Convertisseur
vers 240V 50Hz
Electricité
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Le convertisseur électrique (inverter ou onduleur) transforme le courant continu en alternatif qui peut être utilisé par des appareils ménagers.
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Le convertisseur électrique transforme le courant d'une batterie, d'un panneau solaire ou d'un générateur non-synchronisé en 240V 50Hz qui peut être utilisé localement ou qui peut être injecté sur le réseau. On utilise également le terme de onduleur ou inverter.

Cela semble à première vue assez simple, mais cela ne l'est pas! Il y a tout d'abord la pléthore de convertisseurs: un convertisseur de camping-car pour transformer le 24V en 240V pour alimenter la télé et charger des smartphones n'est pas la même chose qu'un convertisseur pour transformer le courant continu d'un panneau solaire et l'injecter sur le réseau.

Mais tous les convertisseurs sont composés des éléments qui doivent effectuer les opérations suivantes:
  • Transformer le continu en alternatif
  • Augmenter ou diminuer la tension
Commençons par un circuit de base (onduleur direct).
  • La batterie fournit la tension continue, par exemple 24V
  • Un oscillateur transistorisé transforme le continu en alternatif 50Hz (comment cela est réalisé est expliqué plus loin)
  • Un transformateur transforme la basse tension en tension de 240V pour alimenter les appareils.
Disons-le toute suite, ce type de convertisseur n'est plus tellement utilisé. On l'a beaucoup utilisé dans les années 1970 - 1980, maintennant on ne le retrouve plus que dans certaines installations fixes, par exemple les gros onduleurs montés à demeure près de certains ordinateurs (serveurs), dans certains blocs opératoires,...

Ce type d'onduleur produit un signal assez "propre" (on va en parler plus loin) et peut résister à une surcharge. Le circuit transistorisé alimente un transformateur qui va absorber les pics à la commutation, et s'il y a un cours-circuit au secondaire, la résistance des bobinages va limiter le courant total.

Mais l'onduleur nécessite un transformateur assez gros, pour une puissance de 1kVA il faut compter un poids de transfo de 10kg. Le rendement est assez moyen. Comme le transfo est alimenté avec une tension en créneaux, il produit un bruit assez prononcé et doit être surdimensionné par rapport à un transformateur classique.

Ce type d'onduleur est le seul qui puisse alimenter sans aucun problème des charges complexes, comme par exemples des moteurs au démarrage laborieux. Il peut momentanément fournir une puissance plus élevée que la puissance nominale.

Ce type de convertisseur est cher et il a été remplacé par des convertisseurs meilleur marchés. Bien que ces comvertisseurs soient beaucoup plus compliqués, ils sont moins chers. Pour le prix d'un transformateur 50Hz on peut acheter des centaines de circuits intégrés.

Dans ce type de convertisseur, on utilise également un oscillateur, mais il travaille à une fréquence plus élevée, par exemple 40kHz (d'autres fréquences sont possibles). L'avantage, c'est qu'on peut utiliser un transformateur bien plus petit. Pour une puissance de 1kVA, le poids est inférieur à 1kg. Le transformateur produit à nouveau une haute tension de 240V, mais la fréquence n'est pas adaptée à notre réseau.

On va redresser la tension alternative et la filtrer, et puis l'envoyer à un circuit onduleur qui va à nouveau en faire de l'alternatif.

Pont en H

Le circuit onduleur est généralement un pont en H composé de 4 transistors, la sortie est au centre, entre le connecteur cyan et magenta. Sur la sortie du pont en H, on branche soit le transformateur (pont en H à basse tension) soit la charge (pont haute tension).

Ce sont alternativement les transistors S1 et S4 qui sont fermés (cyan positif et magenta à la masse) puis S2 et S3 qui sont fermés (magenta positif et cyan à la masse). La tension en sortie correspond à la première image d'oscilloscope. C'est le circuit d'oscillateur basique.


Lors de la commutation, il y a un court instant où tous les transistors sont hors conduction. Cela permet d'éviter le claquage des transistors par conduction verticale (S1 vers S2 et S3 vers S4).

Dans les circuits plus haut de gamme, on va prévoir un temps mort relativement important. Cela permet d'approcher (de très loin) la forme idéale du sinus. Ce système permet en plus de moduler la tension effective (et donc la puissance) en augmentant ou en réduisant le temps actif par rapport au temps mort (rapport cyclique). On peut ainsi compenser la tension de la batterie qui n'est pas constante ou les pertes plus importantes quand la consommation est plus élevée (le rapport de transformation du transfo est fixe). C'est la seconde image de l'oscilloscope.

Dans un circuit encore plus haut de gamme, on utilise plusieurs tensions d'alimentation, par exemple +120V et -120V, mais également +80V et -80V. On fait ici commuter la tension de sortie entre +120V et -120V (sortie = +240V), puis +80V et -80V (+160V), ouvert (0V), -80V et +80V (-160V), +120V et +120V (-240V) et ainsi de suite. La tension en sortie ressemble un peu plus à un sinus.

Il n'est pas possible de produire un vrai sinus avec des transistors qui entrent graduellement en conduction, car dans le meilleur des cas il y aurait 25% de pertes dans les transistors. Alimenter une charge de 1000W produirait une dissipation dans les transistors de 250W. C'est une formule qui n'est jamais utilisée.

Par contre, dans certaines alimentations, on va utiliser un pont en H simple, mais qui travaille à une haute fréquence. La charge n'est pas directement connectée à la sortie, mais via une self-induction qui va lisser le courant. Le rapport cyclique haute fréquence n'est pas constant et permet d'approcher la sinusoidale par lissage dans la self. La tension obtenue est indiquée par la courbe cyan. Elle ressemble d'autant plus à la sinusoïdale idéale que la fréquence de commutation est élevée. La fréquence de commutation doit être au moins 10× supérieure à la fréquence de réseau.

Ce système permet de produire en sortie un signal pratiquement sinusoidal, mais nécessite une tension d'alimentation plus élevée, par exemple 450V pour obtenir 240V. La chute de tension de près de 200V n'est pas une perte car la self-induction ne se comporte pas comme une résistance ohmique. Mais les pertes sont un peu plus élevées qu'avec un circuit plus simple (pertes à la commutation dans les transistors et pertes par la résistance ohmique de la self). Dans un circuit bien dimensionné, les pertes peuvent être très faibles, généralement infrieures à 5%.

Image d'oscilloscope: au dessus, le signal effectif présent à la sortie d'un onduleur, la tension est de 240Vpp. Pendant un court instant, les deux branches du pont en H sont ouvertes pour empècher les courants de cours-circuit. A ce moment, le circuit n'a plus aucun controle sur la tension de sortie, qui est uniquement limitée par des diodes de roue libre.

En dessous, il y a le signal d'horloge pour générer le signal de commande.

Alternatives au pont en H

Le pont en H peut être utilisé dans de nombreuses applications, par exemple la commande de moteurs à courant continu. Dans les alimentations, le pont peut aussi bien être utilisé pour les basses tensions (par exemple batterie de 24V pour alimenter un transfo) que pour les tensions élevées (transformation du continu en alternatif dans un variateur de fréquence). On l'utilise à basse et à haute fréquence.

Mais dans les alimentations basse puissance, un pont en H est un overkill et on peut utiliser d'autres circuits:

  • Transformateur avec prise médiane
    Ce circuit était souvent utilisé car il permettait une commande très aisée des transistors de puissance. En effet, l'émetteur des deux transistors est à la masse et la commande est positive sur la base. Le circuit est moins effectif car on n'utilise à chaque fois que la moitié du primaire du transfo.

    Les "boosters" pour autoradios étaient équippés d'un tel convertisseur pour augmenter la tension de la batterie jusqu'à 50V pour alimenter l'ampli audio. Avec une tension de 12V et des haut parleurs de 4Ω il n'est pas possible de produire plus de 20W. Certaines alimentations de secours utilisaient également un tel principe.

  • Demi pont en H
    Un schéma qui est très souvent utilisé quand la puissance à fournir est moyenne et ne nécessite pas un pont complet. Les condensateurs de filtrage qui sont de toute façon nécessaires produisent un niveau zéro virtuel. Les transistors de puissance sont commandés avec un transformateur d'impulsion (secondaire entre base et émetteur). Comme dans tous les montages en H, il est important que les deux transistors ne soient pas simultanément en conduction.

    Les alimentations d'ordinateurs de bureau utilisent souvent un demi-pont en H: la puissance nécessaire ne nécessite pas l'utilisation d'un pont complet.

  • Transformateur sans prise médiane
    Il s'agit du schéma 1, mais avec un seul transistor de commutation. Quand la puissance nécessaire est limitée, on peut utiliser un seul transistor. La commande est également simplifiée. On doit utiliser un transformateur adapté (avec petit entrefer) pour éviter la saturation magnétique. Les montages asymmétriques ont un moins bon rendement que les montages symmétriques. En cas de panne (cours-circuit du transistor de commutation) le transformateur reste saturé à cause du fort courant qui a circulé et il faut remplacer toute l'alimentation.

    On utilise ces alimentations pour les petits consomateurs: les magnétoscopes (ah! l'époque du VHS... J'en ai réparé des milliers), les petits chargeurs de batterie, les alimentations de portables,... Ces alimentations fournissent du continu, mais on utilise un convertisseur pour réduire la tension (alimentation à découpage). Une des caractéristiques de ces convertisseurs est que la charge doit également être asymmétrique (on ne peut prélever du courant que quand le transistor est hors conduction.

Types d'onduleurs

Mettons maintenant en pratique ce que nous avons apris, et indiquons quels types d'onduleur sont utilisés dans quelles situations:
:1: Onduleur direct
Ce sont les onduleurs à simple pont en H où le transfo fonctionne à 50Hz et produit directement la haute tension

Ce type d'onduleur n'est plus utilisé que dans certaines applications professionelles. Bien que les transistors fonctionnent en tout-ou-rien, le signal en sortie se rapproche du sinus par l'action du transformateur. Ce type d'onduleur est généralement surdimensionné (applications critiques) et résiste bien aux surcharges. Quand une installation existante doit être remplacée, on la remplace par une installation de type 3.

:2: Onduleur à deux ponts en H
Le premier pont produit la haute fréquence, le transfo transforme la basse tension en haute tension, et le second pont transforme la haute tension en tension alternative

C'est l'ondulateur ménager typique, utilisé pour fournir le 240V dans les caravanes. Certains petits groupes électrogènes nomades utilisent également un convertisseur pour permettre d'utiliser un plus petit moteur qui ne doit pas tourner à la fréquence du réseau. Ce type d'onduleur a une réserve de puissance très limitée. Un onduleur de 500W ne permet pas de faire démarrer un moteur de frigo de 150W car au démarrage ce moteur consomme plus de 500W.

:3: Onduleur à deux ponts H haute fréquence
Le second pont travaille également en haute fréquence, avec lissage du signal par self en sortie.

C'est actuellement le type d'onduleur le plus professionnel. Le signal en sortie a une forme assez sinusoidale. Il est utilisé dans les convertisseurs pour panneaux solaires avec connection au réseau, dans les onduleurs de type "grid former" (onduleur de puissance élevée qui permet de créer un réseau local). Les variateurs de fréquence (VFD) utilisent également un tel type de convertisseur, mais ici c'est le moteur qui agit comme self-induction pour lisser le courant. La fréquence de commutation est d'environ 4kHz pour limiter la propagation de parasites de commutation via les cables qui agissent comme antennes (parasites dans la bande radio).

Plus la fréquence de commutation est élevée, et plus on peut utiliser des transformateurs et des selfs de petite taille. Il y a malgré tout une limite à la fréquence utilisée, car les pertes à la commutation et les pertes dans les transformateurs augmentent à nouveau à partir d'une certaine fréquence.

Liens:

Onduleurs pour éoliennes et PV

Les panneaux photo-voltaïques (et les éoliennes à courant continu) fournissent déjà une tension élevée. Il ne faut donc pas de premier étage éleveur de tension. Par contre, la tension n'est pas très stable. Elle est de plus de 350V pour un panneau solaire en plein soleil. Or pour produire du 240V 50Hz monophasé pour injecter dans le réseau, il faut une tension de 336V. Pour limiter la tension injectée sur le réseau, on limite le rapport cyclique du signal haute fréquence. Cela permet également d'améliorer le rendement des panneaux photo-voltaïques (MPPT ou Maximum Power Point Tracker).

Il en va de même pour les éoliennes, mais le point de fonctionnement garantissant le meilleur rendement est différent.

Pour alimenter les moteurs des voitures électriques, on utilise également un onduleur qui permet de fournir la tension et la fréquence adaptée à la marche du véhicule. Il permet également le freinage avec récupération d'énergie.

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