Technologie des onduleurs autonomes

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de cette leçon, l’élève sera capable de : - expliquer le principe de fonctionnement d’un onduleur autonome (ou « off‑grid ») ; - identifier les blocs fonctionnels (redresseur, onduleur, filtre, commande) et leurs rôles ; - réaliser le schéma bloc d’un onduleur autonome monophasé et en déduire les tensions et fréquences de sortie ; - effectuer un calcul simple de dimensionnement du filtre LC à partir des spécifications de tension et de fréquence ; - appliquer les règles de sécurité liées à la manipulation des tensions continues et alternatives dans un atelier technique camerounais. **Prérequis** : notions de base en électronique de puissance (diodes, thyristors, MOSFET, IGBT), connaissance du redresseur ponté, du principe du PWM (modulation de largeur d’impulsion), des grandeurs électriques (tension, courant, puissance, facteur de puissance) et des consignes de sécurité électrique (NF C 15-100, port des EPI, mise à la terre). --- ## Introduction contextualisée Dans les zones rurales du Cameroun où le réseau public est souvent indisponible ou instable, les systèmes photovoltaïques autonomes couplés à des batteries sont de plus en plus utilisés pour alimenter les équipements domestiques, les pompes d’irrigation ou les petites unités de transformation agroalimentaire. L’onduleur autonome constitue le cœur de ces installations : il transforme la tension continue stockée dans les batteries (souvent 12 V, 24 V ou 48 V) en une tension alternative sinusoïdale de 230 V / 50 Hz compatible avec les appareils usuels. Maîtriser son principe de fonctionnement permet au technicien de dimensionner correctement le système, de diagnostiquer les pannes et d’assurer la sécurité des usagers. --- ## I. Principe de fonctionnement de l’onduleur autonome ### I.1. Architecture générale Un onduleur autonome monophasé se compose essentiellement de cinq blocs : | Bloc | Fonction principale | Composants typiques | |------|---------------------|---------------------| | **Redresseur (ou chargeur)** | Convertit la CA du réseau (ou du groupe électrogène) en CC pour recharger la batterie lorsqu’il est disponible. | Diodes de puissance, pont de Graetz. | | **Régulateur de charge MPPT (si PV directement connecté)** | Optimise la puissance tirée du panneau photovoltaïque et charge la batterie. | Convertisseur DC‑DC à découpage avec algorithme MPPT. | | **Batterie de stockage** | Fournit la tension continue d’entrée de l’onduleur. | Plomb‑acide, AGM, gel ou lithium‑ion, selon la capacité requise (Ah) et la tension nominale (V). | | **Onduleur (convertisseur CC‑CA)** | Produit une tension alternative sinusoïdale à partir de la CC d’entrée. | Pont en H de MOSFET/IGBT, commande PWM, driver de portes. | | **Filtre de sortie (LC)** | Atténue les harmoniques du signal PWM pour obtenir une quasi‑sinusoïde conforme aux normes (THD < 5 %). | Inductance L en série, capacité C en shunt avec la charge. | > Un onduleur autonome fonctionne en « île » (off‑grid) : il n’est jamais synchronisé avec le réseau public et doit donc générer lui‑même sa fréquence et sa tension de référence. ### I.2. Principe de conversion CC‑CA par PWM 1. **Génération du signal de référence** : un oscillateur interne produit une sinusoïde de référence à 50 Hz (ou 60 Hz selon la zone) et d’amplitude correspondant à la tension efficace souhaitée (ex. : 230 V rms). 2. **Comparaison avec une porteuse triangulaire** : la sinusoïde de référence est comparée à un signal triangulaire de haute fréquence (typiquement 10–20 kHz). Le résultat de la comparaison commande l’état (ON/OFF) de chaque interrupteur du pont en H. 3. **Production du PWM** : pendant chaque période de la porteuse, les interrupteurs sont activés selon la largeur d’impulsion qui suit la valeur instantanée de la sinusoïde de référence. La moyenne sur plusieurs périodes de porteuse recrée une forme d’onde approximativement sinusoïdale. 4. **Filtrage LC** : l’inductance L lisse les variations rapides de courant, tandis que la capacité C shunt à la charge absorbe les composantes de haute fréquence, réduisant le taux de distorsion harmonique (THD). > La fréquence de la porteuse doit être nettement supérieure à la fréquence fondamentale (au moins 10×, typiquement 10–20 kHz) afin de permettre un filtrage efficace tout en limitant les pertes de commutation. ### I.3. Équations de base - **Amplitude du fondamental** : \[ V_{1}= m \cdot \frac{V_{dc}}{2} \] où \(m\) est l’indice de modulation (0 < m ≤ 1) et \(V_{dc}\) la tension continue d’entrée. - **Tension efficace de sortie** : \[ V_{out\;rms}= \frac{V_{1}}{\sqrt{2}} = m \cdot \frac{V_{dc}}{2\sqrt{2}}. \] - Pour obtenir 230 V rms avec \(V_{dc}=650\;V\) (valeur atteinte après un étage boost), on a besoin de \[ m = \frac{2\sqrt{2}\,V_{out\;rms}}{V_{dc}} = \frac{2\sqrt{2}\times230}{650}\approx 1,0. \] Ainsi, avec un étage boost portant la tension continue à environ 650 V, on peut travailler avec \(m\approx 1\) (modulation maximale). - **Dimensionnement du filtre LC** (choix de la fréquence de coupure \(f_c\) nettement inférieure à la fréquence de porteuse \(f_{sw}\) mais supérieure à la fréquence fondamentale \(f_{out}\)) : \[ f_{c}= \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}. \] On choisit typiquement \(f_{c}\) entre 1 kHz et 2 kHz lorsque \(f_{sw}=10–20\;kHz\) et \(f_{out}=50\;Hz\). Exemple : prendre \(L=5\;mH\) et viser \(f_{c}=1\;kHz\) donne \[ C = \frac{1}{(2\pi f_{c})^{2}L}= \frac{1}{(2\pi\times1000)^{2}\times0,005}\approx 5,0\;\mu F. \] Dans la pratique, on utilise un condensateur polypropylene de 4,7 µF – 10 µF associé à l’inductance, éventuellement complété par un petit résistances de décharge. ### I.4. Exemple chiffré de dimensionnement (atelier) **Données** : - Batterie 48 V, capacité 200 Ah. - Tension de sortie souhaitée : 230 V rms, 50 Hz. - Charge maximale : 1 kW (facteur de puissance ≈ 0,9). **Étapes** : 1. **Puissance continue nécessaire à l’entrée de l’onduleur** (en tenant compte du rendement global \(\eta=0,90\)) : \[ P_{dc}= \frac{P_{ac}}{\eta}= \frac{1000}{0,90}\approx 1111\;W. \] Courant tiré de la batterie : \[ I_{batt}= \frac{P_{dc}}{V_{batt}}= \frac{1111}{48}\approx 23,1\;A. \] Cette valeur est compatible avec une batterie 200 Ah (autonomie ≈ 8 h à pleine charge). 2. **Étage boost (élévateur)** pour porter la tension continue à un niveau permettant une modulation PWM avec \(m\le 1\). La tension continue nécessaire pour obtenir 230 V rms avec \(m=1\) est \[ V_{dc,\,necessaire}= 2\sqrt{2}\,V_{out\;rms}= 2\times1,414\times230\approx 650\;V. \] On choisit donc un étage boost réglé à \(V_{dc}=650\;V\) (avec une marge de 10 % → 715 V si l’on veut travailler avec \(m=0,9\)). Le courant sortant du boost (vers l’onduleur) est alors \[ I_{dc}= \frac{P_{dc}}{V_{dc}}\approx \frac{1111}{650}\approx 1,7\;A \] (en négligeant les pertes du boost). 3. **Filtre LC** : choisir une inductance \(L=5\;mH\) et viser une fréquence de coupure \(f_{c}=1\;kHz\) (bien inférieure à la fréquence de porteuse typique de 10–20 kHz). \[ C = \frac{1}{(2\pi f_{c})^{2}L}= \frac{1}{(2\pi\times1000)^{2}\times0,005}\approx 5,0\;\mu F. \] En pratique, on utilise un condensateur polypropylene de 4,7 µF – 10 µF (ou plusieurs en parallèle) associé à l’inductance de 5 mH, éventuellement avec une résistance de décharge de quelques dizaines de ohms pour éviter les surtensions résiduelles. > Le technicien doit vérifier que les composants sélectionnés supportent le courant de crête (≈ \(\sqrt{2}\times I_{dc}\) pour le pont en H) et que les températures de fonctionnement restent dans les limites spécifiées par le fabricant (souvent < 85 °C pour les MOSFET/IGBT). ### I.5. Sécurité et bonnes pratiques d’atelier - **Isolation** : respecter les distances d’isolement entre les parties sous tension continue (≥ 48 V) et les parties accessibles (≥ 230 V) selon la norme NF C 15-100 (minimum 3 mm d’air ou équivalent en matière isolante). - **Protection contre les surintensités** : installer un disjoncteur magnétothermique adapté au courant de batterie (ex. : 30 A) en série avec le banc de batteries. - **Mise à la terre** : relier le châssis de l’onduleur à la terre de l’installation (piquet de terre résistivité < 10 Ω) afin de dissiper les courants de défaut. - **Équipement de protection individuelle (EPI)** : gants isolants classe 0, lunettes de protection, chaussures de sécurité antistatiques. - **Vérification avant mise sous tension** : mesurer l’absence de tension résiduelle aux bornes de la batterie avec un multimètre en mode DC, puis vérifier l’absence de court‑circuit au niveau du pont en H (mesure de résistance entre chaque paire de transistors). --- ## Synthèse du chapitre - L’onduleur autonome convertit la CC d’une batterie (ou d’un panneau PV via un régulateur MPPT) en CA sinusoïdale de tension et fréquence stabilisées, sans lien avec le réseau public. - Son architecture comporte : redresseur/chargeur (si présence d’AC), éventuel régulateur de charge MPPT pour le PV, batterie de stockage, pont en H MOSFET/IGBT commandé en PWM, filtre LC de sortie. - La modulation PWM compare une sinusoïde de référence (50 Hz) à une porteuse triangulaire haute fréquence (≥ 10 kHz) pour générer le signal de commande des interrupteurs. - L’amplitude du fondamental est \(V_{1}= m V_{dc}/2\) ; la tension efficace est \(V_{out\;rms}= m V_{dc}/(2\sqrt{2})\). L’indice de modulation \(m\) doit être ≤ 1, d’où la nécessité d’un étage élévateur (boost) si la batterie est basse tension afin d’atteindre la tension continue requise (≈ 650 V pour 230 V rms). - Le filtre LC est dimensionné pour une fréquence de coupure comprise entre 1 kHz et 2 kHz (lorsque la fréquence de porteuse est de 10–20 kHz), bien supérieure à la fréquence fondamentale (50 Hz) afin d’atténuer les harmoniques du PWM sans atténuer le fondamental, permettant d’obtenir un THD < 5 %. - Exemple de dimensionnement : batterie 48 V / 200 Ah → courant batterie ≈ 23 A pour 1 kW de sortie → boost à 650 V → L = 5 mH, C ≈ 5 µF (réalisé par un condensateur polypropylene de 4,7 µF – 10 µF). - Sécurité : isolement, protection contre surintensités, mise à la terre, port d’EPI, vérification d’absence de tension avant intervention. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Onduleur autonome | Convertisseur CC‑CA fonctionnant en île, produisant sa propre tension et fréquence de référence sans synchronisation au réseau. Il peut être alimenté par une batterie ou par un panneau photovoltaïque via un régulateur de charge MPPT. | | PWM (Pulse Width Modulation) | Technique de modulation où la largeur d’impulsion d’un signal carré varie en fonction d’une référence sinusoïdale pour synthétiser une forme d’onde approximativement sinusoïdale. | | Pont en H | Topologie de quatre interrupteurs (souvent MOSFET/IGBT) permettant de changer la polarité de la tension appliquée à une charge à partir d’une source continue. | | Filtre LC | Circuit composé d’une inductance (L) en série et d’une capacité (C) en shunt, utilisé pour atténuer les hautes fréquences d’un signal PWM. | | THD (Total Harmonic Distortion) | Pourcentage représentant la distorsion harmonique d’un signal par rapport à sa fondamentale ; valeur souhaitée < 5 % pour un onduleur de qualité. | | Indice de modulation (m) | Rapport entre l’amplitude de la sinusoïde de référence et la moitié de la tension continue d’entrée ; détermine l’amplitude du fondamental de la sortie : \(V_{1}= m V_{dc}/2\). La tension efficace est \(V_{out\;rms}= m V_{dc}/(2\sqrt{2})\). | | Étage boost (élévateur) | Convertisseur CC‑CC qui augmente la tension d’entrée à un niveau supérieur nécessaire pour atteindre la tension de sortie souhaitée avec \(m\le 1\). | | Courant de crête | Valeur maximale instantanée du courant dans un interrupteur du pont en H, approximativement égale à \(\sqrt{2}\) fois le courant continu d’entrée pour une charge résistive. | | Isolement | Distance ou matériau empêchant le passage de courant entre deux parties sous des tensions différentes, garantissant la sécurité des utilisateurs. | | Mise à la terre | Connexion conductrice d’une masse métallique à la terre afin de limiter les tensions de défaut et de faciliter le déclenchement des dispositifs de protection. | --- ## Exercices d’applications corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement du filtre LC **Énoncé** : Un onduleur autonome monophasé doit fournir 230 V rms à 50 Hz avec une tension d’entrée continue de 360 V (après un étage boost). On choisit une inductance de série \(L = 8\;mH\). Déterminer la valeur de capacité \(C\) nécessaire pour obtenir une fréquence de coupure du filtre égale à 1 kHz. **Corrigé** : La fréquence de coupure d’un filtre LC passe‑bas du premier ordre est \[ f_{c}= \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \] On impose \(f_{c}=1\;kHz = 1000\;Hz\) et \(L=8\;mH = 0,008\;H\). \[ C = \frac{1}{(2\pi f_{c})^{2}L}= \frac{1}{(2\pi\times1000)^{2}\times0,008} \] \[ (2\pi\times1000)^{2}= (6283,185)^{2}\approx 3,9478\times10^{7} \] \[ C = \frac{1}{3,9478\times10^{7}\times0,008}= \frac{1}{3,1582\times10^{5}}\approx 3,16\times10^{-6}\;F \] \[ C \approx 3,2\;\mu F \] En pratique, on réalise cette capacité avec un condensateur polypropylene de 3,3 µF (ou deux de 1,5 µF en parallèle). ### Exercice 2 – Courant de batterie nécessaire **Énoncé** : Un onduleur autonome alimente une charge de 1,5 kW avec un facteur de puissance de 0,85. La tension continue d’entrée est de 48 V et le rendement global de l’onduleur (y compris l’étage boost) est de 88 %. Calculer le courant moyen tiré de la batterie. **Corrigé** : Puissance active délivrée à la charge : \(P_{ac}=1500\;W\). Puissance continue nécessaire à l’entrée (en tenant compte du rendement) : \[ P_{dc}= \frac{P_{ac}}{\eta}= \frac{1500}{0,88}\approx 1704,5\;W \] Courant moyen de batterie : \[ I_{dc}= \frac{P_{dc}}{V_{dc}}= \frac{1704,5}{48}\approx 35,5\;A \] Ainsi, la batterie doit pouvoir fournir environ **36 A** en continu. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de mettre l’onduleur hors tension avant de mesurer la continuité du pont en H. | Risque de court‑circuit, endommagement des MOSFET/IGBT, déclenchement intempestif du disjoncteur. | Toujours vérifier l’absence de tension avec un multimètre en mode DC et isoler le circuit (disjoncteur ouvert, verrouillage). | | 2 | Utiliser une capacité de filtrage trop faible (ex. : 10 µF) pour réduire le coût. | THD élevé (> 15 %), surchauffe de la charge, déclenchement de protections des appareils sensibles. | Respecter la formule de dimensionnement du filtre LC ; prévoir une marge de 20 % sur la capacité calculée. | | 3 | Négliger la mise à la terre du châssis de l’onduleur. | Tension de défaut pouvant apparaître sur le boîtier, risque d’électrocution lors de la manipulation. | Relier le châssis à une prise de terre conforme (résistivité < 10 Ω) et vérifier la continuité avec un ohmmètre avant mise sous tension. | | 4 | Sous‑estimer le courant de crête du pont en H lors du choix des interrupteurs. | Saturation des MOSFET/IGBT, augmentation des pertes de commutation, dégradation prématurée. | Calculer le courant de crête : \(I_{crête}\approx \sqrt{2}\times I_{dc}\) (pour une charge résistive) et sélectionner des dispositifs avec un courant nominal d’au moins 1,5 ×  cette valeur. | | 5 | Installer le disjoncteur de protection batterie en aval du régulateur de charge au lieu en amont. | Le disjoncteur ne protège pas la batterie contre les surintensités provenant d’un défaut du régulateur. | Placer le dispositif de protection (disjoncteur ou fusible) **directement** sur le câble positif de la batterie, aussi près que possible du pôle. | | 6 | Utiliser des câbles de section insuffisante entre la batterie et l’onduleur. | Chute de tension importante, perte d’efficacité, risque de surchauffe des conducteurs. | Appliquer la règle de la chute de tension < 3 % : \(S \ge \frac{2 \times I_{dc} \times L}{\Delta V \times \sigma}\) (où \(L\) = longueur aller‑retour, \(\sigma\) = conductivité du cuivre). Exemple : pour 30 A sur 5 m, choisir du cuivre de 6 mm² minimum. | --- *Fin de la fiche de cours.*