1 Principe de l onduleur autonome:

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1 1 Principe de l onduleur autonome: 1.1 Définition - Généralités : Onduleur : Conertisseur statique permettant l échange d énergie entre une grandeur continue et une grandeur alternatie. Symbole : ~ Autonome : Impose sa propre fréquence à la charge Assisté : Par opposition, un onduleur assisté (redresseur aec transfert d énergie du continu ers l alternatif) oit sa fréquence imposée par celle du réseau sur lequel il est branché. 1.2 Principe de l onduleur de tension (monophasé) : On ferme alternatiement les deux interrupteurs et de sorte à imposer une tension alternatie (et carrée) à la charge. a commande est symétrique. 2 Onduleur de tension à 2 interrupteurs : 2.1 Charge résistie : Pour une charge résistie, le courant se détermine facilement : 2.2 Charge inductie (, ) : M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 1

2 - Schéma de montage : (Dans la pratique, on rajoute 2 diodes aux interrupteurs qui sont des transistors ) - Obseration des oscillogrammes : Si la charge est inductie, les diodes et permettent de renoyer l énergie ers l alimentation : Tension aux bornes de la charge Courant dans la charge Elément commandé Elément conducteur - Analyse du fonctionnement : 0 < t < T/2 T1 commandé T2 ouert Impose = E T/2 < t < T T2 commandé T1 ouert Impose = -E 0 < t < t1 : i < 0 t1 < t < T/2 : i > 0 T/2 < t < t2 : i > 0 t2 < t < T : i <0 - e courant i est négatif, T2 est ouert, c est donc qui conduit. - reste passante tant que l intensité du courant i = -i qui la traerse reste positie. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = E.i négatie : il y a donc transfert d énergie de la charge ers la source, on parle alors de phase de récupération. - A l instant t1, i s annule et deient positif, ce qui impose la conduction de T1. Il y a commutation de la diode au transistor T1. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = E.i positie : il y a donc transfert d énergie de la source ers la charge, on parle alors de phase actie. - e courant i est positif, est ouert, c est donc qui conduit. - Il y a eu commutation de T1 à à l instant T/2. - reste passante tant que l intensité du courant i = -i qui la traerse reste positie. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = - E.i négatie : il y a donc transfert d énergie de la charge ers la source, on est alors en phase de récupération. - A l instant t2, i s annule et deient négatif, ce qui impose la conduction de T2. Il y a commutation de la diode au transistor T2. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = - E.i positie : il y a donc transfert d énergie de la source ers la charge, on est alors en phase actie. 2.3 Grandeurs caractéristiques de l onduleur : M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 2

3 Fréquence : Imposée par la commande des interrupteurs. 3 Onduleur en pont : 3.1 Schéma de principe : Intérêt : Il n y a plus besoin que d une seule source de tension. 3.2 Commande symétrique (charge ) : - Obseration des oscillogrammes : Tension aux bornes de la charge Courant dans la charge Eléments commandés Eléments conducteurs - Analyse du fonctionnement : Dans toute l'étude, on adoptera la représentation suiante : Parcours du courant Elément commandé 0 < t < T/2 a commande impose, ouerts et, commandés! = E > 0 M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 3

4 ! 0 < t < t1 : i < 0 - e courant i est négatif, ce qui impose la conduction de et. - Ces diodes restent passantes tant que l intensité du courant i = i = -i qui les traerse reste positie. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = E.i négatie : il y a donc transfert d énergie de la charge ers la source, on est alors en phase de récupération.! t1 < t < T/2 : i > 0 - A l instant t1, i s annule et deient positif, ce qui impose la conduction de et. - Il y a commutation de ers et de ers. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = E.i positie : il y a donc transfert d énergie de la source ers la charge, on est alors en phase actie.! T/2 < t < t2 : i > 0 T/2 < t < T a commande impose, ouerts et, commandés! = - E < 0 - e courant i est positif, ce qui impose la conduction de et. - Ces diodes restent passantes tant que l intensité du courant i = i = i qui les traerse reste positie. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = - E.i négatie : il y a donc transfert d énergie de la charge ers la source, on est alors en phase de récupération.! t2 < t < T : i < 0 - A l instant t2, i s annule et deient négatif, ce qui impose la conduction de et. - Il y a commutation de ers et de ers. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = - E.i positie : il y a donc transfert d énergie de la source ers la charge, on est alors en phase actie. 3.3 Commande décalée (charge ) : - Obseration des oscillogrammes : M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 4 Tension aux bornes de la charge

5 - Analyse du fonctionnement : 0 < t < τ, ouerts et, commandés! = 0, i est négatif - e courant i est négatif, ce qui impose la conduction de et. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i nulle : il n y a donc aucun transfert d énergie, cette phase est communément appelée phase de roue libre.! τ < t < t1 : i < 0 Courant dans la charge τ < t < T/2, ouerts et, commandés! = E > 0 - e courant i est négatif, Eléments ce qui impose conducteurs la conduction de et. - Ces diodes restent passantes tant que l intensité du courant i = i = -i qui les traerse reste positie. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = E.i négatie : il y a donc transfert d énergie de la charge ers la source, on est alors en phase de récupération.! t1 < t < T/2 : i > 0 - A l instant t1, i s annule et deient positif, ce qui impose la conduction de et. - Il y a commutation de ers et de ers. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = E.i positie : il y a donc transfert d énergie de la source ers la charge, on est alors en phase actie. T/2 < t < T/2 + τ, ouerts et, commandés! = 0, i est positif - e courant i est positif, ce qui impose la conduction de et. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i nulle : il n y a donc aucun transfert d énergie, on est en phase de roue libre.! T/2+τ < t < t2 : i > 0 T/2+τ < t < T, ouerts et, commandés! = - E < 0 - e courant i est positif, ce qui impose la conduction de et. - Ces diodes restent passantes tant que l intensité du courant i = i = i qui les traerse reste positie. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = - E.i négatie : il y a donc transfert d énergie de la charge ers la source, on est alors en phase de récupération. M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 5

6 ! t2 < t < T : i < 0 - A l instant t2, i s annule et deient négatif, ce qui impose la conduction de et. - Il y a commutation de ers et de ers. - Pendant cet interalle de temps, on a p =.i = - E.i positie : il y a donc transfert d énergie de la source ers la charge, on est alors en phase actie. 3.4 Notion de MI : MI : Modulation de argeur d Impulsion -E T/2 T Aec les onduleurs, on cherche à se rapprocher le plus possible d une sinusoïde, la commande décalée semble donc plus appropriée que la commande symétrique. Cependant, à l aide de la MI, on peut recréer une sinusoïde presque parfaite à l aide d impulsions calibrées et d un filtre passe-bas adéquat. C est ce type de commande qui est utilisé sur la plupart des onduleurs du marché (Onduleurs pour la sécurité des ordinateurs par exemple). 4 Principe de l onduleur assisté : 4.1 edressement commandé aec charge (,, E) : On considère le redresseur à 2 thyristors ayant pour charge : une batterie de fem E, une inductance et une résistance t On suppose le courant dans la charge bien lissé : ic = Io, i > 0, a conduction est ininterrompue : <Uc> = Uco.cos(α), donc pour α>π/2, <Uc> est négatie. 4.2 Fonctionnement en onduleur assisté : Considérons le transfert d énergie mis en œure par le système précédent : M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 6

7 α < π/2 éseau P = Uc.Ic > 0 edresseur Source Pour α < π/2, le dispositif transfère l énergie du réseau ers la source continue, il en consomme très peu par lui-même et fonctionne en redresseur (redresseur " conersion énergie! = ). α > π/2 éseau P = Uc.Ic < 0 Onduleur assisté Source Pour α > π/2, le dispositif transfère l énergie de la batterie ers le secteur à la fréquence du secteur. On dit qu il fonctionne en onduleur assisté (onduleur " conersion énergie =!, assisté car cet onduleur ne peut fonctionner seul, sa fréquence étant imposée par celle du réseau). 4.3 Application : Freinage en récupération : Montage de deux pont tout thyristors tête bêche aec comme charge un moteur à courant continu (MCC) et à excitation séparée. - Premier cas α > π/2 : Seul le pont 1 fonctionne. e MCC fonctionne en moteur et tourne dans le sens indiqué. <Uc1> e > 0 et <Uc1> = Uco.cos(α1)! ei > 0. e réseau fournit la puissance à la machine. - Second cas α < π/2 : e fonctionnement du pont 1 est interrompu et prooque le fonctionnement du pont 2 en onduleur assisté. e sens de rotation de la machine ne pouant changer brutalement, sa fém e ne change pas de signe. Il n en est pas de même de l intensité i qui deient égale à -ic2; e = -Uc2 = -Uco.cos(α2), i = -ic2 < 0,! ei <0 e MCC fonctionne en génératrice et fournit de la puissance au réseau. énergie cinétique du moteur est ainsi partiellement récupérée, la machine étant freinée. C est ce qu on appelle le freinage par récupération qui est utilisé dans les rames de métro ou dans les trains de banlieue : il n y a plus perte inutile d énergie (gain : rendement, moins de chaleur à dissiper dans les freins). 5 Conclusion générale sur les onduleurs : Un onduleur est un conertisseur statique assurant la conersion de l énergie d une source continue ers un récepteur alternatif. Symbole : ~ M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 7

8 Alimenté en continu, il modifie de façon périodique les connexion entre l entrée et la sortie et permet ainsi d obtenir de l alternatif en sortie.! onduleur assisté est branché au réseau et peut lui renoyer de l énergie, à la fréquence imposée par le réseau (ce qui explique que sans réseau il ne puisse fonctionner, d où le nom assisté). a source est généralement un MCC à excitation séparée. Application : Freinage par récupération.! Dans l onduleur autonome, c est la commande des semi-conducteurs qui impose la fréquence des grandeurs alternaties (f est réglable). a source continue fournit l énergie. Application : églage de itesse des moteurs asynchrones, autopilotage, alimentations de secours se substituant au réseau en cas de panne (Onduleurs à MI très utilisés sur les systèmes informatiques, il fournissent une sinusoïde presque parfaite). Une application particulière de l onduleur autonome est l onduleur à résonance utilisant une charge C, il est utilisé pour le chauffage par induction. M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 8

9 1 Schéma de principe : Conersion Continu! Alternatif TEST Une charge assimilable à un dipôle série est alimentée par le dispositif de la figure 1.,, et sont des interrupteurs unidirectionnels commandés. es diodes et les interrupteurs sont supposés parfaits. j Figure 1 i es chronogrammes de u(t) et i(t) sont donnés à la figure 2. # Toutes les réponses seront obligatoirement justifiées. (2 points) 1 ) Quelle est la fonction électronique remplie par ce montage? Citer une application de ce type de conertisseur. (4 points) 2 ) Pour chaque phase de l éolution du système: - Indiquer sur le document réponse les éléments (interrupteurs ou diodes) passants, - Faire un schéma du circuit passant correspondant (en y spécifiant les tensions u et E, les courants i et j, et les courants dans les interrupteurs ou diodes passants i, i, i, i, i, i, i, i ). (2 points) 3 ) A partir de considérations simples sur la puissance reçue par la charge, déterminer les phases dites de «récupération» et celles dites «acties». (4 points) 4 ) a) Tracer les chronogrammes de j(t) et u 3 (t) sur le document réponse. (2 points) b) Indiquer un mode opératoire permettant d obserer simultanément les chronogrammes de j(t) et u 3 (t): préciser le branchement de l oscilloscope et le mode (AC ou DC) utilisé. 5 ) En mesurant la aleur moyenne de j(t) et la aleur efficace de i(t) on obtient : J moy = 2,7A et I eff = 7,6A. (1 point) a) Quel type de multimètre, quelles fonctions, et quel mode doit-on utiliser? -pour mesurer J moy. -pour mesurer I eff. (2 points) b) - Calculer la puissance moyenne fournie par la source de tension E. - En déduire la puissance moyenne reçue par la charge. (1 point) c) Déterminer la résistance de la charge. (2 points) 6 ) Calculer U moy et U eff. M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 9

10 Figure 2 : +220 (V) t (ms) -220 i (A) +12,5 0 t (ms) -12,5 Eléments passants : u3 (V) t (ms) -220 j (A) +12,5 0 t (ms) -12,5 M. AAMAND P. AFED DE MUSSET 10