TP Onduleur monophasé de tension

L’onduleur autonome est un convertisseur statique  continu alternatif qui détermine sa fréquence (fixe ou variable) grâce au circuit de commande.
L’objet de ce TP est l’étude d’un onduleur autonome monophasé de tension. Vous simulerez tout d’abord le circuit sur Pspice, puis le mettrez en œuvre sur plaquette lab.


1. PRESENTATION
La structure retenue est celle d’un pont en H (4 interrupteurs et une source continue).

Les quatre interrupteurs sont bidirectionnels tantôt ouverts, tantôt fermé et les interrupteurs d’une même branche ne peuvent être simultanément fermés (ou ouverts).

Dans le cas d’un  onduleur pleine onde , la commande de ces interrupteurs est telle que le
rapport cyclique de la tension aux bornes du récepteur est en créneaux symétriques
rectangulaires de rapport cyclique a =0.5.
Dans notre étude, chaque interrupteur est constitué d’un transistor polarisé par deux
résistances et d’une diode (diode de roue libre  indispensable en cas de charge inductive).

Les résistances présentes sur la base du transistor permettent de d’avoir un courant de base
nettement excessif à cause de la diminution du gain à faible tension du

Lors de la simulation, la charge est résistive. Lors de la manipulation, elle est tout d’abord résistive, puis R-L.

Question :
1)  Lorsque la charge est résistive, quelle est la ddp aux bornes de la charge lors de la phase 1 (K1 et K4 fermés) ?
Lors de la 2ème phase (K2 et K3 fermés) ?

2. MANIPULATIONS
2.1. Simulation sous Pspice
L’objectif est de réaliser le montage suivant. Observer les symétries du schéma et utiliser
quand cela est possible le copier/coller.

Figure 5 : Schéma électrique à réaliser

Pour réaliser le montage, inspirez-vous des indications suivantes.
Mise en marche du PC :
-  PC ON
-  Mot de passe identique au login, soit UNC
Lancement de Pspice :
- Démarrer | Programmes | Pspice Student | Schematics
Création d’un fichier schéma :
-  File | New |

-  File | Save As | Mes Documents/TP onduleur/Onduleur_VOTRE_NOM
Pour insérer un composant :
-  activer l’icône «  Get new part »
-  choisir les composants du tableau

 -  Utiliser le menu Edit pour placer correctement ces composants

Pour lier deux composants :
Vous allez devoir ‘manger’ sur les composants afin de réellement les connecter.
-  Activer l’icône «  Draw wire »,
-  Avec la souris en mangeant à l’intérieur de 1er
 composant faîtes un premier click,
-  Faîtes un deuxième click pour réaliser un angle,
-  Faîtes un double click en mangeant sur le deuxième composant pour terminer.
Attention, le contact est correct si un cercle plein apparaît sur le lien entre les deux
composants. Si ce contact n’apparaît pas, sélectionner le lien, l’effacer (touche «  Suppr »)et
recommencer.
Pour associer une étiquette (label) à un fil :
-  Double click dessus sur un fil :

Placer le label sur le fil à gauche de la charge.
Placer le label sur le fil à droite de la charge.

 Relier les masses des différentes sources au 0V du circuit.
- Il faut relier («  Draw wire ») les masses de la source de tension continue E, à celle générant
le signal , à celle générant le signal  , à la masse (Analog-ground) du circuit afin que les
différents signaux présents aient le même potentiel de référence.

 Pour simuler le circuit :
-  Votre fichier doit être à l’état «  current » et non «  stale » (lire en haut de la fenêtre)
-  Analysis | Run probe
-  Analysis | Simulate
-  Si la simulation s’est bien déroulée, une fenêtre s’ouvre avec une base de temps en
abscisse et une base de tension ou de courant en ordonnées.
Pour visualiser les signaux :
-  Sur cette nouvelle fenêtre activer l’icône «  Add Trace », un menu s’ouvre et vous propose
les différents signaux que vous pouvez visualiser.
-  Sélectionner soit le courant, soit le potentiel à visualiser. Si vous voulez  visualiser une
ddp : sélectionner le premier potentiel, appuyer sur la touche «  - », puis sélectionner le
second potentiel.

Questions :
2) Tracer les signaux S1 et S2 et vérifier qu’ils sont bien en opposition de phase, variant de –5V à +5V en créneaux, de fréquence 50Hz (soit un période de 20ms = 0.02s) et d’un rapport cyclique de 0.5 (soit changement de polarité du signal toutes les 10ms = 0.01s)
3) Tracer les signaux Vbe des transistors 1 et 4 et vérifier qu’ils sont en phase.
4) Tracer les signaux Vbe des transistors 2 et 3 et vérifier qu’ils sont en phase.
5) Tracer les signaux Vbe et Vce du transistor 4. Quand est-ce que le transistor conduit ?
6) Tracer les signaux Vce des transistors c’est à dire la tension aux bornes des différentes diodes.
6.1) Décrire la tension de D1 (excursion de la tension, forme du signal ; périodicité, rapport cyclique).
6.2) En prenant pour référence le signal de la diode D1, préciser si les tensions des diodes D4, D2, D3 sont en phase ou en opposition de phase, possède ou pas les mêmes niveaux de tension.
7) Tracer la tension aux bornes de la charge de 1kW, soit la ddp  VA-VB. Décrivez le signal obtenu : excursion, tension min/max, période, rapport cyclique.
8) En observant la nature de la source du pont en H et le signal obtenu auprès de la charge, quel est le rôle de ce montage ?
9) A quoi servent les signaux S1 et S2 ?

2.2. Montage sur plaquettes Lab
L’objectif est de mettre en ouvre le circuit présenté à la Figure 5.
Méthode :
a)  établir les signaux de commande et (à partir de ) sur une première plaquette Lab.
b)  positionner les interrupteurs sur une seconde plaquette Lab en faisant sortir les
connecteurs pour brancher la charge.
c)  relier les neutres
d)  mettre en place la charge
e)  étude de l’influence de la charge.

 Matériels nécessaires :

 a) Génération des signaux de commande et

Pour réaliser le signal S2, il faut savoir qu’un AO se présente comme suit :

 

En utilisant les données sur la  Figure  6 et la  Figure  7 , brancher votre AO sans oublier de
l’alimenter par les pattes 7 (+15V) et 4 (-15V), n’oublier pas de mettre la patte 3 non
inverseuse au neutre de l’alimentation de l’AOP.

Vérifications :
10) Régler le signal S1 sur le générateur de fonctions INSTEK-
GFG8216A, en respectant les réglages spécifiés dans le tableau
des matériels nécessaires. Utiliser l’oscilloscope. Préciser
le calibre de temporel utilisé, le calibre de tension,
indiquer le nombre de carreaux correspondant à la variation
d’amplitude.
11) Vérifier à l’oscilloscope que les signaux S1 et S2 sont en
opposition de phase, de même fréquence et de même amplitude.
Sur votre première plaquette, vous disposez de vos signaux de commande des interrupteurs.
Eteindre le générateur et l’alimentation de l’AO.

b) Etablissement des interrupteurs

Le schéma associé à chaque interrupteur est celui illustré sur la  Figure 5. Pour cela cous devez
noter que les transistors 1 et 4 reçoivent la commande tandis que les transistors 2 et 3 sont
commandés par . Vous devez lire le composant transistor comme suit :

 

La base est à l’angle droit du triangle CBE.

Pour la réalisation sur la plaquette Lab, veillez à mettre en évidence les symétries existantes
au niveau des 4 interrupteurs. Veuillez indiquer l’ordre dans lequel vous positionnez vos
interrupteurs en les inscrivant au crayon à papier sur la plaquette, et à faire ressortir les deux
bornes devant être connectées à la charge.

c) Charge résistive R
Réaliser le montage en branchant la charge R = 1 k.
Alimenter le Générateur Métrix GX 239 et régler E à l’oscilloscope selon les réglages
demandés dans le tableau des matériels nécessaires. Eteindre la source. Connecter la source au
montage (E et neutre). Eteindre le générateur.
Aller repiquer les signaux  et  sur la première plaquette Lab pour alimenter vos
interrupteurs (ne passer pas par des bornes, utiliser directement du petit fil).
Allumer successivement :
-  l’alimentation de l’AO,
-  la source E (pas de modification de réglage)
-  la source S1(régler de nouveau la fréquence et la forme du signal en créneaux)
Pour éteindre, vous procèderez dans l’ordre inverse.

A l’aide de l’oscilloscope Métrix OX520B, vous procédez aux vérifications suivantes
(n’oubliez pas de relier correctement la masse de l’oscilloscope au neutre de votre circuit).

Vérifications :
12) La commande des interrupteurs :
-  K1 et K4 en phase
-  K2 et K3 en phase
-  K1 et K2 en opposition de phase

A l’aide de l’oscilloscope Métrix OX520B, pour relever la tension aux bornes de la charge,
vous allez procéder comme suit :
-  brancher la voie 1 de l’oscilloscope à l’intersection de K1, K2 et la charge : Vch+.
-  brancher la voie 2 de l’oscilloscope à l’intersection de K3, K4 et la charge : Vch-.
-  ne pas relier la masse de l’oscilloscope au circuit car l’on cherche à mesurer une ddp
(différence de potentiel) au sein du circuit.
-  sur le quadrant gauche de l’oscillo, partie supérieure, vous pouvez distinguer deux
boutons «  ADD » et «  -CH2 ». Le  « -CH2 » inverse le signal de la voie 2, tandis que
« ADD » somme les signaux présents sur les deux voies. ainsi activer « -CH2 » pour obtenir –V ch-.

activer « ADD » pour obtenir la ddp aux bornes de la charge : Uch= Vch+ - Vch- 

Relevé :
13) La tension aux bornes de la charge R. Dessiner son
chronogramme, indiquer les échelles, la période du signal, son
amplitude crête et son amplitude crête à crête.

d) Charge RL
Remplacer la charge R par une charge RL (une résistance en série avec une inductance
(bobine)).
L’objet de cette partie est d’observer la tension aux bornes de la charge RL, et d’observer les
variations de R et puis de L sur cette tension.
d1) R=1 ket Lmax
Relevé la forme du signal.
Indiquer la durée t pendant laquelle le signal est haut.
d2) R­ (1 k à 10 k) et L=cste
Que fait t ?
d3) R constante =1 k et L¯ (Lmax à Lmin)
Que fait t ?
d4) R (1 k à 100) et Lmax
Que fait t ?
Dessiner le signal lorsque R= 100.
Faire varier l’inductance Lmax vers Lmin. Qu’observez-vous ?

Expliquez vos observations en utilisant vos connaissances sur les phénomènes physiques
électriques (courant et tension lorsqu’il y a une charge R, puis ajout d’une inductance, temps
de réponse d’un circuit R et RL).