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BTS Electrotechnique (deuxième année)

Onduleurs monophasés

CONVERTISSEURS CONTINU - ALTERNATIFS : ONDULEURS

I. ONDULEURS MONOPHASES

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3. Onduleur de tension monophasé en pont, débit sur charge inductive

3.1. Schéma du montage

Schéma onduleur monophasé en pont

La source est un générateur de tension continue réversible en courant.

Les interrupteurs H1, H2, H3 et H4 sont des interrupteurs commandables à l’ouverture et à la fermeture.

D1, D2, D3 et D4 sont des diodes supposées idéales.

3.2. Analyse du fonctionnement et observation des oscillogrammes fonctionnement pleine onde

La commande des interrupteurs impose un fonctionnement périodique de période T réglable.

Pendant la première demi-période (0 ≤ t < T/2), la commande impose K1 et K3 fermé, K2 et K4 ouvert. Pendant la deuxième demi-période (0 ≤ t < T/2), la commande impose K1 et K3 ouvert et K2 et K4 fermé.

  • Pour 0 ≤ t < T/2 : K1 et K3 fermés et K2 et K4 ouverts donc uc = E. La tension aux bornes de la charge est positive.
    Le courant circule soit par H1 et H3 soit par D1 et D3 suivant le signe de celui-ci. Le courant dans la charge ic s’annule à l’instant t1.
    Le courant de source est égale au courant dans la charge : is = ic
    • Pour 0 ≤ t < t1 : le courant dans la charge est négatif ic < 0.
      Le courant circule par les diodes D1 et D3 : iD1 = iD3 = -ic. Les interrupteurs H1 et H3 ne conduisent pas.
      La puissance instantanée p = uc.ic < 0 : il y a transfert d’énergie de la charge vers la source de tension. Il s’agit d’une phase de récupération.
    • Pour t1 ≤ t < T/2 : le courant dans la charge est positif ic ≥ 0.
      Le courant circule par les diodes H1 et H3 : iH1 = iH3 = ic. Les interrupteurs D1 et D3 sont bloquées.
      La puissance instantanée p = uc.ic ≥ 0 : il y a transfert d’énergie de la source vers la charge. Il s’agit d’une phase d'alimentation.
  • Pour T/2 ≤ t < T : K2 et K4 fermés et K1 et K3 ouverts donc uc = -E. La tension aux bornes de la charge est négative.
    Le courant circule soit par H2 et H4 soit par D2 et D4 suivant le signe de celui-ci. Le courant dans la charge ic s’annule à l’instant t2.
    Le courant de source est égale au courant dans la charge : is = -ic
    • Pour T/2 ≤ t < t2 : le courant dans la charge est positif ic > 0.
      Le courant circule par les diodes D2 et D4 : iD2 = iD4 = ic. Les interrupteurs H2 et H4 ne conduisent pas.
      La puissance instantanée p = uc.ic < 0 : il y a transfert d’énergie de la charge vers la source de tension. Il s’agit d’une phase de récupération.
    • Pour t2 ≤ t < T : le courant dans la charge est négatif ic ≤ 0.
      Le courant circule par les diodes H2 et H4 : iH2 = iH4 = -ic. Les interrupteurs D2 et D4 sont bloquées.
      La puissance instantanée p = uc.ic ≥ 0 : il y a transfert d’énergie de la source vers la charge. Il s’agit d’une phase d'alimentation.

Onduleur monophasé en pont en débit sur charge inductive : observation des oscillogrammes pour la pleine onde :

Onduleur monophasé en pont, commande pleine onde, observation des oscillogrammes

Pour la charge, les oscillogrammes obtenus sont identiques au montage à deux interrupteurs. Les grandeurs caractéristiques du montage (période, fréquence, valeurs moyennes, valeurs efficaces) sont inchangées.

3.3. Fonctionnement en onduleur à commande décalée

3.3.1. Analyse du fonctionnement et observation des oscillogrammes

La commande des interrupteurs impose un fonctionnement périodique de période T réglable.

La commande des interrupteurs K1 et K4 est décalée d’une durée τ par rapport à la commande des interrupteurs K2 et K3 (voire les oscillogrammes en annexe).

Ainsi :

  • Pour 0 ≤ t < τ : K4 et K3 fermés et K2 et K1 ouverts donc la charge est court-circuitée uc = 0. L’intensité du courant dans la charge est négative.
    La puissance consommée par la charge p = uc.ic = 0. La charge ne travaille pas. Il s’agit d’une phase dite de « roue-libre ».
  • Pour τ ≤ t < T/2 : K1 et K3 fermés et K2 et K4 ouverts donc uc = E.
    • Pour τ ≤ t < t1 : le courant dans la charge est négatif ic < 0.
      Le courant circule par les diodes D1 et D3 : il s’agit d’une phase de récupération.
    • Pour t1 ≤ t < T/2 : le courant dans la charge est positif ic ≥ 0.
      Le courant circule par les diodes H1 et H3 : il s’agit d’une phase d'alimentation.
  • Pour T/2 ≤ t < T/2 + τ : K1 et K2 fermés et K3 et K4 ouverts donc la charge est court-circuitée uc = 0. L’intensité du courant dans la charge est positive.
    La puissance consommée par la charge p = uc.ic = 0. La charge ne travaille pas. Il s’agit d’une phase de « roue-libre ».
  • Pour T/2 + τ ≤ t < T : K2 et K4 fermés et K1 et K3 ouverts donc uc = -E.
    • Pour T/2 ≤ t < t2 : le courant dans la charge est positif ic > 0.
      Le courant circule par les diodes D2 et D4 : il s’agit d’une phase de récupération.
    • Pour t2 ≤ t < T : le courant dans la charge est négatif ic ≤ 0.
      Le courant circule par les diodes H2 et H4 : il s’agit d’une phase d'alimentation.

Onduleur monophasé en pont en débit sur charge inductive : observation des oscillogrammes pour la commande décalée :

Oscillogrames pour la commande décalée

3.3.2. Grandeurs caractéristiques du montage

Période et fréquence : imposées par la commande et réglable indépendamment de la charge.

Valeur moyenne de la tension et de l’intensité pour la charge : nulles, les signaux sont alternatifs.

Valeur efficace de la tension aux bornes de la charge :

On la détermine par la méthode des aires en résolvant l’équation U c = < u c ² >

Pour cela, le problème est découpé en 3 étapes :

  • On trace le graphe du signal uc²(t) :
    Graphe de la tension aux bornes de la charge élevée au carré
  • On détermine la valeur moyenne de uc²(t) :
    A+ = 2.E².(T/2 - τ)
    < uc²(t) > = A+/T = 2.E².(1/2 - τ/T) = E2.(1 - 2. τ/T)
    On appelle α = ω.τ l’angle de décalage
    α = 2π.τ/T
    < uc²(t) > = E².(1 - α/π)
  • On prend la racine carré du résultat précédent :
    U c = < u c ² > = E ² . ( 1 α π )

U c = E . 1 α π

En réglant τ donc α, il est possible de régler la valeur efficace de la tension aux bornes de la charge.

Remarque : les sources de tension continue doivent accepter de fournir de la puissance comme d’en recevoir, elles doivent être réversibles en courant.

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