S3 ET3 CM3 Onduleurs

7/18/2019 S3 ET3 CM3 Onduleurs

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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 mac!ine à courant alternatif. La source continue est obtenue à partir duredressement du réseau. La tension engendrée est de fréquence variable, ce qui fait varier la vitesse des

mac!ines à courant alternatif. "ans 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. #n se limitera ici à la

commande $leine #nde et à la commande %LI (%odulation de Largeur d'Impulsion.

2. L'Onduleur Monophasé en Pont.

L&onduleur monop!asé en pont est un montage constitué de soupapes (I)*, %#+, ... sc!ématisés par les interrupteurs -, , /, , avec leurs diodes de roue libre. Le sc!éma de principe de ce montage est donné ci

dessous.

E-

i

L0

i-

u"-, -

"., .

"', '

"/, /

Schéma de principe de l'onduleur en Pont

• Le montage est constitué de deux bras d'onduleur: le bras 1 constitué de - et , le bras ) constitué de

et /.

• +i on consid2re 1, -, , ), , / comme des variables logiques (fonctionnement en soupapes, on

obtient les équations logiques suivantes:o +oupape i i34 35 *ransistor bloqué i3- 35 *ransistor saturé

o )ras 1 1 3 4 35 - 3 4, 3 - 1 3 - 35 - 3 -, 3 4

- 198012695.doc- Page Ond--



o )ras ) ) 3 4 35 / 3 -, 3 4 ) 3 - 35 / 3 4, 3 -

B) ETUDE DU FONCTIONNEMENT DE LA PARTIE PUIANCE:

6ous allons illustrer le fonctionnement dans le cas de la commande pleine onde.

!)" C#$$ande Pleine Onde:

"ans cette commande, - et / sont commandés en m7me temps, saturés pendant l'alternance positive et

bloqués pendant l'alternance négative. "e m7me pour et , bloqués pendant l'alternance positive et saturés

pendant l'alternance négative.

En reprenant les notations ci8dessus, on peut écrire: '/- , , , , )1+ ====== , o9 est le signal de

snc!ronisation. #n obtient le c!ronogramme de commande ci8dessous.

+

1

)

, '

-, /

Chronogramme de commande

• #n remarque que )1= , c'est une

commande complémentaire.

• #n remarquera, en début d'alternance un

temps mort (retard à la saturation des

transistors permettant au transistor

conduisant précédemment de se bloquer.

• #n remarquera que ce sont les blocages

des transistors qui délimitent les

alternances.

%)" Mailles de C#ndu&ti#n:

1vec cette commande, il a enc!a;nement de quatre mailles de conduction:

1) - ccumulation alternance positi!e

") - #estitution alternance négati!e

$) - ccumulation alternance négati!e

%) - #estitution alternance positi!e

- 198012695.doc- Page Ond-



• Le signe de l'alternance est déterminé par le signe de u(t.

• <!aque alternance débute par une p!ase de restitution et se termine par une p!ase d'accumulation.

• Les mailles - et ont m7me équation: -. E ui #dt di & +==+

• Les mailles et / ont m7me équation: -. E ui #dt di & −==+

C) FONCTIONNEMENT UR C'AR(E R L:

!)" COMMANDE PLEINE ONDE:

a)" R*su$* des R*sultats:

La commande $leine #nde est une commande complémentaire o9 le signal de snc!ronisation a une fréquence

constante ainsi qu'un rapport cclique constant égal à un demi.

oc( http**sitelec(free(fr*cours*onduleurs(pdf

• "'apr2s ce qui préc2de, la tension u(t est signal

carré d'amplitude - E ± .

• Le courant i(t sera la réponse à u(t par

l'équation différentielle: # E i

dt di

# & -±=+

• La condition de raccordement permet de

déterminer l'amplitude du courant:

'

(.- +th # E I = avec

4

- f

, +τ τ == et

# &=τ .

• Le spectre est composée d'un !armonique impair

sur deux. L'enveloppe spectrale varie enn E π

-'

o9 n est le rang de l'!armonique considérée.

• #n constate que u(t est ric!e en !armoniques de

rang faible, ce qui rend le filtrage du courant peu

aisé.

+)" Etude du &#urant de s#rtie:

"'apr2s ce qui préc2de, le courant i(t sera la réponse à u(t par deux équations différentielles: cste E #idt di & =±=+ -

En normalisant cette équation, on obtient # E i

dt di

# & -±=+ que l&on rapproc!e de ∞=+ I i

dt di

τ

$ar identification, on trouve la constante de temps : # &=τ et la valeur asmptotique :

# E I -±=∞

#n sait que cette équation a pour solution : -e t it

+=

−

τ .(

#n pose l&intensité initiale : 44( I t i −== .

En in=ectant cette valeur dans la solution, on obtient : τ τ

t t

e I e I t i

−−∞ −

−= .-.( 4

#n obtient alors le c!ronogramme de la solution mat!ématique :

- 198012695.doc- Page Ond-/

3

t

I ∞

0

8I4



$our obtenir le c!ronogramme du courant de sortie, il faut introduire l&équation de raccordement. $our ce faire, on

remarque que (t i est un courant inductif et, par conséquent n&a pas de discontinuité. $our le c!ronogramme

précédent on peut écrire : 44(

( I t i, t i +==−== . En faisant ainsi, on voit que 4 I correspond à la valeur

finale (à ne pas confondre avec la valeur asmptotique de l&intensité du courant (t i et donc l&intensité maximale

du courant débité par l&onduleur.

#n a donc à résoudre l&équation : ( ) 4

4

4 .-..-.

+ +, ,

e I e I e I e I I −−

∞−−

∞ −

−=−+

−=+ τ τ o9 on pose

τ

, +=

#n trouve sans difficulté :

'(.

-

-.

-

--

''

''

'

'

444 +th I

ee

ee I

e

e

e

e I

e

e I I e I I e I

+ +

+ +

+

+

+

+

+

+ + +

∞++

−+

∞−

−

+

+

∞−

−

∞−

∞−

=+

−=

+

−=

+

−=⇒

−=++

Le c!ronogramme de l&intensité du courant :

La valeur du param2treτ

, += influe fortement sur la forme du courant :

, 55 τ , >> τ

1u passage, on peut remarquer que l&on obtient des droites pour + >> -. <&est bien l&approximation pour les

!ac!eurs pour lesquels nous avons posé 4= # , ce donne bien 4. === &, #, +

τ

&)" pe&tre de la tensi#n #ndul*e:

La tension (t u est un signal carré smétrique (cf. ci dessus. La décomposition en séries de ?ourier donne :

• $ulsation du fondamental : f ,

π π

ω 4 ==

• @aleur moenne : ∫ ==AB

4.(-4

,

S dt t !,

a car le signal est smétrique

• <oefficients pairs : ∫ =

AB

4 .(.sin(

,

S dt t !t n,

.n ω car le signal est impair

• <oefficients impairs : ∫ =AB

4 .(.sin(

,

S dt t !t n,

.n ω

- 198012695.doc- Page Ond-

t

!S

T½T0

S

8I4

CI4

s/nchro

t

!S

T½T0

iS 8I4

CI4

s/nchro

t

!S

T½T0

iS

8I4

CI4

s/nchro



• +métrie de glissement 35 les coefficients .n sont nuls pour n pair.

• $our n impair :

( )( ) ( )[ ]n,

,

,

n E n

n E dt t n E dt t n E

, .n --cos-.sin(..sin(.

4

4

4 −−=−=

−+= ∫ ∫ π

π π

ω ω

#n obtient le spectre :

%)" COMMANDE M,L,I, CALCULEE:

Il s'agit d'une commande devant donner un courant à fréquence fixe. #n c!erc!e à éliminer certaines fréquences

des spectres de la tension et du courant.


• $our éliminer des !armoniques du spectre de la

tension, on effectue des commutationssupplémentaires dans les alternances. Ici, les

angles de commutation sont calculés afin

d'éliminer les !armoniques / et D.

• #n observe que les formes d'ondes se

rapproc!ent un peu plus de la sinusode que dans

la commande pleine onde.

• Le spectre de la tension est nettement amélioré.

•Le spectre du courant sera meilleur encore car lac!arge constitue un filtre passe bas qui sera

d'autant plus efficace que les !armoniques seront

de rang élevé.

3)" LE MODULATEUR M,L,I, -M#dulati#n de Lar.eur d/I$pulsi#n):

Le sc!éma snoptique d'un modulateur %.L.I. est donné ci8dessous:

• La porteuse, @ p(t est un signal triangulaire

smétrique et régulier de fréquence et d'amplitude

constante.

- 198012695.doc- Page Ond-D

f

!0ma+

F!

03F

!0F

!1F

!2F

!

( )[ ]nn

n E .cn -- −−==π

π

E '

π /' E

π D' E

π F' E

π G' E



#+<ILL1*EH0

@m(t

@ p(t

+(t

Principe du modulateur ((I(

• Le signal modulant, @m(t est le signal que l'on veut

reproduire à l'aide l'onduleur.

• Le signal modulé, +(t est le signal de snc!ronisation

de la commande du pont

• Le c!ronogramme ci contre illustre unfonctionnement du modulateur %.L.I.

• #n remarquera que le signal modulant

se retrouve codé dans le rapport

cclique du signal modulé.


)" LA MODULATION M,L,I, -4E "E):


• $our la forme d'onde ci8contre, le signal

modulant est une sinusode.

• La tension en sortie d'onduleur est un signal

rectangulaire d'amplitude - E ± et de rapport

cclique variant comme le signal modulant,

donc de mani2re sinusodale.

• #n constate que le courant en sortie de

l'onduleur est quasi sinusodal (quasi8

identique au signal modulant. #n dira que

l'onduleur en pont se comporte comme un

démodulateur %.L.I. en ce qui concerne le

courant quand la c!arge est du tpe 0, L

(filtre passe bas.

• #n constate que la partie basse fréquence du

spectre reproduit le spectre du signal

modulant.

0)" LA MODULATION M,L,I, -4E 5 "E):

Il s'agit d'une variante dans la commande du pont. Le signal de commande est envoé au premier bras d'onduleur.

Le deuxi2me bras du pont est commandé par le signe du signal modulant.

- 198012695.doc- Page Ond-




• $our la forme d'onde ci8contre, le signal

modulant est une sinusode.

• La tension en sortie d'onduleur est un signal

carré d'amplitude (CE-, 4 pendant

l'alternance positive du signal modulant et

d'amplitude (8E-, 4 pendant l'alternance

négative. Le rapport cclique code ici aussi le

signal modulant.


• #n constate que le courant en sortie de

l'onduleur est de meilleure qualité par rapport

à la modulation précédente.

• "e m7me, on constate que le spectre de la

tension est plus favorable.

3. L'Onduleur Parallèle.

<onsidérons un transformateur d'alimentation D4JK à double secondaire (par exemple /4@x-@. Hntransformateur étant réversible, on peut alimenter les deux secondaires en (ici -@ alternatif et en opposition de

p!ase, on obtiendra alors une tension alternative (ici /4@ en sortie. Le sc!éma de principe est donné ci8dessous:

v.

E-

i-

0

ie

"- , -". , .

v+

v-i.

i+

4 *. *

+:nc!ro

, -

,

tx tx

tx

2nduleur parall3le Commande pleine onde

!)" Mailles de &#ndu&ti#n p#ur la &#$$ande pleine #nde:

1vec cette commande, il a enc!a;nement de quatre mailles de conduction:

- 198012695.doc- Page Ond-F



ccumulation alternance positi!e #estitution alternance négati!e

ccumulation alternance négati!e #estitution alternance positi!e

<es quatre mailles se ram2nent à deux mailles:

lternance positi!e

Le courant magnétisant: cstet & E i

m+= -

-4

Le courant de sortie: #mE iS -=

Le courant d'entrée: cste #

E miiie ++==

-

-4-

lternance négati!e

Le courant magnétisant: cstet & E i

m+−= -

-4

Le courant de sortie: #mE iS -

−=

Le courant d'entrée: cste #

E miiie ++−==

-

-4

Courants 4 l'entrée

L'ondulation de courant:

f & E ,

& E I I

mme

. --

-4 ==∆=∆

<ourant magnétisant: f & E I

m'-

max.-4 =

+i le courant I s(ma+ est suffisant, les diodes ne

conduisent pas !ors des temps morts. La

condition limite s'écrit:

-4lim.

I mI S ∆=

<ourant de sortie limite:

f m&

E I

m

S

'

-lim. =

- 198012695.doc- Page Ond-M

v S

i S

m

m.i S

i 10

v1

i 1

Lm

E 1

i e

R

v S

i S

m

m.i S

i 10

v2

i 2

Lm

E 1

i e

R

4 *L *

m & E -

m & E -

−

s:nc!ro

i-4

ie

S mI



6e+#.raphie:

%LI !ttp:fr.NiOipedia.orgNiOi%odulationPdePlargeurPd'impulsion

#nduleurs !ttp:NNN.sscope.netelec<D.pdf

- 198012695.doc- Page Ond-G

http://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_de_largeur_d'impulsion

http://www.syscope.net/elec/C25.pdf

http://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_de_largeur_d'impulsion

http://www.syscope.net/elec/C25.pdf

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