Thèse Master Mr. AMRANE Fayssal 2012 (University Ferhat Abbas Setif-1)

‫وزا‬‫رة‬‫التع‬‫ـ‬‫لي‬‫ـــ‬‫ـم‬‫العالـــي‬‫و‬‫الـبحـــث‬‫العلـمـــــــــي‬
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
‫جبهؼ‬‫ــ‬‫ـخ‬‫ػجبص‬ ‫فزحبد‬‫سطيـ‬‫ــ‬‫ـف‬UNIVERSITE FERHAT ABBAS –SETIF
‫الزـكنــىلــىجيــــب‬ ‫كليـخ‬Faculté de Technologie
‫قسن‬‫االلكززورقنيخ‬ :Département d’Electrotechnique
Mémoire de Master
No. Réf. : ………./……/2012
Présenté au Département d’Electrotechnique
Domaine : Sciences et Technologie
Filière : Electrotechnique
Spécialité : Commande Electrique
Réalisé par :
Mr. AMRANE Fayssal
Thème
Etude et réalisation d’un Onduleur à Résonance pour
utilisation pour le chauffage par induction
Soutenu le 11/09/2012 devant la commission d’examen composée de :
M.BOUAFIA Abdelouhab M.C.B à l’Université de Sétif Président
M.RAHMANI Lazhar Prof à l’Université de Sétif Directeur du Mémoire
M.BOUSSOIR Mohamed Zoheir M.A.A à l’Université de Sétif Examinateur
Mlle.MOUSSAOUI Leila M.C.B à l’Université de Sétif Examinateur

Dédicaces
A la mémoire de mes grand-mères (maternelle et paternelle) que je les ai perdues il y a à
peine quelques mois.
A la mémoire de mes grands-parents.
A celle qui a attendu avec impatience les fruits de sa bonne éducation,...
A ma chère Mère.
A celui qui m’a indiqué la bonne voie en me rappelant que la volonté fait toujours les
grands hommes...
A mon cher Père.
A mon cher frère et ma chère sœur.
A la mémoire de mon cousin Yacine Keraghel.
A Mlle Khabat Hadia.
A celle qui m’a encouragé, en disant qu’un jour tu deviendrais un grand monsieur ...
A la mémoire de la tante de mon père : Kamir (Nafissa) AMRANE
A mes tantes et à mes oncles.
A mes cousins et cousines.
A tous mes meilleurs amis, et à toute la promotion d’Electrotechnique 2011-2012.
A vous …
Je dédie ce mémoire.
AMRANE Fayssal.

Remerciements
Je remercie tout d’abord le bon Dieule Tout Puissant pour nous avoir
donné la santé et le courage d’accomplir ce travail.
Je tiens à remercier, en tout premier lieu, Pr. RAHMANI Lazhar directeur
de ce mémoire, Doyen de la Faculté, { qui j’adresse mes remerciements pour
tout le soutien et l’aide qu’il m’a apportés.
Je remercie également tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont
porté à mon travail :
 Dr. BOUAFIA Abdelouhab.
 Dr. BOUSSOIR Mohamed Zoheir.
 Dr. MOUSSAOUI Leila.
Je remercie également mon enseignant Dr. N.BELHOUCHET de l’aide et de
soutien qu’il m’a apporté au cours de ce mémoire.
Je remercie aussi tous les Enseignants des Départements d’Electrotechnique,
d’Electronique, Chimie et de Mécanique pour leurs appuis scientifiques et
humains ; les deux Doctorants d’Electrotechnique: Mr. BABES Badr-Eddine, Mr.
AZIZI Idris, et Mr. Yakoub. Aussi un très grand remerciement à Monsieur Moncef,
Département d’Electronique.
Mes remerciements s’adressent aussi à tous ceux qui ont participé de près ou
de loin à l’élaboration de ce mémoire.
Comme je souhaite le plein succès à mes collègues et à toute la Promotion
sortante.
Sétif, le 11/09/2012
Mr. AMRANE Fayssal

SOMMAIRE
Sommaire
INTRODUCTION GENERALE..........................................................................XVII
Chapitre 01.............................................................................................................................1
INTRODUCTION AUX PROCEDES DU CHAUFFAGE PAR
INDUCTION...........................................................................................................1
1.1. Historique ............................................................................................................................................................. 1
1.2. Introduction......................................................................................................................................................... 1
1.3. Les critères de choix pour le type de chauffage..................................................................................... 2
1.4. Principe physique du chauffage par induction....................................................................................... 2
1.4.1. Induction électromagnétique........................................................................................................................... 2
1.4.2. L’effet joule............................................................................................................................................................... 3
1.5. Les grandeurs électriques du chauffage par induction....................................................................... 4
1.6. Profondeur de pénétration ............................................................................................................................ 4
1.7. Installations de chauffage par induction .................................................................................................. 6
1.7.1. Equipement de chauffage par induction...................................................................................................... 6
1.7.2. Alimentation énergétique et générateur..................................................................................................... 6
a. Convertisseur de fréquence à thyristors :....................................................................................7
b. Convertisseur de fréquence à transistors : ..................................................................................7
c. Convertisseur de fréquence à lampe à vide :...............................................................................7
1.7.3. Inducteur .................................................................................................................................................................. 7
1.8. Propriétés du chauffage par induction...................................................................................................... 7
1.8.1. Transfert de puissance........................................................................................................................................ 7
1.8.2. Rendement électrique......................................................................................................................................... 8
1.8.3. Facteur de puissance ........................................................................................................................................... 8
1.9. Caractéristiques du chauffage par induction .......................................................................................... 8
1.9.1. Avantages ................................................................................................................................................................. 8
1.9.1.1. Procédés techniques................................................................................................................................8
1.9.1.2. Consommation énergétique...................................................................................................................9
1.9.1.3. Qualité.......................................................................................................................................................9
1.9.1.4. Environnement et conditions de travail ..............................................................................................9
1.9.2. Inconvénients.......................................................................................................................................................... 9
1.10. Applications industrielles ............................................................................................................................ 9
1.10.1. Fusion de métal par induction dans les fours à creuset ..................................................................... 9
1.10.2. Brasage..................................................................................................................................................................10

SOMMAIRE
1.10.3. Durcissement de l’acier par induction.....................................................................................................10
1.11. Conclusion........................................................................................................................................................11
Chapitre 02..........................................................................................................................12
MODELISATION D’ONDULEUR A RESONANCE..............................................12
2.1. Introduction.......................................................................................................................................................12
2.2. Generalites..........................................................................................................................................................12
2.3. Les onduleurs a resonance...........................................................................................................................13
2.3.1. Onduleur a charge serie....................................................................................................................................13
2.3.1.1. Onduleur à charge série en demi-point .........................................................................................13
2.3.1.2. Onduleur à charge série en pont .....................................................................................................14
2.3.1.3. Formes d’ondes des grandeurs de sortie........................................................................................15
2.3.1.4. Adoucissement des commutations..................................................................................................17
2.3.1.5. Caractéristiques...................................................................................................................................18
2.3.2. Principe de fonctionnement detaille...........................................................................................................19
2.3.2.1. Mode I: - .....................................................................................................................................19
2.3.2.2. Mode II: - ...................................................................................................................................19
2.3.2.3. Mode III: - ..................................................................................................................................20
2.3.2.4. Mode IV: - ..................................................................................................................................20
2.3.3. Stratégies de commande ..................................................................................................................................20
2.3.3.1. Commande par modulation de largeur d’impulsions.......................................................................21
2.3.4. Onduleur a charge parallele............................................................................................................................22
2.3.4.1. Formes d’ondes des grandeurs de sortie........................................................................................22
2.3.4.2. Caractéristiques...................................................................................................................................23
2.4. Etude comparative entre onduleur à charge série et onduleur à charge parallèle................24
2.5. Onduleur a injection .......................................................................................................................................25
2.6. Quelques applications d’onduleur a resonance ...................................................................................26
2.6.1. Chauffage par Induction ...................................................................................................................................26
2.6.2. Alimentation des ozoneurs a moyennes frequences ............................................................................27
2.7. Conclusion ..........................................................................................................................................................27

SOMMAIRE
Chapitre 03..........................................................................................................................28
SIMULATION D’ONDULEUR A RESONANCE POUR LE
CHAUFFAGE PAR INDUCTION..........................................................................28
3.1. Introduction.......................................................................................................................................................28
3.2. Les critères de choix pour le type d’onduleur ......................................................................................28
3.3. Passage de courant et de la tension par Zéro (ZCS et ZVS) .............................................................29
3.4. Les critères de choix pour le type de la commande............................................................................29
3.5. Les différents blocs de simulation d’Onduleur { résonance série { base d’IGBT (demi-pont
ou à un seul bras).....................................................................................................................................................29
3.6. Les différents blocs de génération de la MLI en demi-pont :..........................................................30
3.7. Les résultats de simulation prises { l’aide de logiciel Matlab/Simulink....................................30
3.7.1. Allures des grandeurs électriques côté Source (Source de tension Continue) : .......................30
3.7.2. Allures des grandeurs électriques côté Convertisseur........................................................................31
3.7.3. Allures des grandeurs électriques côté Charge ......................................................................................32
3.8. Autre topologie d’association d’onduleur ..............................................................................................33
3.8.1. Schéma d’association d’onduleur avec un transformateur................................................................33
3.8.2. Différents équations et la relation entre le nombre de spires..........................................................34
3.8.3. Simulation d’onduleur { résonance avec transformateur.................................................................35
3.8.3.1. Schéma blocs du convertisseur via un transformateur....................................................................35
3.8.3.2. Allures de grandeurs électriques côté transformateur (la charge)..................................................35
3.9. Conclusion ..........................................................................................................................................................36
Chapitre 04..........................................................................................................................37
REALISATION PRATIQUE ET MISE EN ŒUVRE .............................................37
4.1. Introduction.......................................................................................................................................................37
4.2. Structure de la chaine AC-DC-AC...............................................................................................................37
4.3. Conception et réalisation d’onduleur.......................................................................................................38
4.3.1. Bloc d’alimentation.............................................................................................................................................38
4.3.1.1. Transformateur (220/12V)..................................................................................................................38
4.3.1.2. Pont à diodes 2W005G ........................................................................................................................39
4.3.1.3. Régulateur 7815 .....................................................................................................................................39
4.3.1.4. Condensateurs de filtrage.....................................................................................................................39
4.3.2. Partie commande ................................................................................................................................................39
4.3.2.1. La carte Dspace 1104............................................................................................................................39
4.3.2.1.1 Description introductive ..................................................................................................39

SOMMAIRE
4.3.2.1.2 Composition et caractéristiques ......................................................................................40
a. Le processeur principal (maître) .................................................................................................40
b. Le DSP esclave..............................................................................................................................41
b.1 Les mémoires:..............................................................................................................................41
b.2 Temporisateurs(Timers) : ..........................................................................................................41
b.3 Unité de contrôle d’interruptions :...........................................................................................41
4.3.3. Partie commande rapprochée........................................................................................................................42
4.3.3.1. Opto-coupleur 4N46 ............................................................................................................................42
4.3.3.2. Driver IR2113........................................................................................................................................42
4.3.4. Tension de Bus continu.....................................................................................................................................44
4.3.5. Partie puissance...................................................................................................................................................44
4.3.5.1. IGBT BUP307D ...................................................................................................................................44
4.3.5.2. Radiateur.................................................................................................................................................45
4.3.5.3. Circuit d’aide à la commutation (CALC)...........................................................................................46
4.4. Circuit imprimé.................................................................................................................................................47
4.5. Logiciel de simulation ....................................................................................................................................47
4.5.1. Proteus.....................................................................................................................................................................47
4.5.2. Définition d’ISIS et d’ARES ..............................................................................................................................47
4.6. Réalisation..........................................................................................................................................................48
4.6.1. Schéma électrique sur ISIS..............................................................................................................................48
4.6.2. Plaquette d’essais................................................................................................................................................49
4.6.2.1. Partie commande et partie puissance.................................................................................................49
4.6.2.2. Système électronique global.................................................................................................................49
4.6.3. Circuit d’implantation sur ARES....................................................................................................................50
4.6.4. Inducteur ................................................................................................................................................................51
4.7. Carte finale d’onduleur { résonance avec le chauffage (la réalisation) ......................................51
4.8. Explication détaillée sur le fonctionnement de la carte d’onduleur ............................................51
4.9. Manipulation dans le Laboratoire d’électronique de puissance....................................................52
4.10. Résultats acquis par l’oscilloscope numérique (HAMEG HM 1508)...........................................53
4.10.1. Allures prises { partir d’onduleur de Laboratoire (Manipulation)..............................................53
4.10.2. Allures prises de la carte d’onduleur (Réalisation)............................................................................53
4.10.2.1. Essai N°1..............................................................................................................................................54
4.10.2.2. Essai N°2..............................................................................................................................................54
4.10.2.3. Essai N°3..............................................................................................................................................55
4.11. Explication brève sur le phénomène du chauffage par Induction..............................................57
4.12. Interprétations des résultats...................................................................................................................57
4.12.1. Interprétations des résultats de la Manipulation................................................................................57
4.12.2. Interprétations des résultats de la Réalisation ....................................................................................57

SOMMAIRE
4.13. Quelques remarques....................................................................................................................................58
4.13.1. Facteur de puissance PF et Taux de distorsion d’harmoniques THD .........................................58
4.13.2. Energie apparente, active et réactive (S, P et Q)..................................................................................59
4.13.3. Temps de réponse et température d’échauffement...........................................................................59
4.13.4. Protection de notre carte...............................................................................................................................59
4.14. Conclusion........................................................................................................................................................59
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ...............................................60
Annexe A- Research Article: « Induction Heating System Topology Review ».............................................61
Annexe B- Research Article : « Mathematical Analysis of the Mirror Inverter based High Frequency
Domestic Induction Cooker »..........................................................................................................................................63
Annexe C- Amplificateur CD4050B...............................................................................................................................65
Annexe D- Opto-coupleur 4N46.....................................................................................................................................66
Annexe E- Driver IR2113..................................................................................................................................................67
Annexe F- IGBT avec Diode en antiparallèle BUP307D.........................................................................................68
Annexe G- Application Note : Test Circuit (IR2110)...............................................................................................69
Annexe H- Carte Dspace1104 : Slave I/O PWM........................................................................................................70
Annexe I- Représentation de l’assemblage « Chauffage + Objet à chauffer sur SolidWorks » :..............71
Références Bibliographiques................................................................................................................................................72

SOMMAIRE
Liste des figures
Figure 1.1 Principe du chauffage par induction. [13].........................................................................................2
Figure 1.2 Grandeurs électromagnétiques du chauffage par induction. [13] .....................................................2
Figure 1.3 Loi de Faraday. [8] ...........................................................................................................................3
Figure 1.4 Courants de Foucault induits. [8]......................................................................................................3
Figure 1.5 Allures de profondeur de pénétration. [8].........................................................................................4
Figure 1.6 Représentation de la profondeur de pénétration. [9].........................................................................5
Figure 1.7 Flux longitudinal. [9]........................................................................................................................6
Figure 1.8 Flux transverse. [9] ...........................................................................................................................6
Figure 1.9 Inducteurs pour durcissement. [8] ..................................................................................................10
Figure 2.1 Schéma de principe de l’onduleur. [7]............................................................................................12
Figure 2.2 Schéma d’un onduleur à résonance série à demi pont. [1] .............................................................13
Figure 2.3 Allures de courant et de tension diode/IGBT. [1]...........................................................................14
Figure 2.4 Allures de courant diode/IGBT. [1]...............................................................................................14
Figure 2.5 Schéma d’un onduleur à résonance série en pont. [20] ..................................................................14
Figure 2.6 Formes d’ondes du courant et de la tension pour ξ=1/4. ........................................................17
Figure 2.7 Petites inductances en série et des petits condensateurs en parallèle avec les interrupteurs pour
adoucir les commutations respectivement à la fermeture et à l’ouverture...............................................17
Figure 2.8 Schéma d’un onduleur en demi-pont (un seul bras). [12]...............................................................19
Figure 2.9 Allures de tension et de courant de la charge. [12].........................................................................19
Figure 2.10 Fonctionnement général d’onduleur à résonance selon quatre modes. [12].................................20
Figure 2.11 Schéma de principe de la commande MLI sinus-triangle. [17]..................................................21
Figure 2.12 Forme d’onde de la commande MLI triangulo-sinusoïdale. [17].................................................22
Figure 2.13 Schéma d’un onduleur à résonance parallèle en pont. [20] ..........................................................22
Figure 2.14 Onduleur à injection. [20].............................................................................................................26
Figure 2.15 (a) Tension aux bornes du circuit oscillant, (b) Courant injecté dans le circuit oscillant, (c)
Tension aux bornes du circuit oscillant, (d) Tension aux bornes d’un thyristor. [3] ..................26
Figure 2.16 Répartition des courants dans une pièce cylindrique entourée d’une bobine inductrice. [3]........27
Figure 3.1 Schéma global de Simulation (Source+Convertisseur+Charge).....................................................29
Figure 3.2 Schéma Simulink génération de la MLI en onde Triangulaire. ......................................................30
Figure 3.3 Signaux de porteuse et de référence (MLI triangulaire). ................................................................30
Figure 3.4 Allure de tension aux bornes de la Source Vs(Volts).....................................................................30
Figure 3.5 Courants et tensions des deux interrupteurs (K1, K2) «Côté Convertisseur».................................31
Figure 3.6 Passage de la tension par Zéro (ZVS : Zero Voltage Switching) «Côté Convertisseur»................31
Figure 3.7 Tension aux bornes du Collecteur et l’émetteur d’IGBT Vce(Volts) «Côté Convertisseur». ........31

SOMMAIRE
Figure 3.8 Passage du courant par Zéro (ZCS : Zero Curent Switching) «Côté Convertisseur».....................32
Figure 3.9 Courant traversant le Collecteur d’IGBT Ic(Ampères) «Côté Convertisseur»..............................32
Figure 3.10 Allure de courant Ich(Ampères) de la charge RLC «Côté Charge». ............................................32
Figure 3.11 Allures de tension et de courant de la charge Vch(Volts) et Ich(Ampères) «Côté Charge».........33
Figure 3.12 Schéma d’association : Onduleur avec un Transformateur. [4]....................................................33
Figure 3.13 Allures de tension et de courant de la charge (Transformateur). [4] ............................................34
Figure 3.14 Schéma blocs de simulation : onduleur avec transformateur........................................................35
Figure 3.15 Paramètres du transformateur utilisé dans la simulation. .............................................................35
Figure 3.16 Allure de courant de primaire du transformateur I1(Ampères). ...................................................35
Figure 3.17 Allure de courant de secondaire du transformateur I2(Ampères).................................................36
Figure 3.18 Allures de courant du secondaire et tension de primaire et du transformateur.............................36
Figure 4.1 Schéma blocs de la chaine AC-DC-AC..........................................................................................37
Figure 4.2 Bloc alimentation de 15V. ..............................................................................................................38
Figure 4.3 Schéma synoptique de l’architecture du DSpace1104. [21] ...........................................................39
Figure 4.4 Le panneau de connexion. [24].......................................................................................................41
Figure 4.5 Le logiciel ControlDesk..................................................................................................................41
Figure 4.6 Schéma d'opto-coupleur 4N46 (voir Annexe D). ...........................................................................42
Figure 4.7 Schéma de commande de deux MOSFET par le driver IR2113 (voir Annexe E)..........................43
Figure 4.8 Diagramme de synchronisation d’entrée/sortie. .............................................................................43
Figure 4.9 Définitions des formes d’onde (Haut=High, Bas=Low) et leur temps mort..................................43
Figure 4.10 Schéma de BUP307D (Voir Annexe F)........................................................................................44
Figure 4.11 Représentation de BUP307D sous forme d'un interrupteur..........................................................44
Figure 4.12 Radiateur pour la dissipation de chaleur.......................................................................................45
Figure 4.13 Topologie de circuit d’aide à la commutation. .............................................................................46
Figure 4.14 Description du logiciel PROTEUS...............................................................................................47
Figure 4.15 Schéma électrique Global du bras d'onduleur sur ISIS.................................................................48
Figure 4.16 Circuit de commande....................................................................................................................49
Figure 4.17 Circuit de puissance......................................................................................................................49
Figure 4.18 Circuit électrique global (Onduleur sur plaquette d’essais)..........................................................49
Figure 4.19 Temps mort (Entre les deux IGBT) sur plaquette d’essais...........................................................49
Figure 4.20 Allure de courant de charge (Plaquette d’essais)..........................................................................49
Figure 4.21 Allures de courant et tension de la charge. ...................................................................................50
Figure 4.22 Allure de tension de la charge.......................................................................................................50
Figure 4.23 Circuit d’implantation de la carte d’onduleur sur ARES (côté cuivre).........................................50
Figure 4.24 Photo de la carte d’onduleur.........................................................................................................50
Figure 4.25 Photo d’inducteur (A: vue de face)...............................................................................................51
Figure 4.26 Photo d’inducteur (B : vue de haut)..............................................................................................51

SOMMAIRE
Figure 4.27 Banc d’essais (Carte d’onduleur en mise en œuvre).....................................................................51
Figure 4.28 Représentation du système global « Source-Convertisseur-Charge». ..........................................52
Figure 4.29 Banc expérimental (Manipulation). ..............................................................................................52
Figure 4.30 Allures de courant et de tension de la charge. ..............................................................................53
Figure 4.31 Allure de courant de la charge ......................................................................................................53
Figure 4.32 Allure de tension de la charge Vch(V). ........................................................................................53
Figure 4.33 Allure de courant du collecteur Ic(A)...........................................................................................53
Figure 4.34 Les signaux de commande PWM (G1, G2)..................................................................................54
Figure 4.35 Le temps mort entre les deux IGBTs (Dead time)........................................................................54
Figure 4.36 Allures de courant et de tension de la charge ...............................................................................54
Figure 4.37 Allure de courant de la charge ......................................................................................................54
Figure 4.38 Allure de courant de source Is(AC) (A)........................................................................................55
Figure 4.39 Allure de tension de source Vs(AC) (V).......................................................................................55
Figure 4.40 Allure de tension de charge Vch(V). ............................................................................................55
Figure 4.41 Allure de courant de la charge Ich(A)...........................................................................................55
Figure 4.42 Allure de courant de source Is(AC) (A)........................................................................................55
Figure 4.43 Allure de tension de source Vs(AC) (V).......................................................................................55
Figure 4.44 Allure de tension de Bus continu Vbc(V).....................................................................................56
Figure 4.45 Allures de tension et courant de la charge ....................................................................................56
Figure 4.46 Allure de tension de la charge Vch(V). ........................................................................................56
Figure 4.47 Allure de courant de la charge Ich(A)...........................................................................................56
Figure 4.48 Temps mort (Dspace1104)............................................................................................................56
Figure 4.49 Algorithme de commande (interface Simulink/Dspace)...............................................................56

SOMMAIRE
xii
Liste des tableaux
Tableau 1.1 Profondeur de pénétration δ en fonction de ρ, µr et f. [13] ............................................................5
Tableau 1.2 Caractéristiques des fours à creuset. [13].....................................................................................11
Tableau 2.1 Comparaison entre les deux types d’onduleurs. [3] .....................................................................24
Suite Tableau 2.2 Comparaison entre les deux types d’onduleurs. [3] ............................................................25
Tableau 4.1 Recommandation des conditions d’utilisation d’IR2113. [17].....................................................43
Tableau 4.2 Caractéristiques de BUP307D......................................................................................................45
Tableau 4.3 Différents paramètres du circuit d’aide à la commutation. ..........................................................46

INTRODUCTION GENERALE
xiii
Listes des Acronymes et Symboles
Acronymes
PF
MLI
PWM
THD
MOSFET
CALC
ZCS
ZVS
RMS
DC
AC
IGBT
GTO
DSP
PPC
ADC
UART
En anglais : Power Factor, c’est le Facteur de puissance.
Modulation de largeur d’impulsions.
En anglais : Pulse Width Modulation.
Taux de distorsion d’harmoniques.
Transistor à effet de champ.
Circuit d’aide à la commutation.
En anglais : Zero Current Switching, c’est le passage du courant par Zéro.
En anglais : Zero Voltage Switching, c’est le passage de la tension par Zéro.
En anglais : Remot Mean Square, c’est la valeur efficace.
En anglais : Direct Current, c’est le courant continu.
En anglais : Alternatif Current, c’est le courant alternatif.
En anglais : Insulated Gate Bipolar Transistor c’est le transistor bipolaire à gâchette isolée.
En anglais : Gate Turn Off thyristor.
En anglais : Digital Signal Processor.
En anglais : Power PC
En anglais : Analog to Digital Converter.
En anglais : Universal Asynchronous Receiver and Transmitter.
Symboles
E
Φ
T
Tension induite [V].
Flux magnétique [Wb]
Temps [S].

xiv
Pdiss
R et Rch
I
δ
µ
d
h
H
ρ
f
C’
F
Ptr
Pi
L et Lch
C et Cch
i’
u’
α
ξ
Puissance dissipée [W].
Résistance électrique de la charge [Ω].
Courant électrique [A].
Profondeur de pénétration [m].
Perméabilité magnétique [H/m] (µ=µo*µr).
Diamètre du cylindre [m].
Hauteur du cylindre [m].
Intensité du flux magnétique [H/m]
Résistivité [Ω.m].
Perméabilité magnétique du vide (4π.10e-7 H/m).
Perméabilité relative.
Fréquence [Hz].
Facteur de couplage.
Facteur de transmission de puissance.
Puissance transmise à la charge [W].
Puissance dissipée dans l’inducteur [W].
Rendement électrique [%].
Inductance de la charge d’onduleur à résonance [H].
Condensateur de la charge d’onduleur à résonance [F].
Tension aux bornes du condensateur [V].
Courant parcouru dans la charge RLC [A].
Tension aux bornes de la charge RLC [V].
Pulsation propre de l’équation différentielle [rad/sec].
Coefficient d’amortissement.
Rapport d’amortissement.

xv
et N
P
et et Sn
Constantes d’intégration.
Pulsation globale dépend de [rad/sec].
Constante dépond de et de .
Pulsation dépend de [rad/sec].
Constantes qui valent ‘U’.
Composante de courant relié à la constante [A].
Dépond de [A].
Constantes qui dépondent de , , sinus et cosinus.
Tension de la m ième composante [V].
Le fondamental de la tension de [V].
Puissance convertie [W].
Valeur moyenne de la tension [V].
Valeur moyenne de courant [A].
Nombre de composantes impairs.
Le fondamental du courant [A].
Déphasage par rapport au fondamental de [rad].
Tension aux bornes de la charge RL [V].
Impédance de la charge RL [Ω].
Fréquence de résonance [rad/sec].
La valeur efficace du fondamental de [V].
Interrupteur numéro n.
Puissance fournie par la charge (puissance active) [W].
Transistor bipolaire à gâchette isolée (IGBT) numéro n.
Diode numéro n.

xvi
fcom
fréf
Ubc
Is(AC)
Vs(AC)
Ic
S
Q
Up
Ur
IL
Tension efficace [V].
Condensateur de la charge d’onduleur à injection [F].
Inductance de la charge d’onduleur à injection [H].
Courant injecté [A].
Tension du primaire du transformateur [V] = Tension de chauffage par induction.
Tension du secondaire du transformateur [V] = Tension d’Objet à chauffer.
Rapport de nombre de spires.
Nombre de spire du primaire du transformateur.
Nombre de spire du secondaire du transformateur.
Courant parcouru dans le primaire du transformateur [A].
Courant parcouru dans le secondaire du transformateur [A].
Tension continue aux bornes de la source dans la simulation [V].
Tension aux bornes du collecteur et l’émetteur d’IGBT [V].
Fréquence d’onde de modulation en triangle de porteuse (Commutation) [rad/sec].
Fréquence d’onde de référence (onde sinusoïdale) [rad/sec].
Tension de Bus continu (sortie du redresseur triphasé) [V].
Courant de la source alternative dans la réalisation et la manipulation [A].
Tension aux bornes la source alternative dans la réalisation et la manipulation [V].
Courant du collecteur [A].
Puissance apparente [VA].
Puissance réactive [VAR].
Tension de la porteuse [V].
Tension de la référence [V].
Courant aux bornes de l’inductance [A].

xvii
Le chauffage par induction a connu ces dernières années un développement important,
essentiellement lié aux avantages qu'apporte ce mode de chauffage : rendement élevé, rapidité et
souplesse d'emploi. Ce domaine a toujours été un élément moteur pour l'électronique de puissance
et l'automatisme, compte-tenu de la sévérité des cahiers de charge où les besoins en puissance, les
fréquences de fonctionnement et les performances dynamiques sont sans cesse grandissants.
Les convertisseurs de puissance sont utilisés comme des interfaces entre la source et la charge. Ils
permettent d’adapter la puissance nécessaire à celle consommée. En effet, la dernière décennie a été
marquée par des avancées technologiques sans précédents dans le domaine de l’électronique de
puissance : apparition de nouveaux composants électroniques capables de commuter rapidement et
supportant une grande tension et un grand courant (GTO, MOSFET, IGBT…etc.).Ainsi Les progrès
accomplis dans le domaine de la micro-informatique (DSP, microcontrôleurs puissants et rapides)
ont permis la synthèse d’algorithmes de contrôle de ces ensembles convertisseur-charge plus
performants et plus robustes.
L’onduleur est la deuxième partie de la chaine AC-DC-AC situé avant notre charge (Chauffage par
induction) est composé par des semi-conducteurs sous forme d’un seul bras, par définition les
onduleurs sont des convertisseurs statiques d’énergie électrique du continu en alternatif.
L’objectif de notre travail est la réalisation d’une chaine de conversion de courant AC-DC-
AC à fréquence élevée à commande MLI, la réalisation de notre chaine consiste à regrouper deux
circuits (de puissance / de commande) et les mettre dans une même carte, une comparaison entre
deux types d’onduleur à résonance sera incluse pour pouvoir choisir aisément le plus judicieux
parmi eux. On fera une manipulation à l’aide d’onduleur de Laboratoire d’électronique de puissance
avec laquelle on pourra enrichir notre étude.
Cet ouvrage est composé de quatre chapitres :
 Le premier chapitre sera consacré à une description technique du chauffage par induction ;
son principe de fonctionnement ; leur propriétés ainsi que leur caractéristiques ; leur installations et
on citera aussi quelques critères de choix pour le chauffage, vu qu’il existe plusieurs chauffages tels
que ; chauffage par résistance, chauffage par conduction, chauffage par plasma…, et on finira par
quelques applications de ce type de chauffage.

xviii
 Le deuxième chapitre porte sur la modélisation détaillée d’onduleur à résonance, au cours de
cette dernière ; on montrera ces différents types tels que : série, parallèle et à injection, aussi on
citera leur stratégies de commandes connues : la commande 180° (pleine onde ou symétrique), la
commande décalée et on expliquera la modulation triangulo-sinusoïdale (MLI), on expliquera le
principe de fonctionnement d’onduleur à un seul bras, en bref on citera quelques applications
d’onduleur telles que : alimentations des ozoneurs, et le chauffage par induction, ce dernier sera
notre charge de la chaine AC-DC-AC.
 Dans le troisième chapitre on s’intéressera à la simulation détaillée de notre système :
Source, convertisseur (Onduleur à Résonance) et notre charge qui est représentée par le Chauffage
par Induction à l’aide du Logiciel Matlab Simulink 2008b ; on figura les différentes allures de
courant, de tension aussi les deux phénomènes ; le passage de courant et de la tension par Zéro
(ZCS : Zero Curent Switching, et ZVS : Zero Voltage Switching). On considérera le chauffage
comme étant un circuit RL et on ajoutera un condensateur pour qu’il devienne oscillant, on choisira
pour la commande de notre système : « la commande MLI », et on citera les critères de choix d’une
part pour la stratégie de commande utilisée et d’autre part pour le type d’onduleur à résonance
choisi. Ensuite on montrera une autre topologie d’onduleur à résonance via la charge. De ce fait on
considèrera l’ensemble « chauffage et l’objet à chauffer » comme étant un transformateur, dont le
primaire est représenté par le chauffage et le secondaire est représenté par l’objet à chauffer (dans la
réalisation et la manipulation on a utilisé ce dernier comme un simple boulon).
 Le dernier chapitre sera consacré à la réalisation pratique. Notre conception est basée sur
trois parties fondamentales ; partie commande ; partie commande rapprochée et enfin partie
puissance. Au cours de ce chapitre on fera une étude détaillée des composants pour la réalisation de
la carte d’onduleur. Des résultats de manipulation et réalisation seront effectués et présentés par
l’oscilloscope Numérique HAMEG HM 1508, et les interprétations des résultats seront effectuées
eux aussi ci-après. En bref on fera une conclusion de clôture de notre étude.
Enfin nous terminerons notre étude par une conclusion générale.

CHAPITRE 01 INTRODUCTION AUX PROCEDES DU CHAUFFAGE PAR INDUCTION
p. 1
Chapitre 01
INTRODUCTION AUX PROCEDES DU CHAUFFAGE
PAR INDUCTION
1.1. Historique
Le phénomène d’induction magnétique est découvert par le physicien anglais Michael
Faraday en 1831. C’est dans les années 1900 que l’on commence à utiliser l’induction comme
procédé de chauffage de pièces en métal, mais il est très limité à cause des faibles puissances
disponibles. En 1922, l’avènement des générateurs dynamiques le rend plus efficace et des études
scientifiques sur le chauffage par induction montrent que l’on peut chauffer différentes parties
d’une pièce sans chauffer les autres en jouant sur la fréquence, la puissance ainsi que les paramètres
des matériaux tels que la résistivité électrique et la perméabilité magnétique relative. Plus tard dans
les années 1960, l’arrivée des générateurs statiques avec les semi-conducteurs permet l’utilisation
de plus grandes puissances et fréquences. Aujourd’hui, le chauffage par Induction est un procédé
industriel bien maitrisé dans un grand nombre de domaines, tels que la fonderie, le soudage ou le
durcissement. [13]
1.2. Introduction
Le chauffage par induction est une application directe de deux lois physiques, la loi de LENZ et
l'effet Joule. Toute substance conductrice de l'électricité plongée dans un champ magnétique
variable (créée par une bobine inductrice ou inducteur) est le siège de courants électriques induits
ou courant de Foucault. Ces courants dissipent de la chaleur par effet Joule dans la substance où ils
ont pris naissance.
Afin de transmettre la plus grande partie de l'énergie à la pièce à traiter, plusieurs paramètres sont à
prendre en considération : la disposition respective des inducteurs et des pièces (couplage,
longueurs respectives), la fréquence d'alimentation et l'effet de peau qui caractérisent la répartition
des courants induits dans la pièce. Plus la fréquence augmente (intensité de courant), plus les
courants induits se concentrent en surface. Cette notion fondamentale est déterminée par la
profondeur de pénétration encore appelée épaisseur de peau, les propriétés magnétiques
(perméabilité relative), électriques (résistivité) et thermiques (conductibilité) des pièces à chauffer,

p. 2
variant pour la plupart avec la température et le type d'inducteur (géométrie, nature du conducteur,
technologie).
1.3. Les critères de choix pour le type de chauffage
En comparaison avec d’autres méthodes de chauffage telles que : chauffage par résistance,
chauffage par conduction, chauffage par hystérisis magnétique, chauffage par plasma, chauffage par
rayonnement infrarouge, et en fin chauffage par induction.
 On a choisi le chauffage par induction parce qu’il offre de nombreux avantages tels que :
chauffage rapide, sans contact, non flamme, rendement élevé, échauffement localisé ; et exact à
haute densité de puissance et de nombreuses possibilités de contrôle grâce à l’électronique de
puissance. [5]
1.4. Principe physique du chauffage par induction
Le principe du chauffage par induction électromagnétique est basé sur deux phénomènes physiques
L’induction électromagnétique.
L’effet joule.
Figure 1.1 Principe du chauffage par induction. [13] Figure 1.2 Grandeurs électromagnétiques du
chauffage par induction. [13]
1.4.1. Induction électromagnétique
L’induction électromagnétique est le vecteur de transfert de chaleur depuis la source vers l’objet à
chauffer. Le transfert de l’énergie vers l’objet à chauffer est créé par induction électromagnétique.
Quand une boucle d’un matériau conducteur (voir figure 1.3 A) est placée dans un champ
magnétique, on voit apparaître aux bords de la boucle une tension induite. C’est ce qu’exprime la
formule suivante :
(1.1)

p. 3
Quand la boucle est mise en court-circuit, la tension induite E va entraîner l’apparition d’un courant
de court-circuit circulant dans le sens opposé au phénomène qui le génère. C’est la loi de Faraday-
Lenz. [8]
Figure 1.3 Loi de Faraday. [8]
Si un conducteur plein, (un cylindre par exemple), est soumis à une variation de flux
magnétique (ou placé dans un champ magnétique alternatif), on voit apparaître, comme
dans le cas de la boucle fermée, des courants induits. Ces courants sont dits courants de
Foucault et circulent de façon non homogène dans le cylindre (voir figure 1.4). Les
courants de Foucault, via la résistance électrique interne du cylindre, viennent chauffer le
conducteur conformément à la loi de Joule.
Figure 1.4 Courants de Foucault induits. [8]
Remarque
Pour de nombreuses applications pratiques, un solénoïde est utilisé pour générer le champ
magnétique. Il existe, toutefois, de nombreuses formes d’inducteur autres pour les applications de
chauffage par induction.
1.4.2. L’effet joule
Lorsqu’un courant I [A] parcourt un conducteur électrique de résistance R [Ω], la puissance
dissipée dans le conducteur est comme suit :

p. 4
(1.2)
1.5. Les grandeurs électriques du chauffage par induction
 Pour les applications industrielles, des grandeurs caractérisent; l'efficacité thermique et
énergétique d l'effet de peau, qui caractérise la répartition des courants induits dans la pièce.
 Le champ magnétique alternatif qui pénètre dans le matériau décroît rapidement pour
disparaître et avec lui les courants induits.
 la puissance dissipée dans la pièce qui caractérise le phénomène électrique.
De nombreux paramètres interviennent:
la fréquence du courant.
la nature magnétique et thermique du matériau.
le champ inducteur.
le couplage entre l'inducteur et la pièce à chauffer (entrefer, longueurs respectives).
le type d'inducteur et les caractéristiques géométriques.
la nature des conducteurs de l'inducteur.
1.6. Profondeur de pénétration
Une caractéristique générale des courants alternatifs est de ne pas utiliser toute la surface utile des
conducteurs pour circuler. Il apparaît, en effet, qu’ils se concentrent sur la périphérie des
conducteurs: c’est l’effet de peau. Ainsi, les courants de Foucault induits dans le matériau à
chauffer sont plus importants en périphérie qu’au cœur de l’objet. L’effet de peau est caractérisé par
la profondeur de pénétration δ, qui se définit comme l’épaisseur de la couche surfacique dans
laquelle circule 87% de la puissance générée (voir figure 1.5).
Figure 1.5 Allures de profondeur de pénétration. [8]

p. 5
La profondeur de pénétration peut être déduite des équations de Maxwell. Pour une charge
cylindrique d’un diamètre très supérieur à δ, la formule est la suivante :
√ (1.3)
Figure 1.6 Représentation de la profondeur de pénétration. [9]
Il apparaît que la profondeur de pénétration dépend à la fois des caractéristiques du matériau à
chauffer (ρ, µ), et de la fréquence du courant alternatif le parcourant.
La fréquence est donc un levier de contrôle de la profondeur de pénétration. Le tableau suivant
regroupe des ordres de grandeur de δ en fonction de plusieurs matériaux pour différentes
fréquences.
Tableau 1.1 Profondeur de pénétration δ en fonction de ρ, µr et f. [13]
δ en [mm]
Acier 20°C Acier 20°C Cuivre 20°C Cuivre 900°C Graphite 20°C
ρ [µ Ω*m]
µr [-]
0.16
40
0.16
100
0.017
1
0.086
1
10
1
fréquence
50 Hz 4.50 2.85 9.31 20.87 225.08
100 Hz 3.18 2.01 6.58 14.76 159.15
1 kHz 1.01 0.64 2.08 4.67 50.33
10 kHz 0.32 0.20 0.66 1.48 15.92
100 kHz 0.10 0.06 0.21 0.47 5.03
1 MHz 0.03 0.02 0.07 0.15 1.59
D’après la formule (1.3), il apparait que la profondeur de pénétration est inversement
proportionnelle à la racine carré de la perméabilité magnétique µr. Pour des matériaux non
magnétiques tels que le cuivre ou l’aluminium, le coefficient de perméabilité magnétique µr =1,
alors que les matériaux ferromagnétiques (tels que le fer et de nombreux types d’acier) ont, au
contraire, un coefficient de perméabilité beaucoup plus élevé. Ces matériaux offrent donc des
profondeurs de pénétration beaucoup moins importantes. La perméabilité magnétique des matériaux
ferromagnétiques dépend fortement de la nature du matériau et des conditions imposées

p. 6
(température, intensité du champ magnétique, saturation). Au-delà de la température de Curie
(760C°=1400F°), la perméabilité chute brutalement à µr =1, ce qui engendre une hausse rapide de
la profondeur de pénétration.
Les photos ci-dessous montrent deux principes de chauffe d'une pièce défilant.
Soit la pièce défile dans l'inducteur et le courant se réparti à sa superficie. Le champ
magnétique est parallèle au défilement ; c'est le flux longitudinal, (voir figure 1.7).
Soit la pièce circule à côté de la bobine. Le champ magnétique est perpendiculaire à la pièce ;
c'est le flux transverse, (voir figure 1.8).
Figure 1.7 Flux longitudinal. [9] Figure 1.8 Flux transverse. [9]
1.7. Installations de chauffage par induction
1.7.1. Equipement de chauffage par induction
Un chauffage par induction comprend généralement :
 Un ou plusieurs inducteurs de chauffage.
 Une source de puissance moyenne ou haute fréquence associant un convertisseur de fréquence
(générateur ou onduleur) à un coffret d'adaptation d'impédance et de compensation par batterie
de condensateurs.
Un système de refroidissement par eau de la source de puissance, du coffret d'adaptation et
éventuellement de l'inducteur.
1.7.2. Alimentation énergétique et générateur
L’alimentation électrique peut être de différente nature selon la fréquence d’alimentation de
l’installation. Pour les installations à 50Hz, la charge est directement connectée au transformateur.
Le transformateur peut être régulé pour ajuster le courant à l’impédance de la charge.

p. 7
a. Convertisseur de fréquence à thyristors :
 Rendement: 90-97%
 Plage de fréquence : 100Hz-10kHz
 Plage de puissance : jusqu’à 10MW
b. Convertisseur de fréquence à transistors :
 Plage de fréquence : jusqu’à 500kHz
 Plage de puissance : jusqu’à 500kW
c. Convertisseur de fréquence à lampe à vide :
 Plage de fréquence : jusqu’à 3000kHz
 Plage de puissance : jusqu’à 1200kW
1.7.3. Inducteur
Pour la plupart des applications, l’inducteur est un tube en cuivre creux se présentant comme un
enroulement venant couvrir l’objet à chauffer. L’inducteur est le plus souvent en cuivre, afin de
limiter les pertes électriques, et refroidi par eau, dans la plupart des cas. [8]
1.8. Propriétés du chauffage par induction
1.8.1. Transfert de puissance
C’est l’effet Joule, dû aux courants de Foucault, qui est responsable de l’augmentation de
température de l’objet à chauffer. La formulation simple de la puissance P=R*I² ne peut pas être
utilisée du fait de la non-uniformité de la distribution des courants dans le conducteur.
 La puissance déposée peut être décrite comme suit:
√ (1.4)
Les termes "C’ "," F " de la formule sont des facteurs de correction.

p. 8
Remarque
La puissance peut être augmentée en augmentant l’intensité du flux magnétique H, c’est-à-dire
en augmentant le nombre d’ampères-tours de l’inducteur.
Une forte augmentation de la fréquence de commutation ne résulte qu’en une petite
augmentation de la puissance. De plus, plus la fréquence augmente et plus les pertes dans
l’alimentation sont importantes et plus la profondeur de pénétration diminue.
1.8.2. Rendement électrique
Le rendement électrique est défini comme suit:
(1.5)
Le rendement dépend fortement du rapport « diamètre / profondeur de pénétration » (dans le cas
de charge cylindrique) et de la conception de l’inducteur. Les règles de base à respecter pour un
meilleur rendement sont :
 Pour l’inducteur, utiliser un matériau de faible résistance, en règle générale du cuivre
électrolytique.
 Minimiser la distance entre les enroulements.
 Etablir une bonne connexion entre l’inducteur et la charge (limitation de l’entrefer, et la taille
de l’inducteur suffisamment longue).
1.8.3. Facteur de puissance
L’ensemble constitué de l’inducteur et de la charge est assimilable à une charge globalement
inductive gourmande en énergie réactive. Ce caractère inductif est dû, d’une part à l’entrefer (entre
l’inducteur et la charge) et d’autre part, au comportement inductif de la charge.
Le facteur de puissance de l’inducteur et de la charge se situe entre 0,05 et 0,6. [8]
1.9. Caractéristiques du chauffage par induction
1.9.1. Avantages
1.9.1.1. Procédés techniques
 L’induction permet d’obtenir des températures de chauffe très élevées.
 L’induction peut être appliquée de façon très locale.

p. 9
 Les installations à induction sont compatibles avec les automatismes.
1.9.1.2. Consommation énergétique
 Les installations à chauffage par induction ont en règle générale un bon rendement. Toutefois,
le rendement dépend aussi de la nature du matériau à chauffer.
 Une partie importante des pertes calorifiques peut être récupérée.
1.9.1.3. Qualité
 Une pureté extrême peut être obtenue en travaillant sous vide ou dans des atmosphères inertes.
 L’endroit de chauffe peut être déterminé avec précision.
 Le chauffage peut être régulé précisément.
1.9.1.4. Environnement et conditions de travail
 Pas de production de fumée.
 Le chauffage par induction est utilisé principalement pour le chauffage de formes simples.
1.9.2. Inconvénients
 Des coûts dácquisition élevés pour les fortes puissances.
 Des champs électromagnétiques peuvent apparaître ce qui peut alors perturber
lénvironnement, lorsque les isolations sont mauvaises ou bien lorsquíl y a une protection HF.
1.10. Applications industrielles
Les applications industrielles pour le chauffage par induction sont : la fusion de métal, le chauffage
de métal pour en faciliter la formabilité, le brasage, le soudage et toutes sortes de traitements de
surface. Toutefois, en utilisant des conducteurs électriques spécifiques (tels que le graphite)
d’autres matériaux peuvent être chauffés (verre…).
1.10.1. Fusion de métal par induction dans les fours { creuset
La surface intérieure du creuset est constituée d’un revêtement réfractaire (brasque), qui contient le
matériau à porter à la fusion et est entouré par la bobine inductrice. L’inducteur est refroidi par eau
et entouré d’un noyau de fer pour améliorer le couplage magnétique.
Il existe des applications à 50Hz mais aussi à moyennes fréquences. Les gammes de puissance,
jusqu’à 10MW pour des applications standards, et jusqu’à 1200kW/ton pour des applications
spécifiques, sont très élevées, et permettent de réduire considérablement les temps de fusion.

p. 10
1.10.2. Brasage
Le brasage est une technique d’assemblage de deux pièces jointes par action d’un matériau tiers
porté à température de fusion. A la zone de connexion, les deux pièces sont portées à une
température plus élevée que la température de fusion du troisième matériau.
L’induction est souvent utilisée pour chauffer les pièces localement. De plus, l’augmentation de
température étant rapide, cela permet de mieux contrôler d’éventuels problèmes d’oxydation et de
changement de structure ou de composition du matériau. Le brasage sous atmosphère inerte est
également possible.
1.10.3. Durcissement de l’acier par induction
Les aciers dont le pourcentage de carbone est supérieur à 0,3% sont adaptés aux traitements de
durcissement de surface. La pièce est d’abord portée à une température de 900°C puis brusquement
refroidie. Cette technique est utilisée pour le durcissement des aciers des pignons de boîte de
vitesse, des vilebrequins, des soupapes, des lames de scie, des bèches, des rails et bien d’autres
applications.
Grâce à la précision de chauffe, les consommations d’énergie sont moindres que pour d’autres
techniques pour lesquelles le chauffage global du produit est nécessaire. Les densités de puissance
mises en jeu pour les applications de durcissement par induction sont de l’ordre de 1,5 à 5kW/cm²,
et le temps de traitement de 2 secondes !! [8]
Figure 1.9 Inducteurs pour durcissement. [8]

p. 11
Tableau 1.2 Caractéristiques des fours à creuset. [13]
Capacité totale (t)
1.5 2 3 4
Capacité utilisable (t) 1 1.5 2.5 3.5
Puissance du four (kW) 300 600 300 600 600 900 600 900
Capacité de fusion (t/h) 0.5 1.0 0.5 1.0 1.0 1.5 1.0 1.5
Consommation en eau
de refroidissement
( /h)
17 20 17 20 20 30 20 30
Le procédé du chauffage par induction répond parfaitement aux exigences industrielles de la
moyenne et grande série :
Facilité d'automatisation des équipements.
Absence d'inertie thermique (démarrage rapide).
Rendement de chauffage souvent très élevé.
Absence de pollution par la source de chaleur (source froide).
Bonnes conditions de travail.
1.11. Conclusion
Dans ce chapitre, on a consacré une partie dont laquelle on a cité plusieurs types de
chauffage mais notre choix final était imposé sur le chauffage par induction grâce à plusieurs
avantages (critères de choix) tels que : rendement élevé, échauffement localisé, pas de flamme, son
contact ... . On a fait une description technique concernant ce type de chauffage, son principe de
fonctionnement, on a bien expliqué la profondeur de pénétration et son importance pour
l’échauffement, on a cité leurs propriétés ainsi que leurs caractéristiques, les structures des
générateurs et quelques applications.
Dans le chapitre 02, on s’intéressera à la modélisation de notre convertisseur qui porte le nom
‘Onduleur à Résonance’, côté structure et puissance ; en demi-pont et en pont, et de côté topologie ;
en série, en parallèle et à injection et leurs différentes stratégies de commande.

CHAPITRE 02 MODELISATION D’ONDULEUR A RESONANCE
p. 12
Chapitre 02
MODELISATION D’ONDULEUR A RESONANCE
2.1. Introduction
A partir d'une tension continue, nous devons alimenter une charge en courant alternatif; pour
atteindre ce but nous allons utilisez un onduleur. Donc les onduleurs sont les convertisseurs
statiques permettant la conversion de l’énergie de la forme continue vers la forme alternative (DC-
AC) réglable en amplitude et en fréquence utilisant des composants électroniques et des semi-
conducteurs commandés à l'ouverture et à la fermeture (MOSFET, IGBT, GTO ....etc.).
Ils permettent d'alimenter la charge en alternatif (échanges d'énergie entre une source et une
charge), à une fréquence fixe ou variable à partir d'une source de puissance continue (bus continu
fabriqué par soit une ou des batterie(s), des redresseurs, des panneaux solaires etc...).
La figure 2.1 rappelle le schéma symbolique de l’onduleur.
Figure 2.1 Schéma de principe de l’onduleur. [7]
Un onduleur non autonome est assisté si la fréquence et la tension sont imposées par le réseau
d'alimentation que nous ne pouvant pas le commandé directement. Dans le cas présent nous
pouvons régler la fréquence et la tension, l'onduleur sera donc autonome. Son emploi est varié.
Selon les besoins on distingue trois types principaux d'onduleurs :
Onduleurs de courant.
Onduleurs à résonance (série, parallèle), avec lequel se base notre prochaine étude.
Onduleurs de tension.
2.2. Généralités
A l’intérieur de la grande famille des onduleurs autonomes, c’est-à-dire débitant sur charge passive,
on fait généralement la distinction entre les onduleurs à commutation forcée et les onduleurs

p. 13
pilotés par la charge, ou à résonance. Dans le premier cas, les transistors principaux sont éteints
par la commutation de l’énergie d’un circuit annexe, dans le second cas l’énergie d’extinction est
prélevée sur la charge qui est un circuit oscillant. En général, les premiers sont utilisés à fréquence
relativement basse, de 0 à 400 Hz, et les seconds à fréquence plus élevée, de 400 à 40 000 Hz. En
réalité, la distinction est plus délicate pour certains onduleurs.
Notre sujet sera de traiter les onduleurs alimentant une charge monophasée constituée par un circuit
oscillant, à une fréquence variable voisine de la résonance de ce circuit, et appelés onduleur à
résonance. On ne considérera que les schémas de base les plus usuels. [3]
2.3. Les onduleurs { résonance
Les onduleurs à résonance apparaissent lorsque la charge est d'une nature oscillante (RLC) on
commande les interrupteurs à une fréquence très proche de la fréquence de résonance de la charge.
Si les caractéristiques de cette dernière varient, il faut varier la fréquence de commande et donc
l'onduleur sera non autonome. [3]
Ils se divisent en deux types :
 L'onduleur série.
 L'onduleur parallèle.
2.3.1. Onduleur { charge série
2.3.1.1. Onduleur à charge série en demi-point
Considérant le circuit d’utilisation constitué par une inductance, une résistance et une capacité en
série, formant un circuit oscillant (fig. 2.2). La charge formée d'une résistance R, d'une inductance L
et d'une capacité C en série. Généralement ; R et L sont les constants du récepteur, la capacité C est
ajoutée pour former le circuit oscillant.
Figure 2.2 Schéma d’un onduleur à résonance série à demi pont. [1]
IGBT + Diode
en
antiparallèle
U’

p. 14
Remarque : D’après les références bibliographiques « Livres » [1], [2], [3], [4], [7] utilisées dans
notre thèse, ils se basent sur la modélisation d’onduleur { résonance en pont complet, mais cette
modélisation est valable (identique) avec un onduleur à résonance en demi-pont.
Aux bornes du circuit oscillant on applique une tension continue alternativement dans un sens puis
dans l’autre. Les « interrupteurs d’aiguillage » sont constitués par des transistors IGBT (ou bien
‘Sn’) avec une diode en anti parallèle.
L'onduleur série est un onduleur de tension, formé par exemple par un demi-pont de deux
interrupteurs (voir fig.2.2) fournissant une tension de sortie U’ de période T.
Pour 0<t<T/2. u’= + Vd/2
Pour T/2<t<T. u’= – Vd/2 [1]
Figure 2.3 Allures de courant et de tension
diode/IGBT. [1]
Figure 2.4 Allures de courant diode/IGBT. [1]
2.3.1.2. Onduleur à charge série en pont
L’onduleur série est un onduleur à résonance alimentant un circuit résonant série de constantes R,
L, C (voir Fig 2.5). À cause de l’inductance, la charge constitue un récepteur de courant. L’onduleur
doit donc être un onduleur de tension.
Figure 2.5 Schéma d’un onduleur à résonance série en pont. [20]
L’onduleur peut être un onduleur en pont, comme représenté. On commande alors simultanément
les fermetures de et puis celles de et .
Pour 0<t<T/2 u’= + U.

p. 15
Pour T/2<t<T u’= – U.
2.3.1.3. Formes d’ondes des grandeurs de sortie
La tension aux bornes de C et le courant i’ sont liés à la tension u’ (voir Fig 2.5)
(2.1)
Avec :
(2.2)
On déduit :
(2.3)
On caractérise ce circuit dont l’équation différentielle est du second ordre par :
Sa pulsation propre en l’absence d’amortissement,
Et son coefficient d’amortissement α,
Ou le rapport ξ de celui-ci à ,
√
√ (2.4)
Si l’amortissement est faible , la tension a pour expression :
(2.5)
Avec :
√ √ (2.6)
Puisque , les deux constantes d’intégration sont données par :
(2.7)
⁄
(2.8)
 Pendant la première demi-période (0, T/2) :
(2.9)
Donc :

p. 16
( | )
(2.10)
En reportant, on obtient :
{* + }} (2.11)
{ [ ] }} (2.12)
 En régime établi, si T est la période des grandeurs de sortie :
( ⁄ ) ( ⁄ ) (2.13)
On détermine par :
( ⁄ ) ( ⁄ ) (2.14)
Ce qui donne :
(2.15)
(2.16)
En posant :
(2.17)
( )
(2.18)
 La valeur pour t= 0 est nulle si ⁄ , où en désignant par la
pulsation 2π / T du fondamental de la tension , .
< β, .
> β, .
 La nature des commutations à effectuer :
Si est inférieur à , au cours de la demi-période (0, T/2) où fermés écoulent ,

p. 17
ce courant est d’abord positif ; il s’annule ensuite puis s’inverse.
Remarque : La figure ci-dessous montre les allures de courant et de tension de la charge pour un
onduleur à demi-pont, puisque les deux capacités (en parallèle avec le bras) jouent le rôle d’un
doubleur de courant car l’amplitude .On note que cette figure nous aide pour notre simulation
Figure 2.6 Formes d’ondes du courant et de la tension pour ξ=1/4.
2.3.1.4. Adoucissement des commutations
Si le pilotage de l’onduleur fait apparaitre la charge comme étant toujours capacitive, de sorte
qu’on ne fait appel qu’à la capacité de commande à la fermeture des interrupteurs, leur ouverture
étant spontanée par annulation du courant, il suffit de mettre en série avec ceux-ci de petites
inductances pour adoucir les commutations à la fermeture (voir Fig 2.7 à gauche).
Si le pilotage des interrupteurs fait apparaitre la charge comme étant toujours inductive, de sorte
qu’on ne fait appel qu’à la capacité de commande à l’ouverture des interrupteurs, leur fermeture
étant spontanée par annulation de la tension, il suffit de placer en parallèle avec les interrupteurs de
petits condensateurs pour adoucir les commutations à l’ouverture (voir Fig 2.7 à droite).
Figure 2.7 Petites inductances en série et des petits condensateurs en parallèle avec les interrupteurs pour
adoucir les commutations respectivement à la fermeture et à l’ouverture.
Petite
Inductance en
Série avec la
cellule de
commutation.
Petit Condensateur
en Parallèle avec
la cellule de
commutation.

p. 18
2.3.1.5. Caractéristiques
 La tension a pour développement en série :
√ √ √ (2.19)
Avec :
√
(2.20)
Le fondamental du courant a pour valeur efficace :
√
(2.21)
Il est déphasé par rapport au fondamental de d’un angle φ tel que :
( ) (2.22)
Pour , est négatif, est en avance sur .
Pour , est positif, est en retard sur .
√ √ (2.23)
La valeur efficace du fondamental de est donnée par :
√ ( ⁄ )
(2.24)
On peut exprimer , , et en fonction de :
√
√
( )
( ) (2.25)
√
√
( )
( )
(2.26)
√
√
( )
(2.27)

p. 19
2.3.2. Principe de fonctionnement détaillé
Figure 2.8 Schéma d’un onduleur en demi-pont (un seul bras). [12]
Figure 2.9 Allures de tension et de courant de la charge. [12]
2.3.2.1. Mode I: -
Le courant de résonance circulant en sens inverse, change de direction au niveau du point de t =
s'écoulant par Tr1. Dans ce mode, la tension VDC permet du circuit résonnant accumuler de l'énergie
par la fourniture de puissance par le transistor Tr1.
2.3.2.2. Mode II: -
Lorsque Tr1 est ouvert sur le point de t = , le courant de résonance circulant à travers Tr1
commence roue libre à travers la diode D2. Dans ce processus, une petite quantité de commutation
Turn-off dont la perte se produit du commutateur Tr1, tout en conservant des valeurs de tension et
de courant. Pour ce qui suit, Tr2 est fermé lorsque <t < . Que le commutateur Tr2 reste à zéro
de tension / courant, aucune perte de commutation a lieu à mise sous tension. Et l'inverse de
recouvrement de diode D1 ne doit pas nécessairement être rapide.
Après avoir éteint Tr1, les laissez-passer de résonance en cours pour une courte période par
l'intermédiaire du C1 (c’est un amortisseur) avant la roue libre D2. [12]

p. 20
2.3.2.3. Mode III: -
Juste après t = , le courant s'écoule librement et résonne en sens inverse à travers Tr2 qui est déjà
fermé. Ici, le condensateur de résonance Cr ; sert comme une source de tension. [12]
2.3.2.4. Mode IV: -
Lorsque Tr2 est ouvert à l'instant t = , le courant de résonance circulant à travers départs Tr2 en
roue libre par la diode D1. Dans ce processus, une petite quantité de pertes de commutation se
produit au Turn-off. Pour ce qui suit, le commutateur Tr1 est fermé à un certain point ( <t< ).
À ce stade, il n'y a pas de pertes de commutation à son tour sur le commutateur Tr1 reste à zéro de
tension / courant. Et le recouvrement inverse de la D2 ne pas besoin d'être rapide. Dans ce mode,
l'énergie du circuit résonnant est convertie en D1. Le mode de fonctionnement après t > est
Cyclique : du mode I à mode IV ; à nouveau comme décrit ci-dessus. Aussi dans ce processus, le
courant passe à travers la résonance C2 (amortisseur) pour une courte période de temps avant la
roue libre D1 (Voir l’annexe A : Référence Bibliographique N° [12], «Articles de conférences»
«Research Article : Induction Heating System Topology Review ; validé en juillet 2000 »)
Figure 2.10 Fonctionnement général d’onduleur à résonance selon quatre modes. [12]
2.3.3. Stratégies de commande
Pour ce type de montage, il existe trois types (ou stratégies) de commande :
 Commande symétrique (ou pleine onde).
 Commande décalée.

p. 21
 Commande par Modulation de largeur d’impulsions.
La commande la plus performante et la plus judicieuse (grâce à l’élimination des harmoniques)
est la commande par modulation de largeur d’impulsions, les critères de choix pour cette
commande sont mentionnés dans le chapitre 03.
2.3.3.1. Commande par modulation de largeur d’impulsions
Les tensions effectuées par les deux types de commande précédentes (symétrique et décalée)
présentent plusieurs harmoniques. Il est donc nécessaire de chercher à éliminer ou diminuer le
taux d’harmoniques afin de se rapprocher plus d’une forme d’onde sinusoïdale. Pour cela on fait
appel à la technique de la modulation de largeur d’impulsions (MLI) ; cette stratégie de commande
consiste à envoyer plusieurs impulsions par demi-période aux interrupteurs de l’onduleur.
Ces impulsions sont contrôlées en largeur. Cette stratégie de commande permet, la diminution du
taux d’harmoniques THD. [17]
La MLI est basée sur la comparaison de deux signaux analogiques pour la détermination d’ouverture
et fermeture des interrupteurs, dans notre cas nous nous intéressons à la commande triangle-
sinusoïdale. On compare deux signaux prenant :
Un signal de référence sinusoïdal d’amplitude et de fréquence réglable variable.
Un signal triangulaire de fréquence très élevée (environ 100 kHz) et d’amplitude fixe appelé
porteuse.
Figure 2.11 Schéma de principe de la commande MLI sinus-triangle. [17]
Le signal de sortie de comparateur délivre un niveau de tension correspondant à ‘1’ dans l’intervalle
du temps où le signal de référence est supérieur au signal de porteuse et une tension nulle
correspondant à ‘0’ dans l’intervalle du temps où le signal de référence est inférieur au signal
de porteuse.

p. 22
Figure 2.12 Forme d’onde de la commande MLI triangulo-sinusoïdale. [17]
2.3.4. Onduleur { charge parallèle
L’onduleur parallèle est un onduleur à résonance débitant sur un circuit résonant parallèle peu
amorti. La charge, comportant une capacité directement branchée entre les bornes de sortie,
constitue un récepteur de tension ; l’onduleur doit donc être un onduleur de courant.
Ce peut être un onduleur à deux ou à quatre interrupteurs comme représente sur la figure 2.13.
Dans ce cas, on commande d’ordinaire simultanément .
Figure 2.13 Schéma d’un onduleur à résonance parallèle en pont. [20]
Pour 0<t<T/2 sont fermés :
Pour T/2<t<T sont fermés : –
2.3.4.1. Formes d’ondes des grandeurs de sortie
Si l’on rend compte de l’emble de la consommation de puissance active dans la charge à l’aide
d’une résistance R montée en parallèle avec l’inductance et la capacité , la dualité permet
d’utiliser pour l’onduleur parallèle les résultats pour l’onduleur série.
En effet, le courant dans L et la tension sont liés au courant par :
(2.28)

p. 23
Avec :
(2.29)
 On déduit :
(2.30)
On trouve les même relations que pour l’onduleur série à condition de remplacer :
* * * ; * .
La pulsation propre , le coefficient d’amortissement α et rapport ξ de α à deviennent :
√
√ (2.31)
2.3.4.2. Caractéristiques
D’ordinaire, l’onduleur parallèle est alimenté à partir du réseau industriel à travers un redresseur et
une inductance. La source alimentant l’onduleur est bien une source de courant de point de vue des
commutations, à cause de l’inductance, mais sa caractéristique statique est celle d’une source de
tension. Le réseau et le redresseur imposent la valeur moyenne U de la tension d’entrée d’onduleur.
Le fondamental du courant de sortie a pour valeur efficace :
√
(2.32)
 Si on confond la tension de sortie avec son fondamental de valeur efficace , l’égalité de la
puissance à l’entrée et à la sortie de l’onduleur donne :
(2.33)
On en déduit :
√
(2.34)
Avec :
√
(2.35)
 De on déduit la valeur efficace du fondamentale du courant dans chacune des branches R,
L, C du récepteur :
(2.36)

p. 24
2.4. Etude comparative entre onduleur { charge série et onduleur { charge
parallèle
Tableau 2.1 Comparaison entre les deux types d’onduleurs. [3]
Onduleur Série : Onduleur Parallèle :
SCHEMAS :
Fig 2.5 Schéma d’un onduleur à résonance série en pont. [20] Fig 2.13 Schéma d’un onduleur à résonance parallèle en pont. [20]
ALIMENTATION :
A impédance faible, alimentation par
source de tension
A impédance forte, alimentation par une
source de courant.
TENSION AUX BORNES DU CIRCUIT OSCILLANT :
Forme : en créneau ;
Valeur :
Forme : sinusoïdale. Pulsation :
√
Valeur :
√
COURANT FOURNI AU CIRCUIT OSCILLANT :
Forme : sinusoïdale,
Valeur :
√
Pulsation :
√
Forme : en créneau
Valeur : I =
PUISSANCE CONVERTIE :
Valeur :
Ou
Valeur :
Ou
DEPHASAGE :
L’augmentation du déphasage :
-Diminue la fréquence. -Fait participer
d’avantage les diodes de récupération et la
capacité de filtrage.
L’augmentation du déphasage :
-Augmente la fréquence. -Sollicite davantage
en tension et en courant l’inductance de
lissage.

p. 25
Suite Tableau 2.2 Comparaison entre les deux types d’onduleurs. [3]
INFLUENCE DE LA COMMANDE ELECTRONIQUE :
- Des irrégularités dans le déclenchement
des amorçages des interrupteurs
n’introduisent pas de composante continue
de courant.
- Des irrégularités dans le déclenchement des
amorçages des interrupteurs introduisent une
Composante continu de courant (défavorable
pour les transformateurs et les inductances).
INFLUENCE DES ⁄ ⁄ :
Interrupteur sont sensibles au ⁄ positif.
La limitation du ⁄ ne pose pas de
problème.
Pas de ⁄ positif dangereux.
La limitation du ⁄ empêche l’utilisation de
la tension maximale.
DEFAUTS :
-Un défaut sur le circuit oscillant entraine
l’arrêt de l’onduleur.
-Un défaut sur le circuit oscillant entraine le
court-circuit de l’onduleur.
COMMUTATION :
- La commutation se traduit par un
saut de tension aux bornes de l’inductance
du circuit oscillant.
-La commutation se traduit par un saut de
courant à travers la capacité du circuit
oscillant.
2.5. Onduleur { injection
Supposons que le circuit oscillant constituant la charge soit oscillant. On suppose le régime
établi à tension quasi-sinusoïdale, en sorte que le courant dans l’inductance et le condensateur
vaut approximativement ⁄ et la puissance dissipée ⁄ . Le principe de l’onduleur
est d’injecter du courant dans le circuit oscillant lorsque la tension de celui-ci est positive. Cela est
réalisé au moyen d’un circuit d’injection et d’un thyristor de commande. Le calcul exact d’un tel
onduleur est très complexe et très fastidieux. Supposons que la fréquence choisie pour le circuit
d’injection soit deux fois celle du circuit principal, on amorce le thyristor lorsque la tension est
positive de façon à avoir une puissance injectée active. L’amorçage du thyristor ait lieu à chaque
passage par zéro de la tension , de la valeur négative ; la puissance injectée vaut alors :
⁄ ∫ (Voir figure 2.14)

p. 26
Figure 2.14 Onduleur à injection. [20] Figure 2.15 (a) Tension aux bornes du circuit oscillant, (b)
Courant injecté dans le circuit oscillant, (c) Tension aux
bornes du circuit oscillant, (d) Tension aux bornes d’un
thyristor. [3]
2.6. Quelques applications d’onduleur { résonance
Les applications d’onduleur à résonance couvrent tous les domaines où il est nécessaire ou
souhaitable d’avoir de la moyenne fréquence à un niveau de puissance élevée (de quelques kW à
plusieurs MW). Il convient particulièrement aux cas où la charge est inductive (fours à induction)
ou capacitive (Ozoneurs), car on obtient un circuit oscillant simple en compensant la charge. Il
convient évidemment aux cas où la charge est elle-même un circuit oscillant (Ultra-son).
2.6.1. Chauffage par Induction
L’application la plus courante est sans conteste le chauffage par induction. Depuis plusieurs années,
on ne conçoit plus une installation de chauffage par induction autrement qu’avec un onduleur. Le
système est nettement plus économique et plus souple qu’avec des groupes tournants. Les
traitements inductifs en haute fréquence permettent d’effectuer des trempes superficielles sur une
profondeur extrêmement faible, ce qui permet d’augmenter la résistance du matériau sans trop
perdre sur l’élasticité de l’ensemble. Le traitement à moyenne fréquence convient très bien aux
opérations se recuit, revenu et frittage. Il peut aussi être appliqué au soudage (soudage de tubes au
défilé par exemple) et au brasage, car il permet de localiser une très grande quantité d’énergie dans
un volume extrêmement restreint. On peut ainsi n’échauffer que la partie qui le nécessite. C’est ce
principe aussi qui est employé dans le pilage de tubes.

p. 27
Figure 2.16 Répartition des courants dans une pièce cylindrique entourée d’une bobine inductrice. [3]
2.6.2. Alimentation des ozoneurs { moyennes fréquences
L’ozonisation présente la qualité primordiale de stériliser l’eau par les plus puissant des oxydants :
l’ozone ( ), de plus elle supprime les mauvais goûts et odeurs pouvant subsister après filtration et
rond à l’eau sa couleur bleutée originelle. La majorité des installations d’ozoneurs sont alimentées
électriquement par un transformateur branché sur le réseau. Ils fonctionnent donc à fréquence de
50Hz. L’ozoneur se comporte comme une capacité avec une résistance non linéaire. Il suffit donc
d’ajouter une inductance pour que l’on retrouve un circuit oscillant. [3]
2.7. Conclusion
Au cours de ce chapitre, on a fait une modélisation détaillée d’onduleur à résonance série,
parallèle et de même à injection, aussi les différentes techniques de commande (symétrique,
décalée, et MLI ‘sinus-triangle’) dont la plus judicieuse est la commande MLI, qui est utilisée dans
notre simulation et réalisation, ensuite on a montré une étude comparative entre les deux premiers
types d’onduleurs à résonance, avec laquelle on pourra faire nos critères de choix dans le Chapitre
03. En bref on a montré quelques applications d’onduleur à résonance, et leur importance dans
l’industrie.

CHAPITRE 03 SIMULATION D’ONDULEUR A RESONANCE POUR LE CHAUFFAGE PAR INDUCTION
p. 28
Chapitre 03
SIMULATION D’ONDULEUR A RESONANCE
POUR LE CHAUFFAGE PAR INDUCTION
3.1. Introduction
Dans ce Chapitre nous ferons une simulation détaillée à l’aide de Logiciel Matlab/Simulink
R2008b d’un type d’onduleur à résonance, les critères de choix de ce type sont mentionnés ci-
dessous. On s’intéressera pour simuler les allures de différentes grandeurs électriques de côté :
Source, Convertisseur, et Charge, cette dernière est considérée comme étant un transformateur dont
le primaire présente le Chauffage Par Induction et le secondaire présente l’Objet à Chauffer, dont
on démontre les différentes équations. A la fin de ce chapitre, on terminera par une conclusion qui
clôtura nos choix et nos buts primordiaux.
3.2. Les critères de choix pour le type d’onduleur
Après avoir fait la modélisation détaillée dans le Chapitre 02, et aussi l’étude comparative
entre et les deux types d’onduleur à résonance (Série et parallèle), on a choisi pour la simulation
et la conception l’onduleur à résonance Série à demi-pont.
 Pour la raison « Demi-pont » : Simple à commander (2 interrupteurs à commander au lieu de
4), il est plus économique (le coût) qu’un onduleur en pont. Dans le montage à demi-pont ; la
tension aux bornes des condensateurs fluctue (varie ou change), ce qui rend difficile
l’équilibrage ; pour cette difficulté on a décidé de réaliser un Onduleur à Résonance à Demi-pont
 Pour la raison « Série » : notre choix est basé sur la topologie et la commande qui sont plus
simples et plus performantes, qui nous donne des résultats admissibles, aussi pour des raisons
pratiques ; ce type offre beaucoup d’avantages tels que : la topologie nous offre le passage du
courant par zéro (ZCS : Zero Curent Switching) responsable du blocage des interrupteurs, aussi
le passage de tension par zéro (ZVS : Zero Voltage Switching) responsable d’amorçage des
interrupteurs. De point de vue Protection, le courant alternatif passe par zéro et l’être humain
peut se sauver de mourir en cas de danger. De point de vue Continuité, disponible dans le
courant sinusoïdal alternatif. De point de vue Commande, l’envoie des impulsions dépend du
zéro. L’assemblage des deux raisons rentre dans le terme : technico-économique.

p. 29
3.3. Passage de courant et de la tension par Zéro (ZCS et ZVS)
La montée en fréquence des convertisseurs statiques entraine une augmentation des pertes de
commutation dans les interrupteurs, ces pertes peuvent être délocalisées par l’adjonction de circuit
d’aide à la commutation (CALC). Une possibilité consiste à modifier la nature des interrupteurs pour
qu’ils réalisent une commutation spontanée, dite aussi commutation douce car les pertes sont nulles.
Ces convertisseurs sont dits convertisseurs (quasi résonnants). Deux types d’interrupteurs peuvent
être utilisés :
 Interrupteurs à amorçage commandé et blocage spontané, comme le thyristor. Le blocage est
alors réalisé au passage à zéro du courant, nommé ZCS (en anglais : Zero Current
Switching).
 Interrupteurs à blocage commandé et amorçage spontané. L’amorçage est alors réalisé au
passage à zéro de la tension, nommé ZVS (en anglais : Zero Voltage Switching).
3.4. Les critères de choix pour le type de la commande
Dans le chapitre 02, on a cité les différents types de commande à savoir : Symétrique (ou pleine
onde), décalée et Modulation en Largeur d’Impulsions (MLI ou PWM en anglais), on a choisi pour
notre étude de simulation et expérimentale la dernière méthode, vu plusieurs avantages tels que :
L’élimination des harmoniques de courant de rang faible.
Le filtrage pour éliminer les harmoniques de courant de rang élevé.
L’obtention d’un courant quasiment sinusoïdal aux bornes de la charge.
On obtient une source de courant sinusoïdal à fréquence réglable.
3.5. Les différents blocs de simulation d’Onduleur { résonance série { base
d’IGBT (demi-pont ou { un seul bras)
Figure 3.1 Schéma global de Simulation (Source+Convertisseur+Charge).

p. 30
3.6. Les différents blocs de génération de la MLI en demi-pont :
Figure 3.2 Schéma Simulink génération de la MLI en onde Triangulaire.
3.7. Les résultats de simulation prises { l’aide de logiciel Matlab/Simulink
Figure 3.3 Signaux de porteuse et de référence (MLI triangulaire).
3.7.1. Allures des grandeurs électriques côté Source (Source de tension
Continue) :
Figure 3.4 Allure de tension aux bornes de la Source Vs(Volts).
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps(Secondes).
ModulationdeLargeurd'ImpultiontriangulaireMLI
Signal de référence sinusoidale
Porteuse triangulaire
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10
-3
99
99.2
99.4
99.6
99.8
100
100.2
100.4
100.6
100.8
101
Temps(Secondes)
TensionauxbornesdelasourceVs(Volts)
Tension Vs(Volts)

p. 31
3.7.2. Allures des grandeurs électriques côté Convertisseur
Figure 3.5 Courants et tensions des deux interrupteurs (K1, K2) «Côté Convertisseur».
Figure 3.6 Passage de la tension par Zéro (ZVS : Zero Voltage Switching) «Côté Convertisseur».
Figure 3.7 Tension aux bornes du Collecteur et l’émetteur d’IGBT Vce(Volts) «Côté Convertisseur».
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10
-3
-20
0
20
40
60
80
100
120
Temps(Secondes)
TensionsetcourantsdeK1etK2 Courant Ic K1
Tension Vce K1
Courant Ic K2
Tension Vce K2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
-3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Temps(Secondes).
Passagedetensionparzéro(ZVS)
ZVS (Zero Voltage Switching)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10
-3
-20
0
20
40
60
80
100
120
Temps(Secondes)
Tensionauxbornesducollecteuretl'émetteurVce
Tension Vce(Volts)

p. 32
Figure 3.8 Passage du courant par Zéro (ZCS : Zero Curent Switching) «Côté Convertisseur».
Figure 3.9 Courant traversant le Collecteur d’IGBT Ic(Ampères) «Côté Convertisseur».
3.7.3. Allures des grandeurs électriques côté Charge
Les paramètres de la charge :
Figure 3.10 Allure de courant Ich(Ampères) de la charge RLC «Côté Charge».
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
-3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Temps(Secondes)
Passageducourantparzéro(ZCS)
ZCS(Zero Current Switching)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
-3
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Temps(Secondes)
CourantducollecteurIc(Ampères)
Courant Ic IGBT(Ampères)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
-3
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Temps(Secondes)
CourantdelachargeIch(Ampères)
Courant Ich(Ampères)

p. 33
Figure 3.11 Allures de tension et de courant de la charge Vch(Volts) et Ich(Ampères) «Côté Charge».
Remarque :
Les allures qu’on a déduit sont semblables à celles trouvées dans l’article de recherche utilisé dans
ce mémoire (Voir l’annexe B : Référence Bibliographique N° [11] «Articles de conférences»
validé en 1 Déc. 2011). La fréquence d’onde de référence (signal ou onde sinusoïdale) est fréf =
1000 Hz, La fréquence de résonance est fr = 24748 Hz
√
, La fréquence d’onde
de modulation de porteuse (ou commutation) est fcom = 10.000 Hz.
3.8. Autre topologie d’association d’onduleur
3.8.1. Schéma d’association d’onduleur avec un transformateur
Figure 3.12 Schéma d’association : Onduleur avec un Transformateur. [4]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
-3
-150
-100
-50
0
50
100
150
Temps(Secondes)
CourantettensiondelachargeIchetVch
Courant Ich(Ampères)
Tension Vch(Volts)
D1
D3
D2
D4

p. 34
3.8.2. Différents équations et la relation entre le nombre de spires
et sont fermés ; alors (primaire du transformateur = chauffage par
induction) égale à ( ). À tension positive : ; aussi
(secondaire du transformateur = Objet à chauffer).
Lorsque sont fermés alors , sont ouverts. La tension aux
bornes du transformateur est inversée telle que et .
D’une façon générale, la relation de la tension peut être comme suit : [4]
(3.1)
(3.2)
Sachant que :
(3.3)
La puissance dans les deux enroulements du transformateur doit être égale, alors elle vaut :
(3.4)
En combinant (3.2) et (3.4) on aura :
(3.5)
T(Sec)
T(Sec)
T1 D2 T2 D1
T4 D3 T3 D4
Figure 3.13 Allures de tension et de courant de la charge (Transformateur). [4]

p. 35
3.8.3. Simulation d’onduleur { résonance avec transformateur
3.8.3.1. Schéma blocs du convertisseur via un transformateur
Figure 3.14 Schéma blocs de simulation : onduleur avec transformateur.
Figure 3.15 Paramètres du transformateur utilisé dans la simulation.
3.8.3.2. Allures de grandeurs électriques côté transformateur (la charge)
Figure 3.16 Allure de courant de primaire du transformateur I1(Ampères).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10
-3
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Temps(Secondes).
AllredeCourantduTransformateur
Courant du transformateur I1(Ampères)
Le primaire du
transformateu
r = chauffage
par Induction
(R=0.2Ω et
L=0.000414H).

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