Distribuer l énergie électrique ONDULEURS : Structures et principes de base. Contenu du cours

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1 Contenu du cours 1. INTRODUCTION, EMPLOI : RAPPELS DES REGLES EN ELECTRONIQUES DE PUISSANCE INTERRUPTEURS DE PUISSANCE, REGLE DE CONDUCTION NATURE DES SOURCES En régime permanent En régime transitoire REGLE D ASSOCIATION DES SOURCES ONDULEURS MONOPHASES MONTAGE EN DEMI PONT MONTAGE EN PONT INFLUENCE DE LA CHARGE ET NATURE DES INTERRUPTEURS INFLUENCE DE LA FORME DE L ONDE SUR LE SPECTRE (CONTENU HARMONIQUE) Onduleur pleine onde (cas des onduleurs de secours pour PC à quelques dizaines d Euros) Onduleur utilisant la technique MLI (PWM) ONDULEURS MLI TRIPHASE COMMANDE BIPOLAIRE COMMANDE UNIPOLAIRE MLI PRECALCULEE : REVERSIBILITE DES ONDULEURS EXEMPLES D APPLICATIONS...11 Page 1 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

2 1. INTRODUCTION, EMPLOI : Un onduleur est un convertisseur statique CONTINU / ALTERNATIF de symbole fonctionnel ci-contre. Sa puissance peut être comprise entre quelques watts (Alimentation Sans Interruption) et plusieurs MW (Locomotives, entraînement d hélices de paquebots). Un onduleur est dit autonome si la fréquence et la tension ne sont pas imposées par le réseau, il peut être utilisé dans les contextes suivants : Industrie et machines outils, entraînement de machines alternatives à vitesse variable (Moteur asynchrone ou synchrone, MRV). Pour alimenter un moteur asynchrone, la fréquence est alors de quelques dizaines de Hertz. Ex : si on veut N s = tr/min avec une machine bipolaire (p=1) utilisée sur une broche UGV (Usinage à Grande Vitesse) il faut N s.p f = = 333Hz 60. Alimentation Sans Interruption (ASI) à fréquence et tension fixes (230V, 50Hz) Assure la continuité de l'alimentation en cas de coupures pour : réseau d'ordinateurs, serveurs informatiques (clouding) centrale téléphonique Traitements thermiques, Chauffage par induction La pièce métallique à chauffer est placée au milieu d'un inducteur parcouru par un courant alternatif de fréquence élevée (de quelques centaines de Hertz à 1MHz). Des pertes par courants induits (de Foucault) se développent au cœur du matériau qui s'échauffe. La structure est rendue résonante par ajout d un condensateur, la fréquence de résonance est proche de 1 fr =, et la puissance est ajustée par variation de L. C fréquence autour de cette valeur. L effet de peau dans les matériaux métalliques (passage des courants induits en surface pour une fréquence élevée) permet de faire du traitement de surface, (durcissement) des crémaillères de barre de direction). Motorisation électrique des véhicules et transports électriques (bus, auto, trolley, tramway...). Utilisation de moteur roue (wheel motor) dans l'automobile. Les moteurs sont intégrés dans les roues, l'entraînement direct supprime la boite de vitesse ou le réducteur, ainsi que le joint de cardan pour les roues directrices. Le rendement augmente, le plancher peut être rehaussé (4x4 tout terrain) ou abaissé (bus urbain). f variable autour de fr Alimentation par captage sur câbles aériens ou sur rail au sol, à partir d'une tension continue de 750V ou 600V pour le tramway, métro ou trolleybus. Schéma électrique de la chaîne de traction > Page 2 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

3 2. RAPPELS DES REGLES EN ELECTRONIQUES DE PUISSANCE 2.1. INTERRUPTEURS DE PUISSANCE, REGLE DE CONDUCTION LES COMPOSANTS DIODE : interrupteur non commandé, fermeture et ouverture naturelle par les conditions extérieures du circuit Interrupteurs commandés à l ouverture et à la fermeture TRANSISTOR BIPOLAIRE à jonction (Bipolar Junction Transistors - BJT) ; TRANSISTOR MOS/MOSFET (Metal Oxyde Semi conducteur, à effet de champ) TRANSISTOR IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor / bipolaire à grille isolée) La majorité des structures d onduleur utilisent des interrupteurs commandés associés avec une diode de roue libre en anti parallèle ou CELLULE DE COMMUTATION. Les cellules suivent les conditions suivantes : K ouvert si T non commandé et i >0 K fermé si : o T commandé et i > 0 o T non commandé et i < NATURE DES SOURCES Un convertisseur de puissance est placé entre un générateur et une charge appelés respectivement «sources d entrée» et «source de sortie» En régime permanent On rencontre des sources de tension et de courant «classiques» dont les caractéristiques idéales sont en régime permanent : Tension constante quel que soit le courant pour une source de tension, Courant constant quelle que soit la tension pour une source de courant. Source de tension Source de courant Une source réelle comporte une résistance interne, en série pour la source de tension, en parallèle pour la source de courant En régime transitoire Comme l'électronique de puissance est une électronique de commutation, donc de régimes transitoires successifs, il faut se préoccuper du comportement dynamiques des sources de tension ou de courant. En effet, la tension ou le courant ne peuvent varier instantanément à leurs bornes. Ainsi : un condensateur est une source dynamique de tension, une inductance est une source dynamique de courant. Sources de tension transitoires Sources de courant transitoires Condensateurs Inductance, bobinage de machine, câble long Page 3 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

4 2.3. REGLE D ASSOCIATION DES SOURCES On peut interconnecter une source de tension et une source de courant. On ne doit pas interconnecter deux sources de tension différentes. Le courant échangé deviendrait alors très grand ce qui aboutirait à une destruction. Il ne faut jamais court-circuiter une source de tension. On ne doit pas interconnecter deux sources de courant différentes. La tension à leurs bornes deviendrait alors très grande ce qui aboutirait à une destruction. Il ne faut jamais laisser une source de courant en circuit ouvert. 3. ONDULEURS MONOPHASES 3.1. MONTAGE EN DEMI PONT (2 interrupteurs et 2 sources de tension ou source à point milieu) 3.2. MONTAGE EN PONT (4 interrupteurs et une source de tension) (K 1 + K 2) et (K 3 + K 4) constituent 2 bras Interdiction de Interdiction de v = +E si Si K 1 fermé, v = v = -E si Si K 2 fermé, v = v = 0 si Séquences de conductions des interrupteurs pour les deux montages avec v(t) suivante. +E -E Montage demi pont Montage en pont Page 4 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

5 3.3. INFLUENCE DE LA CHARGE ET NATURE DES INTERRUPTEURS Dans le montage ci-dessous, chacun des interrupteurs K1 à K4 est constitué d un transistor (Bipolaire, MOSFET ou IGBT) en parallèle avec une diode montée en inverse. Tracer l allure du courant i(t) si la charge est résistive pure et en déduire la séquence de conduction des différents composants. T/ T Tracer l allure du courant i(t) si la charge est de type R,L avec une constante de temps τ. T/2 T Déduire la séquence de conduction des différents composants Justifier la présence des diodes de roue libre 3.4. INFLUENCE DE LA FORME DE L ONDE SUR LE SPECTRE (CONTENU HARMONIQUE) Onduleur pleine onde (cas des onduleurs de secours pour PC à quelques dizaines d Euros) T T n.f Tracer sur la figure ci-dessous, l onde fondamentale de tension et le premier harmonique de 2 couleurs différentes. Allure du spectre de v(t) et commentaire Page 5 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

6 Onduleur utilisant la technique MLI (PWM) Tracer directement sur la figure ci-dessous, la «valeur moyenne instantanée» <V MLI > pour chacun des intervalles T MLI (courbe en escalier); Lisser la courbe précédente pour obtenir l onde fondamentale (sinusoïdale) de la tension v 1 (t). +E -E Relever le rapport entre la période de v 1 (t) et T MLI On note fm la fréquence de modulation et fd la fréquence de découpage. Donner le rapport numérique entre ces deux fréquences. A la sortie d un onduleur industriel, on relève le spectre suivant pour la tension. Situer les fréquences fm et fd, puis commenter globalement le spectre. Lorsque un onduleur alimente une machine tournante (MAS ou MS) donner le modèle de chacun des enroulements de la machine. i(t) v(t) En introduisant l écriture complexe, donner la relation entre I et V et préciser la nature du filtre obtenu pour le rapport H = I /V. Exprimer le déphasage entre l onde fondamentale de tension et l onde fondamentale de courant. Page 6 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

7 Tracer alors en retenant un déphasage φ =π/3 L onde fondamentale de tension u 1 (t), l onde fondamentale du courant i 1 (t) qui circule dans un enroulement, Situer le déphasage φ 1. +E -E Représenter l allure réelle du courant i(t). Déduire alors le spectre en courant et le commenter n.f Page 7 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

8 4. ONDULEURS MLI TRIPHASE Pour la structure suivante, localiser, identifier et justifier le rôle des 3 parties repérées 1, 2 et COMMANDE BIPOLAIRE (variation instantanée de U 12 entre +E et E) Compléter le graphe de conduction des interrupteurs pour la tension U 12 ci-dessous Page 8 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

9 4.2. COMMANDE UNIPOLAIRE (variation instantanée de U 12 entre 0,+E et 0, E) Compléter le graphe de conduction des interrupteurs pour la tension U 12 ci-dessous En considérant que la charge est essentiellement inductive, indiquer la relation instantanée entre U 12 (t) et i(t) et déduire l influence du mode de commande sur l ondulation de courant. Esquisser i(t) sur chacune des 2 figures MLI PRECALCULEE : Il est possible, en calculant soigneusement les angles de commutation, d'annuler complètement les harmoniques de rang faible (3, 5 et 7 en général). Ceci est assuré pour les onduleurs de fortes puissances par un microprocesseur dans lequel sont mis en mémoire les valeurs des angles de commutation. En se limitant aux harmoniques de rang faible, le THD est alors voisin de zéro. Exemple : trois commutations par quart de période permet d annuler complètement les harmoniques de rang 3 et 5. Pour contrôler la valeur efficace de la tension de sortie de l'onduleur, plusieurs solutions sont possibles : - Angles i constants et variation de E à l'aide d'un hacheur ou d'un redresseur commandé - Angles i et tension E constants, surmodulation HF avec rapport cyclique variable Page 9 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

10 5. REVERSIBILITE DES ONDULEURS La figure ci-contre représente une structure utilisée pour un véhicule électrique. Donner le rôle des 2 blocs fonctionnels R et O. R O Développer le schéma de chacun des blocs. Schéma développé de R Schéma développé de O Indiquer la nature de leur réversibilité. Page 10 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013

11 6. EXEMPLES D APPLICATIONS F.1) Motrice de fret type BB (mise en service 2003). Structure de l alimentation pour un des 4 moteurs 1100 kw T Donner le rôle de l élément T et de l élément PMCF. Déduire la nature de la réversibilité pour les 2 types d alimentation. F.2) Eolienne à machine synchrone raccordée au réseau 50 Hz F.3) Raccordement de panneaux photovoltaïques au réseau 50 Hz Page 11 sur 11 J-C ROLIN Lycée G. EIFFEL 11/2013