Onduleur

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 continue. Son fonctionnement est à dissocier des autres convertisseurs comme les convertisseurs AC/AC, les redresseurs (AC/DC) ou encore les convertisseurs DC/DC. Cependant un onduleur peut être associé à d'autres convertisseurs pour en changer la fonction. Le nom anglais de l'onduleur, « inverter », vient du fait qu'historiquement l'onduleur avait la fonction inverse d'un redresseur^[1].

Un onduleur est un appareil d'électronique de puissance permettant de générer toute forme de courant dont, par exemple, un courant alternatif, à partir d'un courant continu^[2],[3],[4].

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 %^[5].

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^[6].

Il existe différents types d'onduleurs :

• les onduleurs de tension et les onduleurs de courant ;
• les onduleurs autonomes et les onduleurs non autonomes^[7].

Onduleurs autonomes

Un onduleur autonome délivre une tension avec une fréquence soit fixe, soit ajustable par l'utilisateur^[7]. 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 télévision 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.

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^[8],[9].
• En France métropolitaine, par exemple, il est possible de vendre l’intégralité de sa production à EDF à un tarif préférentiel^[10] ce qui évite les contraintes du stockage de l’excédent de production.

David Prince serait l'inventeur du terme anglais inverter ( « onduleur » en français). Dans un article de 1925 intitulé « The Inverter »^[11], il en détaille la plupart des éléments constitutifs ainsi que le principe.

À l'origine, le terme inverter aurait été utilisé pour désigner le fonctionnement inverse d'un redresseur (rectifier en anglais). Serait alors apparue la désignation inverted rectification, que l'usage aurait transformée en inverter.

À partir de 1936, le terme inverter est d'un usage courant dans les publications techniques anglophones du monde entier^[12].

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 ${\displaystyle {\frac {2\pi }{3}}}$radians.

Un onduleur Monophasé classique est composé de 4 interrupteurs de puissance (souvent des IGBT avec chacun une diode en anti-parallèle afin d'assurer la bidirectionnalité en courant^[13] (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 :

${\displaystyle m=2{\frac {V}{E_{DC}}}}$

avec :

• ${\displaystyle m}$, l'indice de modulation ;
• ${\displaystyle V}$ l'amplitude du signal désiré ;
• ${\displaystyle E_{DC}}$ la tension de bus continu.

Il est possible d'associer des interrupteurs de puissance (IGBT, MOSFET) en série^[14] (ou en parallèle) afin de pouvoir utiliser des tensions (respectivement des courants) plus élevés. Ces onduleurs se nomment alors convertisseurs multiniveau (multilevel converter en anglais, ou encore MMC dans la documentation technique).

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^[15] 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 être réalisés sous forme de convertisseurs multiniveau. Ce qui permet de mieux contrôler la tension de sortie, de diminuer les harmoniques et surtensions sur la charge^[16]. Le désavantage majeur des MMC est leur coût, surtout dans le cas d'une production à grande échelle. En effet, la structure multiniveau impose d'utiliser plus d'interrupteurs.

Les onduleurs se pilotent via une commande fortement non linéaire^[17]. Cette non-linéarité est due à la structure des onduleurs composés d'IGBT qui ne se pilotent qu'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 question se nomment modulante et porteuse. La modulante étant classiquement, la tension de référence divisée par la tension de bus avec un offset de 0.5, 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%(plus exactement l'indice de modulation maximal est désormais égal à ${\displaystyle m_{max}={\frac {2}{\sqrt {3}}}}$)^[17], par rapport à la MLI à porteuse triangulaire décrite ci-dessus.

De nombreuses techniques de commande ont été développées au fil du temps, leurs différences, avantages et inconvénients 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 ;
• Augmentation de la compatibilité électromagnétique.

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 Multilevel converter (convertisseurs multiniveau). De par leur immense diversité, il n'est pas question de parler de la commande de ces derniers ici.

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. Cette méthode est très peu utilisée en industrie à cause de sa très mauvaise qualité harmonique et de rendement. On lui préfère généralement la SVM ou l'injection d'harmoniques de rang 3.

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. Il est à noter qu'il est impératif que la fréquence des harmoniques ainsi ajoutés soit de rang 3 (ou multiples de 3), afin de garder la symétrie entre les phases de l'onduleur. En effet, ainsi, la somme des trois sinus qui composent le signal reste mathématiquement égal à 0.

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. Bien que cette stratégie soit à l'origine vectorielle, il est aisé de la ramener à une méthode à base de porteuse triangulaire, en calculant la médiane du signal triphasé.

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 !)^[18]. Bien que la puissance des ondes acoustiques soit le même, cette méthode donne l'impression d'un écoulement de sable fin.

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. Les stratégies de DPWM les plus connues sont la DPWM1, DPWM2, DPWM3,DPWMMin ainsi que la DPWMMax

Les stratégies dites hors-ligne (optimal pulse pattern en anglais) ont pour principe de supposer que l'ensemble de la commande est une boite noire, et en fonction de la tension et de la fréquence désirée en entrée, un microprocesseur va lire une table d'angles de commutation afin de réaliser au mieux la commande désirée. Les angles de commutations étant calculés au préalable grâce à des méthodes d'optimisation.

Ces stratégies sont connues en automatique et consistent, sur base de la connaissance du système à commander à générer une MLI. Parmi ces commandes, existe, entre autres, la commande prédictive.

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^[19] ;
• le raccord des panneaux solaires au réseau électrique^[20],[21] ;
• les nombreux dispositifs nécessitant de fonctionner à une fréquence spécifique^[22] :
  • 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^[23],
• 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^[2] ;
• 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^[24] 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 90 kHz), ce qui permet d'utiliser des transformateurs élévateurs de courant nettement plus petits et légers^[c] que ceux employés à la fréquence du réseau, soit 50 ou 60 Hz. Ces machines se caractérisent par un rapport poids / puissance faible, un facteur de puissance élevé et une bonne adéquation en milieu hostile (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 ;
• micro-ondes.

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^[25].

• [vidéo] Incroyables Expériences, « Fabriquer un onduleur - Make an inverter », sur YouTube
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