Onduleur monophasé

Un onduleur est un dispositif électrique qui transforme une entrée CC en une sortie CA à une tension et une fréquence sélectionnées, un processus appelé conversion CC en CA. Par exemple, les onduleurs sont fortement utilisés dans l’interface entre les cellules solaires et le réseau électrique, où le courant continu généré à partir de la cellule solaire doit être converti en courant alternatif afin d’être compatible avec le réseau. Ils sont également essentiels dans les alimentations sans coupure qui stockent de l’énergie dans une batterie, mais doivent produire une puissance de 120 volts 60 hertz pour les ordinateurs. Un onduleur fonctionne en coupant son entrée CC en une série d’impulsions pour créer une onde oscillante. Selon la quantité de filtrage, la sortie peut être une onde carrée, une onde pseudo-sinusoïdale ou une onde sinusoïdale. Cette vidéo présente les principes de base d’un onduleur simple et démontre son fonctionnement dans un circuit simple.

L’entrée d’un onduleur est une tension continue constante. Un circuit d’onduleur comprend des commutateurs électroniques tels que des transistors à effet de champ d’oxyde métallique, des transistors bipolaires à grille isolée ou des redresseurs contrôlés par silicium sous le contrôle d’une horloge ou d’un générateur de fréquence. Lorsque le signal d’horloge s’allume sur un interrupteur, l’entrée CC est hachée ou sa polarité est inversée. Ce processus s’appelle la commutation. Le hachage répété crée une série d’impulsions ou d’ondes carrées. Étant donné que la période d’horloge détermine la fréquence d’impulsion, la modification de la fréquence de commande de l’onduleur modifie la fréquence de sortie en conséquence. Un type de commutation appelé modulation de largeur d’impulsion produit un flux d’impulsions de différentes largeurs qui peuvent être filtrées pour se rapprocher d’une onde sinusoïdale. La modulation de largeur d’impulsion est souhaitable car les machines et les équipements électriques nécessitent souvent une alimentation avec une tension variant sinusoïdale pour fonctionner correctement. Pour les nombreuses topologies d’onduleurs, telles que les onduleurs en H, triphasés et à plusieurs niveaux, l’onduleur demi-pont est un élément fondamental. L’onduleur en demi-pont de ce schéma simplifié applique son alimentation CC V in sur deux condensateurs identiques en série, qui agissent comme un diviseur de tension. Parce que les condensateurs ont la même valeur, ils ont la même tension aux bornes et le nœud entre eux est à V in/2. Ce point est la masse AC pour la charge. L’onduleur demi-pont utilise deux commutateurs en série et deux horloges non chevauchantes ou déphasées pour connecter alternativement le nœud entre eux à V in et zero Volts. Pour éviter un court-circuit de l’alimentation CC, un interrupteur doit s’éteindre avant que l’autre ne s’allume. La charge est connectée à partir du point entre les deux commutateurs jusqu’au point entre les deux condensateurs. Lorsque l’interrupteur A est allumé et l’interrupteur B est éteint, la charge est connectée à l’entrée V et a une tension positive de 1/2 V à sa traverse, par rapport à la terre AC. Lorsque l’interrupteur A est éteint et que l’interrupteur B est allumé, la charge est connectée à zéro volt et a une tension négative de 1/2 V à travers elle par rapport à la terre CA. Au fur et à mesure que ce processus de commutation se répète, la charge a alternativement une tension positive et négative à travers elle avec une amplitude de 1/2 V in. Dans ce cas simple, le courant alternatif est une onde carrée. Maintenant que les bases d’un onduleur monophasé ont été expliquées, faisons la démonstration de l’appareil en construisant un onduleur en demi-pont DC vers AC avec commutation à ondes carrées, puis observons son fonctionnement.

Tout d’abord, configurez des générateurs à deux fonctions pour produire des ondes carrées de 10 kilohertz oscillant de 0 à 10 volts avec un rapport cyclique de 48 %. Synchronisez les sorties pour qu’elles soient déphasées de 180 degrés les unes par rapport aux autres. Chaque générateur de fonctions contrôle indépendamment l’un des deux commutateurs à transistors à effet de champ de l’onduleur en demi-pont. L’onde carrée allume le transistor lorsque la sortie est élevée et l’éteint lorsque la sortie est faible ou zéro volts. Étant donné que le rapport cyclique est de 48 %, les 2 % restants de la période sont des temps morts entre les états allumés des deux transistors. Pendant ce temps, les sorties des deux générateurs de signaux sont faibles, ce qui empêche les transistors de conduire simultanément et évite un court-circuit de l’alimentation en courant continu. Connectez un canal d’un oscilloscope à la sortie de chaque générateur de fonctions. Vérifiez ensuite que les ondes carrées ont l’amplitude, la fréquence et le rapport cyclique attendus. Les deux ondes carrées doivent également avoir des phases opposées, de sorte que l’une est haute et l’autre basse. Capturez l’écran de l’oscilloscope pour référence ultérieure. Désactivez les sorties du générateur de fonction, mais laissez les générateurs allumés. Enfin, réglez l’alimentation CC sur 15 volts positifs mais ne la connectez à aucun circuit, puis éteignez-la.

Construisez le circuit de l’onduleur en demi-pont et utilisez une résistance de 51 ohms pour la résistance de charge, charge R. Avec l’alimentation CC éteinte, connectez sa sortie à l’entrée VDC de l’onduleur. Connectez une sonde différentielle à la charge R pour mesurer la sortie V, puis connectez une sonde de portée normale entre la sortie haute, qui est la broche sept, et la terre. Réglez la mise à l’échelle de l’oscilloscope sur 10x et la mise à l’échelle de la sonde sur 20x. Mettez toutes les mesures à l’échelle en conséquence. Enregistrez la mise à l’échelle de la sonde et de l’oscilloscope afin de tenir compte des facteurs manquants plus tard. Connectez la sortie d’un générateur de fonction à l’entrée High, qui est la broche 10, et contrôle la commutation du transistor supérieur. Connectez la masse du générateur de fonction à la masse commune du circuit. Connectez la sortie de l’autre générateur de fonctions à l’entrée basse, qui est la broche 12, et contrôle la commutation du transistor inférieur. Connectez la masse de l’autre générateur de fonction à la masse commune du circuit. Capturez les formes d’onde à la sortie haute et à la sortie V et mesurez la tension de sortie, l’amplitude et la fréquence. Enregistrez les relevés de courant et de tension sur l’alimentation CC. Répétez les mesures avec une fréquence d’entrée de cinq kilohertz et observez la différence dans la forme d’onde AC de sortie. Enfin, coupez l’alimentation CC et débranchez les générateurs de fonction du circuit.

La tension de sortie de cet onduleur en demi-pont est une onde carrée d’une amplitude de 1/2 VDC et un certain temps mort, ce qui fait que la tension de sortie est nulle pendant environ 4 % de la période de commutation. Les onduleurs à ondes carrées ont une distorsion harmonique totale élevée et sont rarement utilisés dans des applications réelles. Cependant, ils sont les éléments constitutifs de nombreux onduleurs plus avancés avec de meilleurs schémas de commutation, tels que la modulation de largeur d’impulsion sinusoïdale. Ces méthodes plus sophistiquées réduisent non seulement la distorsion harmonique totale, mais allègent également les exigences de filtrage des harmoniques indésirables dans la tension de sortie alternative.

Les onduleurs sont couramment utilisés dans l’interface entre l’alimentation CC disponible et les applications CA, les équipements et les machines. De grands rayons de cellules solaires produisent maintenant de l’énergie dans de nombreuses régions et contribuent au réseau électrique local. Cependant, les cellules solaires produisent du courant continu, et des onduleurs sont utilisés pour le transformer en courant alternatif avec la tension et la fréquence appropriées pour le réseau. De nombreuses machines utilisent le courant alternatif, mais pas à la fréquence fixe de 120 volts RMS et à la fréquence de 60 hertz de l’alimentation principale. La vitesse du rotor d’un moteur à induction, par exemple, dépend de la fréquence du courant qui l’entraîne. Les variateurs de fréquence utilisent la conversion AC en DC pour générer une alimentation DC interne. Les onduleurs utilisent à leur tour ce courant continu pour générer du courant alternatif avec une tension et une fréquence réglables, ce qui permet de contrôler la vitesse et le couple du moteur à induction.

Vous venez de regarder l’introduction de Jove aux onduleurs monophasés. Vous devriez maintenant comprendre les bases de la conversion DC vers AC et comment la fréquence de la sortie AC peut être ajustée en modifiant la fréquence de commutation. Merci d’avoir regardé.