Contrôleur d'onduleur

Le système de contrôle de l'onduleur se compose de deux circuits fonctionnels. L'un d'eux est le « Générateur d'ondes d'origine » pour la tension alternative, et l'autre est le « Générateur AC » qui produit une onde de tension alternative cible. Le générateur d'ondes Origin génère une série d'impulsions dont les hauteurs sont identiques mais les largeurs sont sélectionnées par le générateur ; la série d'impulsions est "Origin Wave" pour l'onde AC cible. La largeur de chaque impulsion est déterminée par un calcul spécial qui sera illustré plus loin.
Et le générateur AC modifie l'onde d'origine en onde AC. Ce circuit comporte plusieurs paires d'interrupteurs à l'intérieur. Pour une explication simple, considérons le cas dans lequel une seule paire de deux commutateurs existe dans le circuit de fonction. L'une des bornes d'un interrupteur est liée à la source de tension continue (V+) et l'autre interrupteur, au niveau de la terre. Les autres bornes des deux commutateurs sont connectées entre elles, ce qui constitue la borne de sortie du générateur CA. Chaque interrupteur est contrôlé par des ondes de modification de l'Origin Wave. Cette configuration peut produire trois niveaux de tension : le niveau de tension CC (V+), le niveau de terre et un niveau intermédiaire entre V+ et la terre.
Cette explication est dédiée à seulement deux commutateurs, mais il est clair que davantage de commutateurs et une commande de commutateur sophistiquée créeront des ondes CA plus complexes à partir des simples niveaux DC et GND.

Courbe sinusoïdale
Dans de nombreux cas, les ondes AC cibles seraient des courbes sinusoïdales. Par exemple, un système de commande de moteur nécessitera une onde sinusoïdale pour entraîner un moteur, car une courbe sinusoïdale idéale devrait donner la rotation la plus silencieuse ou la moindre consommation d'énergie. Un autre exemple est un conditionneur d'énergie qui générera une onde sinusoïdale de 60 Hz sur les lignes électriques à usage commercial.
L'onde d'origine de la courbe sinusoïdale est générée comme suit.
Dans un premier temps, une certaine définition devrait être faite. Le niveau de sortie maximum et minimum du générateur AC sont respectivement +V et -V. Et l'amplitude de la courbe sinusoïdale en sortie est inférieure à la valeur 2 x V.
Ensuite, un triangle isocèle est préparé. La hauteur du triangle est de 2 x V et il se répète le long de l'axe horizontal (axe du temps) et la base est un intervalle de temps fixe. La courbe sinusoïdale est placée sur le graphique avec le fond des triangles.
En comparant les valeurs des triangles à celles de la courbe sinusoïdale, définissez « un » si la courbe sinusoïdale est plus grande que le triangle et « zéro » si ce n'est pas le cas. Cela obtiendrait une séquence d'impulsions d'unité de hauteur, qui est l'onde d'origine de la courbe sinusoïdale.
L'Origin Wave (Signal S) présente le fait que l'impulsion la plus large apparaît à la valeur la plus grande dans la courbe sinusoïdale. Pour mieux comprendre si les impulsions seront modifiées pour remplir l'espace voisin sans changer la zone de l'impulsion, une forme de courbe sinusoïdale apparaît (Signal Sa). Comme on l'imagine facilement, la forme se rapproche d'une courbe sinusoïdale lorsque le triangle isocèle devient plus raide (la base est plus petite). A noter que le Signal Sa n'est pas une onde réelle mais une onde conceptuelle.
La technologie permettant de générer une onde comme Origin Wave, qui consiste en des impulsions de hauteur constante et de largeur variable, est appelée PWM (Pulse width Modulation). Le contrôle de l'onduleur est réalisé avec la technologie PWM.

Commande de rétroaction
La fonction fondamentale du contrôle de l'onduleur est que le générateur Origin Wave produit une onde Origin PWM et que le générateur AC génère une onde sinusoïdale transformée par l'onde Origin. Tout cela n’est pas entièrement mis en œuvre. Le système de contrôle comporte un moteur ou un autre dispositif à l'intérieur qui serait appelé "une charge" dans le monde électrique. Lorsque la charge fonctionne, elle déforme l'onde sinusoïdale de la sortie du générateur CA ; l'amplitude de l'onde sinusoïdale peut diminuer, la phase peut légèrement changer ou la fréquence peut être instable, et ainsi de suite.
Il devrait y avoir plusieurs fonctions dans le système pour acquérir la courbe idéale de l'onde sinusoïdale. Une fonction de surveillance de l'onde de sortie du générateur AC (c'est l'entrée de la charge). Ensuite, le signal surveillé doit être comparé à la forme d'onde idéale. Par conséquent, si l'amplitude du signal surveillé est plus petite, la sortie du générateur d'ondes d'origine, les impulsions PWM, devrait être plus longue et vice versa. Après avoir répété ce processus, l'onde de sortie est assez proche de l'onde idéale et essayez de conserver la forme d'onde dans la même forme.
Une telle boucle telle que décrite ci-dessus, d'une manière générale, est bien connue sous le nom de système de « commande par rétroaction ». Grâce au contrôle par rétroaction, le contrôle de l'onduleur peut être appliqué à une variété de valeurs de charge différentes.

Circuits nécessaires au contrôle de l'onduleur
Un circuit de surveillance pour surveiller la sortie du générateur CA, un générateur de triangle isocèle, un circuit de comparaison du signal surveillé et du triangle isocèle (un générateur de signal S), un comparateur du signal S du signal surveillé et du signal idéal S de l'idéal. onde sinusoïdale, un stockage du signal idéal S, un générateur d'impulsions PWM et bien sûr, un générateur AC lui-même.
Le circuit de surveillance pour la sortie du générateur CA serait un convertisseur AD qui convertit le signal analogique surveillé en valeurs numériques. Cette conversion facilite la comparaison des grandeurs entre les valeurs de conversion et les valeurs du triangle isocèle (valeurs numériques).
Un contre-circuit est utilisé pour réaliser le triangle isocèle. Le compteur doit compter les impulsions avec une horloge de fréquence plutôt rapide, et il incrémente jusqu'à une valeur de comptage prédéfinie et décrémente après avoir atteint la valeur de comptage ; qui génère le triangle isocèle.
La comparaison serait effectuée par un circuit calculateur numérique.
Le signal S de la courbe sinusoïdale idéale est stocké dans une mémoire de stockage.
Et les impulsions PWM seront générées par un circuit spécial dédié au contrôle d'une série d'impulsions PWM.

Objectifs du contrôle
Les principaux objectifs du contrôle électronique de l'onduleur de puissance sont de réguler la tension ou le courant de sortie, de se synchroniser avec le réseau ou la charge, de minimiser la distorsion harmonique et les pertes de commutation et d'assurer la stabilité et la fiabilité du système. En fonction de l'application et des conditions de fonctionnement, différentes stratégies et techniques de contrôle peuvent être appliquées pour atteindre ces objectifs. Certains des plus courants sont la modulation de largeur d'impulsion (PWM), le contrôle de l'hystérésis, la modulation vectorielle spatiale (SVM) et le contrôle du statisme.

Méthodes de contrôle
Les méthodes de contrôle des onduleurs électroniques de puissance peuvent être classées en deux catégories : linéaires et non linéaires. Les méthodes de contrôle linéaire utilisent des contrôleurs à rétroaction linéaire, tels que des contrôleurs proportionnels-intégraux (PI) ou proportionnels-intégraux-dérivés (PID), pour réguler la tension ou le courant de sortie. Ils sont simples et faciles à mettre en œuvre, mais ils présentent des limites en termes de robustesse, de bande passante et de performances dynamiques. Les méthodes de contrôle non linéaire utilisent des contrôleurs à rétroaction non linéaire, tels que le contrôle en mode glissant (SMC) ou le contrôle à logique floue (FLC), pour réguler la tension ou le courant de sortie.

Boucles de contrôle
Les boucles de contrôle des onduleurs électroniques de puissance peuvent être divisées en deux niveaux : interne et externe. La boucle de contrôle interne est chargée de générer les signaux de commutation pour les commutateurs de l'onduleur, sur la base de la référence et des signaux de retour. La boucle de contrôle externe est chargée de générer les signaux de référence pour la boucle de contrôle interne, en fonction de la tension ou du courant de sortie souhaité. La boucle de contrôle interne fonctionne généralement à une fréquence plus élevée que la boucle de contrôle externe, pour garantir une réponse rapide et précise.

Défis de contrôle
Le contrôle des onduleurs électroniques de puissance est confronté à plusieurs défis, tels que les variations de paramètres, les non-linéarités, les incertitudes, les perturbations et les contraintes. Ces facteurs peuvent affecter les performances et la stabilité du système et nécessitent des techniques de contrôle adaptatives et robustes. De plus, le contrôle des onduleurs électroniques de puissance implique également des compromis entre des objectifs contradictoires, tels que l'efficacité, la qualité et la fiabilité. Ces compromis nécessitent des techniques d’optimisation et de contrôle multi-objectifs.

Un moyen simple de comprendre comment un onduleur convertit le courant continu en courant alternatif consiste à considérer le circuit de l'onduleur comme étant constitué de 2 paires de 2 commutateurs pour un total de quatre commutateurs. Les interrupteurs sont appariés de sorte que lorsque les interrupteurs 1 et 3 sont fermés, les interrupteurs 2 et 4 sont ouverts. Ensuite, lorsque 1 et 3 sont ouverts, 2 et 4 sont fermés. Chaque paire d'interrupteurs fera changer de direction le courant lorsqu'il est fermé.

Les commutateurs ne sont pas réellement utilisés dans un circuit onduleur. Au lieu de commutateurs, des transistors tels que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBP) ou les transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) fonctionnent comme des commutateurs.

Ces transistors permettent également au courant d’augmenter et de diminuer progressivement à mesure qu’ils s’ouvrent et se ferment. Ceci est nécessaire pour que le courant de sortie soit sous la forme d’une onde sinusoïdale. Si les transistors s'ouvraient et se fermaient instantanément, la sortie de l'onduleur serait une onde carrée, qui ne fonctionnerait pas en toute sécurité comme courant alternatif pour de nombreux appareils.

Enfin, l'onduleur devra augmenter le niveau de tension à 120 VAC. Un onduleur utilise un transformateur élévateur pour y parvenir.