Onduleur

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[alpha 2] : 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.

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 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 :

• m, l'indice de modulation ;
• 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.

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).

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 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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