3-4 – HACHEURS REVERSIBLES - LES COMPOSANTS DE PUISSANCE

Un hacheur est réversible s’il permet de commander le transfert d’énergie dans les deux sens.

- 3-4-1 Hacheur réversible en courant :

Si on associé au hacheur série formé de TC1 et D1 le hacheur parallèle formé de TC2 et D2 on obtient un hacheur réversible en courant.

Placé entre la source de tension dont la tension E est constante et une machine à courant continu (source de courant caractérisée par E’, R et L), il permet :

- de faire varier la vitesse, à couple donné - de Faire varier le couple, à vitesse donnée.

i11 i TC1 R

E TC2 D1 U L E’

Figure 3-9 Hacheur réversible en courant - En moteur, si TC1 conduit pendant α1T

F. NACERI Page 109 E’= Umoy – R.imoy-L.dimoy/dt

Comme L.dimoy/dt=0, alors E’=Umoy-R.imoy avec imoy≥0 - En génératrice, si TC2 conduit pendant α2.T, on a :

E’=Umoy-R.imoy imoy≤0

- 3-4-2 Hacheur réversible en courant et en tension:

Pour pouvoir faire fonctionner la machine à courant continu - Tant en moteur ( E’.imoy =E.iHmoy ≥0)

- Qu’en génératrice ( E’.imoy =E.iHmoy ≤0) iH

D1 TC1 TC2 D2 U

i E

R L E’

D’1 TC’1 TC’2 D’2

F. NACERI Page 110 - Si on débloque et bloque simultanément TC1 et TC’2 les rendant

conducteurs pendant α1T, TC2 et TC’1 étant constamment bloqués, le courant i est toujours positif.

• Quand TC1 et TC’2 conduisent : u= E, iH = i

• Quand TC1 et TC’2 sont bloqués, D’1 et D2 conduisent

u = - E, iH = - i La tension u à pour valeur moyenne :

- I on débloque simultanément TC2 et TC’1 les rendant conducteurs pendant α2 T, TC1 et TC’2 étant constamment bloqués, le courant i est toujours négatif.

• Quand TC2 et TC’1 conduisent

u = - E, iH = - i

• Quand D’2 et D1 conduisent

u = E, iH = i

Umoy = -E(2α2 - 1)

F. NACERI Page 111 - 3-4-3 Hacheur à liaison indirecte

a- Hacheur à Accumulation Inductive

Lorsque la source et le récepteur sont de tension, on utilise une inductance comme élément de stockage.

TC D i

E1 E2

Figure 3-11 Hacheur à accumulation inductive

Durant chaque période T, le thyristor commandé TC conduit pendant αT, la diode D pendant (1 – α)T. Quand TC est passant, le courant i dans l’inductance L augmente (Charge) ; quand D est passante, i diminue (décharge).

• Pour

Quand t = αT

• Pour

i = i2, E2 = -Ldi/dt, Quand t = T,

En écrivant qu’en régime établi iT égal i0, on obtient :

F. NACERI Page 112 b- Hacheur à Accumulation Capacitive

Lorsque la source et le récepteur sont de courant, l’élément d’accumulation est une capacité.

uc i1

u1 TC D u2

Figure 3-12 Hacheur à accumulation capacitive

• Pour , D conductrice, TC bloqué, la source charge C

i = i1, uc = uco + i1.t Quand t = αT, uc = uco +i1.αT

• +décharge dans le récepteur.

i= - i2, uc = uco + i1.αT- i2 ( t- αT) Quand t = T, uc = uco + iαT – i2(1-α)T= uco

D’où :

F. NACERI Page 113

ANNEXE :

HACHEURS DIRECTS :

1- Hacheur série :

Le hacheur série commande le débit :

• D’un générateur de tension,

• Dans un récepteur de courant

a) Générateur et récepteur parfaits :

Le hacheur est formé d’un interrupteur T et d’une diode D

i=iT i’

U vD u’

Fig. 1 Quand T est fermé:

u’ = U, i = i’

vT = 0, iT = i’, vD = -U, iD = 0

Quand T est ouvert:

u’ = 0, i=0

vT = +U, iT = 0, vD = 0, iD = i’

F. NACERI Page 114

Si T est la période de fonctionnement et αT la durée des intervalles de conduction du transistor, la tension de sortie u’ a pour valeur moyenne : U’ = α.U

En faisant varier α de 0 à 1, on fait varier U’ de 0 à U.

b) Conséquences de l’imperfection de la charge :

Le récepteur de courant ne saurait avoir une inductance infinie. Puisque la tension u’ à ses bornes est formée de créneaux rectangulaires, le courant i’ ne peut présenter une ondulation nulle.

- Si le récepteur est passif, de constantes R et L, le calcul de l’ondulation du courant de sortie i’ est aisé : second. De la continuité de i’ et se périodicité on déduit :

^

F. NACERI Page 115

Le courant i’ a pour valeur moyenne :

I’moy= Umoy/R = αU/R. son ondulation ∆i’ est donnée par :

A valeur donnée de U/R et de τ, l’ondulation est maximale pour α=0.5 et vaut alors :

F. NACERI Page 116 c) Correction du générateur d’entrée :

Le générateur alimentatnt le hacheur doit se comporter comme une source de tension, c'est-à-dire que sa réactance doit etre faible.

Si tel n’est pas le cas, il faut dériver un condensateur C à l’entrée du hacheur.

On augmente souvent la valeur de la capacité de ce condensateur et on place entre celui –ci et le générateur une inductance supplémentaire.

L’ensemble formé par C et L constitue un filtre d’entrée.

Ce filtre à deux effets :

- Il réduit l’ondulation de la tension u à l’entrée du hacheur

- Il réduit l’ondulation du courant is fourni par le générateur de tension.

F. NACERI Page 117 2- Hacheur paralléle

Le hacheur parallèle commande le débit

• D’un générateur de courant

• Dans un récepteur de tension

I vD i’=iD

D iT

u T vT U’

Fig. 3

- Pour 0 < t < αT, le thyristor conduit : u= 0, i’ = 0

iD = 0, vD = -U’, iT = I, vT =0 - Pour αT < t< T, la diode conduit

u = U’ , i’ = I iD = I, vD = 0, iT = 0, vT = U’

- La tension d’entrée u a pour valeur moyenne:

Umoy = (1 – α)U’

Umoy va de 0 à U’ quand α va de 1 à 0.

• Comme pour le hacheur série, la principale imperfection est la valeur limitée de l’inductance du générateur de courant ; elle entraine l’ondulation du courant ique celui-ci débite.

= =

F. NACERI Page 118

• Si la conduction est continue, en désignant par R, L, E les constantes du générateur de courant :

- Pour 0 < t < αT :

E dt L.di i

. = =

Le courant i croit u U’

0 αT T t i

iαT i0

0 αT T t T D T D

Fig. 4

Le courant i croit

avec L , ).

( i

i= ₀ + −i₀ e⁻^^t  = R

F. NACERI Page 119

L’ondulation du courant i est d’autant plus faible que le rapport τ/T est plus grand.

• Lorsque la valeur moyenne Imoy du courant est insuffisante, la conduction est discontinue : pendant l’intervalle αT/T, le courant i s’annule. A la limite quand I tend vers 0, Umoy tend vers 0 quel que soit α

REFERENCES :

1- M. Garnero, ‘La Conversion DC –DC, Les Hacheurs’

2- Une équipe d’enseignants de la filière Electrotechnique de l’institut national polytechnique de Grenoble, ‘ Hacheurs et Onduleurs autonomes’

3- G. Séguier, Electronique de puissance, les fonctions de base et leurs principales applications, 7^e édition, Dunod

F. NACERI Page 120

Chapitre IV

LES ONDULEURS AUTONOMES

__________________________________________________________

Les onduleurs sont basés sur une structure en pont en H, constituée le plus souvent d'interrupteurs électroniques tels que les IGBT, transistors de puissance ou thyristors. Par un jeu de commutations commandées de manière appropriée (généralement une modulation de largeur d'impulsion), on module la source afin d'obtenir un signal alternatif de fréquence désirée.

Il existe deux types d'onduleurs : les onduleurs de tension et les onduleurs de courant. On distingue aussi les onduleurs autonomes et les onduleurs non autonomes.

Onduleurs autonomes

Un onduleur autonome délivre une tension avec une fréquence soit fixe, soit ajustable par l'utilisateur. Il n'a pas toujours besoin de réseau électrique pour fonctionner ; par exemple un convertisseur de voyage

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que l'on branche sur la prise allume-cigare d'une voiture utilise le 12 V continu du véhicule pour générer du 120 ou 230 V, alternatif en 50 ou 60 Hz ;

Les onduleurs sont notamment employés pour la réception de la TV en mode nomade (récepteur satellite dans un camping-car par exemple}) dépourvu d'entrée alimentation électrique basse tension (~12 V).

Onduleurs non autonomes

Un onduleur non autonome est un montage redresseur tout thyristors (pont de Graetz) qui, en commutation naturelle assistée par le réseau, auquel il est raccordé, permet un fonctionnement en onduleur (par exemple par récupération de l'énergie lors des périodes de freinage dans les motrices électriques). À la base du développement des entraînements statiques à vitesse variable pour moteurs à courant continu et alternatif, cycloconvertisseurs, onduleurs de courant pour machines synchrones et asynchrones, jusqu'à des puissances de plusieurs MW, ce type de montage est progressivement supplanté, au profit de convertisseurs à IGBT ou GTO.

Onduleurs hybrides ou intelligents

Les onduleurs hybrides ou intelligents sont une nouvelle génération dédiée aux applications d'énergie renouvelable pour l'autoconsommation et en particulier pour les panneaux solaires photovoltaïques (onduleur solaire). L'énergie des panneaux solaires photovoltaïques est active

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seulement pendant la journée et principalement à l'heure de midi: elle est donc fluctuante et non synchronisée avec la consommation des habitations. De ce fait, il est nécessaire de stocker l'excédent de production avant utilisation.

4-1 Principe de fonctionnement des onduleurs – Formes d’onde : - Schéma de base :

Avec un onduleur de tension, on impose une tension E aux bornes de la charge quelque soit le signe du courant dans la charge. Pour cela, il faut utiliser deux hacheurs tête-bêche.

T1 D1

E Vch

E Ich D2 T2

Figure 4.1 Onduleur monophasé

A l’instant t = 0 on ferme T1, on a Vch = +E le courant i s’établit dans la charge avec une loi fonction de cette dernière (exponentielle si c’est une charge R + L.

A l’instant t= t1 on ouvre T1, si la charge est inductive le courant ne peut pas varier instantanément et c’et la diode D2 qui se met à

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conduire de courant, on a Vch = -E. On dit qu’il y a commutation de T1 à D2.

Pendant que D2 conduit, T2 ne peut pas s’amorcer puisque la tension est négative à ses bornes. Dés que le courant s’annule (instant t2) on peut amorcer T2 la phase de t1 à t2 est la phase de récupération. Fig. 4.2

T1 T1 Commande

T2 T2

D1 T1 D2 T2 D1 Conduction D

Ouverture de T1 Ouverture de T2

+E Vch

Ich

t0 t1 t2

Fig. 4.2 Formes d’ondes du courant et de la tension Commande adjacente

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T1 T1

Commande T2 T2 T1 D2 T2 D1 T1

Conduction ouverture de T1 ouverture de T2

Vch +E

Ich

t1 t2

Fig.4.3 Formes d’ondes du courant et de la tension Commande disjointe

Si on amorce T2 dés que la tension à ses bornes le permet, on réalise une ‘commande adjacente’. A noter que l’on enverra le signal de gâchette sur T2dés l’instant t1 pou être certain d’amorcer T2 dés le passage par zéro du courant q.q.s la charge.

Si on attend un certain temps après le passage du courant pour amorcer T2 on réalise une ‘commande disjointe’. Fig. 4.3

Dans la pratique la source continue est unique et cela conduit à la structure des onduleurs en pont.

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4-2 Onduleur Monophasé en pont :

La Figure 4.4 représente le schéma d’un onduleur monophasé en pont. On envoie sur les gâchettes des thyristors T1 et T4 des signaux complémentaires. On envoie aussi sur les gâchettes des thyristors T2

et T3 des signaux complémentaires mais décalés d’un angle θr par rapport aux précédents. Fig. 4.4

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D1 T1 Ich T3 D3

Vch

D4 T4 T2 D2 θr

T1 T4 T1

Commande

T2 T3 T2 T1 D4 T4 D1 T1

Conduction T2 D3 T3 D2

Fig. 4.4 Vch

t3 t4 t5 t0 t1 t2 t6

phase de roue libre : t1 – t2, t4 – t5

phase de récupération :t2 – t3, t5 – t6

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Commande

T1 D4 T4 D1 Conduction

T2 D3 T3 D2

Vch

Ich

t0 t1 t2 t

t1 – t2 : phase de récupération Fig.4.5 Courant et tension pour θ = 0

T1 T4 T1 T4 T2 T3 T2 T1

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T1 T4

Commande T2 T3

T1 D4 T4 D1

Conduction T2 D3 T3 D2

+E Vch

Ich

-E

Fig. 4.6 Commande disjointe

A l’instant t0, i=0 et Vch =+E. De t0 à t1, les thyristors T1 et T2

conduisent, un courant positif circule dans la charge et l’on a VCH=+E.

A l’instant t1, on ouvre le thyristor T2. Si la charge est inductive, le courant ne peut pas varier instantanément et c’est la diode D3 qui se met à conduire. La tension aux bornes de la charge est nulle : c’est la phase dite « roue libre ».

A tout instant de cette phase de roue libre, nous pouvons passer à une phase dite de récupération en ouvrant T1, il a alors commutation T1D4. Cette phase de récupération durant laquelle VCH=-E se termine lorsque le courant s’annule ( instant t3).

Les thyristors t4 on ouvre T3, D2 se met à conduire et on peut continuer le raisonnement comme ci-dessus.

On dispose donc d’une tension qui délivre une tension +E, 0, -E.

Si on choisit un angle =0,Fig. 4.5 c’est un cas particulier du précédent, on dispose d’une tension +E, -E.

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La figure 4.6 précise l’allure de VCH et iCH lorsque on utilise une commande disjointe.

4-3 Onduleur Triphasé en pont :

4-3-1 Onduleur en pont à commande disjointe (type 120°)

Le schéma d'un onduleur triphasé en pont est représenté sur la figure 4.6. Dans le cas d'une commande disjointe (type 120°) chaque interrupteur est commandé pendant 120°. Il y a donc un trou de 60°

entre les commandes de 2 interrupteurs d'une même verticale, d’où le nom de commande 'disjointe'. Les commandes des thyristors d'une verticale sont décalées de 120° par rapport aux thyristors d'une verticale voisine Fig. 4.7.

Les formes d'ondes dans le cas d'une charge résistive sont données à la figure 4.7.

Dans le cas d'une charge inductive, à l'ouverture d'un interrupteur T1 par exemple le courant ne pouvant varier instantanément, c'est une diode qui prend le relai (D4 lorsqu'on ouvre T1). On inverse donc la tension VA – V0 jusqu'à l'annulation du courant (Fig. 4.8).

Ainsi, la forme de la tension va dépendre de la nature de la charge.

4-3-2 Onduleur en pont à commande adjacente (type 180°)

Ici chaque interrupteur est commandé pendant 180°, les commandes de 2 interrupteurs d'une même verticale sont adjacentes, les commandes des interrupteurs d'une verticale sont décalées de 120° par rapport aux interrupteurs de la verticale voisine.Fig. 4.8

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• Onduleur Triphasé ( Type 120°)

E/2

1 2 3

A B C E/2

4 5 6

180°

T1 T4 T1 T4

T3 T6 T3 E/2 1 VA-V0

VB-V0 2 5

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Vc-V0

Charge résistive VA-VB

VA – V0 Charge inductive

Figure 4-7 Onduleur triphasé type 120°

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• Onduleur Triphasé (Type 180°)

E/2

1 2 3

A B C E/2 4 5 6

N T1 T4 T1 T2 T5 T3 T6 Fig. 4.8 VA0 1 1 1

4 4

VB0 2 2

5 5

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3 3 VC0

6 6

VAB

VNO

2E/3 VAB E/3

VAN = VA0 + V0N, VBN = VB0 + V0N, VCN = VC0 + V0N

VAN +VBN + VCN = VA0 + VB0 + VC0 +3. V0N

VN0 = (VA0 + VB0 + VC0)/3

Figure 4- 8 onduleur triphasé type 180°

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ANNEXE

ETUDE DE LA TENSION ET DU COURANT

• Onduleur en pont :

L’onduleur en pont estformé de quatre interrupteurs montés en pont de Greatz. Les commandes des interrupteurs K1 et K’1 sont complémentaires : K1 = K’1 et K2 = K’2 , chaque interrupteur est formé d’un composant commandable et une diode en antiparallèle.

Tr1 D1 Tr2 D2

vc E ic

T’r1 D’1 T’r2 D’2

Fig. 1 Onduleur en pont K1 K’2 K2 K’1

vc ic

Fig. 2 Forme d’onde du courant et de la tension

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La tension efficace de l’onde de la tension est fixée par la tension continue d’alimentation.

V

^eff ⁼_T



v

^c ^dt ⁼^E ⁼^E

eff 2 2

2 1 . V

• Onduleur monophasé à commande décalée

Dans la commande symétrique, les interrupteurs K1 et K’2 sont commandés ensemble. De même les interrupteurs K2 et K’1 sont aussi commandés ensemble. En commande décalée les interrupteurs K1 et K’2

sont commandés avec un angle de décalage β. La figure 3 illutre la forme d’onde de la tension et les intervalles de conduction des interrupteurs.

K1 K2

vc K’1 K’2 K’1

ωt β

Fig. 3 Forme d’onde de la tension et intervalle de conduction

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• Etude de la tension de charge

La tension efficace est gouvernée par l’angle de décalage β. En effet :

⁼



^ ⁼ ^



⁼ ⁻ développement en série de Fourrier donne :



^

La figure 4 fournit l’évolution de la tension efficace et des amplitudes du fondamental, de l’harmonique trois et de l’harmonique cinq.

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Fig. 4 Evolution du fondamental et des harmoniques trois et cinq En fonction de l’angle de décalage

• Etude du courant

La charge est supposée inductive de résistance R et d’inductance L.

Pour ωt = θ = 0, le courant ic = I0 < 0.

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Fig. 5 Allure du courant de charge

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• Onduleur triphasé

La figure 6 donne le schéma de principe d’un ensemble onduleur moteur asynchrone. L’onduleur est alimenté par une source de tension continue VDC. Les interrupteurs d’un même bras de l’onduleur sont toujours complémentaires. Chaque interrupteur de puissance est en réalité réalisé par un transistor en antiparallèle avec une diode. Ces composants sont supposés idéaux.

Les interrupteurs de chaque bras de l’onduleur étant complémentaires, il en est de meme pour les signaux associés de commande. On peut don écrire :

c4 = 1 – c1 c5 = 1 – c2 c6 = 1 – c3 Les tension simples du moteur sont notées v1(t) , v2 (t) et v3(t)

Les tensions composées du moteur sont notées u12(t), u23(t) et u31(t)

K1 K2 K3 i1 L R i2

E i3

K4 K5 K6 L R N

Fig. 6 Onduleur triphasé

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La tension v10 vaut VDC/2 lorsque c1 = 1 et c4 = 0.

Elle devient (-VDC/2 ) lorsque c1 = 0 et c4 = 1. Le meme raisonnement est valable pour v20 en utilisant les commandes c2 et c5

d’une part et pour v30 en utilisant les commandes c3 et c6.

Les tensions v10, v20 et v30 sont données par les relations suivantes.

v10 = (c1 – c4) (VDC/2) = (2.c1 – 1)(VDC/2)

v20 = (c2 – c5) (VDC/2) = (2.c2 – 1)(VDC/2)

v30 = (c3 – c6) (VDC/2) = (2.c3 – 1)(VDC/2)

Les tensions composées s’expriment alors par :

u12 = v10 – v20 = (c1 – c2 )VDC

u23 = v20 – v30 = (c2 – c3 )VDC

u31 = v30 – v10 = (c3 – c1 )VDC

Le système de tension v1, v2 et v3 est équilibré, ce qui permet d’établir les expressions des tensions simples :

v1 =( u12 – u31)/3 v2 = v1 – u12 = (-2.u13 – u31)/3 v3 = v1 + u31 = (u12 + 2.u31)/3 On tire finalement :

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La relation montre qu’il existe huit combinaisons possibles de (c1, c2, c3). A partir de ces combinaisons, nous déterminons huit vecteurs tensions délivrés par l’onduleur dont six non nuls (v1, …… v6) et deux sont nuls (v0 et v7). La table 1 illustre les vecteurs tension en fonction de l’état des interrupteurs.

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F. NACERI Page 143

• REFERENCES

[1] ‘Hacheurs et Onduleurs autonomes’, Equipe d’enseignants de la filière électrotechnique avec la collaboration des chercheurs de L.E.E.T. Institut National Polytechnique de Toulouse.

[2]Hasnaoui Othman B.A, ‘ Les convertisseurs DC/AC : Les onduleurs autonomes

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