Onduleurs et formes d’onde

Dans le monde industriel, les entraînements électriques exigent de plus en plus des vitesses variables, à cet effet, le progrès de l’électronique de puissance a permis de développer plusieurs moyens qui assurent des entraînement alternatifs à vitesse variable. Parmi ces moyens, citons les onduleurs autonomes commandés en modulations de largeurs d’impulsion (MLI).

Un onduleur est un convertisseur statique assurant la conversion continu-alternatif. Alimenté en continu, il modifie de façon périodique les connexions entre l’entrée et la sortie et permet d’obtenir de l’alternatif à la sortie.

Il existe des onduleurs à fréquence variable et à fréquence fixe, des onduleurs monophasés et triphasés (Meliani, 2013).

Les onduleurs à fréquence fixe sont utilisés sont principalement utilisés dans les alimentations de secours pour éviter les micro-coupures et dans la conversion des systèmes d’énergie renouvelable (PV, turbine éolienne).

Les onduleurs à fréquence variable sont utilisés particulièrement comme variateur de vitesse pour les moteurs à courant alternatif et particulièrement les moteurs asynchrones.

Classification des onduleurs

Une première classification peut être faite en distinguant : onduleurs non autonome et onduleur autonome.

Entre ces deux types d’onduleurs, il existe un type intermédiaire d’onduleur appelé onduleur à commutation par la charge « ou encore onduleur à résonance » (Muhammad, 1994).

Onduleurs non autonome
Un onduleur est dit non autonome si l’énergie nécessaire pour la commutation des thyristors est fournie par le réseau alternatif qui est donc un réseau actif. C’est le cas du fonctionnement en onduleur des redresseurs. La fréquence et la forme d’onde de la tension sont imposées par le réseau alternatif.

Les onduleurs à résonance
Les onduleurs à résonance sont des onduleurs de tension ou de courant à un créneau par alternance fonctionnant dans des conditions particulières. La charge doit être un circuit oscillant peu amorti. On commande les interrupteurs par une fréquence voisine de la fréquence de résonance de la charge. Si celle- ci varie, il faut faire varier la fréquence de commande. L’onduleur doit donc être piloté par la charge, il n’est plus autonome .(Séguier, 1999) .

Onduleur autonome
Un onduleur autonome est un convertisseur statique assurant la conversion continu-alternatif. Alimenté en continu, il modifie de façon périodique les connexions entre l’entrée et la sortie et permet d’obtenir de l’alternatif à la sortie. Un onduleur autonome dépend essentiellement de la nature du générateur et du récepteur entre lesquels il est monté cela conduit à distinguer :
▪ les onduleurs de tensions.
▪ Les onduleurs de courant (Meliani, 2013).

Les onduleurs multi niveaux

Les onduleurs multi niveaux permettent d’augmenter la tension de sortie des convertisseurs statiques au-delà des limites des semi-conducteurs. Pour les réaliser ou doit disposer de plusieurs sources de tension continue (obtenu par exemple à partir d’un diviseur capacitif).On peut faire apparaître autant de cellules de commutation élémentaires et les associer en les superposant ou en les mettant en cascade. Cela permet de multiplier le nombre de niveau que l’on peut donner à la tension de sortie. Cette dernière est souvent obtenue par une modulation de largeur d’impulsions (MLI). Ces onduleurs sont utilisés pour l’entraînement des moteurs asynchrones de grande puissance, d’autres applications sont possibles pour des moteurs qui tournent à vitesse élevée (> 5000 tr/mn).(seguier et al., 1990) .

Remarque d’ordre général
Le filtrage de la tension ou du courant de sortie d’un onduleur ne délivrant qu’un créneau de tension ou de courant par alternance est difficile et onéreux car le premier harmonique à éliminer (harmonique 3 ou harmonique 5) a une fréquence trop voisine de celle du fondamental. Aussi, on utilise de plus en plus la modulation de largeur d’impulsion. On forme chaque alternance de la tension de plusieurs créneaux rectangulaires de largeurs convenables.

les grandeurs harmoniques

L’énergie électrique est généralement distribuée sous la forme de trois tensions constituant un système sinusoïdal triphasé. Un des paramètres de ce système est la forme d’onde qui doit être la plus proche possible d’une sinusoïde. La correction de la forme d’onde est rendue nécessaire si la déformation dépasse certaines limites, souvent atteintes dans les réseaux possédant des sources de perturbations harmoniques tels que : fours à arc, convertisseurs statiques de puissance, ou encore certains types d’éclairage, etc.

Définition de la notion d’harmonique

C’est une des composantes sinusoïdales de la variation de la grandeur physique possédant une fréquence multiple de celle de la composante fondamentale. L’amplitude de l’harmonique est généralement de quelques pour cent de celle du fondamental.(COLLOMBET et al., 1999) .

Lorsqu’elles sont combinées à la tension ou au courant fondamental sinusoïdal, les harmoniques provoquent la distorsion de la forme d’onde de la tension ou du courant  Les harmoniques sont généralement nommées Hk, où k est le rang de l’harmonique. (“Élimination des harmoniques dans les installations,” 2015)
• IHk ou UHk indique le type d’harmonique (tension ou courant).
• IH1 ou UH1 désigne la tension ou le courant sinusoïdal à 50 ou 60 Hz lorsqu’il n’y a pas d’harmoniques (tension ou courant fondamental). C’est donc le 1er harmonique.