Onduleur MLI, pseudo sinus

Sommaire de ce cours :

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Onduleur Pseudo-Sinus en MLI (PWM)

Onduleur MLI brut puis MLI filtré

Vidéo et photo de MLI en triphasé MLI triphasée

fournie par un convertisseur de fréquence : variateur de vitesse pour moteur triphasé (asynchrone ou synchrone) constitué d'un redresseur puis de 3 onduleurs déphasés de 120°...

Avantages inconvénients versus découpage du sinusoïdal

Avantages de la MLI, Rapport cyclique variable

Fréquence libre, jusqu'à > 1 MHz, plus de souci d'inertie
Très précis : 10.0% du temps de conduction Us = 10.0% de Ue !
Absolument linéaire : on part d'un courant continu lisse
Très rapide de par la fréquence de découpage réglable

Inconvénients de la MLI

Génère des parasites Haute Fréquence : souci en CEMVoir nos cours sur la compatibilité électromagnétique
Complexe à maintenir, dépanner
Encore plus coûteux pour les applications domestiques

Avantages des gradateurs

Simples, robustes et peu coûteux
Parasites Basse Fréquence, plus faciles à maîtriser pour les non électroniciens
Facile à maintenir, réparer

Inconvénients des gradateurs

Toléré uniquement par des process lents (moteurs, résistances)
Fonction sinus : 10% de retard de Us qui n'est pas du tout égal à 10% de Ue !
Bruyant : le découpage du 50 Hz est audible, cela peut gêner...

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Pourquoi et comment la MLI ?

Réaliser un tel signal, une sinusoïde bien propre, est techniquement possible ! Mais à partir de la tension continue en pointillés, toute la surface rouge est perdue en pertes Joule dans les transistors, avec un rendement d' ≃ 50% : inacceptable Sur un amplificateur audio haute-fidélité, perdre 50% de 100 Watts, n'est pas dramatique mais dans un variateur 100 kW, perdre 50 kW et les dissiper n'est ni responsable ni envisageable !
(bien des amplificateurs audio fonctionnent aujourd'hui en classe D et donc en MLI !)!

L'idée consiste à réaliser un échantillonnage (le signal gris en escalier), on mesure le signal à reproduire X fois par seconde. Ce procédé était déjà utilisé dans les premiers CD audio qui ont succédé aux vinyles...

Ici l’échantillonnage est plus fin, sa fréquence est plus grande mais le bon choix est un compromisPour un CD : 44.1 kHz, à peine 2 fois le son le plus élevé à reproduire c'est peu mais dû aux supports de l'époque peu capables de stocker plus de données !. Pour les variateurs un découpage trop rapide augmente les pertes par commutationChaque transition coûte un peu d'énergie : plus elles sont nombreuses, plus les transistors chauffent. Les fabricants imposent alors un déclassement : intensité admissible réduite au-delà de quelques kHz ! dans les transistors du variateur...

L'escalier en gris est converti pour chaque marche en son équivalent MLI (voir en connexes le cours découper commuter). Ainsi, le signal bleu est généré...

Voici notre signal MLI en bleu, qui une fois intégré ou filtré MLI filtrée

Avec bobines et condensateurs, vu en vidéo, on lisse la MLI pour s'approcher du signal d'origine, les pertes sont faibles ≃ 10%.
Mais les moteurs ne bénéficient pas souvent de tels filtres qui protègent bien des parasites : voir cours CEM, car de par leur inertie ils l'intègrent et font naturellement la 'moyenne' de la MLI...
reproduira le signal d'origine en vert ! Ici le vrai signal MLI MLI convertisseur de fréquence

Voici une MLI fournie par un convertisseur de fréquence, on notera que la fréquence d'échantillonnage est élevée : ici 20 kHz pour reproduire du 50 Hz : 400 mesures par période !
d'un variateur (ou onduleur pseudo-sinus).

Enfin le signal final, avec les alternances positives et négatives !

Onduleur MLI triphasé

Ci-dessus le signal issu d'un onduleur triphasé :

Les 3 onduleurs en sortie d'un convertisseur de fréquence aussi nommé variateur de vitesse pour moteur asynchrone.

La MLI/PWM en action !

Lorsque la fréquence diminue, la tension doit elle aussi diminuer (loi U/f), c'est en modifiant le temps de conduction que le variateur permet cela en mode commutation. Jouez avec le curseur sous la sinusoïde :

Impulsions larges au sommet de l'alternance, fines aux bords : leur moyenne dessine la sinusoïde.

Vous devez retrouver le même élargissement des impulsions que dans la vidéo à ceci près que cette animation pédagogique ne représente que 7 cycles (impulsions) par alternance.
Le nombre de cycles dépend de la durée et donc de la période de la fréquence de modulation de largeur d'impulsion. Plus la fréquence est élevée, plus fine sera la reproduction du signal visé (le sinus). Toutefois une fréquence élevée procure un plus mauvais rendement (pertes lors des transitionsLors des passages de 0 à 1 et 1 à 0 (ouvert vers fermé et l'inverse), les transistors sont dans une zone résistive très brève car liée à leur temps de commutation mais moins négligeable quand la fréquence et donc le nombre de transitions augmente... Voir Conseil+ en fin de cours) et diminue la puissancePour ne pas surchauffer, le variateur doit alors être déclassé : les fabricants réduisent l'intensité admissible quand la fréquence de découpage augmente, voir la documentation.
Le moteur, lui, ne voit que la fondamentale (50 Hz...) : son impédance n'en dépend pas disponible pour le moteur.
Voici ci-dessous l'animation d'un onduleur pseudo-sinus, la version interactive est ci-dessus !

Alternance provenant d'un convertisseur variateur de fréquence MLI 60 Hz à 2 kHz de découpage

réglé à 60 Hz pour 2 kHz de découpage :
Soit ≃ 17 impulsions par alternance.

MLI, choix de fréquence et loi U/f, filtrage SINUS

Vidéo mettant en évidence la loi U/f avec mesure RMS et oscilloscope.
Puis avec le filtrage du signal par un filtre : élément blindé LC.

Choisir un onduleur de secours, sinus pur ou pseudo-sinus, le convertisseur 12 V vers 230 V et sa sécurité : tout est dans Aller plus loin, en fin de cours !