La source est généralement constituée par un générateur de tension continue en série avec une inductance suffisante pour assurer un lissage quasi parfait du courant source.

La charge doit être une branche de type tension; le plus souvent un condensateur assure la continuité de la tension aux bornes de cette branche.

La commande de l'onduleur impose la forme du courant dans la charge et la charge impose la forme de la tension.

Ce type d'onduleur est moins souvent utilisé que l'onduleur de tension; il est réservé aux montages de forte puissance nécessitant l'emploi de thyristors car la structure facilite la commutation d'ouverture de ce composant .

2 Structure en pont

Le pont est formé par les quatre thyristors. L'inductance L_s assure le filtrage du courant source. La capacité C transforme la charge R ou R-L en branche tension.

Le courant i_s est supposé parfaitement continu mais sa valeur est fixée par la charge; la tension d'alimentation du pont n'est pas égale à E car la tension aux bornes de l'inductance de filtrage n'est pas nulle : L_s.di_s/dt est une forme indéterminée car pour avoir i_s = Cste, il faut une inductance infinie.

A t = 0, nous commandons la fermeture de Th1 et Th2'; nous avons alors v₁ = v'₂ = 0 et v'₁ = v₂ = u; la tension aux bornes du condensateur doit être négative à t = 0 pour forcer le blocage de Th1' et Th2. Posons u(0)= -U_o < 0.

Pour t > 0 Th1 et Th2' conduisent donc I_s = i₁ = i = i'₂ = Cste. i = i_ch + j = u/R+ C.du/dt ; nous en déduisons R.C.du/dt + u = R.I_s = Cste.

La tension u étant alternative, u(T/2)= -u(0)=Uo. Nous pouvons en déduire l'expression de Uo

En t = T/2, u = Uo > 0; la commande à la fermeture de Th1' et Th2 provoque le blocage de Th1 et Th2'.

Sur [0 ; T/2] nous avons E = u + L_s.di_s/dt ; sur [T/2 ; T] nous avons E = -u + L_s.di_s/dt ; comme u est alternative L_s.di_s(t+T/2)/dt = E + u(t+T/2) = E - u(t); le courant i_s est donc de période T/2. Pour calculer I_s, nous écrivons que la tension moyenne aux bornes de L_s est nulle en régime périodique donc que sur

[0 ; T/2], U_moy = E; il vient :

Le courant fourni par la source est donc fonction de la charge R, de la tension d'alimentation, de la capacité C et de la fréquence de commande.

Prenons E = 100 V , R = 10 W et commandons l'onduleur à la fréquence f = 500 Hz. Les thyristors utilisés ont un temps de blocage t_q = 100 µs.

Nous devons choisir C  pour avoir R.C.Ln[2/(1+X) > t_q avec X = exp(-T/2RC). Cette inégalité doit être résolue numériquement en essayant des valeurs de C; l'égalité est obtenue pour C = 14,45 µF ; pour assurer une marge de sécurité, nous prenons C = 22 µF.

Nous en déduisons X = 0,0106 ; Is = 17,6 A ; Uo = 172 V.

Sur [0 ; T/2] u = 176 - 348.exp(^-t/t) ; i_ch = 17,6 - 34,8.exp(^-t/t) ; j = 34,8.exp(^-t/t) .

La fig.2 donne l'allure des graphes.

 

Nous constatons que les thyristors sont soumis à un fort taux de croissance du courant à l'amorçage; nous devons placer une inductance en série avec chaque thyristor pour limiter ce taux de croissance à une valeur inférieure au (di/dt)_max du thyristor. Lors de l'amorçage de Th1, cette inductance interdit la discontinuité de i1; le courant source ne pouvant être discontinu, Th2 continue à conduire durant le temps nécessaire à la croissance de i1 de 0 à Is. De même Th'1 et Th'2 conduisent simultanément. A chaque commutation les quatre thyristors conduisent simultanément et court-circuitent la source.

La charge est rarement une résistance pure, le plus souvent elle peut être modélisée par un dipôle R-L. Pour 0 < t < T/2, les équations du montage sont :

Avec les équations (2) et (4), nous exprimons U_o et I_o en fonction de I_s. Il vient:

Prenons E = 100 V , R = 10 W , L = 1 mH et l'onduleur étant commandé à la fréquence f = 500 Hz. Les thyristors utilisés ont un temps de blocage t_q = 100 µs.

Pour rester en régime apériodique, nous devons choisir C > 40 µF; prenons C = 47 µF.

Nous calculons :

La fig.3 donne l'allure des grandeurs.

 

Nous constatons qu'après son blocage, Th1 est soumis à une tension négative durant t_inv = 256 µs > t_q donc que le blocage s'effectue normalement.

Ce type de montage a l'avantage de la simplicité car le blocage de chaque thyristor d'un bras est forcé par l'amorçage de l'autre thyristor du même bras.

Il a plusieurs inconvénients :

3 structure en pont avec diodes d'isolement

Pour éviter que le courant dans la charge dépende de celle-ci et pour limiter le courant dans les capacités, on peut utiliser le montage ci-dessous :

La structure permet de ne mettre en service les condensateurs que durant la commutation des thyristors.

Nous supposons le courant I_s parfaitement lissé par L_s.

v     A t = 0^-, Th2, D2, D1' et Th1' conduisent seuls. Les condensateurs sont isolés : j = j' = 0. On a i_ch = -I_s . Pour pouvoir bloquer les thyristors les condensateurs doivent être chargés négativement : v = v' = -Vo.

v     A t = 0, on amorce Th1 et Th2'. On a donc v₁ = v'₂ = 0 et v₂ = v'₁ = -Vo ; Th2 et Th1' sont donc bloqués en t = 0⁺ . L'inductance L de la charge interdit la discontinuité de i_ch donc i_ch(0⁺)= -I_s . Les diodes D2 et D'1 doivent donc continuer à conduire.

u = -R.I_s et v_d1 = v - u = R.I_s - V_o ; si R.I_s < V_o , D1 et D'2 restent bloquées.

v     Première phase de commutation : les interrupteurs fermés imposent j = j' = I_s . j = C.dv/dt donc

v = v' = I_s.t/C-V_o . A l'instant t₁ tel que v(t₁) = -R.I_s ,v_d1 = 0 donc D1 conduit. Nous avons t₁ = C.V_o/I_s - R.C .

v     Deuxième phase de commutation à t₁⁺  , D1 et D2' conduisent; comme i_ch(t₁⁺)= -I_s ,D1' et D2 conduisent toujours .

A la fin de cette phase, Th1,D1,D2' et Th2' conduisent et v = Cste; en régime permanent, on aura

V_o = v(t'₂). Le thyristor Th2, après son blocage reste sous tension négative tant que v est négative soit, pour R = 0, durant t_inv = t₁ = C.V_o/I_s =1/w=Ö(2.L.C). Ce temps est indépendant du courant dans la charge.

Si on ne néglige pas R, le calcul est plus complexe. La valeur de Is n'est pas imposée et les temps de commutation dépendent de I_s. Pour exprimer le courant source, on écrit que valeur moyenne sur une demie période de la tension aux bornes de la source de courant E - L_s est égale à E.

 

Reprenons les valeurs du paragraphe 2.3 : E = 100 V , R = 10 W , L = 1 mH et l'onduleur étant commandé à la fréquence f = 500 Hz. Les thyristors utilisés ont un temps de blocage t_q = 100 µs.

Pour être en régime oscillant, nous devons avoir C < 2.L/R² soit C < 20 µF ; si nous négligeons R, nous devons avoir t_inv = t₁ = Ö(2.L.C) > t_q soit C > 5 µF. Prenons C = 10 µF.
Nous calculons I_s =13,4 A ; V_o = 152 V ; t₁ = 13,4 µs ; t'₂ = 471 µs ; t_inv = 110 µs.

La fig.6 donne l'allure des grandeurs durant la commutation.

L'introduction des diodes de séparation :

Ø      a l'inconvénient de :

Ø      a l'avantage de :

 

4 structure parallèle

La charge est alimentée à travers un transformateur à point milieu. Le condensateur assure la compatibilité des branches source et charge; il permet aussi le blocage des thyristors :

Nous supposons :

Les équations du montage sont :

Supposons qu'à t = 0^-, Th2 soit passant et que C soit chargé négativement sous v = -V_o.

A t = 0, nous amorçons Th1 donc v1 = 0 et v2 = v < 0. L'amorçage de Th1 force le blocage de Th2.

De (5) et (8), nous tirons (13) u = m.v/2. En dérivant (7) et en utilisant (9) et (13), il vient

Pour faire le calcul, nous nous donnons à priori une valeur de I_s; nous en déduisons A, B, A', B', A" et B" . Nous calculons le second membre de l'expression ci-dessus et nous le comparons à m.E. Nous essayons des valeurs successives de I_s jusqu'à obtenir l'égalité.

Prenons E = 6 V ; f = 500 Hz ; R = 10 W ; L = 5 mH ; C = 20 µF et m = 5.

Nous calculons Is = 6,39 A ; A = -1,75 A ; B = -3,82 A; A" = -486 V ; B" = 200 V.

La fig.8 donne l'allure des grandeurs.

Ø      Avantages :

Ø      Inconvénients :

5 structure à résonance parallèle

La source est une branche de type courant; la  charge est un circuit résonant parallèle ; la structure de l'onduleur est en pont.

De 0 à T/2 , Th1 et Th2' sont passants donc i = i_s ; de T/2 à T, Th2 et Th1' sont passants donc i = -i_s.

Si nous supposons le courant source constant, de 0 à T/2, nous avons : i = I_s = i_r + i_L + i_c ; u = R.i = L.di_L/dt et i_c = C.du/dt. Nous en déduisons

Dans les montages à résonance, on cherche à obtenir des grandeurs dans la charge quasi sinusoïdales; la fréquence f de commande de l'onduleur est telle que w =2.p.f soit peu différente de la pulsation de résonance w_o et l'amortissement est faible. Les grandeurs de la charge sont donc peu différentes de leur fondamental de fréquence f.

A la fréquence f, l'admittance du circuit résonnant est :

Lorsque Th1 est amorcé en 0, la tension appliquée à Th2 est u(0); si nous voulons forcer le blocage de Th2, il faut que u(0) soit négative. Le déphasage j₁ doit être négatif et la charge globalement capacitive; nous devons donc avoir w > w_o. Le thyristor Th2 reste sous tension négative pour q = w.t variant de 0 à |j₁| ce temps doit être supérieur au temps de blocage t_q des thyristors nous devons donc avoir  |j₁| >2.p.t_q/T.

Pour une fréquence de commande f = 500 Hz et un temps t_q =100 µs, nous devons avoir |j₁| > 0,314 rd soit |j₁| > 18°. La fig.10 donne les valeurs de y = P/(E^²/R) et de |j₁| en fonction de x pour deux coefficients d'amortissement z = 0,1 et z = 0,25.

A la mise sous tension is est nul et le condensateur déchargé. Si on amorce Th1 et Th2' on risque de ne pouvoir les bloquer; le courant i sera continu et la source sera mise en court-circuit. Il faut au démarrage :

Ø      soit charger C positivement .

Le circuit de la fig.11 peut être utilisé :

Le condensateur C_aux est chargé à travers E_aux et R_aux. On amorce le thyristor auxiliaire Th_aux. C_aux se décharge dans le circuit oscillant de l'onduleur à travers L_aux qui limite le courant de décharge et crée une oscillation qui bloque Th_aux après une période d'oscillation, le courant de décharge passant par 0. Le circuit oscillant soumis à un échelon de tension démarre et on peut débloquer Th1 et Th2 lorsque u passe par 0.

Ø      soit établir le courant i_s dans l'inductance;

le circuit de la fig.12 peut être utilisé :

L'amorçage du thyristor Th_aux fait osciller le circuit L_s-C_aux amorti par R_aux. Lorsque i_s atteint une valeur suffisante, on commande Th1 et Th2; comme u = 0 et que C_aux est chargé positivement Th_aux se bloque; le circuit oscillant R-L-C soumis à l'échelon de courant i_s entre en oscillation.

L'onduleur à résonance parallèle est moins souvent utilisé que celui à résonance série: