Faire tourner du matériel triphasé sur batterie : la solution onduleur

L'incompatibilité fondamentale

On ne peut pas connecter directement un moteur ou charge triphasé à une batterie. La physique est incompatible :

• Sortie batterie : Courant continu (CC) — flux unidirectionnel, polarité constante.
• Exigence charge triphasée : Courant alternatif (CA) — trois tensions sinusoïdales, déphasées 120°, créant champ magnétique tournant essentiel pour couple moteur.

Combler ce fossé nécessite un convertisseur électronique de puissance : un onduleur CC vers CA capable de sortie triphasée.

Comment fonctionne un onduleur triphasé

Topologie : Pont triphasé (onduleur 6 interrupteurs)

La topologie standard utilise six interrupteurs semiconducteurs (IGBT ou MOSFET) disposés en trois demi-ponts (branches), un par phase.

 CC+ ────┬───┬───┬───
        │   │   │
      ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐
      │ Q1│ │ Q3│ │ Q5│ (Interrupteurs haut)
      └─┬─┘ └─┬─┘ └─┬─┘
        │   │   │
   Phase A Phase B Phase C (Sortie vers Moteur)
        │   │   │
      ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐
      │ Q2│ │ Q4│ │ Q6│ (Interrupteurs bas)
      └─┬─┘ └─┬─┘ └─┬─┘
        │   │   │
 CC- ────┴───┴───┴─── 

Stratégie commutation : Modulation Largeur Impulsion (PWM)

• Interrupteurs chaque branche fonctionnent complémentairement (Q1 on ⇒ Q2 off) avec temps mort pour éviter court-circuit direct.
• PWM Vecteur Espace (SVPWM) ou PWM Sinusoïdal (SPWM) module cycles travail pour synthétiser trois tensions de phase quasi-sinusoïdales.
• Fréquence sortie (ex: 50/60 Hz) et amplitude tension contrôlées par index modulation et référence fréquence.
• Fréquence commutation (porteuse) : typique 2–20 kHz. Plus élevé = courant plus lisse, ripple couple réduit, mais pertes commutation plus hautes.

Paramètres critiques design & sélection

1. Puissance nominale (kVA / kW)

• Puissance continue onduleur ≥ Puissance nominale moteur × Facteur service (typique 1,15–1,25).
• Compenser démarrage moteur (6–8× FLA démarrage direct). Onduleur doit gérer surcharge (150–200% pour 10–60s) ou utiliser démarrage progressif/rampe.

2. Tension bus CC vs Tension sortie CA

• Règle empirique : V_CC ≥ √2 × V_CA,LL,RMS / Index_Modulation_max.
• Pour 400V_LL (230V_LN) triphasé : Besoin ~600V bus CC (typ. 540–650V) pour modulation complète.
• Pour 230V_LL (133V_LN) : ~350–400V bus CC.
• Erreur fréquente : Utiliser banque batteries 48V ou 12V pour moteur 400V nécessite convertisseur élévateur ou transformateur — ajoute coût, pertes, complexité.

3. Capacité & chimie batteries

• Énergie (kWh) : = (Puissance Moteur × Temps fonctionnement) / (Rendement Onduleur × Limite DoD Batterie).
• Puissance (kW) : Batterie doit fournir courant CC crête (I_CC = P_CA / (V_CC × η)) sans chute tension excessive.
• Chimie : LiFePO₄ (LFP) préférée : longue vie cyclique, sécurité, courbe tension plate. Plomb-acide : moins cher mais lourd, DoD faible (50%), mauvaises perf forts courants. NMC : densité énergie supérieure, gestion thermique critique.

4. Rendement & pertes

• Rendement onduleur : 92–98% (pic). Plus bas charge légère.
• Rendement système total (Batterie → Mécanique) : ~85–93%.
• Pertes = Chaleur. Nécessite radiateurs, ventilation forcée, ou refroidissement liquide pour >5kW continu.

5. Compatibilité moteur

• Moteur asynchrone standard : Fonctionne mais harmoniques PWM causent surchauffe supplémentaire (dérater 5–10% ou utiliser moteur duty onduleur per NEMA MG1 Part 31).
• PMSM / BLDC / SynRM : Idéaux — conçus pour alimentation onduleur. Nécessitent encodeur/résolveur ou FOC sans capteur (Field Oriented Control) dans onduleur.
• Isolation : Moteurs duty onduleur ont papier de phase / fil émaillé résistant couronne (IVIS rated) pour tenir contrainte dv/dt.

Options architecture système

Architecture	Description	Usage typique
Variateur fréquence (VFD)	Entrée triphasée industrielle → sortie triphasée. Ajout bornes bus CC + batterie + précharge + intégration BMS.	Rétrofit moteur existant, industriel, puissance élevée (>5kW)
Onduleur/Chargeur tout-en-un	Onduleur intégré, chargeur solaire MPPT, chargeur batterie, commutateur transfert. Sortie triphasée (empilable).	Hors-réseau / Secours (Victron, Outback, Schneider, SMA)
Stack puissance custom	Modules IGBT/SiC/GaN discrets, drivers grille, contrôle DSP/FPGA, magnétiques custom.	Traction VE, aérospatial, haute performance, volume OEM
Onduleur triphasé (UPS)	UPS conversion double en ligne. Redresseur charge batterie ; onduleur alimente charge critique triphasée.	Datacenters, médical, infrastructures critiques

Sécurité & conformité

• Isolation galvanique : Onduleurs sans transformateur ont biais CC sortie. Transformateur isolation souvent requis systèmes IT flottants ou sécurité.
• Mise à terre : Négatif batterie/mise à terre per NEC 690/706. Châssis onduleur. Châssis moteur.
• Protection surintensité : Fusible/disjoncteur CC à batterie (AIC élevé). Disjoncteur CA sortie onduleur.
• Arc flash / EPI : Arcs CC auto-entretenus. Haute tension CC (>60V) nécessite formation & EPI spécialisés.
• Normes : UL 1741 / IEEE 1547 (raccordé réseau), UL 1998 (logiciel), IEC 62109, NEC Art. 706, 690, 430.

En résumé

Oui, on peut faire tourner charges triphasées sur batteries — via un onduleur triphasé correctement dimensionné. L'onduleur est le cœur du système ; la batterie est le réservoir. Adaptez tension bus CC à tension CA cible, dimensionnez batterie pour énergie et puissance, choisissez moteurs duty onduleur, respectez sécurité CC. Au-delà projet hobby, engagez ingénieur systèmes puissance.