Introduction aux différents types d'onduleurs

L' alimentation en courant alternatif (CA) est utilisée pour presque tous les besoins résidentiels, commerciaux et industriels. Mais le plus gros problème avec AC est qu'il ne peut pas être stocké pour une utilisation future. Le courant alternatif est donc converti en courant continu, puis le courant continu est stocké dans des batteries et des ultra-condensateurs. Et maintenant, chaque fois que le courant alternatif est nécessaire, le courant continu est à nouveau converti en courant alternatif pour faire fonctionner les appareils à courant alternatif. Ainsi, l' appareil qui convertit le courant continu en courant alternatif s'appelle Inverter. L'onduleur est utilisé pour convertir le courant continu en courant alternatif variable. Cette variation peut être dans l'amplitude de la tension, le nombre de phases, la fréquence ou la différence de phase.

Classification de l'onduleur

L'onduleur peut être classé en plusieurs types en fonction de la sortie, de la source, du type de charge, etc. Voici la classification complète des circuits de l'onduleur:

(I) Selon la caractéristique de sortie

1. Onduleur à onde carrée
2. Onduleur sinusoïdal
3. Onduleur sinusoïdal modifié

(II) selon la source de l'onduleur

1. Inverseur de source de courant
2. Onduleur de source de tension

(III) Selon le type de charge

1. Onduleur monophasé
   1. Onduleur demi-pont
   2. Onduleur à pont complet
2. Onduleur triphasé
   1. Mode 180 degrés
   2. Mode 120 degrés

(IV) Selon différentes techniques PWM

1. Modulation de largeur d'impulsion simple (SPWM)
2. Modulation de largeur d'impulsion multiple (MPWM)
3. Modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM)
4. Modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale modifiée (MSPWM)

(V) selon le nombre de niveau de sortie

1. Onduleur régulier à deux niveaux
2. Onduleur à plusieurs niveaux

Maintenant, nous allons discuter de chacun d'eux un par un. Vous pouvez vérifier un exemple de conception de circuit d'inverseur de 12 V CC à 220 V CA ici.

(I) Selon la caractéristique de sortie

Selon la caractéristique de sortie d'un onduleur, il peut y avoir trois types d'onduleurs différents.

• Onduleur à onde carrée
• Onduleur sinusoïdal
• Onduleur sinusoïdal modifié

1) onduleur à onde carrée

La forme d'onde de sortie de la tension pour cet onduleur est une onde carrée. Ce type d'onduleur est le moins utilisé parmi tous les autres types d'onduleurs car tous les appareils sont conçus pour une alimentation en onde sinusoïdale. Si nous fournissons un appareil à onde carrée à onde sinusoïdale, il peut être endommagé ou les pertes sont très élevées. Le coût de cet onduleur est très faible mais l'application est très rare. Il peut être utilisé dans des outils simples avec un moteur universel.

2) onde sinusoïdale

La forme d'onde de sortie de la tension est une onde sinusoïdale et elle nous donne une sortie très similaire à l'alimentation du secteur. C'est l'avantage majeur de cet onduleur car tous les appareils que nous utilisons sont conçus pour l'onde sinusoïdale. Donc, c'est le résultat parfait et donne la garantie que l'équipement fonctionnera correctement. Ce type d'onduleurs est plus cher mais largement utilisé dans les applications résidentielles et commerciales.

3) Onde sinusoïdale modifiée

La construction de ce type d'onduleur est plus complexe qu'un simple onduleur à onde carrée mais plus facile par rapport à l'onduleur à onde sinusoïdale pure. La sortie de cet onduleur n'est ni une onde sinusoïdale pure ni une onde carrée. La sortie d'un tel onduleur est l'une des deux ondes carrées. La forme d'onde de sortie n'est pas exactement une onde sinusoïdale, mais elle ressemble à la forme d'une onde sinusoïdale.

(II) Selon la source de l'onduleur

• Onduleur de source de tension
• Inverseur de source de courant

1) Inverseur de source de courant

Dans CSI, l'entrée est une source de courant. Ce type d'onduleurs est utilisé dans l'application industrielle moyenne tension, où des formes d'onde de courant de haute qualité sont obligatoires. Mais les CSI ne sont pas populaires.

2) onduleur de source de tension

En VSI, l'entrée est une source de tension. Ce type d'onduleur est utilisé dans toutes les applications car il est plus efficace et offre une plus grande fiabilité et une réponse dynamique plus rapide. VSI est capable de faire fonctionner des moteurs sans déclassement.

(III) Selon le type de charge

• Onduleur monophasé
• Onduleur triphasé

1) onduleur monophasé

Généralement, la charge résidentielle et commerciale utilise une alimentation monophasée. L'onduleur monophasé est utilisé pour ce type d'application. L'onduleur monophasé est divisé en deux parties;

• Onduleur demi-pont monophasé
• Onduleur monophasé à pont complet

A) Onduleur à demi-pont monophasé

Ce type d'onduleur se compose de deux thyristors et de deux diodes et la connexion est comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Dans ce cas, la tension continue totale est Vs et divisée en deux parties égales Vs / 2. La durée d'un cycle est de T sec.

Pour un demi-cycle de 0

Pour le deuxième demi-cycle de T / 2

Vo = Vs / 2

Par cette opération, nous pouvons obtenir une forme d'onde de tension alternative avec une fréquence de 1 / T Hz et une amplitude de crête Vs / 2. La forme d'onde de sortie est une onde carrée. Il passera à travers le filtre et supprimera les harmoniques indésirables qui nous donnent une forme d'onde sinusoïdale pure. La fréquence de la forme d'onde peut être contrôlée par le temps ON (Ton) et le temps OFF (Toff) du thyristor.

L' amplitude de la tension de sortie est la moitié de la tension d'alimentation et la période d'utilisation de la source est de 50%. Ceci est un inconvénient de l'onduleur à demi-pont et la solution est un onduleur à pont complet.

B) Onduleur monophasé à pont complet

Dans ce type d'onduleur, quatre thyristors et quatre diodes sont utilisés. Le schéma de circuit du pont complet monophasé est illustré dans la figure ci-dessous.

A la fois, deux thyristors T1 et T2 conduisent pour le premier demi-cycle 0 <t <T / 2. Pendant cette période, la tension de charge est Vs, ce qui est similaire à la tension d'alimentation continue.

Pour le deuxième demi-cycle T / 2 <t <T, deux thyristors T3 et T4 sont conducteurs. La tension de charge pendant cette période est de -Vs.

Ici, nous pouvons obtenir une tension de sortie CA identique à la tension d'alimentation CC et le facteur d'utilisation de la source est de 100%. La forme d'onde de tension de sortie est une forme d'onde carrée et les filtres sont utilisés pour la convertir en une onde sinusoïdale.

Si tous les thyristors conduisent en même temps ou dans une paire de (T1 et T3) ou (T2 et T4), la source sera court-circuitée. Les diodes sont connectées dans le circuit en tant que diode de rétroaction car elles sont utilisées pour le retour d'énergie vers la source CC.

Si nous comparons un onduleur à pont complet avec un onduleur à demi-pont, pour la charge de tension d'alimentation CC donnée, la tension de sortie est deux fois et la puissance de sortie est quatre fois dans l'onduleur à pont complet.

2) inverseur de pont triphasé

En cas de charge industrielle, une alimentation triphasée est utilisée et pour cela, nous devons utiliser un onduleur triphasé. Dans ce type d'onduleur, six thyristors et six diodes sont utilisés et ils sont connectés comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Il peut fonctionner selon deux modes selon le degré d'impulsions de porte.

• Mode 180 degrés
• Mode 120 degrés

A) mode 180 degrés

Dans ce mode de fonctionnement, le temps de conduction du thyristor est de 180 degrés. A tout moment de la période, trois thyristors (un thyristor de chaque phase) sont en mode conduction. La forme de la tension de phase est constituée de trois formes d'onde échelonnées et la forme de la tension de ligne est une onde quasi carrée, comme le montre la figure.

Vab = Va0 - Vb0 Vbc = Vb0 - Vc0 Vca = Vc0 - Va0

Phase A	T1	T4	T1	T4
Phase B	T6	T3	T6	T3	T6
Phase C	T5	T2	T5	T2	T5
Diplôme	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor conduit	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6

Dans cette opération, l'intervalle de temps entre la commutation du thyristor sortant et la conduction du thyristor entrant est nul. Ainsi, la conduction simultanée du thyristor entrant et sortant est possible. Il en résulte un court-circuit de la source. Pour éviter cette difficulté, un mode de fonctionnement à 120 degrés est utilisé.

B) mode 120 degrés

Dans cette opération, à la fois seuls deux thyristors conduisent. Une des phases du thyristor n'est ni connectée à la borne positive ni connectée à la borne négative. Le temps de conduction pour chaque thyristor est de 120 degrés. La forme de la tension de ligne est une forme d'onde à trois échelons et la forme de la tension de phase est une forme d'onde quasi carrée.

Phase A	T1		T4		T1		T4
Phase B	T6		T3		T6		T3		T6
Phase C		T2		T5		T2		T5
diplôme	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor conduit	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

La forme d'onde de la tension de ligne, de la tension de phase et de l'impulsion de grille du thyristor est comme indiqué dans la figure ci-dessus.

Dans tout interrupteur électronique de puissance, il existe deux types de pertes; perte de conduction et perte de commutation. La perte de conduction signifie une perte d'état ON dans le commutateur et la perte de commutation signifie une perte d'état OFF dans le commutateur. Généralement, la perte de conduction est supérieure à la perte de commutation dans la plupart des opérations.

Si nous considérons le mode 180 degrés pour une opération à 60 degrés, trois commutateurs sont ouverts et trois commutateurs sont fermés. Signifie que la perte totale est égale à trois fois la perte de conduction plus trois fois la perte de commutation.

Perte totale à 180 degrés = 3 (perte de conductance) + 3 (perte de commutation)

Si nous considérons le mode 120 degrés pour une opération à 60 degrés, deux commutateurs sont ouverts et le reste des quatre commutateurs est fermé. Signifie que la perte totale est égale à deux fois la perte de conductance plus quatre fois la perte de commutation.

Perte totale à 120 degrés = 2 (perte de conductance) + 4 (perte de commutation)

(IV) Classification selon la technique de contrôle

• Modulation de largeur d'impulsion unique (PWM unique)
• Modulation de largeur d'impulsion multiple (MPWM)
• Modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM)
• Modulation de la largeur d'impulsion sinusoïdale modifiée (MSPWM)

La sortie de l'onduleur est un signal carré et ce signal n'est pas utilisé pour la charge. La technique de modulation de largeur d'impulsion (PWM) est utilisée pour contrôler la tension de sortie CA. Ce contrôle est obtenu par le contrôle des périodes ON et OFF des interrupteurs. Dans la technique PWM, deux signaux sont utilisés; l'un est le signal de référence et le second est le signal de porteuse triangulaire. L'impulsion de grille pour les commutateurs est générée en comparant ces deux signaux. Il existe différents types de techniques PWM.

1) Modulation de largeur d'impulsion unique (PWM unique)

Pour chaque demi-cycle, la seule impulsion est disponible dans cette technique de contrôle. Le signal de référence est un signal carré et le signal porteur est un signal triangulaire. L'impulsion de grille pour les commutateurs est générée en comparant le signal de référence et le signal porteur. La fréquence de la tension de sortie est contrôlée par la fréquence du signal de référence. L'amplitude du signal de référence est Ar et l'amplitude du signal porteur est Ac, alors l'indice de modulation peut être défini comme Ar / Ac. Le principal inconvénient de cette technique est un contenu harmonique élevé.

2) Modulation de largeur d'impulsion multiple (MPWM)

L'inconvénient de la technique de modulation de largeur d'impulsion unique est résolu par plusieurs PWM. Dans cette technique, au lieu d'une impulsion, plusieurs impulsions sont utilisées dans chaque demi-cycle de la tension de sortie. La porte est générée en comparant le signal de référence et le signal porteur. La fréquence de sortie est contrôlée en contrôlant la fréquence du signal porteur. L'indice de modulation est utilisé pour contrôler la tension de sortie.

Le nombre d'impulsions par demi-cycle = fc / (2 * f0)

Où fc = fréquence du signal porteur

f0 = fréquence du signal de sortie

3) Modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM)

Cette technique de contrôle est largement utilisée dans les applications industrielles. Dans les deux méthodes ci-dessus, le signal de référence est un signal carré. Mais dans cette méthode, le signal de référence est un signal sinusoïdal. L'impulsion de grille pour les commutateurs est générée en comparant le signal de référence d'onde sinusoïdale avec l'onde porteuse triangulaire. La largeur de chaque impulsion varie avec la variation d'amplitude de l'onde sinusoïdale. La fréquence de la forme d'onde de sortie est la même que la fréquence du signal de référence. La tension de sortie est une onde sinusoïdale et la tension RMS peut être contrôlée par l'indice de modulation. Les formes d'onde sont comme indiqué dans la figure ci-dessous.

4) Modulation de la largeur d'impulsion sinusoïdale modifiée (MSPWM)

En raison de la caractéristique de l'onde sinusoïdale, la largeur d'impulsion de l'onde ne peut pas être modifiée avec la variation de l'indice de modulation dans la technique SPWM. C'est la raison pour laquelle la technique MSPWN est introduite. Dans cette technique, le signal de porteuse est appliqué pendant le premier et le dernier intervalle de 60 degrés de chaque demi-cycle. De cette manière, sa caractéristique harmonique est améliorée. Le principal avantage de cette technique est une composante fondamentale accrue, un nombre réduit de dispositifs d'alimentation à découpage et une perte de commutation réduite. La forme d'onde est comme illustré dans la figure ci-dessous.

(V) Selon le nombre de niveaux à la sortie

• Onduleur régulier à deux niveaux
• Onduleur à plusieurs niveaux

1) Onduleur régulier à deux niveaux

Ces onduleurs ont uniquement des niveaux de tension en sortie qui sont une tension de crête positive et une tension de crête négative. Parfois, avoir un niveau de tension nul est également connu sous le nom d'onduleur à deux niveaux.

2) Onduleurs à plusieurs niveaux

Ces onduleurs peuvent avoir plusieurs niveaux de tension en sortie. L'onduleur à plusieurs niveaux est divisé en quatre parties.

- Onduleur à condensateur volant

- Onduleur à diode

- Onduleur hybride

- Onduleur Cascade de type H

Chaque onduleur a sa propre conception de fonctionnement, ici nous avons brièvement expliqué ces onduleurs pour avoir une idée de base à leur sujet.