Inversez le circuit de rectification, connectez une extrémité au courant continu (DC) et l'autre extrémité peut faire sortir du courant alternatif (AC). Il s'agit d'un onduleur, un appareil qui convertit le courant continu en courant alternatif.
La plupart des charges commerciales, industrielles et résidentielles nécessitent une alimentation CA, mais l'alimentation CA ne peut pas être stockée dans des batteries, et le stockage sur batterie est important pour l'alimentation de secours. De nos jours, ce défaut peut être surmonté par une alimentation DC.
La polarité du courant continu ne change pas avec le temps comme le courant alternatif, de sorte que le courant continu peut être stocké dans des batteries et des supercondensateurs. Nous pouvons donc d’abord convertir le courant alternatif en courant continu, puis le stocker dans la batterie. De cette façon, chaque fois que l’alimentation CA est nécessaire pour faire fonctionner des appareils CA, l’alimentation CC sera reconvertie en alimentation CA pour faire fonctionner les appareils CA.
Selon la source d'entrée, la méthode de connexion, la forme d'onde de la tension de sortie, etc. de l'application, les onduleurs sont divisés dans les 17 catégories principales suivantes.
1. Classer par source d'entrée
L'entrée d'un onduleur peut être une source de tension ou une source de courant, elle est donc divisée en onduleurs à source de tension (VSI) et onduleurs à source de courant (CSI).
Onduleur de source de tension (VSI)
Lorsque l’entrée de l’onduleur est une source de tension continue constante, l’onduleur est appelé onduleur à source de tension.
L'entrée de l'onduleur à source de tension est dotée d'une source de tension continue rigide à impédance nulle. En fait, l’impédance d’une source de tension continue peut être ignorée. En supposant que le VSI est alimenté par une source de tension idéale (source à impédance extrêmement faible), la tension de sortie CA est entièrement déterminée par l'état des dispositifs de commutation de l'onduleur et l'alimentation CC appliquée.
Onduleur de source de courant (CSI)
Lorsque l’entrée de l’onduleur est une source de courant continu constant, l’onduleur est appelé onduleur à source de courant.
Un courant rigide est fourni à partir d'une source d'alimentation CC jusqu'au CSI, où la source d'alimentation CC a une impédance élevée. Habituellement, de grands inducteurs ou des courants de commande en boucle fermée sont utilisés pour fournir des courants rigides. L'onde de courant résultante est rigide et n'est pas affectée par la charge. Le courant de sortie CA est entièrement déterminé par les dispositifs de commutation de l'onduleur et l'état de l'alimentation CC appliquée.
2. Classer par phase de sortie
Selon la tension de sortie et la phase du courant, les onduleurs sont principalement divisés en deux catégories : les onduleurs monophasés et les onduleurs triphasés.
Onduleur monophasé
Un onduleur monophasé convertit l'entrée CC en sortie monophasée. La tension/courant de sortie d'un onduleur monophasé n'a qu'une seule phase et sa fréquence nominale est la tension nominale de 50 Hz ou 60 Hz.
La tension nominale est définie comme le niveau de tension auquel le système électrique fonctionne. Il existe différentes tensions nominales, à savoir 120 V, 220 V, 440 V, 690 V, 3,3 KV, 6,6 KV, 11 kV, 33 kV, 66 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV et 765 kV. Une faible tension nominale peut être directement obtenue grâce à l'utilisation de transformateurs internes ou d'onduleurs avec des circuits élévateurs et abaisseurs, tandis que pour une tension nominale élevée, des transformateurs élévateurs externes sont utilisés.
Les onduleurs monophasés sont utilisés pour les faibles charges. Les pertes monophasées sont plus élevées et le rendement monophasé est inférieur à celui des onduleurs triphasés. Les onduleurs triphasés constituent donc le choix privilégié pour les charges élevées.
Onduleur triphasé
Un onduleur triphasé convertit le courant continu en énergie triphasée. Une alimentation triphasée fournit trois canaux d’alimentation CA avec des angles de phase uniformément séparés. L'amplitude et la fréquence des trois ondes générées à l'extrémité de sortie sont les mêmes, mais varient légèrement en raison de la charge, et chaque onde a un déphasage de 120 degrés entre elles.
Fondamentalement, un seul onduleur triphasé se compose de trois onduleurs monophasés, chacun avec une distance de phase de 120 degrés, et chaque onduleur monophasé est connecté à l'une des trois bornes de charge.
3. Classé par technologie de commutation
Selon la technologie de commutation, il peut être divisé en deux types principaux : les onduleurs à commutation de ligne et les onduleurs à commutation forcée. De plus, il peut y avoir des onduleurs de commutation auxiliaires et des onduleurs de commutation complémentaires, mais comme ils ne sont pas couramment utilisés, nous aborderons ici brièvement les deux principaux types.
Inversion de ligne
Dans ces types d'onduleurs, la tension de ligne du circuit CA peut être obtenue via un équipement ; Lorsque le courant dans le SCR présente des caractéristiques nulles, l'appareil est éteint. Ce processus de commutation est appelé commutation de ligne, et les onduleurs qui fonctionnent selon ce principe sont appelés onduleurs à commutation de ligne.
Commutation forcée
Dans ce type de commutation, il n’y aura pas de point zéro dans l’alimentation. C'est pourquoi certaines sources externes sont nécessaires pour rectifier l'appareil. Ce processus de commutation est appelé commutation forcée, et les onduleurs basés sur ce processus sont appelés onduleurs à commutation forcée.
4. Classé par méthode de connexion
Selon la méthode de connexion des thyristors dans le circuit, il peut être divisé en onduleurs en série, onduleurs parallèles et onduleurs en pont, parmi lesquels les onduleurs en pont sont ensuite divisés en demi-pont, pont complet et pont triphasé.
Onduleur série
Un onduleur en série se compose d'une paire de thyristors et de circuits RLC (résistance, inductance et capacité). Un thyristor est connecté en parallèle avec le circuit RLC et un thyristor est connecté en série entre l'alimentation CC et le circuit RLC. Ce type d'onduleur est appelé onduleur série car la charge est directement connectée en série à la source d'alimentation CC à l'aide de thyristors.
Les onduleurs en série sont également appelés onduleurs à auto-commutation car les thyristors de ce type d'onduleur sont auto-commutés par la charge. Un autre nom pour cet onduleur est « onduleur à commutation de charge ». La raison pour laquelle on donne ce nom est que LCR est une charge qui assure la commutation.
Onduleur parallèle
Un onduleur parallèle se compose de deux thyristors, d'un condensateur, d'un transformateur à prise centrale et d'une inductance. Les thyristors sont utilisés pour fournir un chemin pour le flux de courant, tandis que les inductances sont utilisées pour maintenir la source de courant constante. La conduction et la désactivation de ces thyristors sont contrôlées par les condensateurs de commutation connectés entre eux.
On l'appelle onduleur parallèle car en fonctionnement, le condensateur est connecté en parallèle à la charge via un transformateur.
Onduleur demi-pont
Un onduleur en demi-pont nécessite deux commutateurs électroniques pour fonctionner. Les commutateurs peuvent être des MOSFET, des IJBT, des BJT ou des thyristors.Un demi-pont avec thyristors et commutateurs BJT nécessite deux diodes supplémentaires, sauf pour les charges résistives pures, tandis que les MOSFET ont des diodes intégrées. Bref, deux interrupteurs suffisent pour répondre à des charges purement résistives, alors que les autres charges (inductances et condensateurs) nécessitent deux diodes supplémentaires. Ces diodes sont appelées diodes de rétroaction ou diodes de roue libre.
Le principe de fonctionnement d'un onduleur en demi-pont est le même pour tous les interrupteurs, mais nous discutons ici d'un demi-pont avec des interrupteurs à thyristors. Il existe deux thyristors complémentaires, ce qui signifie conduire un thyristor à la fois. Pour les charges résistives, le circuit fonctionne selon deux modes. La fréquence de commutation déterminera la fréquence de sortie. Lorsque la fréquence de sortie est de 50 Hz, chaque thyristor conduit une fois pendant 20 ms.
Onduleur en pont complet
Un onduleur monophasé en pont complet dispose de quatre commutateurs contrôlés utilisés pour contrôler la direction du flux de courant dans la charge. Ce pont dispose de 4 diodes de rétroaction qui peuvent renvoyer l'énergie stockée dans la charge vers l'alimentation. Ces diodes de rétroaction ne fonctionnent que lorsque tous les thyristors sont désactivés et que la charge n'est pas une charge purement résistive.
Pour n'importe quelle charge, seuls 2 thyristors fonctionnent à la fois. Les thyristors T1 et T2 conduiront dans un cycle, tandis que T3 et T4 conduiront dans un autre cycle. Autrement dit, lorsque T1 et T2 sont à l'état ON, T3 et T4 sont à l'état OFF, tandis que lorsque T3 et T4 sont à l'état ON, les deux autres sont à l'état OFF. L'ouverture simultanée de deux ou plusieurs thyristors peut provoquer un court-circuit, générer une chaleur excessive et griller immédiatement le circuit.
Onduleur en pont triphasé
Les charges industrielles et autres charges lourdes nécessitent une alimentation triphasée. Afin de faire fonctionner ces lourdes charges à partir de périphériques de stockage ou d'autres sources d'alimentation CC, un onduleur triphasé est nécessaire. Un onduleur en pont triphasé peut être utilisé à cet effet.
Un onduleur en pont triphasé est un autre type d'onduleur en pont, composé de 6 interrupteurs commandés et de 6 diodes, comme le montre la figure.
5. Classé par mode de fonctionnement
Selon le mode de fonctionnement, les onduleurs sont divisés en trois catégories principales :
Onduleur indépendant
L'onduleur indépendant est directement connecté à la charge et ne sera pas interrompu par d'autres sources d'alimentation. Onduleur indépendant ou « onduleur en mode hors réseau », l'onduleur alimente la charge de manière indépendante sans être affecté par le réseau ou d'autres sources d'énergie.
Ces onduleurs sont appelés onduleurs en mode hors réseau car ils ne sont pas affectés par le réseau électrique public. Ces onduleurs ne peuvent pas être connectés au réseau électrique public car ils n'ont pas de capacité de synchronisation, la synchronisation étant le processus d'adaptation de la phase et de la fréquence nominale (50/60 Hz) de deux sources d'alimentation CA.
Onduleur connecté au réseau
Les onduleurs connectés au réseau ou connectés au réseau (GTI) ont deux fonctions principales. Une fonction des onduleurs connectés au réseau est de fournir de l'énergie CA à partir de dispositifs de stockage (sources d'alimentation CC) aux charges CA, tandis qu'une autre fonction des onduleurs connectés au réseau est de fournir une puissance supplémentaire au réseau.
Les onduleurs connectés au réseau, également appelés onduleurs interactifs pour services publics, onduleurs d'interconnexion au réseau ou onduleurs à rétroaction sur le réseau, synchronisent la fréquence et la phase du courant pour s'adapter au réseau électrique. En augmentant le niveau de tension de l'onduleur, l'énergie est transmise de la source d'alimentation CC au réseau électrique public.
Onduleur double crête
L'onduleur Dual Peak peut fonctionner à la fois comme onduleur connecté au réseau et comme onduleur indépendant. Ces onduleurs peuvent injecter de l'énergie supplémentaire provenant de sources d'énergie renouvelables et de dispositifs de stockage dans le réseau, et récupérer de l'électricité du réseau lorsque l'énergie générée par les énergies renouvelables est insuffisante. En d’autres termes, ces onduleurs peuvent fonctionner comme des onduleurs indépendants et des onduleurs connectés au réseau en fonction des exigences de la charge. Les onduleurs Dual Peak sont multifonctionnels et incluent les fonctions d'onduleurs indépendants et d'onduleurs connectés au réseau.
La fonction d'un onduleur à double crête varie en fonction de la charge. S'il y a un problème avec le réseau électrique ou lorsque la puissance de l'énergie renouvelable est suffisante pour répondre à la charge, sa fonction sera modifiée en onduleur indépendant (il deviendra un onduleur indépendant). Dans ce cas, le commutateur de transfert déconnectera l’onduleur du réseau.
Une fois que les énergies renouvelables commenceront à générer de l’énergie supplémentaire, le mode de fonctionnement passera du mode indépendant au mode connecté au réseau. L'onduleur synchronise sa phase et sa fréquence avec l'onduleur et commence à injecter de l'énergie supplémentaire dans le réseau.
6. Classer par forme d'onde de sortie
L'onduleur idéal fait référence à un onduleur qui convertit les signaux CC en sorties CA purement sinusoïdales. Le problème avec les onduleurs actuels est que leurs signaux de sortie ne sont pas purement sinusoïdaux. Selon la forme d'onde de sortie, les onduleurs sont divisés en trois catégories :
Onduleur à onde carrée
Ce sont les onduleurs les plus simples pour convertir le courant continu en courant alternatif, mais la forme d'onde de sortie n'est pas l'onde sinusoïdale pure requise. Ces onduleurs ont des ondes carrées à l'extrémité de sortie. En d’autres termes, ces onduleurs convertissent l’entrée DC en AC sous forme d’ondes carrées. Parallèlement, les onduleurs à onde carrée sont également moins chers.
La structure la plus simple de ces onduleurs peut être un onduleur en pont en H. Comme le montre la figure, l'utilisation de commutateurs SPDT (single push double throw) avant le transformateur permet d'obtenir une version plus simple. Ce transformateur aidera également à atteindre n'importe quel niveau de tension de sortie souhaité.
Le fonctionnement d'un modèle donné est extrêmement simple. Le simple fait d'allumer et d'éteindre l'interrupteur modifiera simultanément le courant à la borne de sortie. En d'autres termes, la commutation unipolaire bidirectionnelle à la fréquence souhaitée générera des ondes carrées CA à la sortie d'un onduleur typique (c'est-à-dire un transformateur à prise centrale). La distorsion harmonique d'une onde sinusoïdale typique est d'environ 45 %, ce qui peut être encore réduit en utilisant des filtres pour filtrer certaines harmoniques.
Onduleur quasi sinusoïdal
Onduleur quasi sinusoïdal, également connu sous le nom d'onduleur à onde sinusoïdale modifiée avec ondes sinusoïdales échelonnées. En d’autres termes, les signaux de sortie de ces inverseurs augmentent progressivement en polarité positive. Après avoir atteint le pic positif, le signal de sortie diminue progressivement jusqu'à atteindre le pic négatif, comme le montre la figure.
La structure d'un onduleur quasi sinusoïdal est beaucoup plus simple qu'un onduleur à onde sinusoïdale pure, mais plus complexe qu'un onduleur à onde carrée pure.
Bien que la forme d'onde de sortie finale de ces onduleurs ne soit pas une onde sinusoïdale pure, la distorsion harmonique de la sortie est néanmoins réduite à 24 %. Le filtrage réduira davantage la distorsion, mais la quantité de distorsion reste importante. Pour cette raison, ces onduleurs ne constituent pas le choix privilégié pour piloter diverses charges, notamment des circuits électroniques.
Les ondes quasi sinusoïdales peuvent endommager de façon permanente les appareils électroniques dotés de minuteries dans le circuit. S'ils sont connectés à un onduleur quasi sinusoïdal, tous les appareils électriques équipés de moteurs ne fonctionneront pas aussi efficacement que ceux connectés à un onduleur à onde sinusoïdale pure. De plus, des transitions rapides de forme d’onde peuvent provoquer du bruit. En raison de ces problèmes, l’application des onduleurs quasi sinusoïdaux est limitée.
Onduleur à onde sinusoïdale pure
Un onduleur sinusoïdal pur convertit le courant continu en courant alternatif sinusoïdal presque pur. La forme d'onde de sortie d'un onduleur à onde sinusoïdale pure n'est toujours pas une onde sinusoïdale idéale, mais elle est beaucoup plus fluide que les onduleurs à onde carrée et quasi sinusoïdale.
La forme d'onde de sortie d'un onduleur à onde sinusoïdale pure présente des harmoniques extrêmement faibles. Les harmoniques sont des ondes sinusoïdales avec des multiples impairs de la fréquence fondamentale de différentes amplitudes. Les harmoniques sont très impopulaires car elles peuvent causer de graves problèmes avec divers appareils électriques. En utilisant diverses techniques PWM puis en faisant passer le signal de sortie à travers un filtre passe-bas, ces harmoniques peuvent être encore réduites.
La construction et le fonctionnement des onduleurs à onde sinusoïdale pure sont beaucoup plus complexes que ceux des onduleurs à onde carrée et à onde carrée modifiée.
Ces onduleurs sont supérieurs aux deux premiers onduleurs car la plupart des équipements électriques nécessitent des ondes sinusoïdales pures pour mieux fonctionner. Comme mentionné précédemment, les onduleurs à onde carrée ou quasi sinusoïdale peuvent endommager les appareils électriques, en particulier ceux équipés de moteurs. Par conséquent, pour une utilisation pratique, un inverseur sinusoïdal pur est utilisé.
7. Classé par le nombre de niveaux de sortie
Le niveau de sortie de n'importe quel onduleur peut être d'au moins deux ou plus. Selon le nombre de niveaux de sortie, les onduleurs sont divisés en deux catégories : les onduleurs à deux niveaux et les onduleurs à plusieurs niveaux.
Onduleur à deux niveaux
Un onduleur à deux niveaux possède deux niveaux de sortie. La tension de sortie alterne entre positive et négative et alterne à la fréquence fondamentale (50 Hz ou 60 Hz).
Certains « onduleurs à deux niveaux » ont trois niveaux dans leur forme d'onde de sortie. La raison pour laquelle les onduleurs à trois niveaux sont classés dans cette catégorie est que l'un des niveaux est une tension nulle. En fait, zéro est le troisième niveau, mais il est toujours classé comme onduleur à deux étages.
Un circuit inverseur à deux niveaux se compose d'une source et de quelques commutateurs qui contrôlent le courant ou la tension. En raison des limitations des pertes de commutation et des caractéristiques nominales des appareils, le fonctionnement haute fréquence des onduleurs à deux niveaux dans les applications haute tension est limité. Cependant, la valeur nominale du commutateur peut être augmentée grâce à des combinaisons en série et en parallèle. Le groupe de commutateurs qui fournissent un demi-cycle positif dans un onduleur à deux niveaux est appelé commutateur de groupe positif, tandis que l'autre groupe de commutateurs qui fournissent un demi-cycle négatif est appelé commutateur de groupe négatif.
Pour les raisons suivantes, un onduleur à deux niveaux n'est pas préférable. Les onduleurs nécessitent un nombre minimum de commutateurs et de sources d'alimentation pour fonctionner et convertir l'énergie par petits pas de tension. Un pas de tension plus petit fournira des formes d'onde de haute qualité. En outre, il peut également réduire les contraintes de tension (dv/dt) et les problèmes de compatibilité électromagnétique sur la charge. Les onduleurs multiniveaux constituent donc le premier choix le plus pratique.
Onduleur multi-niveaux (MLI)
Un onduleur à plusieurs niveaux convertit les signaux CC en formes d'onde échelonnées à plusieurs niveaux. La forme d'onde de sortie d'un onduleur à plusieurs niveaux n'est pas une alternance directement positive et négative, mais une alternance à plusieurs niveaux. En raison du fait que la douceur de la forme d’onde est directement proportionnelle au nombre de niveaux de tension. Par conséquent, les onduleurs à plusieurs niveaux produiront des formes d’onde plus fluides. Comme mentionné précédemment, cette caractéristique le rend adapté aux applications pratiques.
Conclusion:
Cet article présente 17 principaux types d'onduleurs, mais en fait, il existe de nombreuses autres classifications d'onduleurs. Par exemple, les onduleurs multiniveaux peuvent également être divisés en onduleurs à condensateur volant (FCMI), onduleurs à diode (DCMI) et onduleurs à pont en H en cascade.
D'un point de vue pratique, les onduleurs triphasés conviennent aux applications à charge élevée, les onduleurs sinusoïdaux purs peuvent mieux protéger les appareils électriques et les onduleurs multiniveaux sont des choix plus pratiques.