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].

Description

Un onduleur pour une centrale solaire photovoltaïque.

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^{[alpha 1]}, résistant à des températures de +65 °C, refroidis par convection naturelle de l'air et dont le rendement atteint 95,7 %^[5].

Principe

Schéma de principe d'un onduleur de tension monophasé appliqué sur une charge inductive (AB).

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.

Onduleurs hybrides ou intelligents

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.

Histoire

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].

Fonctionnement technique

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.

Onduleurs monophasés

Structure

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.

Onduleurs multiniveau

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).

Onduleurs triphasés

Structure

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).

Applications

Un onduleur de Toyota Prius.

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^{[alpha 3]} 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.

Notes et références

Voir aussi