L'énergie doit être fournie de manière efficace et pratique, et les onduleurs doivent être compacts et portables afin de permettre leur utilisation dans des zones non raccordées au réseau électrique et lorsqu'une alimentation de secours est indispensable en cas d'urgence. Ces onduleurs doivent également se caractériser par leur simplicité d'utilisation et de maintenance sur site.
L'onduleur du client accepte une tension de batterie nominale de 24 V ou 48 V, ne pèse que 8 kg et fournit une puissance de sortie nominale de 2 200 VA avec un rendement maximal de 93 %. L'intégration de la technologie de charge et de l'onduleur dans un seul appareil répond à deux objectifs : compacité et portabilité. Le client utilise une architecture d'onduleur basée sur un transformateur haute fréquence, comprenant un étage de puissance d'entrée haute fréquence, un transformateur haute fréquence, un bus CC intermédiaire et un étage de puissance de sortie. Cet onduleur autonome repose sur un petit transformateur haute fréquence, contrairement aux transformateurs basse fréquence volumineux souvent utilisés comme alternative.
Le concept haute fréquence implique que les charges connectées à l'onduleur sont reliées quasiment directement à l'étage de sortie, sans l'atténuation souvent présente dans les conceptions basse fréquence à transformateur. Ainsi, toutes les fluctuations côté charge peuvent être régulées par l'étage de puissance en sortie. La mise en œuvre de cette architecture, avec un rendement élevé et une forme d'onde de sortie de haute qualité conforme aux spécifications de fréquence, de tension et de distorsion harmonique, a représenté un défi de conception majeur.
Le raccordement et la commutation en parallèle d'onduleurs autonomes côté courant alternatif représentaient un défi de taille, car un onduleur autonome fonctionne comme une source de tension. Autrement dit, il génère sa propre tension de sortie stable et régule le courant en fonction des charges connectées. Par conséquent, lorsque deux sources de tension ou plus sont connectées sans être synchronisées, les charges sont déséquilibrées et un courant circule entre les sources, entraînant des pertes de puissance et une puissance active nulle. Ce courant peut également endommager les sources d'alimentation.
Un léger déphasage entre deux sources de tension peut également provoquer cette asymétrie, engendrant une différence de potentiel susceptible d'établir une connexion directe entre les sources côté alternatif. Ceci est dû à leur très faible résistance, qui génère un courant très élevé entre les onduleurs. Le client a mis en œuvre un algorithme de contrôle et de communication très rapide et précis pour résoudre ce problème.
Un concept de conception modulaire a permis de répondre aux exigences opérationnelles de plusieurs onduleurs autonomes fonctionnant en parallèle. Un onduleur de secours fonctionne comme un onduleur standard (CC/CA) et charge les batteries à partir d'une source CA (CA/CC) ; les mêmes circuits d'électronique de puissance servent également de générateur. Le marché ne proposant pas actuellement d'onduleurs offrant cette fonctionnalité, et ceux-ci étant basés sur une architecture à transformateur haute fréquence, une interface et une stratégie de contrôle entièrement nouvelles ont été nécessaires. La figure 1 illustre la proposition du client pour un système d'onduleurs composé de quatre blocs fonctionnels distincts, gérés par trois contrôleurs de signaux différents : CC/CC, CC/CA et une interface utilisateur avec affichage.
Le client a recherché des contrôleurs de signaux numériques (DSC) et a sélectionné des DSC dsPIC, dotés de périphériques compatibles avec l'alimentation, tels que des modules PWM (modulation de largeur d'impulsion) à compteur, un échantillonnage de rétroaction à comparateur analogique et des convertisseurs A/D coordonnés, ainsi qu'une multiplication rapide en un seul cycle d'horloge. Ces DSC dsPIC30F peuvent fournir les vitesses d'exécution élevées requises par les algorithmes en boucle fermée des onduleurs du client.
Aucun composant externe, tel qu'un contrôleur de réinitialisation, des puces mémoire, un convertisseur analogique-numérique ou un contrôleur CAN (Controller Area Network), n'est nécessaire, car ils sont intégrés aux DSC. Les DSC dsPIC30F offrent des vitesses d'exécution allant jusqu'à 30 MIPS et garantissent une efficacité et une fiabilité accrues du système d'onduleur. Leur facilité de mise à niveau constitue un autre avantage, car les DSC peuvent fonctionner dans une large plage de tension, de 2,5 V à 5,5 V.
La conception de l'onduleur était flexible et modulaire ; les contrôleurs DSC offraient différentes capacités de mémoire Flash et RAM, ainsi que diverses options de connectivité. Dans le bloc d'alimentation CC/CC, le contrôleur DSC dsPIC30F5015 pilotait l'étage haute fréquence entre l'entrée de la batterie et le transformateur haute fréquence. Ce dispositif était également utilisé pour mesurer avec précision la tension et le courant de la batterie. Dans l'étage d'alimentation CC/CA, le contrôleur dsPIC30F6010A gérait les circuits d'électronique de puissance au moyen d'une boucle de régulation proportionnelle-intégrale (PI) en instance de brevet.
Pour les commandes du tableau de bord et de l'affichage de l'onduleur, le dsPIC30F6010A se connecte au dsPIC30F5011 via le bus CAN. Il ajuste également les modes de fonctionnement de l'onduleur selon les instructions de l'utilisateur. Le dsPIC30F5011 intègre 66 Ko de mémoire Flash et une interface CAN. Cette mémoire Flash intégrée permet de stocker toutes les icônes graphiques de l'interface utilisateur multilingue de l'onduleur. L'utilisateur peut naviguer dans les différents modes de fonctionnement et menus à l'aide des touches de navigation situées sur le panneau.
Ces onduleurs haute stabilité et à réponse rapide, basés sur la technologie des transformateurs haute fréquence et de conception modulaire, peuvent être connectés en parallèle. Jusqu'à cinq onduleurs supplémentaires par phase peuvent être connectés en parallèle pour un fonctionnement triphasé, soit un total de 15 onduleurs dans un système.
Le client a pu concevoir un onduleur compact et multifonctionnel qui permet une alimentation électrique autonome sans avoir besoin d'être raccordé au réseau électrique public grâce aux DSC dsPIC30F de Microchip.
Remarque : Les noms et logos Microchip et dsPIC sont des marques déposées de Microchip Technology Inc. aux États-Unis et dans d’autres pays. Toutes les autres marques mentionnées appartiennent à leurs propriétaires respectifs.
Auteur:
Victor Alcazar,
directeur du développement commercial,
division des microcontrôleurs hautes performances,
Microchip Technology Inc.
