LES ONDULEURS. 1. Introduction

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1 1. Inroducon 1.1. éfnon LS ONULURS L'onduleur es un conersseur saque prélean son énerge sur une source connue e la resuan à une charge sous une forme alernae à fréquence arable. 1.. Onduleurs auonomes Les onduleurs auonomes conerssen une enson connue d'enrée V e en une enson alernae de sore. Le sgnal de commande ser à régler la enson de sore par rappor à la enson d'enrée : = ce aec V e arable ou arable aec V e = ce. L énerge nécessare à la commuaon (exncon) des hyrsors es fourne par des crcus auxlares. La fréquence de fonconnemen es ndépendane de la charge. On en es maîre. V e f e = P fg.19 f s I s Fg Onduleur auonome 1.3. Onduleurs non auonomes S l énerge nécessare à la commuaon es préleée au réseau alernaf, l onduleur es d non auonome. La fréquence es alors mposée par le réseau. On n en es pas maîre. V e f e I s V e f e I s P f s = (b) P f s = fg. Redresseur I s Onduleur non auonome Fg. 6.. Fonconnemen d un redresseur en onduleur non auonome c:/.../pchapre6 1/3/7 PI - 1/7

2 e ype de fonconnemen es obseré pour les redresseurs conrôlables. La pussance es alors ransférée de la charge ers la source. ans les deux cas, P crcule du connu ers l'alernaf fférens ype d onduleurs auonomes Suan la naure de la source connue, on dsngue : les onduleurs de enson les onduleurs de courans (commuaeurs de couran) es dsposfs fonconnen en commuaon forcée e exsen en monophasé e rphasé.. Onduleur auonome de enson Un onduleur de enson es almené par une source de enson connue, d'mpédance néglgeable. Grâce à un jeu d'nerrupeurs, l mpose à la sore une enson alernae formée de créneaux recangulares. La naure capace de la source mpose que la charge es de naure nduce..1. Srucure en pon d un onduleur de enson monophasé Le sgnal alernaf recherché s'oben en nersan pérodquemen la polaré de la source connue applquée aux bornes de la charge par le jeu des nerrupeurs commandés (fg.3). L'onduleur de enson décr es un onduleur en pon. e d'une par e e d'aure par ne doen êre fermés en même emps! La araon de fréquence du sgnal pérodque es obenue par acon sur la fréquence de fermeure e d'ouerure des nerrupeurs. S de plus, on ménage des neralles à ensons nulles, on peu fare arer la aleur de la enson de sore, (fg. 3): Tros cas : a) commuaon reardée (cas reporé sur la fgure 3) : quand e son fermés, =, quand e son fermés, = -, + quand e ou e son fermés, =. - fg49a R L Fg Formes d'ondes en foncon de la durée de fermeure des nerrupeurs c:/.../pchapre6 1/3/7 PI - /7

3 L ordre de fermeure des nerrupeurs es 1,, 3, 4. b) commuaon smulanée : les fermeures e ouerures des nerrupeurs son smulanées. < < T/, e fermés, e ouers = T/ < < T, e ouers, e fermés = - c) commuaon alernée : es manenu fermé, éan ouer. e son fermés successemen e alernaemen = e, es ensue fermé, éan manenu ouer. e son à leur our successemen e alernaemen fermés = e - fg49b Fg K ans le cas des onduleurs Fg Onduleurs de enson de enson, on consae que le couran s'nerse dans l'nerrupeur qu es passan. Il fau donc ajouer à l'nerrupeur undreconnel commandé, une dode monée en an-parallèle qu assure la connué du couran lorsqu'l change de sens, (fg.5). On oben alors le schéma plus réalse de la fg.6. Fonconnemen en commuaon smulanée : phase 1 : supposons que Th 3 e Th 4 soen nalemen conduceurs : = - e < (de B ers A). + fg49c phase : on éen Th 3 e Th 4. A cause de la self, le couran ne s éen pas Fg nsananémen mas s écoule à raers 1 e. passe de - à + e le couran s éen au bou d un ceran emps e, s on ne fa ren, rese nul. A parr de ce momen, les dodes 1 e son polarsées en nerse e les hyrsors suscepbles d êre allumés. - phase 3 : on amorce Th 1 e Th au momen où () =. 1 3 A - - Th 1 K3 Th 3 R T/ L 4 T (b) fg49d (c) B Th 4 Th c:/.../pchapre6 1/3/7 PI - 3/7

4 nsue, le processus recommence. On oben donc les formes d onde de la fg. 7-1 Th1 Th 3 Th 3 4 Th4 fg.6_6 s Fg Fg fg.6_9 Le couran S débé par la source es donné à la fgure 8. S T << τ (τ = L/R, consane de emps), le couran moyen débé par la source au : I Smoy R T 8 τ.. Onduleur en dem-pon On peu remplacer deux des nerrupeurs par un dseur capacf (fg.9) On oben alors un onduleur en dempon don le sgnal de sore es donné par: = +/, quand Th 1 ou 1 condu, = - /, quand Th ou condu..3. Onduleur push-pull pull + S le dseur de enson de l'enrée es remplacé par un ransformaeur à pon mleu, fg.1, on oben l'onduleur pushpull don le résula se radu par : quand es fermé, = + N, quand es fermé, = - N fg5 M s / 1 A R L / N Fg Onduleur en dem-pon fg51 B A Fg Onduleur push-pull N Th 1 B Th c:/.../pchapre6 1/3/7 PI - 4/7

5 Les deux hyrsors son à l éa passan à our de rôle ce qu produ des mpulsons de courans en sens nerses dans les deux moés du prmare ndusan ans un enson alernae de forme recangulare au secondare..4. Prncpales ulsaons. Les prncpaux domanes d'applcaon des onduleurs de enson son : * la réalsaon d'almenaons de sécuré pour les équpemens ne pouan supporer les coupures e les mcrocoupures du réseau ndusrel: ordnaeurs, seceur apparels médcaux,... Les onduleurs fonconnen à Redresseur Onduleur parr de baeres e 8_11 Baere délren des ensons de d'accumulaeurs aleur e de fréquence consanes (fg.11). es le prncpal débouché des onduleurs auonomes. La commuaon es forcée. charge commuaeur auomaque Fg Prncpe d'une almenaon de sécuré * la réalsaon de araeurs de esse pour moeur à couran alernaf (moeurs synchrones e asynchrones) par acon sur la fréquence (V/f consan). L'onduleur es alors almené à parr du réseau ndusrel par un redresseur. La commuaon es égalemen forcée. * la lgne HT perme le ransfer de l énerge élecrque sous forme de couran connu de HT (fg.1). xemple la lgne par câble sous-marn enre la France e l Angleerre fonconne depus _11 France : 5 kv Angleerre : 75 kv T HT + 1 kv HT T flre flre Alernaeur Redresseur - 1 kv lgne HT Onduleur Ulsaon Fg xemple de lgne couran connu haue enson (HT) * lason asynchrone enre deux réseaux alernafs de fréquences dfférenes (exemple Japon 5 e 6 Hz) * Récupéraon d énerge lors du frenage de pussans moeurs à couran connu (ran, méro, lamnor,..)..5. Formes d ondes Les sgnaux présenés par les onduleurs classques son des créneaux recangulares. La décomposon en sére de Fourer donne pour composane fondamenale une snusoïde de fréquence f (habuellemen 5 Hz). S on élmne oues les aures c:/.../pchapre6 1/3/7 PI - 5/7

6 composanes de la sére de Fourer, on obendra donc un sgnal (à peu près) snusoïdal : le problème de flrage es sous-jacen dans oue éude d onduleur. La résoluon de ce problème nécesse des cellules de flrage lourdes, encombranes e onéreuses mas peu êre smplfé par l obenon de sgnaux adapés. es sgnaux (fg.13) peuen êre obenus par acon sur la commande des hyrsors Th 1, Th, Th 3, Th 4. On défn ans ders ypes d'onduleurs auonomes : Les onduleurs à ondes recangulares ou muaeurs Réglables par la aleur du généraeur connu. (b) Les onduleurs en créneaux de largeur arable La aleur moyenne de la enson de sore es réglable par acon sur la durée du créneau (rappor cyclque). (c e d) Les onduleurs à modulaon de largeur d'mpulson. MLI (ou PWM: pulse wdh modulaon). La largeur e l'espacemen arables rédusen le aux d'harmonques. e son des onduleurs sophsqués. (e) Les onduleurs en marche d'escaler La forme se rapproche de la snusoïde. es onduleurs possèden un grand nombre d'élémens. 3. Onduleur auonome de couran Les onduleurs de couran ou commuaeurs de couran son almenés par une source de couran d'ondulaon néglgeable e mposen à la sore un couran formé de créneaux recangulares. La fgure 14 schémase la commuaeur de couran à sore rphasé qu es le plus usuel. La commuaon du couran es faorsée par la présence de condensaeurs, en parallèle sur la charge, non représenés. Les onduleurs de couran fonconnan en commuaon forcée son surou ulsés pour la réalsaon d'enraînemen à esse arable aec moeurs synchrones ou asynchrones. La forme des ondes es donnée à la fgure 15. (b) (c) (d) (e) fg53 Fg erses formes d'ondes c:/.../pchapre6 1/3/7 PI - 6/7

7 I 1 K' 3 K' 1 K' K' 1 K' K' fg5a 3 Fg Onduleur de couran rphasé fg5b T Fg courans rphasés 4. Onduleur à résonance ans les onduleurs à résonance, la charge es consuée par un crcu résonnan peu amor almené à une fréquence rès proche de la fréquence de résonance. La fréquence de fonconnemen es donc mposée par la charge e la commuaon es naurelle. Le fonconnemen de l onduleur n es plus auonome. l'onduleur sére : source de enson connue crcu résonnan sére peu amor, l'onduleur parallèle : source de couran connu crcu résonnan parallèle, (fg. Les onduleurs à résonance son souen appelés onduleurs moyenne fréquence car ls fonconnen à des fréquences neemen supéreures à celle du réseau ndusrel (4 Hz à 4 khz). Leur ulsaon classque consse à almener des charges qu, à leur fréquence normale de fonconnemen, son neemen capaces (généraeurs d'ozone,..) ou neemen nduces (généraeurs de chauffage par nducon,..). es charges on en général un rès mauas faceur de pussance qu l fau compenser. On ajoue alors une nducance ou un condensaeur e on forme ans un crcu résonnan. Le double aanage de la commuaon naurelle e du fonconnemen à fréquence éleée condu à les ulser de plus en plus comme conersseurs nermédares dans une cascade de conerson de l'énerge. ans une almenaon à résonance, par exemple, on roue successemen un redresseur à dodes, un onduleur à résonance, un ransformaeur moyenne fréquence e un redresseur à dodes. I - I fg54 I G L Fg Onduleur parallèle c:/.../pchapre6 1/3/7 PI - 7/7