Circuits d'onduleurs — Conversion du courant continu en courant alternatif

0. Sujets abordés dans cet article

• Topologies en demi-pont et en pont complet permettant de générer du courant alternatif monophasé et triphasé à partir d'une liaison CC.

• Comment la modulation de largeur d'impulsion (PWM) sinusoïdale et la PWM vectorielle spatiale génèrent une tension moyenne.

• Commande, pertes, temps mort, interférences électromagnétiques (IEM) et protection des moteurs, des convertisseurs photovoltaïques et des véhicules électriques.

1. Qu'est-ce qu'un onduleur ?

Un onduleur est un convertisseur de puissance qui commute rapidement une source CC et utilise le filtrage ou l'inductance du moteur pour synthétiser du courant alternatif. Un interrupteur idéal ne fait que connecter ou déconnecter une tension ; il ne génère pas directement d'onde sinusoïdale. La largeur d'impulsion, la fréquence de commutation et la phase sont contrôlées afin que la charge reçoive la composante fondamentale souhaitée.

2. Entrées, sorties et topologies

Les entrées comprennent une batterie, un redresseur ou une liaison CC photovoltaïque. Un pont complet monophasé utilise quatre interrupteurs ; un pont triphasé à deux niveaux en utilise six. L'activation simultanée des dispositifs supérieur et inférieur court-circuite le bus CC, ce qui introduit un temps mort. Les configurations NPC, en T, multiniveaux et multiniveaux modulaires répartissent la tension entre les dispositifs à haute tension et puissance.

3. Calculs PWM : définition des bornes de tension

Mesurée par rapport à l'alimentation CC négative, la tension au point milieu d'un demi-pont idéal commute entre 0 et V_{dc}. Si l'interrupteur supérieur est activé pendant une fraction D de la période T_s, la tension moyenne est \bar v_{a-}=D V_{dc}. Cette tension de référence est différente de la tension aux bornes d'une charge CA.

Un pont complet monophasé utilisant la modulation de largeur d'impulsion bipolaire (PWM) commute la tension de charge entre +V_{dc} et -V_{dc}. Si l'état positif occupe la fraction D,

La moyenne est nulle à D=0.5, positive à D>0.5 et négative à D<0.5. Choisir D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2 donne une moyenne de mV_{dc}\sin(\omega t) dans la plage linéaire 0\le m\le1. Ici, m est l'indice de modulation et \omega la fréquence angulaire fondamentale.

Pour une liaison CC de 48 V, D=0.75 donne une moyenne de 24 V sur la période ; D=0.25 donne −24 V. La tension de commutation instantanée reste à ±48 V. Ces calculs sont donnés à titre d'illustration, avec une fréquence de commutation bien supérieure à la fréquence fondamentale.

Dans les systèmes triphasés, il convient de distinguer la tension de phase de la tension entre phases. L'inductance atténue l'ondulation de courant haute fréquence sans pour autant supprimer les transitions brusques de tension aux bornes ni le courant de mode commun. Voir les schémas de circuit et de modulation dans la note technique d'Imperix sur les onduleurs monophasés ( https://imperix.com/doc/implementation/introduction-to-single-phase-inverter ).

4. Architecture de base

Les flèches pleines transportent la puissance ; les flèches en pointillés transportent les mesures et les commandes de grille. Le contrôleur PWM n'est pas sur le chemin de l'alimentation de la charge.

5. Boucles de contrôle et moteurs

Dans un variateur de moteur, une boucle de vitesse ou de position externe commande le courant d'axe q et une boucle de courant interne met à jour le rapport cyclique PWM. Pour un PMSM à aimants permanents de surface (PMSM) avec i_d=0 et couple de réluctance négligés, p est le nombre de paires de pôles, \psi_f est le flux magnétique permanent et i_q est le courant d'axe q :

Le couple suit donc i_q. Cette relation omet la saturation, la chute de tension due à la résistance, le couple de réluctance et les limites de courant ; elle ne peut à elle seule garantir le couple machine mesuré. À haute vitesse, l’affaiblissement du champ réduit la force contre-électromotrice. Les moteurs à induction nécessitent l’estimation du flux et de la fréquence de glissement. La résolution du capteur, l’instant d’échantillonnage du courant et la compensation du temps mort déterminent l’ondulation du couple à basse vitesse.

6. Pertes, chaleur et interférences électromagnétiques (IEM)

En supposant une transition à recouvrement linéaire, les pertes par commutation et par conduction sont approximées par :

L’estimation doit être corrigée en tenant compte des formes d’onde de commutation du dispositif, du temps de récupération inverse de la diode, de la température et des éléments parasites. Une valeur plus élevée de f_s réduit l’ondulation du filtre et du moteur, mais augmente les pertes, la puissance de commande de grille et les IEM. Le SiC et le GaN permettent d’atteindre des vitesses élevées, mais le dépassement dû à l’inductance parasite, les amorçages intempestifs et les courants de fuite/d’isolement deviennent critiques. Exigences d'agencement. T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} est une estimation de premier ordre ; l'impédance thermique transitoire, la température du fluide de refroidissement et la surcharge de court-circuit nécessitent une vérification.

7. Comparaison des topologies

8. Conditions difficiles et protection

Un court-circuit peut détruire un commutateur en quelques microsecondes ; la détection DESAT du pilote de grille, les capteurs de courant, les fusibles et l'arrêt matériel sont donc intégrés en couches. Un temps mort excessif crée une erreur de tension et Distorsion du couple à basse vitesse. Les longs câbles moteur génèrent des surtensions réfléchies et des courants de roulement. Le raccordement au réseau nécessite en outre une protection anti-îlotage, un verrouillage de phase, la gestion des harmoniques de courant et une déconnexion en cas de coupure de réseau. Une conception complète vérifie également la précharge, la surveillance de l'isolation et l'énergie de défaut résiduelle dans les condensateurs du bus DC après un arrêt.

9. Choix pratiques

• VE et servomoteur : évaluer le courant continu et de crête, la tension de régénération, le refroidissement et la détection de position sur le cycle de service.

• Système de contrôle de puissance photovoltaïque : vérifier la plage MPPT, la tension du réseau, le facteur de puissance/la puissance réactive, les harmoniques et la protection anti-îlotage.

• Alimentation sans coupure : privilégier le temps de transfert, le bypass, le courant d'appel et la redondance.

• Alimentation compacte haute fréquence : l'implantation, la compatibilité électromagnétique et les tests d'isolation sont prioritaires sur l'exploitation de la vitesse des transistors GaN.

10. Récapitulatif en trois points

Un onduleur calcule la moyenne des états de commutation par modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour synthétiser du courant alternatif à partir de courant continu.

Les variateurs de moteur ajustent le courant, la vitesse et… Boucles de position ; les onduleurs de réseau ferment les boucles de phase, de courant et anti-îlotage.

L'efficacité doit être vérifiée conjointement avec le temps mort, la chaleur, les interférences électromagnétiques, la coupure en cas de court-circuit et l'isolation.

Références

• IEEE Power Electronics Society

• IEC 61800 Adjustable-speed drive systems

• NREL power electronics research )

• Ressources Wolfspeed SiC