Les onduleurs de tension en commutation commandée

1 Chapitre 2. Les onduleurs de tension en commutation command e 1. PRINCIPE DE BASE D'UN ONDULEUR DE tension MONOPHASE. BUT : g n ration d'une onde de tension ayant des caract ristiques sp cifiques d'amplitude de fr quence et de contenu harmonique. Un onduleur est donc une source de tension contr lable en amplitude fr quence et forme . De par sa structure mettant en uvre au moins deux cellules de commutation bidirectionnelles en courant, l'onduleur de tension est r versible . condition que la source DC d'entr e le soit. L'essentiel des applications consiste g n rer une onde de tension sinuso dale. Selon le type d'application, ceci n cessite d'adjoindre parfois un dispositif de filtrage. Les grands domaines d'application concernent : La variation de vitesse de machines alternatives en traction lectrique ou dans des applications industrielles : amplitude et fr quence doivent tre variables, le contenu harmonique de l'onde doit tre minimis.

2 L'absorption sinuso dale et correction du facteur de puissance : les normes harmoniques imposent que les quipements connect s au r seau rejettent un faible niveau d'harmonique et par ailleurs l'onde de courant peut tre mise en phase avec l'onde de tension d'entr e pour atteindre un facteur de puissance unitaire. Un onduleur de tension utilisant ses propri t s de r versibilit muni d'une commande adapt e permet ces fonctionnalit s. Cha ne d' nergie d'une locomotive BB 27000. L'exemple pr sent la figure ci-dessus illustre ces deux premier aspects : on note la pr sence de deux onduleurs de tension , l'un monophas en entr e qui assure une absorption quasi-sinuso dale de courant, le second triphas qui permet l'alimentation de la machine asynchrone de traction tension et fr quence variable. Les alimentations de secours : il s'agit de reconstituer un r seau partir d'une source DC, fr quence et amplitude sont fixes, le contenu harmonique doit tre extr mement faible, c'est un crit re important.

3 La figure ci-dessous pr sente un exemple d'utilisation d' onduleurs triphas pour reconstituer le r seau de bord 400V/50Hz sur une locomotive BB 27000 partir de la tension DC 1500V. On notera la pr sence de filtres (L) en sortie destin s liminer les harmoniques de tension . Hacheur abaisseur 1800 540V, F =600Hz d Onduleur F =50Hz, MLI calcul e 7 angles, s 95kVA, =85%. Onduleur F variable (Fs =12,5Hz). s min IGBT onduleurs : 1200V 200A. Protection par thyristor crow-bar La structure l mentaire de l'onduleur de tension Pour obtenir une tension alternative, on a vu qu'il fallait utiliser une cellule de commutation et un pont capacitif point milieu, la dynamique de la tension aux bornes de la charge est limit e, elle volue entre +/- E/2. On utilise plut t deux cellules de commutation en mode diff rentiel, comme repr sent ci-dessous. structures d'un onduleur de tension monophas une cellule et point milieu capacitif ou deux cellules de commutation On remarque que les interrupteurs sont bidirectionnels en courant, ce qui est n cessaire puisque le courant de sortie l'est syst matiquement.

4 Cette propri t conf re donc un comportement de r versibilit en puissance de la structure. dans tous les cas, les tats des interrupteurs sont compl mentaires avec parfois un temps mort destin viter la conduction simultan e du bras. Modes de fonctionnement des cellules avec hypoth se de courant sinus en sortie On suppose que les interrupteurs sont command s en pleine onde (fr quence de la tension de sortie = fr quence du courant de charge) et que la charge filtre suffisamment le courant de sortie pour qu'il soit quasi-sinuso dal, c'est par exemple le cas d'un r cepteur fortement inductif. Dans ce r gime, l'onde de courant peut tre en avance ou en retard de phase par rapport l'onde de tension . Les interrupteurs tant bidirectionnels en courant, ils poss dent une commande d'amor age lorsque le courant est en avance, au blocage pour le courant en retard et mixte lorsque le d phasage peut changer de signe.

5 Exemple de commande pleine onde avec courant en avance (a) et en retard (b). Certaines applications utilisent ce mode de fonctionnement dans des applications haute fr quence o il serait difficile d'ajouter de sur-moduler la commande , c'est par exemple le cas en chauffage par induction. En r gime de modulation de largeur d'impulsion, la fr quence de l'onde de tension est diff rente de la fr quence du courant de charge (voir figure ci-dessous). Ce mode de commande est utilis g n ralement quand l'onde de courant doit tre basse fr quence. Il en r sulte que les interrupteurs doivent obligatoirement poss der une commande d'amor age et de blocage. exemple de commande en modulation de largeur d'impulsion On rappelle que la tension de sortie et le courant absorb peuvent s'exprimer gr ce la fonction de modulation de: Vs(t)= (t). Ie(t)= (t). La fonction Fm est d finie par : Fm(t) = fm1(t)-fm2(t).

6 O fm1(t) et fm2(t) sont les fonctions de modulation de chaque cellule de commutation . Pour un onduleur constitu de deux cellules de commutation , on d finit : la commande bipolaire si fm2=1-fm1. la commande unipolaire si fm2>fm1 ou fm2<fm1. La figure suivante pr sente ces deux principes de modulation. commande pleine onde bipolaire commande pleine onde unipolaire L'int r t de la commande unipolaire est de permettre la variation de la valeur efficace de la tension de sortie par d calage des deux fonctions de modulations fm1 et fm2. Mod lisation de l'onduleur La structure d'onduleur r alise une double fonction de multiplication vis- -vis des grandeurs d'entr e et de sortie, le mod le du convertisseur est repr sent par : E. Ie X. Vs E. onduleur Fm(t). Is Is Ie X. Fm(t). mod le de l'onduleur Il est facilement implantable dans les mod les de commande de machine pour tudier par exemple le fonctionnement d'un syst me complet.

7 Deux modes de g n ration de la tension de sortie La tension de sortie d'un onduleur peut tre obtenue de deux fa ons : - par modulation de largeur d'impulsion, - par modulation de niveau, Ces deux techniques impliquent des diff rences dans la complexit de la structure et dans le contenu harmonique de la tension de sortie r sultante. Figure a : Modulation de largeur d'impulsion, structure Figure b : modulation par niveau, structure et spectre et spectre correspondants correspondants Dans le cas de la modulation par largeur d'impulsion, le spectre harmonique r sultant est compos du fondamental la fr quence Fs et de ses raies BF (zone BF), suivi de raies harmoniques centr es autour des multiples de la fr quence Fd, leur amplitude d pendant de la valeur de E (partie HF). Un r sultat similaire est obtenu dans le cas de la modulation par niveau, avec le double int r t d'une d croissance de harmoniques HF en relation avec E/n et d'une fr quence apparente de commutation de nFs (et ses harmoniques multiples) donc plus favorable que dans le premier cas.

8 Les structures mises en uvre sont toutefois beaucoup plus complexes, comme on le verra plus loin, ce qui constitue un d savantage. Enfin, il est possible de mixer les deux principes : appliquer une commande MLI une structure multi-niveaux, comme repr sent ci-dessous. Principe mixte : MLI + multi-niveaux M canismes de transfert de puissance Pla ons-nous dans le cas simple de la modulation pleine onde (courbes de gauche sur la figure ci-dessous) et supposons que le courant de sortie soit sinuso dal et d phas de par rapport au fondamental de fm, not (fm)F, donc par rapport au fondamental de la tension de sortie. (on rappelle que : Vs = Fm(t).E et iE = Fm(t).is). Si on examine la puissance absorb e sur le bus AC (< >), trois modes de fonctionnement peuvent alors appara tre : iE. Vs E. Bus DC onduleur Bus AC. Is fm(t). conventions de notation et d'orientation des grandeurs a) /2 < < /2 (courbe a).

9 La puissance active d livr e par l'onduleur est positive et transite depuis la source continue vers le source alternative. L'observation de iE fait effectivement appara tre une valeur moyenne positive. On se trouve dans un mode de fonctionnement tout fait classique. b) = /2 (courbe b). La puissance active fournie par l'onduleur est nulle. Par contre, il y a pr sence de puissance r active fondamentale positive ou n gative selon le signe de . L'onduleur, vis- -vis de la source alternative, peut fonctionner comme un compensateur d' nergie r active. La valeur moyenne du courant absorb sur la source E est nulle. Celle-ci pourrait se r sumer un condensateur. c) /2 < < 3 /2 (courbe c). La puissance active d livr e par l'onduleur est n gative et transite depuis la source alternative vers la source continue. La valeur moyenne de iE est effectivement n gative. L'onduleur fonctionne alors comme un redresseur.

10 Les diff rents r gimes de fonctionnement de l'onduleur selon le signe et la valeur du d phasage des grandeurs de sortie Ce diff rents cas correspondent aux grandes classes d'applications de la fonction onduleur : -transfert de puissance classique : l'onduleur est utilis en conversion DC/AC, c'est le cas de l'alimentation des machines tournantes ou de la g n ration de secours, -Redressement MLI : l'onduleur est utilis en convertisseur AC/DC, la puissance fournie sur le bus DC est positive (et <0 sur le bus AC car pr lev e), le facteur de puissance sur la source AC est unitaire, -compensation d' nergie r active : l'onduleur ne fournit pas de puissance, mais il est possible de contr ler l' nergie r active chang e ( =+/ /2)en signe et en amplitude, -compensation d'harmoniques : la fonction pr c dente, on peut associer la fonction de compensation des harmoniques en contr lant la forme du courant absorb sur le bus AC par une MLI adapt e : il est ainsi possible d'annuler les termes harmoniques en ligne.