Le convertisseur continu - alternatif : L’onduleur à fréquence variable

La méthode la plus utilisée pour varier la vitesse d’un moteur triphase est sans aucun
doute celle utilisée par l’onduleur autonome à fréquence variable.

Dans ce type de variateurs, différents montages sont utilisés, et chacun d’eux présente
des avantages et des inconvénients selon le domaine d’application. On retrouve :

•  l’onduleur autonome à source de tension ;
•  l’onduleur à modulation de largeur d’impulsion (M LI) .

1 L’onduleur autonome à source de tension

Ce variateur de vitesse est constitué d’un redresseur triphasé à thyristors complétement
commandés, suivi d’un filtre de tension (inductance et condensateur) et d’un onduleur
autonome à thyristors ou à transistors (Figure 1).

FIGURE 1 ONDULEUR À TENSION VARIABLE

Afin de maintenir un couple constant à la charge, le redresseur fournit à l’onduleur une
tension qui est proportionnelle à la fréquence.  Le rapport entre la tension et la fréquence est
un paramètre qu’il est possible d’ajuster selon l’application..

La Figure 2 montre la courbe tension-fréquence pour un fonctionnement normal, la
tension augmente de façon linéaire jusqu’à la fréquence nominale (50H) et reste constante au-
dessus de 50Hz. De 0 à 50Hz, on a un fonctionnement en couple constant et lorsque la
fréquence est supérieure à 50Hz, le couple diminue mais la puissance reste constante.

FIGURE 2 COURBE TENSION-FRÉQUENCE

La commutation de l’onduleur autonome produit aux bornes du moteur une tension alternative de 

forme rectangulaire. La durée de chaque alternance est de 120°, et l’amplitude augmente

avec la fréquence.

La Figure 3 représente la forme d’onde entre deux phases du moteur.

FIGURE 3 FORME D’ONDE DE SORTIE D’UN ONDULEUR À TENSION VARIABLE

L’action de l’onduleur peut être simulé par trois interrupteurs de la Figure 4. La
séquence d’ouverture et de fermeture qui est réglée par l’unité de commande est donné au
Tableau 5.1. La séquence de commutation se fait en6 étapes (intervalle de 60°), après quoi le
cycle recommence. Les tensions alternatives qui en résultent sont montrées à la Figure 5.

FIGURE 4 CIRCUIT ÉQUIVALENT DE L’ONDULEUR

FIGURE 5 TENSION AUX BORNES DU MOTEUR 

Ce système d’entraînement permet de faire varier simultanément la vitesse de
plusieurs moteurs. Il peut alimenter des moteurs asynchrones et synchrones. Dans ce dernier
cas, on peut faire varier la vitesse d’un groupe de moteurs avec grande précision.

En pratique, la vitesse est variable dans un rapport de 1 à 10. Les moteurs ont une
capacité typique comprise entre 15Kw et 230Kw.

2 L’onduleur autonome à modulation de largeur d’impulsion (MLI)

Les onduleurs à source de tension génèrentdes tensions et des courants dont la
composante harmonique est relativement élevée. Ces harmoniques produisent des couples
pulsatifs. Quand le moteur tourne à une vitesse relativement élevée, ces pulsations sont
amorties par l’inertie mécanique. Cependant, à basse vitesse, elles peuvent produire une
vibration considérable. Dans certaines applications, comme les machines outils, ces vibrations
sont inacceptables si la haute précision  est recommandée. Dans ce cas, un système
d’entraînement utilisant un onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) est la
solution.
Ce type de variateur est composé (Figure 6) d’un pont redresseur qui produit une
tension constante, d’un filtre et d‘un onduleur à thyristor ou à transistor. Grâce aux signaux
émis par l’unité de commande d’allumage, l’onduleur génère une série d’impulsions de
tension positives d’amplitude constante, suivies par une série d’impulsions semblables mais
de signe contraire (Figure 7). La largeur de ces impulsions et les intervalles les séparant
sont ajustés de sorte que la forme d’onde se rapproche d’une sinusoïde. À basse fréquence, les
impulsions sont moins larges ce qui donne une tension efficace moins grande permettant de
garder le rapport tension fréquence constant.

FIGURE 6 ONDULEUR MLI

FIGURE 7 FORME D’ONDE DE SORTIE D’UN ONDULEUR MLI

La commande de l’onduleur MLI est effectuée par ordinateur. Le logiciel tient
compte de l’amplitude et de la fréquence désirées, et ajuste la largeur et le nombre
d’impulsions en conséquence, de façon à optimiser la performance du moteur. La fréquence
de découpage ou porteuse peut être supérieure à 10 Khz dans certain variateur. On utilise ce
type d’entraînement pour commander les moteurs d’induction dont la puissance est comprise
entre 500w et 500Kw. Le rapport des vitesses peut être aussi élevé que 100 à 1.
Les variateurs à MLI de basse puissance utilisent des transistors IGBT « Insulated
Gate Bipolar Transistor ».  Leur circuit équivalent correspond à un transistor bipolaire
combiné à un transistor MOS (Figure 8). Ce transistor permet une réponse en fréquence
jusqu’à 20Khz. et peut supporter des courantspouvant atteindre 600A. Il existe des ponts
onduleurs à six transistors de puissance IGBT. Ces ponts sont appelés IPM « Intelligent
Power Module » (Figure 9).

FIGURE 8 SYMBOLE D’UN TRANSISTOR IGBT

FIGURE 9 MODULE IPM

Remarque: Il est important de souligner qu’un onduleur autonome peut fournir une puissance
active et une puissance réactive à la charge. Par contre, un onduleur non autonome absorbe
toujours de la puissance réactive du réseau auquel il est connecté.