Un onduleur peut-il alimenter une maison ? Les fonctions et les types d'onduleurs

Avec le développement continu de la technologie Internet et la popularité croissante des ordinateurs, les produits et équipements de haute technologie posent des exigences de plus en plus strictes en matière de qualité de l'alimentation électrique.

Par exemple, les systèmes de contrôle des processus d'automatisation industrielle, les systèmes de traitement des communications de données, les systèmes de gestion de l'aviation et les systèmes de mesure de précision ont tous besoin d'un réseau électrique à courant alternatif pour assurer la stabilité de la tension, la stabilité de la fréquence, l'absence de surtension et l'absence de pointes de courant alternatif.

En effet, lorsque l'alimentation électrique est soudainement interrompue ou que la qualité de l'alimentation électrique dépasse sérieusement les exigences standard de l'équipement (système), des pertes de données, un fonctionnement anormal du système et des produits non qualifiés seront provoqués dans des cas légers, et le système tombera en panne ou causera des pertes inestimables.

Cependant, le courant alternatif fourni par le réseau électrique ordinaire ne peut pas répondre entièrement aux besoins de la charge en raison de l'influence du vent, de la pluie, de la foudre et d'autres catastrophes naturelles, ainsi que de l'influence de certaines charges d'utilisateur, de facteurs humains et d'autres accidents.

Afin d'assurer la continuité de l'alimentation électrique des charges, il convient de fournir une alimentation électrique de haute qualité qui réponde aux exigences des charges et aux exigences strictes de certaines charges importantes en matière d'alimentation électrique.

Depuis les années 1960, un nouveau type de système d'alimentation sans interruption (ASI) est apparu, dont la configuration est relativement peu coûteuse par rapport à des équipements plus onéreux. Il vaut la peine de déployer un Alimentation de l'ASI l'appareil pour protéger les équipements critiques.

Ces dernières années, l'alimentation UPS s'est développée rapidement et est devenue un équipement d'alimentation essentiel dans les domaines de l'électricité, de l'industrie militaire, de l'aviation, de l'aérospatiale et de la bureautique moderne.

La batterie joue un rôle très important dans l'alimentation de l'ASI. Les batteries plomb-acide ont une technologie mature et occupent actuellement une part plus importante. Avec la popularisation des batterie lithium-ionLa batterie lithium-ion est progressivement devenue un membre du système UPS.

Le développement des nouvelles énergies a connu un essor rapide au 21ème siècle, et Batterie au lithium de l'onduleur va bouleverser l'industrie d'UPS dans un avenir proche.

1. définition et fonctions de l'alimentation sans interruption (ASI)

1.1 Définition de l'ASI

Le système d'alimentation sans interruption (ASI) désigne le dispositif d'alimentation qui peut continuer à alimenter la charge sans affecter la qualité de l'alimentation lorsque l'entrée du réseau électrique CA est anormale.

Il existe deux types d'ASI en général, selon qu'ils fournissent du courant alternatif ou du courant continu à la charge, à savoir le système d'alimentation sans coupure en courant alternatif et le système d'alimentation sans coupure en courant continu, mais les gens se réfèrent toujours au système d'alimentation sans coupure en courant alternatif en tant qu'ASI.

1.2 Les fonctions de l'ASI

La tension de sortie idéale de l'alimentation en courant alternatif est une onde sinusoïdale pure, c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'harmoniques superposées à l'onde sinusoïdale, ni de perturbations instantanées.

Cependant, en raison de nombreuses raisons internes et d'interférences externes, la forme d'onde du réseau électrique actuel n'est pas l'onde sinusoïdale standard, et sa tension est également instable en raison de la limitation de l'impédance du circuit.

Il y a de nombreuses raisons à ces interférences, comme la production de courant alternatif de la centrale électrique elle-même qui n'est pas une onde sinusoïdale pure, le démarrage d'un gros moteur dans le réseau électrique, l'application d'une alimentation à découpage, le fonctionnement de toutes sortes de commutateurs, la foudre, le vent et la pluie, etc.

En tant qu'équipement d'alimentation sans coupure en courant alternatif, l'alimentation UPS des grands systèmes a deux fonctions principales :

Premièrement, il peut continuer à fournir du courant alternatif à la charge lorsque l'alimentation secteur est interrompue ; deuxièmement, lorsque l'alimentation secteur n'est pas interrompue mais que la qualité de l'alimentation ne peut pas répondre aux exigences de la charge, il doit avoir l'effet de purification du courant alternatif tel que la purification de la tension et de la fréquence.

La fonction de purification s'applique lorsque le courant alternatif fourni aux utilisateurs par le réseau n'est pas l'onde sinusoïdale idéale, mais est anormal en termes de fréquence, de tension et de forme d'onde.

L'alimentation de l'ASI peut transformer l'énergie électrique qui ne répond pas aux exigences de la charge en une énergie CA qui répond entièrement aux exigences de la charge. L'alimentation secteur est anormale sous les aspects suivants (comme le montre la figure ).

① Pointes de tension : Les décharges électrostatiques, les coups de foudre, les décharges d'arc électrique et les opérations de commutation des grands équipements électriques sont généralement à l'origine de ce phénomène.

② Transitoire de tension : tension d'impulsion avec une tension de crête allant jusqu'à 20kV et une durée de 1~100ps. Les principales causes et les dommages possibles sont similaires aux pointes de tension, mais diffèrent en termes de quantité.

③ Bruit de la ligne électrique : se réfère aux interférences électromagnétiques (EMI), aux interférences de radiofréquence (RFI) et à d'autres interférences de haute fréquence.

Lorsque le moteur fonctionne, l'action du relais et la diffusion provoquent des interférences de bruit de fil. Le bruit des fils du réseau électrique affectera le circuit de contrôle de la charge.

④ Notch : se réfère à une interférence de commutation (ou autre interférence) sur la forme d'onde de tension normale, d'une durée inférieure à un demi-cycle, contraire à la polarité normale, et comprend également une perte de tension complète dans un demi-cycle.

⑤ Sag ou brownout : se réfère à la valeur effective de la tension du réseau entre 80% et 85% de la valeur nominale, et à la durée de plus d'un à plusieurs cycles.

La mise en marche de gros équipements, le démarrage de gros moteurs électriques et la connexion de gros transformateurs de puissance au réseau provoquent un affaissement de la tension.

⑥ Surtension : La surtension désigne la valeur effective de la tension secteur qui dépasse 110% de la valeur nominale et dure plus d'un ou plusieurs cycles. La surtension est principalement causée par la décharge soudaine du réseau lorsque plusieurs grands équipements électriques sont mis hors service.

⑦ Sous tension : se réfère à la basse tension stable qui est inférieure d'un certain pourcentage à la tension nominale. Les causes comprennent le démarrage et l'utilisation de gros équipements, la commutation de la ligne électrique principale, le démarrage de gros moteurs et la surcharge de la ligne, etc.

⑧ Surtension : Il s'agit d'une haute tension stable qui dépasse la tension nominale d'un certain pourcentage. Elle est généralement causée par des erreurs de câblage, des erreurs de réglage des centrales électriques et l'arrêt des équipements lourds situés à proximité.

Dans le cas d'une alimentation monophasée, elle peut être due à une charge triphasée déséquilibrée ou à une mauvaise mise à la terre de la ligne médiane.

⑨ Distorsion harmonique : Indique la déviation de la tension du réseau par rapport à la tension sinusoïdale linéaire. Elle est généralement exprimée par la distorsion harmonique totale (THD).

D'une part, la puissance produite par les équipements de production d'électricité n'est pas purement sinusoïdale, d'autre part, l'influence de la charge non linéaire sur le réseau électrique.

⑩ Panne de courant : Le réseau électrique cesse de fournir de l'électricité pendant au moins deux cycles, voire plusieurs heures. Elle est causée par le déclenchement des disjoncteurs sur les fils principaux, l'interruption de l'alimentation électrique et la défaillance du réseau électrique.

⑪ Variation de fréquence : déviation de la fréquence du réseau supérieure à 2Hz (52Hz), principalement due au fonctionnement instable des générateurs de secours ou à une alimentation électrique dont la fréquence est instable.

La pollution susmentionnée ou l'interférence avec l'ordinateur et d'autres équipements sensibles causée par le dommage n'est pas la même. L'interruption de l'alimentation électrique peut endommager le matériel.

L'affaissement de la tension peut entraîner un vieillissement prématuré du matériel et une perte de données dans les fichiers. Les surtensions, les sous-tensions et les surtensions peuvent endommager les pilotes, la mémoire, les circuits logiques et provoquer des pannes logicielles imprévisibles. Le bruit des fils et les tensions transitoires peuvent endommager les circuits logiques et les données des fichiers.

2. Les types d'alimentation UPS

Les ASI ont connu une croissance très rapide depuis leur création. Les premières ASI fonctionnaient comme une alimentation dynamique sans interruption. Lorsque le secteur est normal, il entraîne le moteur, qui entraîne le générateur pour produire du courant alternatif.

Ce courant alternatif alimente la charge et fait tourner l'énorme volant d'inertie à grande vitesse. Lorsque le réseau change, l'énorme inertie du volant d'inertie ne réagit pas au changement instantané de tension, ce qui garantit la stabilité de la tension de sortie.

En cas de panne du réseau, l'inertie du volant d'inertie entraîne le générateur pour qu'il continue à alimenter la charge, tout en démarrant le groupe électrogène de secours connecté au volant d'inertie.

Le groupe électrogène de secours fait tourner le volant d'inertie et entraîne ainsi l'alternateur pour alimenter la charge.

Toutefois, dans le schéma ci-dessus, la prolongation de la durée d'alimentation est forcément limitée lorsque l'alimentation est coupée par le volant d'inertie avec stockage de l'énergie cinétique. Afin d'allonger encore la durée d'alimentation, la structure illustrée à la figure est adoptée ultérieurement.

Après le redresseur, la batterie est entièrement chargée et l'autre partie est alimentée par le moteur à courant continu. Le moteur à courant continu entraîne la stabilité de la tension et de la fréquence de sortie du générateur à courant alternatif.

Lorsque le réseau est interrompu, le générateur de courant alternatif continue à fonctionner en s'appuyant sur l'énergie stockée dans la batterie, afin de réaliser l'objectif de l'alimentation électrique sans interruption de la charge.

Lorsque ce type d'onduleur dynamique alimente l'équipement, il est très bruyant et présente d'autres inconvénients tels qu'un faible rendement, un temps de commutation long et un poids élevé, et son utilisation n'est pas très répandue.

Avec le développement rapide de la technologie des semi-conducteurs, les ASI statiques utilisant une variété d'appareils électriques ont rapidement remplacé les premières ASI dynamiques,  stockage en batterie dans le système stockent l'énergie et alimentent l'onduleur statique, par l'intermédiaire de l'onduleur statique pour maintenir la continuité de l'alimentation de la charge.

Par rapport aux ASI dynamiques, les ASI statiques alimentent la charge avec un bruit plus faible et une efficacité plus élevée. Elles sont également plus petites en taille, légères en poids, pratiques en termes d'utilisation et ont une longue durée de sauvegarde. Les onduleurs décrits dans cet article sont des onduleurs statiques.

En fonction de la capacité de sortie, les types d'ASI peuvent être divisés en ASI de petite capacité (moins de 10kV-A), ASI de capacité moyenne (10-100kV -A) et ASI de grande capacité (plus de 100kV-A).

En fonction du nombre de phases de la tension d'entrée et de sortie, il peut être divisé en ASI à une entrée et une sortie, ASI à trois entrées et trois sorties et ASI à trois entrées et une sortie. En fonction des différentes formes d'onde de sortie, les types d'ASI sont : ASI à ondes carrées, ASI à ondes trapézoïdales et ASI à ondes sinusoïdales ;

Mais les gens ont l'habitude de classer les ASI en fonction de la forme de la structure du circuit de l'ASI, qui peut être divisée en ASI passive en attente, ASI interactive en ligne et ASI en ligne.

2.1Automatismes de secours passifs

L'onduleur passif de secours alimente la charge par l'intermédiaire d'un régulateur de tension lorsque l'entrée CA est normale. Lorsque l'entrée CA est anormale, la batterie de l'ASI alimente la charge par l'intermédiaire de l'onduleur.

L'onduleur passif de secours est le premier onduleur statique. Il fournit une alimentation secteur et se compose d'un chargeur, d'une batterie, d'un onduleur et d'un transformateur régulateur de tension. La figure ci-dessous illustre le principe de fonctionnement de l'ASI de secours.

(1) Mode de fonctionnement normal

Lorsque la tension et la fréquence CA d'entrée se situent dans la plage autorisée, le filtre passe-bas est utilisé pour atténuer correctement les interférences à haute fréquence provenant du réseau électrique, puis le circuit est divisé en deux canaux pour contrôler le fonctionnement normal de l'étage suivant.

① Chargez la batterie à l'aide du chargeur pour assurer le fonctionnement normal de l'onduleur et alimenter la charge en cas de coupure de courant.

② Grâce au "transformateur régulateur de tension" situé dans le canal de dérivation CA, la tension du réseau qui fluctue fortement est stabilisée.

Ensuite, sous l'action du circuit de commande logique de l'ASI, l'alimentation secteur stabilisée alimente la charge par l'intermédiaire du commutateur de transfert.

À ce stade, l'onduleur ne fonctionne qu'à vide, il ne produit pas d'énergie ; à proprement parler, l'onduleur ne fonctionne pas.

(2) Mode d'exploitation de l'énergie stockée

Lorsque la tension ou la fréquence du courant alternatif d'entrée est anormale, sous la fonction du circuit de contrôle logique de l'ASI, le processus d'alimentation de la charge par l'ASI se déroule comme suit.

① Le chargeur ne fonctionne plus.

② Lors de la coupure du canal d'alimentation de la dérivation CA, le commutateur de transfert connecte la charge à l'extrémité de sortie de l'onduleur, de manière à réaliser la conversion de l'alimentation secteur à l'alimentation de l'onduleur.

③ L'onduleur absorbe le courant continu stocké dans la batterie et le transforme en un courant alternatif stable (tel que 50Hz/220V) pour maintenir l'alimentation de la charge. En fonction de la charge, la tension de sortie de l'onduleur peut être sinusoïdale ou carrée.

Selon le principe de fonctionnement de l'ASI passive de secours, ses caractéristiques de performance sont les suivantes :

① Circuit simple, faible coût, grande fiabilité

② Lorsque le réseau est normal, l'onduleur ne fonctionne qu'à vide et le rendement de l'ensemble de la machine peut atteindre 98%.

③ Parce que la plupart du temps, l'alimentation est fournie au réseau, la capacité de sortie de l'ASI est forte, le coefficient de crête du courant de charge, le coefficient de surtension, le facteur de puissance de sortie, la surcharge et d'autres facteurs ne sont pas soumis à des exigences strictes.

④ La précision de la stabilité de la tension de sortie est faible, mais peut répondre aux exigences de la charge.

⑤ La sortie est équipée d'un commutateur de conversion, la puissance de sortie présente une courte période de discontinuité lorsque l'alimentation secteur est interrompue, et est limitée par la capacité du courant de commutation et le temps d'action, il est difficile d'augmenter la capacité de sortie.

Par conséquent, la capacité de l'onduleur sinusoïdal de secours est généralement inférieure à 3kV-A, tandis que la capacité de l'onduleur carré de secours est généralement inférieure à 1kV-A.

2.2 ASI en ligne

Lorsque l'entrée CA est normale, la batterie de l'onduleur alimente la charge par l'intermédiaire du redresseur et de l'onduleur. Lorsque l'entrée CA est anormale, la batterie de l'onduleur alimente la charge par l'intermédiaire de l'onduleur.

L'onduleur en ligne est également appelé onduleur en ligne à double transformation ou onduleur de réglage en série. Actuellement, la plupart des onduleurs de grande capacité adoptent cette structure.

L'alimentation de l'ASI est généralement composée d'un redresseur, d'un chargeur, d'une batterie, d'un onduleur, etc. Il s'agit d'un bloc d'alimentation qui alimente principalement l'alimentation de l'ASI par l'intermédiaire d'un onduleur. La figure montre le principe de fonctionnement.

(1) Mode de fonctionnement normal

Lorsque la tension et la fréquence CA d'entrée se situent dans la plage autorisée, le filtre EMI/RFI est utilisé pour atténuer correctement les interférences électromagnétiques conduites et les interférences radioélectriques provenant du réseau électrique, puis le circuit est divisé en trois canaux pour contrôler le fonctionnement normal de l'étage suivant.

① Connecter directement le canal d'alimentation de dérivation CA comme alimentation de secours lorsque le canal de l'onduleur est défectueux.

② La charge flottante de la batterie de l'ASI par l'intermédiaire du chargeur, de sorte que lorsque le secteur est interrompu, la batterie de l'ASI alimente le fonctionnement normal avec suffisamment d'énergie.

③ Après le redresseur et le filtre à grande capacité dans un courant continu relativement stable, puis l'onduleur sera converti en courant alternatif stable en tension et en fréquence, à travers le commutateur de transfert vers la charge.

(2) Mode d'exploitation de l'énergie stockée

Lorsque la tension ou la fréquence du courant alternatif d'entrée est anormale, l'onduleur alimente toutes les charges dans le mode suivant sous l'action du circuit de contrôle logique.

① Eteignez le chargeur et arrêtez de charger la batterie.

② La batterie de l'ASI alimente l'onduleur, et le courant continu stocké dans la batterie est converti en courant alternatif requis par la charge, qui est utilisé pour maintenir la continuité de l'alimentation électrique de la charge.

(3) Mode de fonctionnement en dérivation

Dans des conditions normales d'alimentation électrique, l'une des situations suivantes se produit :

La température du tube de l'interrupteur de puissance dans l'onduleur ou le redresseur dépasse la limite de sécurité en raison de la température ambiante élevée et de la défaillance du ventilateur de refroidissement ;

Si l'onduleur de l'alimentation de l'ASI est défectueux, l'ASI alimente les charges en basculant directement sur la dérivation du réseau sous le contrôle du circuit de commande logique.

(4) Mode de fonctionnement ECO

Entrée CA Normalement, l'onduleur alimente les charges en mode bypass statique. Lorsque l'entrée CA est anormale, l'onduleur commute le mode d'alimentation de l'onduleur.

Sur la base du principe de fonctionnement de l'alimentation UPS en ligne, les caractéristiques de performance sont les suivantes :

① Que le réseau soit normal ou non, toute la puissance de la charge est fournie par l'onduleur. Par conséquent, en cas de panne de courant, la sortie de l'onduleur n'est pas interrompue.

② La qualité de la puissance de sortie est élevée. L'onduleur UPS adopte une modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale à haute fréquence et un contrôle de rétroaction de la forme d'onde de sortie pour fournir une alimentation de haute qualité avec une stabilité de tension élevée, une faible distorsion de forme d'onde, une fréquence stable et une réponse dynamique rapide à la charge.

③ Toute la puissance de la charge est fournie par l'onduleur, la marge de capacité de l'onduleur est limitée et la capacité de sortie n'est pas idéale.

Par conséquent, la charge du coefficient de crête du courant de sortie, la capacité de surcharge, le facteur de puissance de sortie et d'autres restrictions sont mis en avant, la puissance active de sortie est inférieure au nombre calibré de kV-A, la capacité à faire face à la charge d'impact est faible.

④ Le redresseur et l'onduleur supportent toute la puissance de la charge, le rendement de la machine est faible.

2.3Automatismes interactifs en ligne

Les onduleurs interactifs en ligne sont utilisés lorsque l'entrée CA est normale, à travers le régulateur de tension vers l'alimentation de la charge, le convertisseur ne servant qu'à charger la batterie ;

Lorsque l'entrée CA est anormale, la batterie de l'ASI alimente la charge par l'intermédiaire du convertisseur. Les onduleurs interactifs sont également appelés onduleurs interactifs en ligne ou onduleurs à compensation parallèle.

Par rapport à l'ASI en ligne, cette alimentation élimine le redresseur et le chargeur, et se compose d'un convertisseur bidirectionnel qui peut fonctionner en mode redresseur et onduleur, et d'une batterie.

Lorsque l'entrée secteur est normale, le convertisseur bidirectionnel fonctionne en sens inverse (c'est-à-dire en mode de redressement) pour charger la batterie ;

Lorsque le secteur est anormal, le convertisseur bidirectionnel passe immédiatement à l'état de fonctionnement de l'onduleur, convertissant l'énergie électrique de la batterie en sortie CA. La figure ci-dessous illustre le principe de fonctionnement.

(1) Mode de fonctionnement normal

Lorsque la tension et la fréquence d'entrée sont comprises dans la plage autorisée (par exemple, la tension secteur est comprise entre 150 et 276 V), l'alimentation secteur atténue les interférences RF et les interférences électromagnétiques conduites provenant du réseau secteur au moyen d'un filtre passe-bas, et contrôle le fonctionnement normal de l'ASI par le biais des canaux de commande suivants.

Lorsque la tension secteur est comprise entre 176 et 264 V, sous l'action du circuit de commande logique de l'ASI, l'interrupteur S0 et l'interrupteur du canal de sortie secteur de l'alimentation de l'ASI sont activés. Ainsi, une alimentation secteur non régulée est envoyée directement à la charge.

Lorsque la tension du réseau est comprise entre 150 et 176 V, compte tenu de la tension d'entrée du réseau du côté bas, dans le rôle du circuit de contrôle logique de l'ASI, l'interrupteur S0 sous l'état du disjoncteur en même temps.

L'interrupteur S1 du bobinage d'appoint fermé à l'entrée, la faible amplitude de l'alimentation secteur après le traitement de l'appoint, sera une amplitude de tension plus élevée par l'interrupteur à la charge.

Lorsque la tension secteur est comprise entre 264 et 276 V, pour éviter d'endommager la charge, la tension de sortie est trop élevée dans le rôle du circuit de contrôle logique de l'ASI, l'interrupteur S0 sous l'état du disjoncteur en même temps.

L'enroulement abaisseur fermé au niveau de l'interrupteur d'entrée S2, permet à l'amplitude du côté élevé de l'alimentation secteur via l'interrupteur de charger à nouveau après le traitement de réduction de la tension, ce qui permet d'atteindre l'objectif d'un fonctionnement sûr de la charge de l'utilisateur.

Après traitement, l'alimentation secteur fournit non seulement l'énergie électrique de la charge, mais sert également de puissance d'entrée CA de l'onduleur bidirectionnel.

L'onduleur bidirectionnel fonctionne en mode redressement, absorbant l'énergie du réseau et la stockant dans un parc de batteries afin de fournir suffisamment d'énergie continue lorsque le réseau est anormal.

(2) Mode d'exploitation de l'énergie stockée

Lorsque la tension ou la fréquence d'entrée est anormale (par exemple, la tension d'entrée du secteur est inférieure à 150 V ou supérieure à 276 V), le circuit de contrôle logique interne effectue les opérations suivantes sur les composants clés de l'alimentation de l'ASI.

Le convertisseur bidirectionnel passe du mode de redressement d'origine au mode onduleur.

En d'autres termes, à ce moment-là, le système ne charge plus la batterie, mais absorbe l'énergie en courant continu stockée par la batterie, qui est convertie en courant alternatif stable en tension et en fréquence vers la charge par l'onduleur sinusoïdal.

Sur la base du principe de fonctionnement de l'ASI interactive, les caractéristiques de performance sont les suivantes :

① Rendement élevé, jusqu'à 98% ;

② Structure de circuit simple, faible coût, grande fiabilité.

③ Le facteur de puissance d'entrée et les composantes harmoniques du courant de sortie dépendent du courant de charge, l'onduleur lui-même ne produit pas de distorsion supplémentaire du facteur de puissance d'entrée et du courant harmonique.

④ Forte capacité de sortie, le coefficient de crête du courant de charge, le coefficient de surtension, la surcharge et autres ne sont pas soumis à des restrictions strictes.

⑤ Le convertisseur est directement connecté à l'extrémité de sortie, et dans un état de sauvegarde à chaud, l'interférence de la pointe de tension de sortie a un effet de filtrage.

⑥ La plupart du temps, pour l'alimentation secteur, seul le traitement de la tension du réseau légèrement stabilisée, la qualité de la puissance de sortie est médiocre.

⑦Lorsque le réseau est interrompu, parce que l'interrupteur de dérivation CA a un temps de déconnexion, la sortie de l'ASI a un certain temps d'interruption de l'alimentation, mais le temps de conversion est plus court que celui de l'ASI passive en attente.