 2x où on pose x=T    τ    −x

+x

−x

+x

−x

1−e 2 e 4 1−e 2 e 4 −e 4 −x On trouve sans difficulté : + I e + I0 =I∞1−e 2 ⇒I0 =I∞ = . = =I∞.th( x ) I I ∞ ∞ x x x − + − +x +x 4   1+e 2 e 4 1+e 2 e 4 +e 4 −x 0 2

Le chronogramme de l’intensité du courant : synchro

0

T

½T

vS

t

+I0 iS

-I0

La valeur du paramètre x=T influe fortement sur la forme du courant :

τ

synchro

synchro

0

T

½T

vS

0

t

T

½T

t

vS

+I0 iS

+I0

-I0

iS -I0

T > τ Au passage, on peut remarquer que l’on obtient des droites pour x les coefficients bn sont nuls pour n pair.

•

Pour n impair :

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 T2  T   n 2 bn =  ∫ E.sin(nω0t).dt +∫−E.sin(nω0t).dt = 2E (1−cos(nπ ))= 2E 1−(−1) T0 π n π n  T 2  

[

]

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On obtient le spectre : vkmax

[

cn =bn= 2E 1−(−1) πn

4E

π

4E 3π

4E 5π

4E 7π

n

]

4E 9π

f 0

F1

3F1

5F1

7F1

9F1

2)- COMMANDE M.L.I. CALCULEE: Il s'agit d'une commande devant donner un courant à fréquence fixe. On cherche à éliminer certaines fréquences des spectres de la tension et du courant. • Pour éliminer des harmoniques du spectre de la tension, on effectue des commutations supplémentaires dans les alternances. Ici, les angles de commutation sont calculés afin d'éliminer les harmoniques 3 et 5. • On observe que les formes d'ondes se rapprochent un peu plus de la sinusoïde que dans la commande pleine onde.

• Le spectre de la tension est nettement amélioré. • Le spectre du courant sera meilleur encore car la charge constitue un filtre passe bas qui sera d'autant plus efficace que les harmoniques seront de rang élevé. Doc. http://sitelec.free.fr/cours/onduleurs.pdf

3)- LE MODULATEUR M.L.I. (Modulation de Largeur d'Impulsion): Le schéma synoptique d'un modulateur M.L.I. est donné ci-dessous: • La porteuse, Vp(t) est un signal triangulaire symétrique et régulier de fréquence et d'amplitude constante.

Vp(t) OSCILLATEUR

S(t) Vm(t)

Principe du modulateur M.L.I.

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• Le signal modulant, 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

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• Le chronogramme ci contre illustre un fonctionnement du modulateur M.L.I. • On remarquera que le signal modulant se retrouve codé dans le rapport cyclique du signal modulé. Doc. http://sitelec.free.fr/cours/onduleurs.pdf

4)- LA MODULATION M.L.I. (+E, -E): • Pour la forme d'onde ci-contre, le signal modulant est une sinusoïde. • La tension en sortie d'onduleur est un signal rectangulaire d'amplitude ± E1 et de rapport cyclique variant comme le signal modulant, donc de manière sinusoïdale.

• On constate que le courant en sortie de l'onduleur est quasi sinusoïdal (quasiidentique au signal modulant). On dira que l'onduleur en pont se comporte comme un démodulateur M.L.I. en ce qui concerne le courant quand la charge est du type R, L (filtre passe bas).

• On constate que la partie basse fréquence du spectre reproduit le spectre du signal modulant. Doc. http://sitelec.free.fr/cours/onduleurs.pdf

5)- LA MODULATION M.L.I. (+E, 0, -E): Il s'agit d'une variante dans la commande du pont. Le signal de commande est envoyé au premier bras d'onduleur. Le deuxième bras du pont est commandé par le signe du signal modulant. • Pour la forme d'onde ci-contre, le signal modulant est une sinusoïde. • La tension en sortie d'onduleur est un signal carré d'amplitude (+E1, 0) pendant l'alternance positive du signal modulant et d'amplitude (-E1, 0) pendant l'alternance négative. Le rapport cyclique code ici aussi le signal modulant. Doc. http://sitelec.free.fr/cours/onduleurs.pdf

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• 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. Doc. http://sitelec.free.fr/cours/onduleurs.pdf

3. L'Onduleur Parallèle. Considérons un transformateur d'alimentation 50Hz à double secondaire (par exemple 230V/2x12V). Un transformateur étant réversible, on peut alimenter les deux secondaires en (ici 12V) alternatif et en opposition de phase, on obtiendra alors une tension alternative (ici 230V) en sortie. Le schéma de principe est donné ci-dessous: R iS vS

Synchro i2

ie

v2

v1

i1

K1 0 E1

K2

D2

K1

T

T/2 tx

D1

tx

tx

K2

Onduleur parallèle

Commande pleine onde

1)- Mailles de conduction pour la commande pleine onde: Avec cette commande, il y a enchaînement de quatre mailles de conduction:

Accumulation alternance positive

Restitution alternance négative

Accumulation alternance négative

Restitution alternance positive

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Ces quatre mailles se ramènent à deux mailles: ie

i1

iS

m.iS i10 E1

m

v1

vS

Lm

i2

R

iS

m.iS i10 E1

m

v2

vS

Lm

R

ie

Alternance positive Le courant magnétisant: i10 = E1 t +cste Lm 1 mE Le courant de sortie: iS = R m2 E1 Le courant d'entrée: ie =i1=i10 + +cste R Alternance négative Le courant magnétisant: i10 =− E1 t +cste Lm Le courant de sortie: iS =− mE1 R m2 E1 Le courant d'entrée: ie =i2 =−i10 + +cste R Courants à l'entrée

synchro

0 i10

T/2 E1 Lm

T − E1 Lm

ie mIS

Webographie:
MLI
Onduleurs

L'ondulation de courant: ∆Ie =∆I10 = E1 .T = E1 Lm 2 2Lm f Courant magnétisant: I10.max = E1 4Lm f Si le courant Is.max est suffisant, les diodes ne conduisent pas hors des temps morts. La condition limite s'écrit: mI S.lim = ∆I10 2 Courant de sortie limite: I S.lim = E1 4mLm f

http://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_de_largeur_d'impulsion http://www.syscope.net/elec/C25.pdf

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