Onduleur

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Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance permettant de générer des tensions et des courants alternatifs à partir d'une source d'énergie électrique de tension ou de fréquence différente. C'est la fonction inverse d'un redresseur.

Description[modifier | modifier le code]

Un onduleur pour une centrale solaire photovoltaïque.

Un onduleur est un appareil électronique de puissance permettant, par exemple, de générer toute forme de courant dont, par exemple, un courant alternatif, à partir d'un courant continu[1],[2],[3].

Un onduleur hybride permet de fournir soit un courant alternatif soit un courant continu à partir d'une source de courant. C'est particulièrement utile avec des panneaux solaires qui fournissent de l’électricité quand on n'en a pas toujours besoin et qu'il faut alors stocker dans des batteries par exemple. Ce courant continu doit ensuite être converti en courant alternatif pour être utilisé.

Un micro-onduleur permet, dans un petit espace, de convertir une tension continue en courant alternatif. Il en existe jusqu’à 1 000 W, voire plus, à partir d'une tension de 12 V[a], résistant à des températures de +65 °C, refroidis par convection naturelle de l'air et dont le rendement atteint 95,7 %[4].

Principe[modifier | modifier le code]

Schéma de principe d'un onduleur de tension monophasé appliqué sur une charge inductive (AB).

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[5].

Il existe différents types d'onduleurs :

  • les onduleurs de tension et les onduleurs de courant ;
  • les onduleurs autonomes et les onduleurs non autonomes[6].
Onduleurs autonomes
Un onduleur autonome délivre une tension avec une fréquence soit fixe, soit ajustable par l'utilisateur[6]. Il n'a pas toujours besoin de réseau électrique pour fonctionner ; par exemple un convertisseur de voyage 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. Ces 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[modifier | modifier le code]

Boitier onduleur hybride IMEON Energy.

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 seulement pendant la journée et essentiellement lorsque le Soleil est au zénith[b] : 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[7],[8].
  • En France métropolitaine, par exemple, il est possible de vendre l’intégralité de sa production à EDF à un tarif préférentiel[9] ce qui évite les contraintes du stockage de l’excédent de production.

Fonctionnement technique[modifier | modifier le code]

Il existe de nombreux types d'onduleurs, les deux principales catégories à bien différencier sont les onduleurs monophasés des onduleurs triphasés. C'est-à-dire que la première catégorie permet de transformer une tension continue (fournie par une batterie ou à la sortie d'un redresseur par exemple) en une tension sinusoïdale. Le second type, fonctionne de la même manière mais au lieu de transformer la tension en un seul sinus, il en génère trois déphasés chacun entre eux de 120° soit radians.

Onduleurs monophasés[modifier | modifier le code]

Structure[modifier | modifier le code]

Fig 1. Schéma électrique d'un onduleur monophasé. On peut y voir, les 4 interrupteurs et leur commande. Les deux cellules de commutation. Le condensateur de filtrage du courant afin d'éviter d'endommager outre mesure la batterie. Le dipôle de sortie devant avoir un comportement inductif.

Un onduleur Monophasé classique est composé de 4 IGBT avec chacun une diode en anti-parallèle afin d'assurer la bidirectionnalité en courant[10] (voir figure 1). L'onduleur doit ensuite être piloté via une commande MLI adaptée afin de réaliser la tension désirée. La tension désirée étant généralement fournie par une boucle de régulation externe de plus haut niveau ce qui permettra, à terme, de générer la MLI. La boucle de régulation externe, doit entre autres être capable de fournir la fréquence du sinus désirée et son amplitude relative à la tension de bus continu nommée : indice de modulation. L'indice de modulation est défini le plus souvent comme :

avec :

  • m, l'indice de modulation ;
  • V l'amplitude du signal désiré ;
  • la tension de bus continu.

Des onduleurs comportant plus d'interrupteurs de puissance (IGBT) existent afin d'être plus flexible sur la tension générée. Ces onduleurs se nomment alors convertisseurs multi-niveaux (multi-level converter en anglais, ou encore MMC dans la documentation technique).

Onduleurs triphasés[modifier | modifier le code]

Structure[modifier | modifier le code]

De même que pour les onduleurs monophasés, les onduleurs triphasés sont eux aussi composés d'IGBT. Cependant les plus classiques en comportent 6 (2 interrupteurs complémentaires par bras de l'onduleur). Ces 6 interrupteurs forment ensemble 3 cellules de commutation[11] qui vont permettre de hacher la tension continue en tension sinusoïdale triphasée équilibrée, afin d'alimenter par exemple un moteur synchrone ou encore un moteur asynchrone (voir figure 2). Comme pour les onduleurs monophasés, les onduleurs triphasés peuvent posséder plus d'interrupteurs afin d'être plus précis sur la tension réalisée, mais aussi diminuer les harmoniques. Le désavantage majeur des MMC est leur coût, surtout dans le cas d'une production à grande échelle. En effet, si l'objectif est de produire des véhicules électriques (par exemple), il y a un onduleur par véhicule. Alors on comprend aisément que rajouter des IGBT (même si leur coût individuel est faible) peut coûter très cher tant pour l'industriel que pour l'utilisateur.

Fig 2. Schéma électrique d'un onduleur triphasé. On peut y voir, les 6 interrupteurs et leur commande. Les trois cellules de commutation. Le condensateur de filtrage du courant afin d'éviter d'endommager outre mesure la batterie. Le dispositif de sortie (ici une machine synchrone à aimant permanent) ayant un comportement inductif (nombreux bobinages dans la machine).

Commande des onduleurs[modifier | modifier le code]

Les onduleurs se pilotent via une commande fortement non linéaire[12]. Cette non linéarité est due à la structure des onduleurs composés d'IGBT qui ne se pilotent que en tout ou rien. Par conséquent il est nécessaire que la commande soit elle aussi en tout ou rien. La commande la plus classique des interrupteurs des onduleurs se fait par comparaison entre deux signaux. En effet cela force la commande à être binaire (soit 0 soit 1). Les signaux en questions se nomment modulante et porteuse. La modulante étant classiquement, la tension de référence divisée par la tension de bus et la porteuse est un signal triangulaire compris entre 0 et 1.

La commande est alors générée ainsi: Si la modulante est plus grande que la porteuse alors la commande de l'interrupteur prend 1 et 0 sinon. Il est important de savoir que la modulante définie précédemment n'est pas la seule possible, et qu'il en existe un nombre très important.

La comparaison entre une modulante et une porteuse n'est pas la seule possibilité. Il existe, entre autres la SVM (ou vecteur de modulation spatial en français), qui constitue le Gold standard en industrie, par sa facilité d'implémentation, ses avantages harmoniques ainsi que de l'extension de sa zone de linéarité de 15%[12], par rapport à la MLI classique décrite ci-dessus.

Techniques usuelles[modifier | modifier le code]

De nombreuses techniques de commande ont été développées au fil du temps, leurs différences, avantages et inconvénient résident dans ces quelques points :

  • Facilité d'implémentation ;
  • Augmentation de la zone de linéarité ;
  • Réduction des harmoniques indésirables ;
  • Augmentation du rendement ;
  • Diminution du bruit acoustique.

La suite des techniques décrites ne concernent que les onduleurs 3 bras 2 niveaux et les onduleurs monophasés 2 niveaux. Les commandes des onduleurs de niveaux supplémentaires changent de nom et de catégorie pour s'appeler des Multi-level converter (convertisseurs multi-niveaux). De part leur immense diversité, il n'est pas question de parler de la commande de ces derniers ici.

La modulation sinusoïdale (SPWM)[modifier | modifier le code]

Méthode la plus classique, on compare le signal de référence normalisé par la source de tension continue avec une porteuse triangulaire pour générer la commande des cellules de commutation.

L'injection d'harmoniques de rang 3 (THIPWM)[modifier | modifier le code]

On compare le signal de référence normalisé auquel on a ajouté un harmonique de rang 3 d'amplitude 1/6 ou 1/4. On compare ensuite ce nouveau signal à une porteuse triangulaire afin de générer la commande des cellules de commutation.

La modulation de vecteur spatial (SVM)[modifier | modifier le code]

Il ne s'agit plus de comparer un signal avec une porteuse triangulaire mais de réaliser un vecteur dans le plan complexe grâce à la relation de Chasles avec les vecteurs réalisables par l'onduleur.

La modulation aléatoire (RPWM)[modifier | modifier le code]

La porteuse triangulaire n'a plus une fréquence constante sur une période. Ce qui va dégrader le spectre harmonique mais améliorer considérablement l'impression de bruit (et non le bruit réellement produit !)[13]. Bien que la puissance des ondes acoustiques soit le même, cette méthode donne l'impression d'un écoulement de sable fin.

La modulation discontinue (DPWM)[modifier | modifier le code]

Il s'agit là aussi d'une méthode d'injection d'harmonique ou d'injection de tension de mode commun, qui a pour but de figer périodiquement une cellule de commutation afin de diminuer les pertes dans l'onduleur.

Applications[modifier | modifier le code]

Un onduleur de Toyota Prius.

L'onduleur est l'un des montages les plus répandus de l'électronique de puissance ; il a de multiples applications :

  • les alimentations de secours ;
  • les alimentations sans interruption[14] ;
  • le raccord des panneaux solaires au réseau électrique[15],[16] ;
  • les nombreux dispositifs nécessitant de fonctionner à une fréquence spécifique[17] :
    • les générateurs d'ultrasons ou d'électricité utilisés dans le domaine médical,
    • l'alimentation des lampes dites à cathode froide pour le rétro-éclairage des afficheurs à cristaux liquides[18],
  • les variateurs de vitesse des machines alternatives : la tension du réseau est redressée puis un onduleur fabrique une tension dont la fréquence et la forme sont réglables[1] ;
  • les convertisseurs de tension continue/continue à découpage : la tension continue est d'abord ondulée en haute fréquence (quelques dizaines ou centaines de kHz) puis appliquée à un transformateur en ferrite et enfin redressée ;
  • dans le domaine de la soudure à l'arc[19] les onduleurs sont parfois appelés inverters, suivant la terminologie anglo-saxonne. Les onduleurs dans les postes à l'arc vont générer un courant alternatif monophasé à moyenne fréquence (entre 5 et 20 kHz), ce qui permet d'utiliser des transformateurs élévateurs de courant nettement plus petits et légers que ceux employés traditionnellement à la fréquence du réseau, soit 50 ou 60 Hz. Ces machines se caractérisent par un rapport poids / puissance faible, un déphasage (cosinus phi) très faible et une bonne adéquation en milieu hostile[réf. nécessaire] (conditions de chantier, alimentation fluctuante par groupe électrogène, basses ou hautes températures, etc.) ;
  • dans le domaine de la réception hertzienne nomade TV grand public, les onduleurs (12 V > 230 V) permettent, par exemple, de brancher un téléviseur sur la prise allume-cigare d'une automobile ou d'un camion ;
  • dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, l'onduleur permet de transformer la tension de batterie continue en tension sinusoïdale, admissible par les machines synchrones et asynchrones.

Alimentation sans interruption[modifier | modifier le code]

L'onduleur est également un composant des alimentations sans interruption (ASI). Dans le langage courant, le terme « onduleur » est d'ailleurs fréquemment employé pour désigner une telle alimentation, par exemple comme alimentation de sécurité des ordinateurs[20].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Il faut alors un courant de 100 A au niveau de la batterie et des conducteurs.
  2. Midi solaire, soit 14 h en France métropolitaine l'été.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b [PDF]Cours électronique de puissance, Conversion continu-alternatif, Onduleurs, DUT, Université Joseph Fourrier
  2. [PDF] Chapitre 3: Les Onduleurs, polycopié DUT Génie électrique et informatique industrielle
  3. [PDF] Jean Noël Fiorina, Onduleurs et harmoniques (cas des charges non linéaires), Cahier Technique Merlin Gerin no 159, 1992
  4. exemple de micro-onduleur (M250), sur le site enphase.com, consulté le 29 octobre 2014
  5. [PDF] Pierre Lefranc, Étude, conception et réalisation de circuits de commande d'IGBT de forte puissance, Thèse de doctorat, INSA de Lyon, 2005
  6. a et b [PDF] S. Deramond, Onduleurs, alimentations DC/AC, Lycée des métiers de l'industrie Jen Dupuy, 2010
  7. Les onduleurs hybride, sur Imeon Energy
  8. Chapitre 1: Les Onduleurs, sur abes.fr
  9. L'obligation d'achat photovoltaïque, sur le site edf-oasolaire.fr, consulté le 8 aout 2013
  10. [1], sur Research Gate consulté le 25 juillet 2020
  11. H. Foch, M. Metz T. Meynard, H Piquet & F. Richardeau, Des dipôles à la cellule de commutation, France, Techniques de l'ingénieur, coll. « Techniques de l’ingénieur Convertisseurs électriques et applications », 2006, d3075
  12. a et b D. Grahame Holmes & Thomas A. Lipo, Pulse Width Modulation For Power Converters Principles and Practice, United States, IEEE Press, coll. « IEEE Press series on Power Engineering », 2003 (ISBN 0-471-20814-0)
  13. J.F. Gieras, C. Wang & J.C. Lai, Noise of Polyphase Electric Motors, CRC Press, 2006 (ISBN 9781315220987)
  14. [PDF] Cahier technique, Systèmes de coupure et de protection, Socomec, 2011, p. 116
  15. [PDF] Violaine Didier, Les Onduleurs pour Systèmes Photovoltaïques, Fonctionnement, État de l’Art et Étude des Performances, photovoltaique.info, 2007
  16. [PDF] M. Adouane, M. Haddadi, A. Malek et M. Hadjiat, Étude et conception d’un onduleur monophasé autonome géré par microcontrôleur PIC 16F876A, Revue des Énergies Renouvelables Vol. 12 no 4 (2009) p. 543 – 550
  17. [PDF] M. Correvon, Convertisseur de fréquence à circuit intermédiaire à tension continue (Convertisseur U), Haute École d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud
  18. [PDF]+(en) Jim Williams, "A fourth generation of LCD backlight technology: Component and measurement improvements refine performance", Linear Technology Application Note 65, November 1995.
  19. [PDF] Poste de soudage à l'arc 161 STL, 201 TS, Manuel de fonctionnement, Thermal Arc, 2012
  20. Qu'est-ce qu'un onduleur? Comment choisir? Sur le site ecus.fr

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]