Circuit onduleur - conceptions efficaces pour la conversion de l'énergie

Circuit de l'onduleur est essentiel pour la conversion de l'énergie, en particulier pour la conversion du CC (courant continu) en CA (courant alternatif). La conception efficace de ces circuits est essentielle pour garantir des performances optimales et une conversion d'énergie fiable. Pour obtenir une conception efficace lors de la construction d'un circuit d'onduleur, vous devez tenir compte de plusieurs facteurs.

Des circuits convertisseurs DC-to-AC efficaces sont essentiels pour diverses applications industrielles, mais ils sont aussi largement utilisés dans les systèmes d'énergie renouvelable, les véhicules électriques, les alimentations sans interruption (ASI) et bien d'autres domaines. Ce billet traite des bases des circuits d'onduleurs et de leur conception !

Qu'est-ce que le circuit de l'onduleur ?

Un circuit d'onduleur est le circuit ou les composants qui constituent un onduleur, lui permettant de convertir le courant continu, qui circule dans une direction (généralement fourni par une batterie), en courant alternatif, qui change de direction, souvent comme celui d'une prise de courant ou d'un générateur. La construction d'un circuit d'onduleur implique une combinaison de différentes pièces et techniques.

Il s'agit de transistors, de MOSFET, de transformateurs, de microcontrôleurs et d'oscillateurs. Vous pouvez construire un circuit inverseur avec une conception et une mise en œuvre soignées afin de répondre à des besoins particuliers et d'obtenir les meilleures performances. La qualité et la complexité du circuit détermineront la forme d'onde de sortie, qui peut être carrée, sinusoïdale modifiée ou sinusoïdale pure.

Qu'utilise-t-on dans les circuits inverseurs ?

Il existe plusieurs applications et disciplines pour les circuits inverseurs. En voici quelques-unes :

Ce circuit onduleur flexible peut fournir une alimentation de secours aux appareils en cas de coupure de courant ou d'instabilité de la source d'alimentation principale. Cela garantit que les gadgets électriques qui dépendent de l'alimentation en courant alternatif fonctionnent toujours parfaitement.
En permettant aux utilisateurs d'alimenter des charges en courant alternatif ou d'alimenter le réseau avec des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne, il facilite l'adoption de pratiques énergétiques durables. L'objectif principal d'un circuit onduleur est de convertir la sortie d'une batterie en courant alternatif afin qu'elle puisse être utilisée pour alimenter des appareils à la maison ou vendue à la compagnie d'électricité.
La flexibilité du circuit onduleur se traduit par la façon dont il aide à gérer la vitesse et le couple des moteurs à courant alternatif, en particulier ceux utilisés dans les machines industrielles ou les voitures électriques. Cela permet d'augmenter les performances et l'efficacité du moteur tout en réduisant le bruit et l'usure.

Combien de types de circuits d'onduleurs existe-t-il ?

Les circuits onduleurs sont classés en fonction de leur forme d'onde de sortie, de la source d'entrée, de la phase de sortie, du mécanisme de commutation, du type de connexion, du mode de fonctionnement, du nombre de niveaux de tension et de l'approche PWM. En fonction de la forme d'onde de sortie, il existe trois types principaux de circuits d'onduleurs de puissance :

Onduleur à onde carrée : Ce type d'onduleur produit une onde carrée, qui est une option simple et peu coûteuse, mais qui ne convient qu'à certains appareils en raison du bruit potentiel, de la distorsion et des problèmes de surchauffe.
Onduleur sinusoïdal : La sortie sinusoïdale produite par ce type d'onduleur est parfaite pour divers appareils, car elle simule l'alimentation électrique pour un fonctionnement efficace et sans faille. C'est donc aussi le choix le plus coûteux et le plus sophistiqué.

Il existe deux catégories principales de circuits d'inverseurs de puissance en fonction de la source d'entrée :

Onduleur à source de tension (VSI) : Ce type d'onduleur est alimenté par une source de tension continue, telle qu'une batterie ou un panneau solaire. La tension de sortie n'est pas affectée par la charge, tandis que le courant de sortie est affecté par l'impédance de la charge. La modification du rapport cyclique ou de la fréquence des dispositifs de commutation permet d'ajuster la tension de sortie.
Inverseur de source de courant (CSI) : Cette forme d'onduleur tire son énergie d'une source de courant continu, telle qu'un inducteur ou un convertisseur alimenté en courant. Comme pour le VSI, le courant de sortie est indépendant de la charge, tandis que la tension de sortie dépend de l'impédance de la charge. La modification de l'angle d'amorçage ou de la fréquence des dispositifs de commutation peut ajuster le courant de sortie.

Les circuits onduleurs peuvent être classés en deux catégories en fonction de la phase de sortie :

Onduleur monophasé : Les onduleurs monophasés sont idéaux pour les applications domestiques et à petite échelle, car ils peuvent convertir le courant continu d'entrée en courant alternatif monophasé de sortie. Les deux formes fondamentales d'onduleurs monophasés sont le pontage partiel et le pontage complet.
Onduleur triphasé : Ce type d'onduleur transforme le courant continu (CC) en courant alternatif (CA) triphasé, ce qui le rend approprié pour les applications industrielles et à grande échelle. Les onduleurs triphasés fonctionnent selon deux modes principaux : 180 degrés et 120 degrés.

Comment concevoir un circuit d'onduleur ?

Les principales étapes de la construction d'un circuit de convertisseur de courant continu en courant alternatif sont les suivantes :

Étape 1 : Choisissez la source d'entrée, la forme d'onde et la phase de sortie de votre circuit d'onduleur, ainsi que d'autres détails, notamment les tensions d'entrée et de sortie, les fréquences, les puissances et les types de charges.
Étape 2 : Sélectionnez les pièces et fournitures appropriées pour votre circuit d'onduleur, y compris une charge, un élément de commutation, un transformateur, une source de courant continu et un dispositif de commutation. Vous pouvez choisir parmi la liste des pièces disponibles, y compris les diodes, les condensateurs, les panneaux solaires, les batteries, les transistors, les MOSFET, les thyristors, les inductances, les résistances et les lampes.
Étape 3 : Choisissez le type de circuit onduleur et la configuration appropriés en fonction de plusieurs paramètres, tels que la source d'entrée, la forme d'onde de sortie, la phase de sortie, etc. Vous pouvez utiliser d'autres configurations, notamment 180 degrés, 120 degrés, demi-pont, pont complet, série et parallèle.
Étape 4 : Dessinez le schéma du circuit de votre onduleur, en représentant les pièces et les connexions à l'aide de symboles et de conventions. Vous pouvez dessiner et modéliser votre circuit à l'aide d'un logiciel tel que LTSpice.
Étape 5 : Construisez un prototype fonctionnel de votre circuit inverseur en l'assemblant et en le testant à l'aide d'une planche à pain, de fils et d'outils. Vous pouvez suivre le schéma et les instructions détaillées pour connecter les pièces et vous assurer que le circuit fonctionne.
Étape 6 : Évaluez l'efficacité et le rendement de votre circuit d'onduleur en confirmant la tension, le courant, la fréquence et la puissance de sortie à l'aide de calculs et de mesures. À l'aide d'un multimètre, d'un oscilloscope ou d'un wattmètre, vous pouvez mesurer les paramètres de sortie et les comparer aux valeurs prévues.

Quels sont les facteurs clés qui influencent l'efficacité d'un circuit d'onduleur ?

Le rendement d'un circuit d'onduleur indique la quantité de courant continu transformée en courant alternatif. Il faut tenir compte du fait qu'une partie de l'énergie peut être perdue sous forme de chaleur, alors que l'onduleur a besoin d'une certaine quantité d'énergie en veille pour rester opérationnel. Les facteurs ayant un impact sur l'efficacité d'un circuit d'onduleur de puissance sont présentés ci-dessous.

Le type et la qualité des dispositifs de commutation
Ces composants, qui comprennent des transistors, des MOSFET, des thyristors et des IGBT, sont responsables de la commutation de l'entrée CC en sortie CA. Ils varient en termes de dissipation thermique, de perte de commutation, de perte de conduction et de vitesse de commutation.

L'efficacité du circuit inverseur augmente avec la diminution de la qualité et de la perte des composants de commutation. Une meilleure qualité et une perte réduite dans les dispositifs de commutation contribuent à augmenter l'efficacité du circuit inverseur.

Le type et la qualité des éléments de commutation
Ces composants (diodes, condensateurs, inductances ou transformateurs) ont diverses propriétés, notamment la chute de tension, la résistance, la réactance et les fuites, et créent un canal pour la circulation du courant de charge lorsque les dispositifs de commutation sont éteints. Le rendement d'un circuit d'onduleur de puissance augmente avec l'amélioration de la qualité et la réduction de la perte de l'élément de commutation.

Facteurs affectant l'efficacité d'un circuit inverseur

Configuration du circuit de l'onduleur
La configuration du circuit de l'onduleur comprend les modes série, parallèle, demi-pont, pont complet, 180 degrés et 120 degrés. Ces configurations présentent des avantages et des inconvénients variables en ce qui concerne la forme d'onde de sortie, la phase de sortie, la tension de sortie, le courant de sortie, la fréquence de sortie et le nombre de composants. La source d'entrée, la charge de sortie et d'autres paramètres déterminent le type et la conception du circuit onduleur idéal.

Type et taille de la charge
La tension, le courant, la fréquence et la puissance de sortie du circuit de l'onduleur, ainsi que ses harmoniques, sa distorsion et son facteur de puissance, sont tous influencés différemment par ces types de charge, qui comprennent les charges résistives, inductives, capacitives et mixtes. Étant donné que le rendement d'un circuit d'onduleur de puissance est souvent plus important à une puissance de sortie élevée et plus faible à une puissance de sortie faible, la taille de la charge a également un impact sur sa puissance de sortie et son rendement.

Conditions environnementales
La température, l'humidité, la poussière et la ventilation sont quelques-uns des facteurs environnementaux qui peuvent avoir un impact sur la fiabilité et l'efficacité des composants du circuit, tels que la dissipation thermique, la résistance, la capacité et l'inductance.

L'efficacité sera moindre à une température plus élevée en raison de la dégradation des composants et de l'augmentation des pertes. Comme il y aura moins de corrosion, de pollution et de surchauffe, l'efficacité augmentera avec la diminution des niveaux d'humidité, de poussière et de ventilation.

Quels sont les problèmes les plus courants liés aux circuits des onduleurs et comment les résoudre ?

Surtension : Lorsque la tension d'entrée CC est supérieure à la valeur nominale du variateur, elle peut provoquer une surtension susceptible d'endommager les composants et d'entraîner un arrêt. Vous pouvez y remédier en augmentant le temps de décélération, en utilisant la fonction "roue libre jusqu'à l'arrêt" dans la mesure du possible, en vérifiant que la tension d'alimentation ne présente pas de tension élevée persistante ou brève, en vérifiant le fonctionnement du hacheur de freinage et de la résistance de freinage, en installant un hacheur de freinage et une résistance de freinage dans le variateur, ou en remplaçant le variateur par un variateur à récupération d'énergie.
Surintensité : Il y a surintensité lorsque le courant de sortie dépasse la valeur nominale de l'onduleur, ce qui déclenche une protection contre les surintensités et entraîne un arrêt. Pour y remédier, il convient d'inspecter la charge pour détecter les courts-circuits, les surcharges ou les défauts de mise à la terre, d'inspecter le câblage pour s'assurer que les connexions sont sûres et précises, de confirmer les bons réglages de la fréquence et de la tension de sortie, de réduire les temps d'accélération et de décélération ou de passer à un onduleur de plus grande capacité.
Surchauffe : Cela se produit lorsque l'onduleur ou ses composants dépassent la température nominale, ce qui compromet les performances et la fiabilité et peut même entraîner un arrêt. Vérifiez que le ventilateur de refroidissement fonctionne correctement, que la ventilation est suffisante, que la température ambiante est idéale et que la charge n'est pas excessive ou fluctuante. Une autre solution consiste à remplacer les composants défectueux ou endommagés pour résoudre ce problème.
Défaut de communication : L'incapacité d'un onduleur à se connecter au contrôleur, à la carte d'interface ou à des dispositifs externes peut entraîner une panne de communication, ce qui peut nuire au contrôle et à la fonctionnalité de l'onduleur et le forcer à s'arrêter. Pour résoudre ce problème, vous pouvez vous assurer que le câble de communication est correctement connecté, vérifier que le protocole et l'adresse sont correctement configurés, vérifier la compatibilité de la vitesse et du format de communication, vérifier que les dispositifs de communication sont fonctionnels ou remplacer les pièces cassées ou défectueuses.

Comment maintenir les performances d'un circuit inverseur ?

Vous pouvez suivre les conseils suivants pour que le circuit d'un onduleur fonctionne de manière optimale :

Maintenez le circuit de l'onduleur à l'écart des sources de chaleur, du feu, de la poussière, de l'humidité et du gaz, dans un endroit bien ventilé. Cela permet d'éviter les risques d'incendie, de corrosion, de surchauffe et de contamination.
Nettoyez régulièrement le circuit de l'onduleur en essuyant l'extérieur avec un chiffon humide et les fils et les connecteurs avec un chiffon sec. L'eau et les produits chimiques ne doivent pas être utilisés car ils peuvent endommager les composants électroniques.
Vérifiez qu'il n'y a pas de connexions desserrées ou mal placées, de surcharges, de courts-circuits ou de problèmes de mise à la terre dans le câblage. Tout fil ou pièce endommagé(e) doit être resserré(e) ou remplacé(e).
Suivez la tension de sortie, le courant de sortie, la fréquence de sortie, la puissance de sortie et la tension d'entrée à l'aide de l'écran ou d'un multimètre pour garder un œil sur les performances du circuit de l'onduleur. Recherchez les éventuelles divergences ou erreurs en comparant les données avec les spécifications du fabricant.
Effectuez des inspections de maintenance de routine, en demandant à un électricien agréé d'examiner les pièces internes, le câblage et les connexions. Outre la mise à jour du microprogramme, remplacez les pièces cassées ou détériorées si nécessaire.

Conclusion

Les circuits onduleurs sont essentiels dans diverses applications, y compris les systèmes d'énergie renouvelable. L'objectif est de concevoir des circuits qui minimisent les pertes et maximisent l'efficacité de la conversion. L'article traite en détail des facteurs qui influencent la conception d'un circuit d'onduleur de puissance, ainsi que de la manière de procéder à la conception et à la maintenance de ces circuits. Un circuit d'onduleur bien conçu vous permet d'exploiter au mieux les énergies renouvelables.

FAQ

Quel est le symbole du circuit du convertisseur de puissance ?

Le symbole du circuit inverseur de puissance est un triangle avec un cercle à la sortie, représentant la négation logique de l'entrée. Ce symbole est également utilisé pour la porte NOT dans la conception logique, comme l'illustre l'image ci-dessous.

Quelle est la tension d'un circuit inverseur ?

La tension d'un circuit convertisseur DC-to-AC dépend de l'entrée, de la forme d'onde de sortie et de la conception du circuit. Un exemple simple est celui d'un convertisseur à base de transistors avec une entrée de 12V et une sortie d'onde carrée de 6V.

Y a-t-il des limites à la puissance de sortie d'un circuit inverseur ?

La tension d'entrée, la forme d'onde de sortie et la conception du circuit ont toutes une incidence sur la puissance de sortie du circuit inverseur. Afin de piloter le courant de sortie, la tension d'entrée doit être suffisante. La forme d'onde de sortie doit être adaptée aux appareils alimentés. La conception du circuit doit être sûre, fiable et efficace.

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