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Ecole Supérieure de Technologie -Berrechid- Université Hassan 1 er -Settat- Sous le thème: « Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877 » Présentée et soutenue par : EL IDRISSI Ramzi SEMLALI Amine AGHMADI Ahmed Le 03/06/2014 Filiére : Génie Industriel & Energies Renouvelables Encadré par : Mr. MAKER Hattab

PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

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Ecole Supérieure de Technologie

-Berrechid-

Université Hassan 1er -Settat-

Sous le thème:

« Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877 »

Présentée et soutenue par :

EL IDRISSI Ramzi

SEMLALI Amine

AGHMADI Ahmed

Le 03/06/2014

Filiére :

Génie Industriel & Energies Renouvelables

Encadré par :

Mr. MAKER Hattab

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2 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Qu’il nous soit permis de dédier notre rapport de projet de fin d’études qui

est le fruit de deux ans de formation à l’ESTB à tous ceux qui

compatissent à nos chagrins et partagent nos bonheurs, qui nous

enveloppent par leurs admirations, et à qui nous devons nos gratitude et nos

reconnaissance. Notamment :

Nos chers parents

Que DIEU les garde et les procure santé, bonheur, prospérité et longue vie.

Nos frères

Pour leurs encouragements incomparables et sans limites.

Nos professeurs et nos amis fidèles

Pour leurs soutiens et leurs conseils précieux, pour leurs compréhension et

efforts.

Notre école et tous les membres de l’administration

Pour leur fidélité, sacrifices et amour.

Dédicace

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3 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Les paroles peuvent être parfois insuffisantes parce qu’elles ne peuvent traduire nos estimables reconnaissances envers toute personne qui nous a exprimé son soutien, son aide, son encouragement et sa collaboration pour arriver à fin de ce modeste travail. Très sincéres remerciemenrts : A notre ancadrant et professeur Mr MAKER Hattab pour sa disponibilité, ses efforts, ses conseils et ses critiques objectives sur la démarche de notre travail. Ainsi que nos professeurs, pour leurs conseils avisés. Nous avons apprécie leur disponibilité et leur patience. De plus leurs compétences indéniables dans le domaine de l’industrie. Nous remecions tous ceux qui, de prés ou de loin, on contribue à l’aboutissement de ce projet. En fin nous tenons à remercier tous les membres de jury qui nous ont fait l’honneur de jury ce projet.

Remerciements

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4 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Chapitre I :

Figure 1 : Familles des convertisseurs statiques

Figure 2 : TRIAC & thyristors tête-bêche

Figure 3 : Alimentation et réglage de la vitesse d'un moteur à courant continu

Figure 4 : Pont monophasé

Figure 5 : Pont triphasé

Figure 6 : Un accumulateur avec dispositif de charge et un onduleur avec sortie

filtrée

Figure 7 : Variateur de fréquence

Figure 8 : Convertisseur DC/AC

Figure 9 : Circuit d’un pont en H

Figure 10 : Principe de l’onduleur autonome

Figure 11 : K en position (1)

Figure 12 : Tension ud(t) à la sortie de l’onduleur

Figure 13 : Pont de Graetz

Figure 14 : Réglage de la vitesse de rotation d’un moteur synchrone

Figure 15 : Alimentation de secours

Figure 16 : Transfert d’énergie entre deux réseaux de fréquences différentes

Figure 17 : Onduleur monophasé en demi pont

Figure 18 : Onduleur monophasé en pont complet

Chapitre II :

Figure 1 : Pont H de la commande symétrique

Figure 2 : Signal de commande MLI

Liste des figures

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5 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 3 : MLI d’une simple impulsion

Figure 4 : MLI multiple

Figure 5 : MLI sinusoïdale, génération des signaux de commande par une porteuse

triangulaire sinusoïdale

Figure 6 : Spectre d’harmoniques

Figure 7 : Spectre de la tension de sortie

Figure 8 : Harmoniques 3 et 5 éliminés

Chapitre III :

Figure 1 : Montage NE555 pour MLI

Figure 2 : Un montage à comparateur à hystérisis

Figure 3 : Montage astable à portes logiques

Figure 4 : La courbe bleue représente la tension relevée aux bornes du condensateur

Figure 5 : Pont en H

Figure 6 : Fonctionnement de pont en H

Figure 7 : Le moteur tourne à droite

Figure 8 : Le moteur tourne à gauche

Figure 9 : Diagramme de PWM

Figure 10 : Table de configuration CCPxCON

Figure 11 : Caractéristique de opto-coupleur

Figure 12 : Composants électroniques sur ISIS

Figure 13 : Shéma de système ISIS

Figure 14 : Simulation signal MLI sinus sur ISIS

Figure 15 : Test signal MLI 1

Figure 16 : Test signal MLI 2

Figure 17 : Les composants électriques

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6 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Ce rapport est écrit dans le cadre d’un Projet de Fin d’Etudes en vue de

l’obtention du diplôme de technicien supérieur en « Génie Industriel et

Energies Renouvelables » depuis l’Ecole Supérieure de Technologie de

BERRECHID.

Le thème abordé est la réalisation d’un onduleur monophasé autonome

commandé par PIC 16F877.

Dans ce rapport nous avons traité trois chapitres :

Généralités sur les onduleurs

Généralités sur les commandes des onduleurs

Partie pratique : La réalisation d’un onduleur monophasé

autonome commandé par PC16F877

Mots clefs :

Onduleur, Convertisseur, Monophasé, Autonome ,MLI,PIC 16F877

Résumé

Page 7: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

7 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Dédicaces 2

Remerciements 3

Liste des figures 4

Résumé 6

Sommaire 7

Introduction générale 9

Chapitre I : Généralités sur les onduleurs

I.Familles de convertisseurs statiques 11

I.1.Le GRADATEUR 12

I.2.Le HACHEUR 13

I.3.Le REDRESSEUR 14

I.4.L’ONDULEUR 16

II.Généralité sur les onduleurs 19

II.1.Définition 19

II.2.Principe de fonctionnement 19

II.3.Classification des onduleurs . 20

II.4.Le role de l’onduleur 23

II.5.Applications 23

III.Onduleur monophasé 25

III.1.Onduleur monophasé à demi-pont 25

III.2.Onduleur monophasé à pont complet 26

IV.Les commandes des onduleurs 26

IV.1.Commande symétrique 26

IV.2.Commande décalée 27

IV.3.Commande MLI 27

Chapitre II : Généralités sur les commandes des onduleurs

Sommaire

Page 8: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

8 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

I.Les différents types des commandes 29 I.1.La commande symétrique 29

I.2.La commande décalée 32

I.3.Module de génération d’un signal MLI 34

I.4.Différents types des commandes MLI 34

II.Onduleur en MLI 38

III.Les applications des onduleurs MLI 39

III.1.Les variateurs de vitesse 39

Chapitre III : Partie pratique : Réalisation d’un onduleur monophasé

autonome commandé par PIC 16F877

I.Les technologies possibles pour générer un MLI 42

I.1.Montage NE555 42

I.2.Un montage à comparateur à hystérisis 43

I.3.Montage astable à portes logiques . 43

II.Technologie des microcontroleurs 45

II.1.La technologie de la commande d’un pont en H 45

II.2.Pourquoi l’utiliser 46

II.3.Comment le pont en H fonctionne-t-il 46

II.4.Configuration de PIC16F877 47

III.Etude des composants 50

III.1Choix de l’interrupteur éllrctronique 50

III.2.Le microcontroleur PIC 16F877 51

IV.Simulation de shéma électrique sur PROTEUS ISIS 52

IV.1.L’édition de shéma électrique 52

IV.2.Shéma de systéme 53

IV.3.Simulation de shéma ISIS 53

IV.4.La simulation globale de circuit sur PROTEUS ISIS 54

V.Le cout de projet 55

Conclusion gérnérale 57

Webographie 58

Page 9: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

9 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Dans le cadre de notre formation du semestre 4, nous

allons realiser un projet d'etudes. Le but de ce projet est de

mettre en oeuvre nos competences sur la conception et la

realisation d'un système electronique ou electrotechnique,

ainsi que sur la redaction de son rapport.

Nous avons choisi de realiser un onduleur autonome de

voiture; le but etant d'avoir une tension de 230V alternatif

a partir d'une tension de 12V Continu. Nous allons donc

commencer par l’étude théorique et finir par l’étude

pratique.

Introduction générale

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10 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

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11 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

INTRODUCTION

L’énergie électrique est surtout distribuée sous forme de tensions

alternatives ou sinusoïdales. Les besoins actuels (en sources de tensions

variables aussi bien alternatives que continues), nécessitent l’emploi de

convertisseurs d’énergie électrique notamment :

le hacheur, l’onduleur, le gradateur et le redresseur.Et pour réaliser ces

convertisseur, il faut utiliser les dispositifs électroniques notamment les

semi-conducteurs, thyristors, GTO, transistors, diodes ...etc.

I-Familles des convertisseurs statiques :

Définition :

Un convertisseur statique est un système permettant d'adapter la source

d'énergie électrique à un récepteur donné.

Exemples :

_ On trouve un convertisseur alternatif continu dans l’alimentation

d’appareils électroniques (TV, ordinateurs, chargeurs de téléphones…) qui

transforment la tension alternative sinusoïdale du réseau EDF en tension

continue.

_ Un onduleur de secours transforme la tension continue des batteries en

tension alternative pour alimenter, par

exemple, du matériel informatique.

Suivant le type de machine à commander et suivant la nature de la source

de puissance, on distingue plusieursfamilles de convertisseurs statiques

(schéma ci-dessous) :

Page 12: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

12 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 1 : Familles des convertisseurs statiques

Structure des convertisseurs :

I.1-Conversion ALTERNATIF/ALTERNATIF :

Le GRADATEUR

Le gradateur est un montage qui permet de faire varier la valeur de la

tension efficace aux bornes d'une charge telle qu'un moteur sans changer la

fréquence de l'onde alternative de la source.

Ce montage est très fréquent dans le domaine domestique, au niveau

notamment des variateurs de lumière pour lampes halogènes.

La structure de base repose sur un interrupteur électronique capable de

conduire dans

les deux sens à l'état passant et de supporter une tension également dans les

deux sens à l'état bloqué.Cet interrupteur peut être alors réalisé :

_ Soit avec 1 seul composant : le triac

_ Soit en assemblant deux thyristors tête-bêche

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13 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 2 : TRIAC & thyristors tête-bêche

I.2-Conversion CONTINU/ CONTINU :

Le HACHEUR

Le hacheur permet d'alimenter une charge sous une tension continue

réglable à partir d'une source continue fixe.

Cette source peut être par exemple une batterie d'accumulateurs ou

provenir d'une autre conversion préalable comme un redresseur à diodes.

On obtient une tension de valeur moyenne variable en établissant et

interrompant périodiquement l'alimentation de la charge par la source grâce

à des interrupteurs électroniques.

Exemple d’utilisation des hacheurs :

_ Alimentation et réglage de la vitesse d'un moteur à courant continu.

En utilisant une source de tension fixe, le hacheur est très utilisé pour faire

varier la vitesse des moteurs à courant

continu à excitation séparée (schéma ci-dessous):

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14 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 3 : Alimentation et réglage de la vitesse d'un moteur à courant continu

I.3-Conversion ALTERNATIF/CONTINU :

Le REDRESSEUR

Le redressement est la conversion d'une tension alternative en une

tension continue.

On l’utilise pour alimenter un récepteur en continu à partir du réseau de

distribution alternatif.

Le redresseur non commandé est composé de diodes montées en pont. Ici

en pont monophasé (appelé pont de GRAETZ).

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15 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 4 : Pont monophasé

Le redresseur commandé est composé de thyristors montés en pont. Ici en

pont triphasé.

Figure 5 : Pont triphasé

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16 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

I.4-Conversion CONTINU /ALTERNATIF :

l’ONDULEUR

Un convertisseur continu-alternatif permet d’obtenir une tension alternative

(éventuellement réglable en fréquence et en amplitude) à partir d’une

source de tension continue.

Exemples d’utilisations des onduleurs :

_L'onduleur de secours pour le matériel informatique permet d'assurer la

continuité de l'alimentation en cas de coupures sur le réseau.

Il permet aussi de filtrer les éventuels défauts de la tension du réseau

(parasites ou surtensions).

La structure comprend un accumulateur avec dispositif de charge et un

onduleur avec sortie filtrée (schéma ci-dessous) :

Figure 6 : Un accumulateur avec dispositif de charge et un onduleur avec sortie

filtrée

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17 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

_ En ce qui concerne les applications industrielles, nous rencontrerons

l’onduleur en sortie des variateurs de fréquence pour alimenter les moteurs

asynchrones.

Figure 7 : Variateur de fréquence

Choix de l'interrupteur électronique adéquat :

L'interrupteur électronique qui doit réaliser la fonction voulue est soumis à

une contrainte de tension (imposée par la source) et par une contrainte de

courant (imposée par la charge).

Il existe de multiples interrupteurs électroniques et il conviendra de bien

les choisir, citons les 3 plus courants à partir desquels on peut en construire

d'autres :

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18 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

La diode :

La diode est un composant unidirectionnel en courant et unidirectionnel en

tension. Cela signifie qu'on la détruit si on lui impose un courant ou une

tension de polarité interdite. Les zones de fonctionnement autorisées de la

diode sont indiquées sur la caractéristique statique ci-dessus : en rouge la

zone de conduction et en bleu la zone de blocage .C'est la source qui

imposera généralement la valeur de la tension de blocage et la charge qui

imposera généralement la valeur du courant de conduction : il ne faudra

pas que ces valeurs sortent de la plage autorisée pour le type de diode

choisie.

Le thyristor : Il possède une troisième électrode (broche) appelée gâchette et qui permet

de le débloquer. Il reste donc bloqué si l'opérateur n'agit pas sur la gachette

(tension positive entre gâchette et cathode sous forme d'impulsions répétées

de 1 V crête environ). Une tension Vk positive peut donc se développer à

ses bornes, contrairement à ce qui était observé avec une diode, lorsque le

thyristor est bloqué.

Lorsque le thyristor est passant, rien ne le distingue d'une diode.

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19 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Le transistor : Il possède également une troisième broche, comme le thyristor. Mais,

contrairement à ce dernier, cette troisième broche appelée "base" permet

non seulement de débloquer le transistor (tension base - émetteur de l'ordre

de 0,7 V) mais aussi de le bloquer (tension base - émetteur nulle). En

revanche il n'admet pas de tension vK négative à ses bornes, contrairement

au thyristor :

II-Généralité sur les onduleurs :

II.1-Définition :

-Les convertisseurs de courant continu en courant alternatif sont appelés

des onduleurs. La fonction d’un onduleur est de convertir une tension

continue d’entrée en une tension de sortie alternative symétrique

d’amplitude et de fréquence désirée.

Tension continue Tension alternative

Figure 8 : Convertisseur DC/AC

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20 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

II.2-Principe de fonctionnement :

-Les onduleurs sont basés sur une structure en pont en H, constituée le plus

souvent d'interrupteurs électroniques tels que les transistors de puissance ou

thyristors. Par un jeu de commutations commandées de manière appropriée

(généralement une modulation de largeur d'impulsion), on module la source

afin d'obtenir un signal alternatif de fréquence désirée

Le pont en H est une structure électronique servant à contrôler la polarité

aux bornes d'un dipôle. Il est composé de quatre éléments de commutation

généralement disposés schématiquement en une forme de H d'où le nom.

Les commutateurs peuvent être des relais, des transistors, ou autres

éléments de commutation en fonction de l'application visée.

Figure 9 : Circuit d’un pont en H

Le pont en H permet de réaliser 2 fonctions qui sont d'inverser le sens de

rotation du moteur, en inversant la tension aux bornes du moteur et la

variation de la vitesse du moteur en modulant la tension aux bornes du

moteur.

-Pour réaliser un onduleur autonome, il suffit de disposer d’un interrupteur

inverseur K et d’une source de tension continue E .

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21 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 10 : Principe de l’onduleur autonome

Lorsque K est en position (1), on obtient le montage de la figure 11.

Figure 11 : K en position (1)

Soit : Ud (t) = E

Lorsque K est en position (2), on obtient: Ud (t) = -E

La figure 12 donne la forme de Ud(t) sur une période complète de

fonctionnement.

Figure 12 : Tension Ud(t) à la sortie de l’onduleur

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22 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

II.3-Classification des onduleurs :

Il existe plusieurs centaines de schémas d`onduleurs, chacun correspondant

à un type d`application déterminé ou permettant des performances

recherchées.

Les onduleurs sont en général classés selon les modes de commutation de

leurs interrupteurs.

-Onduleurs autonomes : C’est un système qui nécessite des composants commandés à la fois à la fermeture et à l'ouverture, de fréquence variable. Il n'a pas toujours besoin de réseau électrique pour fonctionner ; par exemple un convertisseur de voyage que l'on branche sur la prise allume-cigare d'une voiture utilise le 12 V continu du véhicule pour générer du 120 ou 230 V, alternatif en 50 ou 60 Hz .

-Onduleurs non autonomes : Un onduleur non autonome est un montage

redresseur tout thyristors (pont de Graetz) qui, en commutation naturelle

assistée par le réseau, auquel il est raccordé, permet un fonctionnement en

onduleur. Les thyristors sont commandés juste à la fermeture et la

commutation est "naturelle" contrairement à l'onduleur autonome.

L'application principale de ce type d'onduleur se trouve dans les variateurs

pour moteurs synchrones de très forte puissance où les thyristors sont

souvent les seuls composants utilisables.

Un pont de diodes ou pont de Graetz est un assemblage de quatre

diodes montées en pont (montage similaire à celui d'un pont de

Wheatstone) qui, en régime monophasé, redresse le courant alternatif en

courant continu, c’est-à-dire ne circulant que dans un seul sens.

Page 23: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

23 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 13 : Pont de Graetz

II.4-Le role de l’onduleur :

l'onduleur permet d'assurer la protection de nombreux appareils en cas de

coupure de courant. C'est le cas, par exemple, des appareils industriels, des

périphériques informatiques et des ordinateurs. Ce type de dispositif

électronique peut être considéré comme un excellent moyen pour protéger

les appareils contre la foudre, les micro-coupures, les variations de

tensions, les parasites électriques et les coupures de courant.

II .5-Applications :

Réglage de la vitesse de rotation d’un moteur synchrone

La vitesse d’un moteur synchrone est fixée par la pulsation des courants

statoriques. Pour changer de vitesse il faut donc changer la fréquence des

tensions d’alimentation.

Il faut donc redresser la tension du réseau puis l’onduler à la fréquence

désirée.

Figure 14 : Réglage de la vitesse de rotation d’un moteur synchrone

Page 24: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

24 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Remarque :pour que la puissance du moteur reste nominale lorsque la

fréquence varie, il faut en fait conserver le rapport f /V constant

(Si la fréquence augmente, il faut augmenter la tension

d’alimentation proportionnellement).

Alimentation de secours

Lors d’une panne d’électricité, un onduleur assure la continuité de

l’alimentation des machines à partir de batteries. En informatique

professionnelle, un onduleur est indispensable pour éviter la perte

d’informations en cas de panne de secteur.

Figure 15 : Alimentation de secours

Transfert d’énergie entre deux réseaux de fréquences différentes

La France fournit de l’énergie électrique à la Grande-Bretagne, mais la

fréquence du réseau anglais est 60 Hz. Il faut donc adapter la fréquence.

Figure 16 : Transfert d’énergie entre deux réseaux de fréquences différentes

Page 25: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

25 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

III-Onduleur monophasé :

On peut classifier les onduleurs selon leur régimes soient triphasé ou

monophasé :

L’étude réalisée doit s’articuler sur les onduleurs monophasé, et en fin de

réaliser ce type on emploi un interrupteur inverseur et d’une source de

tension continue. Et on utilise soient le montage en pont ou demi-pont.

III.1-Onduleur monophasé à demi-pont :

Il est constitué d’une seule cellule de commutation. Dans ce type on utilise

deux interrupteurs bidirectionnels en courant et unidirectionnels en tension.

E est une source de tension continue, réversible en courant. K1 et K2 sont

deux interrupteurs électroniques, commandés de manière périodique :

0 < t < T/2 : K1 est fermé et K2 est ouvert : Us = +Ve (> 0 V)

T/2 < t < T : K1 est ouvert et K2 est fermé : Us = - Ve (< 0 V)

La tension Us est alternative

Le courant Us est alternatif

Figure 17 : Onduleur monophasé en demi pont

Page 26: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

26 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

III.2-Onduleur monophasé à pont complet:

Deux ce type on a deux cellules de commutation.Donc on a 4 interrupteurs

avec des diodes antiparalléles.

La tension de sortie peut prendre pour valeur +Ve, -Ve, 0 V. Cela implique

une structure en pont.

Figure 18 : Onduleur monophasé en pont complet

0 < t < T/2 : K1 et K3 sont fermés : Us = +Ve (> 0 V)

T/2 < t < T : K2 et K4 sont fermés : Us = - Ve (< 0 V)

IV-Les commandes des onduleurs :

IV.1-Commande symétrique :

On appelle ce type de commande la "commande simultanée" car les

interrupteurs k1 et k3 sont commandés simultanément (de même pour les

interrupteurs k2 et k4). On l'appelle également "commande symétrique" car

la tension V charge vaut +E ou -E.

Page 27: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

27 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

IV.2-Commande décalée :

La commande décalée permet d'éliminer en partie les harmoniques et

améliore donc le convertisseur. D'ailleurs l'allure du courant s'en ressent.

Au niveau de la commande, il suffit de décaler la fermeture des différents

interrupteurs dans un ordre précis.

IV.3-Commande MLI dite aussi PWM (Pulse Width

Modulation) :

La commande dite MLI est la technique de commande la plus fréquemment

utilisée avec les onduleurs (MLI scalaire et vectorielle) : elle a pour objectif

de réduire les harmoniques de courants lorsque la charge est inductive

(moteurs électriques par exemple). Il s'agit d'un filtrage naturel (sans l'aide

de filtres additifs) uniquement réalisé par la stratégie de commande.

CONCLUSION

Cette étude nous a permis de bien comprendre le principe d’une alternative

de commande parmi plusieurs alternatives existantes pour assurer la

commande des interrupteurs de l’onduleur.

Nous avons étudié les 4 convertisseurs statiques qui jouent un role très

important pour convertir l’énergie électrique, la classification des onduleurs

et nous avons dit que les onduleurs sont en général classés selon les modes

de commutation de leurs interrupteurs.

Nous avons étudié aussi l’onduleur monophasé et donné une vision

générale sur les 3 commandes des onduleurs.

Page 28: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

28 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Page 29: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

29 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

I-Les différents types de commandes :

I.1-La commande symétrique :

Cette commande se résume à commander les interrupteurs K1 et K3 à la

fermeture pendant une demi-période puis de commander K2 et K4 durant la

deuxième demi-période. (Nous sous-entendons que les interrupteurs non

commandés à la fermeture sont en fait commandés à l’ouverture).

L’analyse se décompose en deux phases :

- 1ère

phase : K1 et K3 sont commandés à la fermeture de l’instant 0 à 2

T.

Durant cette durée K2 et K4 sont ouverts. Nous obtenons donc le schéma

équivalent très simple suivant :

Figure 1 : Pont H de la commande symétrique

la tension aux bornes de la charge aura donc la valeur uc = E.

- 2ème

phase : K2 et K4 sont à leur tour commandés à la fermeture de

l’instant 2

T à T. Le schéma équivalent sera le suivant :

E

charge

uc

ic

équivalent àE

K1

K4 K3

K2u

K2

uK4

uc

ic

iK2

iK3

iK1

iK4

charge

Page 30: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

30 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Durant cette phase uc = -E

Il suffit donc de dessiner des oscillogrammes suivant la charge choisie:

a) Charge résistive R :

Echargeu

c

ic

équivalent àE

K1

K4 K3

K2

uK3

uK1

uc

ic

iK2

iK4

charge

T

T

T

T

t

uc(t)

T/2

ik3

(t)

t

ic(t)

T/2

tT/2

T/2

ik1

(t)

ik2

(t)ik4

(t)

éléments

commandés à la

fermeture

K1 et K3 K2 et K4

E

-E

on obtient bien

une tension

alternative de

valeur moyenne

nulle

l'allure du courant

est identique car il est

lié par la loi d'Ohm

le courant dans les

interrupteurs est

toujours positif

E/R

- E/R

E/R

E/R les interrupteurs sont

passants une demi

période sur deux

t

Page 31: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

31 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

La valeur efficace de la tension aux bornes de la charge est fixée par la

tension d’alimentation.

Nous obtenons donc les valeurs suivantes :

Uc = E

< uc > = 0 V

b) Charge inductive RL :

La charge inductive simule un moteur alternatif. Nous nous apercevons que

pour cette charge, seul l'allure des différents courants change.

Dans l'utilisation sur une charge résistive pure, nous voyons que les diodes

sont inutiles. Elles trouvent leur fonction dans le cas d'une charge

inductive. Elles évitent une discontinuité dans la conduction du courant et

prennent donc le relais des transistors, quand ceux-ci bien qu'étant

commandés à la fermeture, ne peuvent pas conduire car ils sont

unidirectionnels.

De plus, il faut remarquer que la charge fournie de la puissance à la

l'alimentation quand les diodes sont passantes. Il s'agit de phases de

récupération.

Ces phases de récupération nécessitent d'utiliser des alimentations en

tension réversible en courant.

Page 32: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

32 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

I.2-La commande décalée :

Cette commande, plus sophistiquée dans sa conception, est une première

étape vers l'obtention d'un courant sinusoïdale. Si nous nous attachons à

une analyse spectrale, nous verrions dans la commande précédente que la

tension, ainsi que le courant, sont riches en harmoniques ce qui pose des

problèmes pour une utilisation avec des moteurs(pertes joules, couples

pulsatoires …).

La commande décalée permet d'éliminer en partie ces harmoniques et

améliore donc le convertisseur. D'ailleurs l'allure du courant s'en ressent.

T

T

t

uc(t)

T/2

ik3

(t)

t

ic(t)

T/2

ik1

(t)

E

-E

TT/2

TT/2

TT/2

t

t

t

éléments passants

signe de la puissance

échangée par la charge

allure de la tension dite

symétrique

icmax

- icmax

TtT/2

ik2

(t)ik4

(t)

id1

(t)id3

(t)

id2

(t)id4

(t)

l'allure du courant

dépend de la charge et

donc de la constante de

temps L/R

les transistors ne sont plus

passants durant toute la

demi période

les diodes prennent le relais

quand les transitors ne

conduisent pas

quand les diodes sont

passantes, la puissance

échangée par la charge

est négative

icmax

icmax

icmax

icmax

K1 et K3 K2 et K4D1

D3D2

D4

+- - +

Page 33: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

33 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Au niveau de la commande, il suffit de décaler la fermeture des différents

interrupteurs dans un ordre précis(ordre donné ci-dessous). Nous traçons à

nouveau les oscillogrammes.

La puissance échangée par la charge comporte une phase de plus avec la

commande décalée. Pendant deux intervalles de temps, elle est nulle : il

s’agit de phase de roue libre. Au cours de ces intervalles, l’énergie

emmagasinée par la bobine est cédée à la résistance car la tension aux

bornes de la charge est nulle.

De plus, nous retrouvons les phases de récupération.

E

-E

- icmax

icmax

T

T

t

uc(t)

T/2

t

ic(t)

T/2

H1

H2 H3

H4

H2 éléments

commandés à la

fermeture

0 - + 0 - +

H2

D1

D3 H3

H1 D4

D2 H2

H4éléments passants

signe de la puissance

échangée par la charge

Page 34: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

34 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

I.3-Module de génération d’un signal MLI :

Un signal MLI (Modulation de Largeur d'Impulsions) ou PWM en anglais

(Pulse Width Modulation) est un signal dont le rapport cyclique varie.

La conversion numérique – analogique , C’est une manière simple et

efficace de générer une tension analogique avec un microcontrôleur. Peu

d’entre eux sont en effet équipés d’un convertisseur numérique analogique.

Le principe est de générer un signal logique (valant 0 ou 1), à fréquence

fixe mais dont le rapport cyclique est contrôlé numériquement. La moyenne

du signal de sortie est égale au rapport cyclique : il suffit donc de mettre un

filtre pour obtenir la valeur analogique recherchée.

Figure 2 : Signal de commande MLI

I.4-Différents types des commandes MLI :

a) MLI simple :

Cette MLI utilise une seule impulsion par demi-cycle et la largeur de cette

impulsion fait varier l'amplitude de la tension à la sortie de l'onduleur.

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35 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 3 : MLI d’une simple impulsion

b) MLI multiple :

Figure 4 : MLI multiple

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36 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

C) MLI sinusoïdale :

la largeur de chaque impulsion varie en fonction de l'amplitude d'une onde

sinusoïdale évaluée au centre de la même impulsion

Figure 5 : MLI sinusoïdale, génération des signaux de commande par une porteuse

triangulaire sinusoïdale

REMARQUE :

Aucune de ces techniques ne réduit de façon significative ce

problème d'harmoniques.

La MLI permet de se rapprocher du signal désiré;

Elle génère dans les machines tournantes des oscillations du couple,

des bruits acoustiques et des résonances électromagnétiques.

Elles injectent du bruit sur la commande et introduit des non

linéarités qui peuvent déstabiliser le système.

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37 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Il est donc impératif de minimiser les harmoniques

Le spectre est un histogramme fournissant l’amplitude de chaque

harmonique en fonction de son rang et son importance.

Figure 6 : Spectre d’harmoniques

• Les harmoniques les plus fréquemment rencontrés dans le cas des

réseaux triphasés, sont les harmoniques de rangs impairs.

• Au-delà du rang 50, les courants harmoniques sont négligeables et

leur mesure n’est plus significative.

• les harmoniques de rang 3, 5, 7, 9, 11 et 13 sont les plus surveiller.

• La compensation des harmoniques jusqu’au rang 13 est impérative,

une bonne compensation prendra également en compte les

harmoniques jusqu’au rang 25.

On vérifie la suppression des harmoniques de rang 3 et 5 on remarquera

que l’amplitude du fondamental a diminué et que celle des harmoniques

restants a augmenté.

Conclusion : cette stratégie permet d’augmenter la fréquence des premiers

harmoniques et donc facilite le filtrage.

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38 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

II-Onduleur en MLI :

La tension de sortie est composée de créneaux de tension de largeur

variable (d’où le nom de MLI : Modulation de largeur d’impulsion, PWM :

Pulse width modulation en anglais.) Les angles de commutation sont

calculés de façon à éliminer un certain nombre d’harmoniques. Voici un

exemple ou sont supprimés les harmoniques 3 et 5.

Figure 7 : Spectre de la tension de sortie

Figure 8 : Harmoniques 3 et 5 éliminés

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39 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

III-Les applications des onduleurs MLI :

III.1-Les variateurs de vitesse :

Constitution

Les variateurs de vitesse sont constitués principalement d'un convertisseur

statique et d'une électronique de commande. Les variateurs récents

contiennent aussi un étage de correction du facteur de puissance afin de

respecter les normes de compatibilité électromagnétique.

En général, le convertisseur statique est un hacheur ou un onduleur.

L'électronique de commande réalise la régulation et l'asservissement de la

machine à travers le convertisseur statique de sorte que l'utilisateur puisse

commander directement une vitesse. Sa conception dépend essentiellement

de la stratégie de commande choisie (commande vectorielle, commande

scalaire, etc.).

Variation de vitesse pour moteur à courant alternatif

Principe de fonctionnement

Dans un moteur à courant alternatif, la vitesse mécanique du rotor est liée à

la fréquence des courants au stator. Ce lien mathématique rend possible une

commande de la vitesse du rotor par la commande de la fréquence du

courant au stator. C'est ce que l'on appelle la condition de synchronisme qui

s'exprime différemment selon que l'on considère une machine synchrone ou

une machine asynchrone.

Pour une machine synchrone, la condition de synchronisme est :

Avec :

Ns, la vitesse de synchronisme en tours par minute

f, la fréquence d'alimentation en hertz

p, le nombre de paires de pôles

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40 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Pour une machine asynchrone, la condition de synchronisme est :

Avec :

g, le glissement en %

Ns, la vitesse de synchronisme en tours par minute

N, la vitesse de l'arbre (vitesse réelle) en tours par minute

Ainsi, il existe une relation directe entre le pilotage de la fréquence du

courant au stator et la vitesse mécanique du rotor qui permet, pour toute

vitesse mécanique souhaitée, de fixer la fréquence statorique

correspondante. C'est sur ce principe que se base le fonctionnement du

variateur de vitesse : commander une vitesse de rotation mécanique en

commandant la fréquence du courant statorique.

Bien que les machines à courant alternatif soient connues depuis le

XIXe siècle, c'est l'amélioration des variateurs de vitesse (grâce aux progrès

de l'électronique de puissance) qui va leur permettre de s'imposer sur les

machines à courant continu. En particulier, la machine synchrone était

autrefois difficile à commander faute de dispositif garantissant la condition

de synchronisme entre le rotor et le stator.

On réalisait alors un accrochage, c'est-à-dire un entraînement du rotor à

l'aide d'une génératrice à la vitesse souhaitée avant d'alimenter le stator. Il

existait aussi certaines machines synchrones équipées de bobines rotoriques

en court-circuit pour permettre un démarrage en machine asynchrone puis

un fonctionnement en mode synchrone.

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41 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

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42 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

INTRODUCTION

La PWM Pulse-width modulation ou modulation de largeurs d’impulsions

est unetechnique très utilisée dans les systèmes électroniques, partant des

alimentations SMPS aux variateurs de vitesses de moteurs.

I-Les technologies possibles pour générer un MLI( PWM) :

I.1-Montage NE555 :

Un montage simple et facile à reproduire doit essentiellement utiliser des

composants courants et bon marché, si on parle de composant courant et

dans la catégorie des circuits intégrés vous allez surement penser à un

ne555.

Figure 1 : Montage NE555 pour MLI

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43 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

I.2-Un montage à comparateur à hystérisis :

Figure 2 : Un montage à comparateur à hystérisis

I.3-Montage astable à portes logiques :

Nous utilisons pour cela des portes NAND.

Le circuit intégré 74HCT00 est un circuit TTL compatible CMOS, il a

quelques propriétés des circuits CMOS mais s'alimente avec une tension

unique : +5V.

Il contient 4 portes NAND intégrées.

Figure 3 : Montage astable à portes logiques

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44 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Principe du fonctionnement :

A t = 0, on suppose que D est à l'état "1" et A est à "0".

Le condensateur C se charge à travers RA jusqu'à ce qu'il apparaisse un état

"1" au point B. Alors D passe à "0" et A passe à "1" grâce aux inverseurs

que réalisent les portes NAND. Le condensateur C se décharge ainsi

jusqu'à ce que B passe à "0" permettant à D de passer à "1".

Le cycle se répète ainsi indéfiniment formant un signal rectangulaire dont

la période dépend des valeurs de C et RA.

Figure 4 : La courbe bleue représente la tension

relevée aux bornes du condensateur

Le signal que l'on trouve est très parasité par des signaux haute fréquence.

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45 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

On utilise des condensateurs de découplage sur l'alimentation et en sortie

du signal pour filtrer ces signaux HF : le signal obtenu est quasi parfait.

II-Technologie des microcontroleurs :

II.1-La technologie de la commande d’un pont en H :

Le pont en H est une structure électronique servant à contrôler la polarité

aux bornes d'un récepteur. Il est composé de quatre éléments de

commutation généralement disposés schématiquement en une forme de H

d'où le nom. Les commutateurs peuvent être des relais, des transistors, ou

autres éléments de commutation en fonction de l'application visée.

Il permet d’inverser le sens de rotation d’un moteur à courant continu.

Figure 5 : Pont en H

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46 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

II.2-Pourquoi l'utiliser ?

Les moteurs electriques ont besoin de courants importants par rapport a la

sortie maximale d'un microcontroleur. Un moteur ne marcherait pas si on le

branchait directement a la sortie d'un microcontroleur. La premiere

fonction du pont en H est fournir de forts courants aux moteurs en

permettant leur contrôle par le microcontroleur. Une autre fonction est de

pouvoir inverser la tension aux bornes du moteur pour inverser le sens de

rotation. Inverser le sens d'un courant

est une tache simple dans les circuits electriques, il est de bien placer

quelques interrupteurs. On utilise des transistors a la place d'interrupteurs

parce qu'un transistor peut aussi amplier un courant et est plus facile a

controler par des signaux num_eriques ou analogiques.

II.3-Comment le pont en H fonctionne-t-il ?

A B C D

1 0 0 1 le moteur tourne à droite

0 1 1 0 le moteur tourne à gauche

0 0 0 0 le tourne librement

0 1 0 1 le moteur freine

1 0 1 0 le moteur freine

Figure 6 : Fonctionnement de pont en H

Figure 7 : Le moteur tourne à droite

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47 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 8 : Le moteur tourne à gauche

II.4-Configuration de PIC16F877 :

Dans la mode de modulation de largeur d’impulsion, la broche CCPX

produit jusqu’à une résolution de 10-bits sortie PWM.Depuis la broche PC1

est multiplixé avec le verrouillage de données PORTC ,le TRISC <2> bit

doit etre autorisé à faire la broche CCP1 une sortie.

Figure 9 : Diagramme de PWM

Page 48: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

48 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Générer un signal PWM sinus:

La génération d’un signal MLI(PWM) se fait en deux temps :

On utilise un compteur qui va compter du 0 jusqu’à 225.

On compare en permanence la valeur du compteur à une valeur

variable qui permet de donner un rapport cyclique variable.

Etapes à suivre pour générer ce signal:

1.Configuration des broches du port C correspondant à CCP1 en sortie

par écriture dans le registre TRISC.

2.Initialisation de CCPxCON = 0 .Et TMR2 = 0.

3.Ecriture dans le registre PR2 afin d’établir la période.

4.Ecriture dans le CCPxCON afin de configurer le mode PWM à l’aide

des bits CCPxY et CCPxX.

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49 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 10 : Table de configuration CCPxCON

Configuration de CCPxCON :

Les bits 2 et 3 de mode du registre CCPxON (x=1 ou 2)

doivent etre configurés à 1 pour etre en mode PWM

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50 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

III-Etudes des composants :

III.1-Choix de l’interrupteur électronique :

L’interrupteur électronique qui doit réaliser la fonction est soumis à une

contrainte de tension est par une contrainte du courant ,il existe de

multiples interrupteurs électroniques et il est bien de choisir le meilleur

interrupteur,citons les 2 plus courants.

Transistor :

Il possède également une troisième broche, comme le thyristor. Mais,

contrairement à ce dernier, cette troisième broche appelée "base" permet

non seulement de débloquer le transistor (tension base - émetteur de l'ordre

de 0,7 V) mais aussi de le bloquer (tension base - émetteur nulle).

Thyristor :

Il possède une troisième électrode (broche) appelée gâchette et qui permet

de le débloquer. Il reste donc bloqué si l'opérateur n'agit pas sur la gachette

(tension positive entre gâchette et cathode sous forme d'impulsions répétées

de 1 V crête environ). Une tension Vk positive peut donc se développer à

ses bornes, contrairement à ce qui était observé avec une diode, lorsque le

thyristor est bloqué.

De facon générale,ily a deux principaux types d’onduleurs , les onduleurs

monophasés et les ondulerus triphasé .En faite,pour chaque type on peut

utiliser soient : MOSFET ou BJT comme des interrupteurs de commande

selon l’application désiré.

Opto-coupleur :

Un opto-coupleur est un dispositif composé de deux de deux éléments

électriquement indépendant ( isolation galvanique),mais optiquement

couplés,à l’intérieur d’une isolation enveloppe,parfaitement étanche.

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51 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 11 : Caractéristique de opto-coupleur

III.2-Le microcontroleur PIC 16F877 :

C’est un microcontroleur de la société Micro chip. 16= Famille Mid-

Range :

Désigne une des familles des microcontroleurs 8 bits. F = mémoire de

programme de type type Flash (et donc teprogrammable).

Un jeu d’instructions 35 instructions

Vitesse d’horloge max 20 MHZ

Interruptions 16 sources

Mémoire de programme 8192 mots

RAM 368 octets

EEPROM 252 octets

Entrées/Sorties 33 (5ports)

PMW 2

Timer/Compteur 3

Convertisseur ADC oui

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52 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

IV-Simulation de shéma électrique sur PROTEUS ISIS :

Pour la simulation du shéma électrique,on utilise le logiciel PROTEUS

ISIS 7 Professionnelle version 7.10 SP0,est principalement connu par

l’édition des shémas électriques.D’une facon ,ISIS permet de simuler les

shémas aussi.

IV.1-L’édition de schéma électrique :

Tout d’abord on va choisir les composants sur le logiciel ISIS PROTEUS :

Figure 12 : Composants électroniques sur ISIS

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53 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

IV.2-Shéma de système :

Figure 13 : Shéma de système ISIS

IV.3-Simulation de schéma ISIS :

Après la sélection des composants adéquats et la réalisation complète de

schéma, nous arrivons à l’étape cruciale c’est la simulation de schéma :

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54 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 14 : Simulation signal MLI sinus sur ISIS

IV.4-La simulation globale de circuit sur PROTEUS ISIS :

Figure 15 : Test signal MLI 1

Page 55: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

55 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 16 : Test signal MLI 2

V-Le coût de projet :

Le coût de notre projet est = 83 MAD

Les composants électriques nécessaires sont :

TRANSISTOR MOSFET IRF9630 CHANNEL-P

THYRISTOR MOSFET IRF630 CHANNEL-N

OPTOCOUPLEUR 4N25

LED Vert

LED Rouge

Résistance 10 kΩ

Résistance 220 Ω

Les fils électriques de liaison

Page 56: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

56 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Figure 17 : Les composants électriques

CONCLUSION

La technologie des onduleurs repose sur un principe électronique simple de

conversion de l’énergie électrique. Cette technologie devient, en réalité, de

plus en plus complexe au fur et à mesure des avancées technologiques et

des innovations qui lui sont apportées.

Page 57: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

57 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

Nous pouvons dire que nous avons été très interessés par

le sujet et que nous serions heureux de poursuivre les

recherches sur les microcontrôleurs.La gestion des

membres et la répartition des tâches a aussi été un

apprentissage qui nous a été bénéfique. Nous regrettons

cependant d'avoir parfois été bloqués à certaines étapes de

la fabrication de la carte pour des raisons telles que le

délai de réalisation.

Conclusion générale

Page 58: PFE Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC 16F877

58 Réalisation d’un onduleur monophasé autonome commandé par PIC

16F877

http://www.ecus.fr/comprendre/technologie/comment-choisir-

onduleur

http://www.chimix.com/an12/bac12/sti4.html

http://jmandon.free.fr/PWM/pwm.htm

http://fabrice.sincere.pagesperso-orange.fr/electrotechnique.htm

http://missiontice.ac-

besancon.fr/sciences_physiques/physique_appliquee/simulation/

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petitjeand.free.fr/docs/tge/cours%20onduleur.pdf

tolza.univ-tln.fr/pages/geii/et3/cm/S3_ET3_CM3_Onduleurs.doc

Webographie