Alimenter Moduler Cours AM-3 Onduleur. Cours AM3 TSI1 TSI2. La conversion continu-alternatif. i(t)

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1 Cours Cycle 1 : Cours AM3 TSI1 TSI2 La conversion continu-alternatif Alimenter Moduler - Transmettre X Période L onduleur Durée : 4 semaines X Batterie Onduleur i(t) MODLISR Associer les grandeurs physiques aux échanges d énergie et à la transmission de puissance Proposer des hypothèses simplificatrices en vue de la modélisation Décrire les évolutions temporelles des grandeurs dans la chaîne d énergie 1 Introduction Un convertisseur continu-alternatif permet d obtenir une tension alternative (éventuellement réglable en fréquence et en amplitude) à partir d une source de tension continue. Ve Ie DC AC Is Vs Il faudra donc veiller à respecter la règle d association des sources de tension et courant. L'étude se limitera à l'onduleur autonome en pont (commande symétrique, décalée puis MLI) dans lequel les interrupteurs seront supposés parfaits avec une charge inductive. On s'intéressera dans la suite à un onduleur MLI monophasé mais le principe de fonctionnement d'un onduleur MLI triphasé est similaire (on utilise un couple d'interrupteurs supplémentaire afin de générer un troisième potentiel). Lycée Jules Ferry Page 1 sur 7 TSI2

2 2 Convertisseur en pont à commande symétrique (pleine onde) Stratégie de commande : pour 0 t < αt : T1 et T4 sont commandés. La tension de sortie Vs vaut + pour αt t < T : T2 et T3 sont commandés. La tension de sortie Vs vaut - Un transistor commandé n'est pas forcément passant (le composant passant dépend du signe du courant imposé par la source). Vs(t) i(t) - Figure 1 : volution de la tension et du courant de sortie (toujours avec α=0,5) Lycée Jules Ferry Page 2 sur 7 TSI2

3 RSOUDR Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions, des puissances échangées. Déterminer les courants et les tensions dans les composants 3 Convertisseur en pont à commande décalée Stratégie de commande pour 0 t < T : T 1 T 2 T 3 T 4 0 T/2 T t 0 T/2-t 0 T/2+t 0 T-t 0 Comme pour le pont précédent, la commande du transistor impose le potentiel d'entrée à la charge (car le transistor commandé ou la diode associée conduit) mais c'est le sens du courant imposé par la source qui définit le composant qui conduit. roue libre charge roue libre charge - roue libre t 0 T/2 t 0 t 0 t 0 T t T3 D1 T1 D3 T3 D4 T4 D2 T2 D4 Lycée Jules Ferry Page 3 sur 7 TSI2

4 4 Comparaison des spectres des ponts "pleine onde" ou "décalé" Une analyse spectrale de la tension nous permet d'observer une amélioration concernant le taux de distorsion dans le cas du pont à commande décalé. Pont symétrique (ou pleine onde) Pont décalé La décomposition en Série de Fourier de la tension de sortie donne :. Ce signal est donc constitué de beaucoup d harmoniques qui ont pour conséquences de dégrader le facteur de puissance et générer des harmoniques de couple dans les moteurs. La valeur efficace du fondamental de tension vaut donc! "#0,9." La décomposition en Série de Fourier de la tension de sortie donne :. '( ). *. '(.). *. On constate que si ).+, = 30, les harmoniques multiples de 3 s annulent. La valeur efficace du fondamental de tension vaut donc.-./ 0.1 2! #0,78." 67 ). * * La commande décalée est donc une première amélioration pour l'onduleur en pont pleine onde concernant la pollution par les harmoniques. Par contre la commande décalée est plus complexe à établir et la valeur efficace du fondamental de la tension est réduite. Lycée Jules Ferry Page 4 sur 7 TSI2

5 5 Convertisseur en pont à commande MLI 5.1 Principe de fonctionnement : La structure électrique est toujours la même (pont à 4 transistors et 4 diodes). La commande est plus complexe. Il existe deux types de commandes : unipolaire et bipolaire présentant un grand nombre de commutations par période avec des ouvertures et des fermetures d'interrupteurs de durées modulées. La tension de sortie v S présente alors des "impulsions" MLI de largeurs variables (Modulation de Largeur d'impulsion ou PWM en anglais Pulse Width Modulation). Un exemple d'allure de v S est représenté ci-après pour chaque type de commande : T h Commande MLI Bipolaire (stratégie de pilotage comparable à celle du pont de type pleine onde mais sur la période T h du hacheur et avec 09:91). Commande MLI unipolaire (stratégie de pilotage avec roue libre durant la période T h du hacheur) La commande unipolaire produit moins d'harmonique que la commande bipolaire mais la stratégie de commande unipolaire est plus complexe à élaborer (complexité comparable à celle du pont décalé). Lycée Jules Ferry Page 5 sur 7 TSI2

6 5.2 tude spectrale : On est toujours dans le cas d'un signal de sortie de type "alternatif" et si possible, proche d'une sinusoïde. Le spectre de la tension de sortie v S pour deux commandes MLI avec 2 fréquences < = différentes du hacheur est le suivant : >? ***@A 20 impulsions par période >? B***@A 100 impulsions par période On observe que le taux de distorsion est élevé mais : la pollution harmonique concerne de hautes fréquences dont le filtrage est facilité par l'éloignement avec le fondamental, la valeur élevée des hautes fréquences polluantes permet d'envisager des composants de filtrage de taille réduite (réactance L.ω grand à haute fréquence avec une inductance réduite). On observe d'ailleurs un courant quasi-sinusoïdal en sortie d'onduleur en présence de l'inductance d'un moteur. Cependant, les harmoniques à hautes fréquences sont présentes et peuvent perturber l'environnement par rayonnement électromagnétique. Lycée Jules Ferry Page 6 sur 7 TSI2

7 6 Domaines d application Onduleur de secours pour le matériel informatique : L'onduleur de secours permet d'assurer la continuité de l'alimentation en cas de coupures sur le réseau. Il permet aussi de filtrer les éventuels défauts de la tension du réseau (parasites ou surtensions). La structure comprend un accumulateur avec dispositif de charge et un onduleur avec sortie. Variation de vitesse des moteurs à courant alternatif : L'intérêt de l'onduleur est de pouvoir produire une tension alternative réglable en amplitude et en fréquence. La vitesse des moteurs synchrones et asynchrones est directement liée à la fréquence d'alimentation ; un onduleur réglable en fréquence permettra donc de faire varier la vitesse de ces moteurs. Par contre, dans le cas des moteurs, il s'agit d'un onduleur qui délivre une tension triphasée dont l'élaboration est similaire à celle d'une tension monophasée. 7 Puissances des convertisseurs Considérons un convertisseur statique quelconque relié à un récepteur. Nous adopterons la convention "générateur" pour le convertisseur et donc la convention "récepteur" pour le récepteur (schéma ci-dessous) avec un courant considéré comme sinusoïdal : Le signal de tension est non sinusoïdal, il faudra donc connaître la valeur efficace de la tension de sortie V ainsi que celle de son fondamental V 1 en monophasé ou la tension composée U et son fondamentale U1 en triphasé (φ déphasage entre le courant et le fondamental de la tension simple correspondante). Tension non sinusoïdale Courant monophasé sinusoïdal Tension triphasée non sinusoïdale Courant d'une phase sinusoïdal Puissance active (en W) C.D.cos H C 3.J.D.cos H Puissance réactive (en VAR) K.D.sin H K 3.J.D.sin H Puissance déformante (en VAD) NO.D N 3.O.D Puissance apparente P.D P 3.J.D (en VA) Facteur de puissance Fp P S S est la norme des autres puissances : PUC K N² (plus simple pour calculer D). Références : "Génie électrique" de C.François dition llipses / / Lycée Jules Ferry Page 7 sur 7 TSI2