Electronique de puissance Commande MLI de l'onduleur monophasé

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Université Oum El BouaghiInstitue des Sciences et Technologies

Département d’Electronique

L’enseignante :

S. KEBAILI

Module : TEC 518Laboratoire : Electronique de PuissanceNiveau : 4 ELN

Les étudiants :

CHERRAD AliGHENNAM Abd El Aziz

MEROUANI AchourBELAZIZIA Said

2008 - 2009

Le :14-03-2009

Electronique de puissance Commande MLI de l'onduleur monophasé

Electronique de puissance

L'électronique de puissance assure, à l'aide de dispositifs semi-conducteurs fonctionnant en interrupteurs, le réglage et la mise en forme de l'énergie électrique fournie par un générateur à un récepteur.

Différents chapitres seront abordés dans la thématique :

Généralités les "hacheurs" les "onduleurs", qui sont des convertisseurs destinés à alimenter des récepteurs à courant alternatif à partir d'une source continue. les "redresseurs" Autres convertisseurs.

Origines

Les premiers convertisseurs de puissance électrique ont été réalisés avec des machines électriques.

Ainsi, ont vu le jour le convertisseur de type Ward-Léonard qui a ouvert la porte de la vitesse variable pour la machine à courant continu.

Cet ensemble était composé de deux machines accouplées mécaniquement.

• Une machine à courant alternatif d'une part (de type synchrone ou asynchrone) couplée au réseau permettant de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique à vitesse fixe.

• Une machine à courant continu d'autre part dont l'excitation commandée permettait de disposer d'une tension continue variable en sortie.

Le développement des composants de puissance au milieu du siècle a permis de développer des convertisseurs de puissance électrique sans machines tournantes, qui présentent en outre comme avantages ceux d'être peu encombrants, facilement commandables et de très bon rendement.

Réversibilité

Réversibilité

Suivant l'application, la conversion d'énergie peut nécessiter ou non d'être bidirectionnelle.

Pour un convertisseur statique, il y a distinction suivant le sens du courant par rapport à la tension, ces deux grandeurs étant par ailleurs, soit positives, soit négatives.

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Dans le cas général, on distingue alors 4 possibilités avec une convention récepteur :

• Tension et courant de même sens :

Le moteur reçoit de l'énergie (récepteur)

• Tension et courant de sens opposés :

Le moteur renvoie de l'énergie (générateur)

Ces phases peuvent être facilement traduites sur un graphique avec l'axe vectical pour la tension et l'axe horizontal pour le courant. On distinguera alors les 4 quadrants suivants :

Nous reviendrons sur cet aspect lors de l'étude de la variation de vitesse des machines électriques.

Familles de convertisseurs

Suivant le type de machine à commander et suivant la nature de la source de puissance, plusieurs familles de convertisseurs statiques ont été bâties.

C'est ainsi que l'on trouvera :

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• Les convertisseurs alternatif - continu • Les convertisseurs continu - continu • Les convertisseurs alternatif - continu • Les convertisseurs alternatif - alternatif

Il est possible de les rassembler sur le graphique suivant :

Onduleur assisté

L'onduleur assisté est nommé ainsi par la nécessité pour la charge connectée de disposer d'une force électromotrice pour fonctionner tout comme pour le redresseur commandé.

Dans ce cas, les composants utilisés peuvent être de simples thyristors commandés uniquement à la fermeture et la commutation est "naturelle" contrairement à l'onduleur autonome qui necessité des composants commandés à la fois à la fermeture et à l'ouverture.

L'application principale de ce type d'onduleur se trouve dans les variateurs pour moteurs synchrones de très forte puissance où les thyristors sont souvent les seuls composants utilisables.

La structure de l'onduleur assisté est la même que celle du redresseur commandé, avec une inversion du sens de transfert de l'énergie.

Afin de rendre le montage réversible en courant, on placera des composants tête-bêche comme le montre la figure ci-dessous.

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Dans le cas des montages devant délivrer une tension alternative sur des charges sans force électromotrice (réseau de secours, machines asynchrones), un autre type de montage appelé onduleur autonome doit être utilisé.

Onduleur autonome

L'onduleur triphasé fait appel à trois bras identiques dont la sortie constitue alimente une phase de la machine.

Son fonctionnement est similaire à celui du hacheur à 4 quadrants, chacun des trois bras élémentaires permet de commuter +U ou -U sur chaque enroulement.

En effet, si les tensions sont triphasées équilibrées, la tension moyenne du neutre est nulle et le neutre de la machine n'est pas relié.

L'onduleur complet comprend non seulement les éléments de puissance mais également les régulateurs nécessaires au contrôle des courants délivrés au moteur.

La commande d'un onduleur s'effectue la plupart du temps en mode découpage

Les onduleurs

Les onduleurs autonomes sont des convertisseurs destinés à alimenter des récepteurs à courant alternatif à partir d'une source continue.

Ils sont généralement monophasés ou triphasés.

Suivant les applications, ils peuvent :

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soit fournir une ou des tensions alternatives de fréquence et d'amplitude fixe : c'est le cas en particulier des alimentations de sécurité destinées à se substituer au réseau en cas de défaillance de celui-ci. soit fournir des tensions ou courants alternatifs de fréquence et amplitude variables : c'est le cas des onduleurs servant à alimenter des moteurs à courant alternatif (synchrones ou asynchrones) devant tourner à vitesse variable.

On distingue deux grandes familles d'onduleurs autonomes :

les onduleurs de tension les onduleurs de courant

Les onduleurs de tension

Un onduleur de tension est alimenté par un générateur à courant continu du type source de tension

Idéalement, la tension à son entrée a une valeur constante U qui est indépendante du courant i que l'onduleur absorbe (figure 1).

Figure 1

En pratique, le caractère de "source de tension" du générateur est obtenu en plaçant en parallèle avec ses bornes d'accès un condensateur C de forte valeur ou un filtre L-C. Le générateur proprement dit est le plus souvent

• le réseau redressé (figure 2)

Figure 2

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• ou une batterie d'accumulateurs (figure 3)

Figure 3

Pour respecter la règle de l'alternance des sources, l'onduleur doit alimenter un récepteur à courant alternatif du type source de courant.

Idéalement, le courant absorbé par le récepteur est (figure 4)

Figure 4

• un courant sinusoïdal si le récepteur est monophasé • un système triphasé équilibré de courants sinusoïdaux si le récepteur est triphasé.

En pratique, le caractère de source de courant du récepteur découle de la présence d'inductances série à ses bornes d'accès (figure 5).

Figure 5

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Dans les onduleurs en pont, chaque borne du récepteur est reliée au générateur par deux interrupteurs à semi-conducteurs : l'un permet de la relier à la borne + du générateur, l'autre à la borne -. Ces deux interrupteurs forment un bras d'onduleur (figure 6).

Figure 6a Figure 6b

En commandant l'état (ON-OFF, passant-bloquant) des interrupteurs, on peut imposer les tensions aux bornes du récepteur de manière à obtenir une ou des tensions alternatives.

Le ou les courants absorbés par le récepteur découlent des tensions qui lui sont appliquées. Ces courants et la commande des interrupteurs fixent le courant absorbé au générateur.

Pour étudier les onduleurs de tension, il convient tout d'abord d'en préciser la structure en déterminant les caractéristiques exigées des interrupteurs à semiconducteurs et la manière de les faire commuter d'un état à l'autre.

Il faut ensuite examiner les différents modes de commande

la commande pleine onde la commande par réglage MLI des tensions la commande par modulation delta.

Commande MLI

En régime permanent, pour obtenir un courant sinusoïdal, il faut une tension d'alimentation sinusoïdale.

Or, si les amplificateurs de puissance audio, par exemple, permettent de reproduire fidèlement, c'est à dire avec un minimum de distorsion un signal de référence, il n'en va pas de même pour les amplificateurs de puissance pour moteurs.

En effet, un paramètre important pour ces systèmes se trouve être le rendement.

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Dans le cadre des amplificateurs audio classe B, celui atteint au maximum 67 %, ce qui est bien trop faible dans le cadre des moteurs électriques.

C'est pourquoi ces derniers fonctionnent en classe D, c'est à dire en modulation de largeur d'impulsion.

Les transistors ne fonctionnent plus en régime linéaire, mais en commutation. Les pertes dans les semi-conducteurs sont donc réduites et le rendement peut atteindre 98 % facilement !

Pour s' approcher le plus possible d'une onde sinusoïdale, on module le rapport cyclique de la période de conduction des transistors pour obtenir une suite de créneaux de tension dont la moyenne correspond à la valeur instantanée de l'onde pendant la période de découpage.

Le principe revient à considérer une forme discrète de l'onde sinusoïdale et l'on s'en approchera le plus possible avec un grand nombre de périodes de découpage.

C'est pourquoi la fréquence de commande des interrupteurs peut facilement atteindre 10 kHz pour synthétiser une onde sinusoïdale à 50 Hz.

La modulation s'effectue généralement en comparant la référence de tension à une porteuse triangulaire. Les intersections définissent alors les instants de commutation comme le détaille la figure à la page suivante.

La figure ci-dessous illustre le cas de la synthèse d'une onde sinusoïdale par des créneaux de fréquence élevée.

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La décomposition en série de Fourier de cette onde fait apparaître de nombreux harmoniques.

Toutefois, avec un choix judicieux des fréquences et des instants de commutation, on peut éliminer bon nombre des harmoniques basse-fréquence.

En notant fo la fréquence de l'onde sinusoïdale et fd la fréquence de découpage, on peut montrer que les harmoniques se placent à des fréquences k.fd ± n.fo.

Si fd est choisie suffisamment haute par rapport à fo, les fréquences harmoniques sont rejetées assez loin et peuvent alors facilement être éliminées par filtrage, comme le montre le spectre ci-dessous.

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Lorsque l'on veut synthétiser une onde triphasé, on utilise trois références sinusoïdales que l'on compare à la même porteuse triangulaire afin de générer des ondes synchrones comme le montre la figure ci-dessous.

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Nous venons de voir la modulation faisant appel à des références de tension sinusoïdale.

Or, la plupart du temps, ce n'est pas tant la tension qu'il est important de piloter, mais le courant de chaque phase.

La technique de contrôle du courant la plus simple consiste à maintenir l'erreur de courant dans une fourchette grâce à un comparateur à hystérésis qui détermine lequel des deux transistors il convient de mettre en conduction.

Le principe est identique à celui étudié pour les moteurs pas à pas et fait appel à un capteur de courant pour chaque phase.

Le schéma de principe de type de contrôle est représenté ci-dessous.

Les courbes suivantes illustrent l'onde de courant et de tension recueillie sur une phase d'un moteur. Grâce à l'emploi d'une

fréquence de découpage élevée ( 10 kHz) par rapport à la fréquence fondamentale souhaitée (ici 300 Hz), l'ondulation résiduelle de courant est maintenue très faible.

Ce mode de commande sera largement exploité pour les hacheurs et les onduleurs.

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