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BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rah

BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°1/19 ONDULEURS AUTONOMES DE TENSION  Onduleurs de tension monophasés  Onduleurs MLI  Onduleur de tension triphasé Objectif : Etude des convertisseurs de tension continue en tension alternative Pré-requis - Propriétés des sources et des récepteurs - Circuit RL en commutation - Circuit RLC résonnant Savoirs associés - Lois générales de l'électromagnétisme - Série de Fourier BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°2/19 I. Introduction Dans le cas des ponts redresseurs à thyristors fonctionnant en onduleurs de courant ( ponts de Graëtz monophasés et triphasés à thyristors), la fréquence et la forme de tension sont imposées par le réseau alternatif : ces onduleurs de courant sont dits non autonomes. Le réseau alternatif assure la commutation des thyristors : on dit que la commutation des thyristors est naturelle. Les autres onduleurs sont dits autonomes, et lorsque leur configuration est à thyristors, il faudra, dans les cas de charges inductives ou purement résistives, assurer la commutation de ces derniers par des circuits auxiliaires. Nous allons effectuer un classement 'pédagogique' et non exhaustif des différents onduleurs. Nous distinguerons entre autres, trois structures de principe.  Les onduleurs de tension que l'on retrouve dans l'alimentation des moteurs à courant alternatif et dans les alimentations alternatives de secours.  Les onduleurs de courant ou commutateurs de courant.  Les onduleurs à résonance qui se partagent en deux familles  les onduleurs série ou à résonance de tension,  les onduleurs parallèle ou à résonance de courant. Les applications les plus courantes des onduleurs à résonance sont d'une part, le chauffage par induction et d'autre part, l'alimentation des générateurs d'ozone (ozoniseurs). Il. Onduleurs de tension monophasés Le fil conducteur de l'étude est surtout fondé sur l'intérêt certain que présente une onde de courant dans la charge, voisine de la sinusoïde. II.1. Onduleurs à interrupteurs en parallèles II.1.1. Principe Le schéma de principe représenté ci-dessous, comporte un transformateur à point milieu. Les deux enroulements primaires ont chacun 2 N1 spires, et l'enroulement secondaire relié au récepteur (par exemple une charge RL) comporte N2 spires. Schéma du montage : Onduleur à interrupteurs en parallèle Charge RL N2 i i2 i1 u u2 u1 is E H2 H1 2 1 N 2 1 N BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°3/19 Pendant l'intervalle temporel 0< t < 2 T l'interrupteur H1 est fermé. Nous avons donc les relations:   Le courant i1 (t) circule et la loi d'Hopkinson impose:  On n'oubliera pas que l'on compte positivement les courants qui entrent par les points homologues. Dans la charge RL, l'évolution du courant i(t) suit une loi exponentielle et d'après la relation ci-dessus il en est de même de l'évolution du courant i1 (t) Pendant l'intervalle temporel 2 T < t < T l'interrupteur H2 est fermé. L'interrupteur H1 est évidemment ouvert, et nous avons maintenant les nouvelles relations suivantes :    Nous allons maintenant donner les allures de quelques évolutions de tensions et de courant. T T T T/2 T/2 T/2 T T/2 H2 H1 i2(t) i1(t) i(t) t t t t u(t) BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°4/19 Les interrupteurs pourront, par exemple être des transistors MOSFET ou IGBT (ou encore des thyristors) avec une diode positionnée tête-bêche aux bornes de chaque transistor. II.1.2. Configuration à transistors Nous allons examiner dans les lignes qui suivent, la structure d'un onduleur à transistors avec des diodes positionnées tête-bêche sur les interrupteurs, comme par exemple, le schéma ci-dessous. Lorsque l'un des interrupteurs est fermé, prenons par exemple le cas du transistor TR1, nous pouvons écrire au niveau du drain la loi des nœuds en valeurs instantanées:  Remarquons alors, les deux points importants suivants : D'une part, lorsque le transistor conduit, sa tension drain -source VDS est positive de quelques volts. Cela revient à dire que la diode est sous tension inverse et est bloquée :  iD1 = d'où i1 = D'autre part, lorsque la diode conduit, celle-ci se trouve sous tension directe de quelques volts. Le transistor est alors bloqué et est sous tension inverse :  iTR1 = d'où i1 = Traçons en concordance des temps l'évolution des grandeurs suivantes : u(t) , i(t), i1(t), i2(t), iTR1(t), iD1(t) et is(t) Allures des différentes grandeurs : uH2 uH1 iTR2 iTR1 TR2 TR1 iD1 iD1 D2 D1 Charge RL N2 i i2 i1 u u2 u1 is E 2 1 N 2 1 N BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°5/19 iS(t) iD1(t) iTR1(t) i2(t) i1(t) i(t) u(t) t t t t t t t BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°6/19 II.1.2.1.Commentaire sur les allures des graphes II1.2.1.1. : En résumé, lorsque le transistor TR1, est fermé, il ne peut pas conduire si le courant i1 est négatif. Seule la diode D1 positionnée tête-bêche peut alors conduire. Il en est de même lorsque le transistor TR2 est fermé et que le courant i2 est négatif : seule la diode D2 conduit. L'énergie magnétique emmagasinée par l'inductance L, lors de la conduction des transistors TR1 et TR2, est restituée à la source de tension E lorsque les diodes D1 et D2 conduisent. II.1.2.1.2. : D'une part, on remarquera que le courant débité par la source de tension continue E est tantôt négatif et tantôt positif, et ceci à une fréquence double de la fréquence des commutations des interrupteurs. D'autre part, le courant is (t) présente des discontinuités lors des commutations des transistors. Donc la source de tension continue E, doit être capable de supporter les discontinuités du courant is(t). Cela revient à dire qu'elle est parfaite, et donc, ne présente pas d'impédance interne de nature inductive. II.1.2.1.3. : Enfin, nous remarquerons que la source de tension E, pouvant accepter des discontinuités de courant is(t), est couplée à un récepteur de courant RL n'acceptant pas les discontinuités de courant i(t) (ou de flux magnétique), mais acceptant à ses bornes des discontinuités de tension u (t). D'ailleurs, ce sont les diodes positionnées tête-bêche qui assurent la continuité du courant i(t) dans l'inductance L: sans ces diodes de roue libre, l'énergie magnétique de l'inductance se libérera de toute façon, soit en provoquant un arc électrique entre ses spires ou celles du transformateur, soit en détruisant les transistors. II.1.2.2. Bilan des puissances Dans les hypothèses d'un transformateur sans pertes et de semi-conducteurs parfaits, la puissance moyenne Ps fournie par la source de tension E est identique à celle PR reçue par la résistance R de la charge RL. Soit Ismoy le courant moyen débité par la source de tension E, nous avons la relation suivante :  smoy I E T T dt s i T E dt s i E T Ps . 2 0 2 0 . 2 . . . 2      Si I est la valeur du courant efficace dans la charge R, nous avons PR =R.I2 et nous en déduisons une relation entre les courants moyens et efficaces :  E.Ismoy = R.I2 BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°7/19 II.1.2.3. Chronogrammes ( u(t), iTR1(t), uTR1(t) ) II.2.Onduleurs à interrupteurs en série II.2.1. Principe Le schéma ci-dessous représente un onduleur avec une source à point milieu et deux interrupteurs en série. Les deux interrupteurs H1 et H'1 ne sont jamais fermés simultanément, car dans le cas contraire il y aurait court-circuit des sources de tension. Représentons maintenant les deux graphes u(t) et i(t) sachant que : Dans l'intervalle temporel [ 0 < t < 2 T ], l'interrupteur H1 est fermé et l'interrupteur H'1 est ouvert. Nous avons alors : 2 ) ( E t u  et le courant a une croissance exponentielle de la valeur minimale (-IM) à la valeur maximale IM. 0 B A i(t) H '1 H1 RL u(t) E/2 E/2 H2 H1 T T/2 uTR1(t) iTR1(t) u(t) t t t BTS Electrotechnique U1 :S35 Lycée technique Mahdi Ben Barka-OUJDA Prof : M.Rahal RHAROUSS Page n°8/19 Dans l'intervalle [ 2 T < t < T ] l'interrupteur H'1 est fermé .Nous obtenons : 2 ) ( E t u   et le courant i(t) effectue une décroissance exponentielle de la valeur IM à la valeur (-IM) . Lorsqu'un interrupteur est fermé, il est parcouru par un courant tantôt positif et tantôt négatif : les interrupteurs seront donc bidirectionnels. II.2.2. Sujet de BTS ( à traiter en td ) II.3. Onduleurs en pont (ou en H) II.3.1. Principe Cette représentation d'onduleur, représenté ci-dessous, utilise deux bras ( T1-T'1 ) et ( T2-T'2 ) à interrupteurs en série. L'onduleur en pont ne nécessite pas de source de tension d'alimentation à point milieu : A B E O2 O1 H '2 H2 H1 u(t) i(t) H uploads/Ingenierie_Lourd/ onduleurs-2bts-elt-eleve.pdf