L'onduleur est un convertisseur électrique très utilisé dans des applications de puissance comme par exemple celle qui va nous intéresser par la suite : Le convertisseur auxiliaire d'un train :
Qu'est ce qu'un onduleur ?
Un onduleur est un convertisseur de puissance destiné à convertir une tension continue en une tension alternative par un jeu de commutations. Nous verrons par la suite comment cela est possible.
Les applications des onduleurs dans un train sont nombreuses :
La première idée consiste à commander des interrupteurs pour appliquer pendant un certain temps la pleine tension continue et pendant un autre temps, cette même tension mais inversée. La somme des deux temps correspond à la période, qui n'est rien d'autre que l'inverse de la fréquence. Pour 50Hz, la période est de 20ms. L'animation ci-dessous montre une tension continue de 3000V qui est découpée suivant ce principe. Cependant, la tension désirée est une tension alternative de 230V (efficace) soit 325V d'amplitude. Ici, on applique une fois 3000V et une autre fois -3000V, ce qui n'est pas admissible pour les appareils connectés en sortie.
D'où la nécessité de modifier le niveau de tension. Pour cela, il faut transformer la tension continue en une suite d'impulsions dont la valeur moyenne correspond à la valeur de la tension continue désirée :
Imaginons que nous ayions à notre disposition une source continue de 3000V mais que nous désirions alimenter un appareil électrique en 300V continu. Une solution consiste à alimenter l'appareil avec la tension de 3000V pendant un certain temps, puis de couper l'alimentation pendant un temps neuf fois plus long et de recommencer. La moyenne de la tension fournie aux bornes de l'appareil est alors de 300V, il n'y a plus de risque d'endommager le récepteur. Si c'est de 500V dont on a besoin, il suffit de changer la largeur de l'impulsion par rapport à la période :
Plutôt que de largeur d'impulsion, on parlera de rapport cyclique : Il s'agit du rapport entre la durée de l'état haut de l'impulsion et la période complète :
Si le temps d'application de la pleine tension est trop long (une seconde par exemple), le courant dans le récepteur va suivre les variations de la tension, ce qui risque de le détruire. Par contre, si la fréquence du signal découpé augmente, 20kHz par exemple, le récepteur ne verra plus à son entrée que la moyenne du signal et ce, grâce à son aspect inductif
On dit d'un système qu'il est inductif lorsqu'il s'oppose à une variation brusque de courant. Il est représenté par une inductance ou self (bobine). Tous les composants, même une résistance (comme une ampoule par exemple) possèdent une inductance qui va empêcher le courant de varier brusquement à fréquence élevée.
Appliquons ce principe à la commande pleine onde :
La tension réelle "vue" par le récepteur correspond à la tension moyenne des impulsions sortant de l'onduleur, pour autant que la fréquence des impulsions soit élevée :
Nous avons réussi à obtenir une tension de sortie alternative dont la valeur est désormais modifiable. Cependant, cette tension moyenne reste un signal carré et non sinusoïdal comme espéré. Les signaux carrés sont mauvais car ils sont constitués d'harmoniques gênantes entrainant des pertes de puissance non négligeables
Puisqu'il est possible, avec des impulsions de largeur bien déterminée, de modifier la valeur moyenne, il est donc réalisable de modifier ce rapport cyclique de manière à ce que la moyenne soit une sinusoïde. C'est le principe de la Modulation de Largeur d'Impulsion : MLI ou PWM (Pulse Width Modulation) en anglais.
Il ne reste plus qu'à appliquer ce principe à l'onduleur et ainsi ne plus avoir une tension "carrée" vue par le récepteur mais bien une tension sinusoïdale :
En pratique, le courant reçu par un récepteur en sortie de l'onduleur n'est pas aussi lissé qu'un courant sinusoïdal idéal. Cependant, elle l'est suffisamment pour pouvoir alimenter correctement
Le prochain point détaille comment, avec des interrupteurs, il est possible de découper la tension. Mais avant, il est nécessaire de savoir comment on peut créer en pratique les signaux de commande des interrupteurs (en PWM). Ce qui suit ne s'effectue pas avec la haute puissance puisqu'on ne travaille plus avec des tensions élevées mais avec des signaux de commande de l'ordre de quelques volts :
Un signal en forme de triangle (en bleu) à la fréquence du signal PWM de l'onduleur est comparé à une sinusoïde (en rouge). Elle correspond à la sinusoïde dont on cherche le signal PWM. A la sortie du comparateur est obtenu directement ce signal PWM (en vert) qui va commander les interrupteurs de puissance.
Maintenant qu'une manière de produire une tension alternative en découpant une tension continue a été décrite, une question subsiste : comment découper cette tension ?
L'animation ci-dessous représente le schéma de principe de l'onduleur triphasé. Chaque phase (appelées R, S et T) est reliée soit à la masse (0V), soit à la pleine tension suivant la séquence en PWM qui commande deux interrupteurs par phase. Il y a deux possibilités :
Déplacez le curseur de l'animation et regardez le signal PWM qui sort de l'onduleur en fonction de la position des interrupteurs. Note importante : Les deux interrupteurs d'une phase
ne seront jamais fermés en même temps, ce qui provoquerait un court-circuit. Dans la réalité, c'est plus compliqué puisqu'il faut tenir compte du temps de fermeture des interrupteurs qui
n'est pas nul !
Sont aussi représentées dans l'animation la forme des tensions de lignes et des tensions de phases qui s'appliquent à une charge en étoile équilibrée
(un transformateur triphasé par exemple). On constate qu'à partir d'une tension entre 0 et 3000V, donc strictement positive, on arrive à obtenir des tensions de ligne et de phase
alternatives (tantôt positive, tantôt négative) en sortie. La tension de phase quant-à elle présente une allure générale se rapprochant clairement d'une sinusoïde...
Cette animation est plus qualitative que quantitative.
Dans la pratique, comment réalise-t-on des interrupteurs ? En électronique de puissance, ce sont des composants semi-conducteurs qui seront sollicités :
Voici un exemple d'utilisation de l'onduleur. Il s'agit du convertisseur auxiliaire du train mentionné dans l'introduction :
Il y aurait encore beaucoup de choses à dire à propos de l'onduleur :
Travail réalisé avec l'aide de Alstom par l'intermédaire de Mr. Marc Bekemans
et de l'ECAM (Bruxelles) par l'intermédiaire de Mr. David Kimplaire.
Auteur : Van Den Broucke Geoffroy.