Cours d’électronique de puissance Hacheurs et Onduleurs Préparé par Mounir Derri [email protected] Plan du cours 1. Introduction à l’étude des structures 2. Les hacheurs: • • • • 3. le hacheur dévolteur- le hacheur survolteur le hacheur réversible en courant, en tension le hacheur 4 quadrants- Etude de l’ondulation du courant le filtrage des hacheurs- le groupement des hacheurs Les onduleurs autonomes • Les onduleurs monophasé en pont • Les onduleurs triphasés en pont • L’onduleur MLI • Réglage de la tension et filtrage. 4. La commutation forcée dans les convertisseurs à thyristors 5. Etude du fonctionnement séquentiel des convertisseurs statiques et simulation numérique Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures Introduction à l’électronique de puissance L’Électronique de Puissance est la branche de l’Électrotechnique qui a pour objet l’étude de la conversion statique de l’énergie électrique. Une utilisation plus souple et plus adaptée de l’énergie électrique, conforme aux besoins actuels des utilisateurs Une amélioration de la gestion, du transport et de la distribution de l’énergie électrique pour le fournisseur d’énergie De concevoir et mettre en œuvre des dispositifs électriques de volume et de masse réduite permettant un fonctionnement plus silencieux Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures Introduction à l’électronique de puissance Le but de l’électronique de puissance est de convertir de l’énergie électrique d’une forme en une autre. On distingue deux natures : continue (DC) : la puissance est transmise par la composante continue Électronique, photovoltaïque, batteries, électrolyse,… alternative (AC) : pas de composante continue Utilisation de transformateurs (transport et distribution, chauffage à induction,…) Champs tournants dans les machines (moteurs, génératrices) Alternatif alternatif Hacheurs et Onduleurs Continu continu EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures Introduction à l’électronique de puissance Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures Introduction à l’électronique de puissance Intérêt de l’E.P. L’électronique de puissance est un métier du futur : ABB, EADS, PSA, Renault, Safran, Schneider- Electric, Siemens, Alstom, recherchent des ingénieurs en électronique de puissance L’utilisation de l’E.P. permet à un système de : Réduire son volume, sa masse Augmenter sa fiabilité/sécurité/disponibilité Diminuer sa consommation Diminuer son coût Améliorer son facteur de puissance Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - La production de l’énergie électrique Distribution électrique, multiplication des sources d’énergie : actuelles : Nucléaire, Hydraulique, Thermique Energies renouvelables : Eolien (AC), Photovoltaïque (DC) Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - L'automobile Très forte augmentation de l'utilisation de l'énergie électrique dans les automobiles actuelles et en perspective : il y aura un très gros marché au moment du passage prévu, Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Transports : Ferroviaire Evolution des moteurs et de l’électronique de puissance associée : Hier : MCC associée à un redresseur (AC/DC) à thyristors : volumineux et rendement faible Aujourd’hui : Utilisation de MS ou MAS associée à un redresseur et un onduleur à MLI (évolution possible grâce aux progrès de l’électronique de puissance) Remarque : MS moins volumineuse que la MAS mais plus coûteuse Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Transports : aérien Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Transports : maritime Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Transports : maritime Frégate Aquitaine: Ptot = 42MW dont 38 MW pour la propulsion Hacheurs et Onduleurs Queen Marry 2 : Ptot = 118MW dont 86 MW pour la propulsion EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Convertisseurs pour les Systèmes sur une puce (SoC) Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Niveaux de tensions Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Objectifs Connaître les architectures des convertisseurs classiques (B, B, BB, F, F, bras de pont, pont complet) Savoir calculer un taux d’ondulation, un rapport Vs/Ve,… Avoir une méthode d’analyse pour comprendre le fonctionnement d’un convertisseur Connaitre les principaux problèmes rencontrés et avoir en tête les solutions classiques. Notions en commande/calcul de pertes/composants Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures Energie électrique - Notions générales: Energie Alternatif AC Réseau ONE, station de production décentralisée, électrogène……….. Récepteur1 AC Hacheurs et Onduleurs Récepteur2 DC Continu DC Batteries, panneau photovoltaïque, génératrice DC……….. Récepteur3 AC Récepteur4 DC EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: convertisseurs statiques Redresseurs Hacheurs AC DC DC DC Exemples Gradateurs Onduleurs Hacheurs et Onduleurs AC AC DC AC EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: exercice La figure représente un schéma monofilaire de l'installation électrique d'un véhicule électrique. L’énergie peut provenir de plusieurs endroits: des batteries, de l’alternateur relié mécaniquement au moteur thermique, des moteurs électriques en mode de freinage. L’énergie produite, stockée ou consommée se trouve donc sous plusieurs formes, qui sont indiquées sur le schéma monofilaire. Les moteurs utilisés sont des moteurs synchrones . Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Principe de commutation Un convertisseur statique comporte essentiellement : Des interrupteurs électroniques fonctionnant, de manière périodique, en régime de commutation (tout ou rien). Des éléments réactifs (inductances et/ou condensateurs) permettant le stockage intermédiaire de l’énergie électrique. Ve Hacheurs et Onduleurs Convertisseur statique Vs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Principe de commutation Le principe de fonctionnement est d’établir et interrompre la liaison source-charge à l’aide d’un interrupteur électronique commandé par un signal périodique. Les deux premiers schémas sont identiques. Dans le troisième on a permuté l’interrupteur et la charge, ce qui ne change rien au fonctionnement du dispositif. L’interrupteur électronique utilise un transistor de puissance ou un thyristor….etc Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Principe de commutation Contrairement à l'électronique « petits signaux » qui s'intéresse à l'information (son, images, données informatiques etc ) codée sous forme de signaux électriques, l'électronique « de puissance » s'intéresse plutôt aux pertes d'énergie et au rendement des équipements électriques. En électronique de puissance, les composants électroniques actifs fonctionnent en commutation de façon à consommer le moins d’énergie possible. Fonctionnement bloqué ( ou ouvert ou non-passant ) p=u.0=0 Hacheurs et Onduleurs Fonctionnement saturé ( ou fermé , ou passant ) p=0.i=0 EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Principe de commutation Si les composants électroniques en commutation étaient parfaits, ils ne consommeraient aucune énergie à l’état bloqué (pas de courant), aucune énergie à l’état passant (pas de tension), et les temps de commutation (pour passer de l’un à l’autre des états précédents) seraient infiniment petits. Mais les composants ne sont pas parfaits; ils consomment de l’énergie à l'état bloqué (léger courant), à l'état saturé (légère tension) et aussi lors des commutations (passage de l'état bloqué vers l'état saturé et réciproquement). Il convient de chercher à réduire ces pertes autant que possible. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Dans un convertisseur, le choix d’un type de composant est basé sur sa commandabilité à l’ouverture et à la fermeture, en tension ou en courant, et sa réversibilité. La réversibilité en tension est l’aptitude à supporter des tensions directes et inverses à l’état bloqué, tandis qu’en courant, il s’agit de l’aptitude à laisser passer des courants directs et inverses à l’état passant. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Diode de puissance La diode de puissance est un composant non commandable (ni à la fermeture ni à l’ouverture). Elle n’est pas réversible en tension et ne supporte qu’une tension anode-cathode négative (𝑽AK < 𝟎) à l’état bloqué. Elle n’est pas réversible en courant et ne supporte qu’un courant dans le sens anode-cathode positif à l’état passant (𝒊AK > 0). Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Diode de puissance: Fonctionnement du composant parfait Le fonctionnement de la diode s’opère suivant deux modes : • diode passante (ou ON), tension vAK = 0 pour iAK > 0 • diode bloquée (ou OFF), tension iAK = 0 pour vAK < 0 On dit aussi que la diode a une caractéristique à deux segments. En résumé, une diode se comporte comme un interrupteur parfait dont les commutations sont exclusivement spontanées : • il est fermé ON tant que le courant qui le traverse est positif. • il est ouvert OFF tant que la tension à ses bornes est négative. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Diode de puissance: Composant réel et ses imperfections Le fonctionnement réel est toujours caractérisé par ses deux états : • à l’état passant : 𝑉AK ≈ 0, le courant direct est limité au courant direct maximal ; • à l’état bloqué : 𝑖AK ≈ 0, la tension inverse est limitée (phénomène de claquage par avalanche) à la tension inverse maximale. . Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Thyristor Le thyristor est un composant commandé à la fermeture, mais pas à l’ouverture. Il est réversible en tension et supporte des tensions 𝑉AK aussi bien positives que négatives. Il n’est pas réversible en courant et ne permet que des courants 𝑖AK positifs, c’est à dire dans le sens anodecathode, à l’état passant. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Thyristor: Fonctionnement du composant parfait Le composant est bloqué (OFF) si le courant 𝑖AK est nul (quelque soit la tension 𝑉AK ). Si la tension 𝑉AK est positive, le thyristor est amorçable. L’amorçage (A) est obtenu par un courant de gâchette 𝑖g positif d’amplitude suffisante alors que la tension 𝑉AK est positive. L’état passant (ON) est caractérisé par une tension 𝑉AK nulle et un courant 𝑖AK positif. Le blocage (B) apparaît dès annulation du courant 𝑖AK . On ne peut pas commander ce changement, mais on en distingue deux types : Caractéristique et fonctionnement La commutation naturelle par annulation du courant 𝑖AK ou la commutation forcée par inversion de la tension 𝑉AK . Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Thyristor: Blocage par commutation naturelle Ce blocage intervient par extinction naturelle du courant anode-cathode. Le montage fournit un exemple de commutation naturelle qui se traduit par les chronogrammes suivants: Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Thyristor: Blocage par commutation forcée Ce blocage est imposé par la mise en conduction d’un autre composant, qui applique une tension négative aux bornes du thyristor, provoquant donc son extinction. Les deux thyristors sont initialement bloqués. Dès que ThP est amorcé, il conduit et assure le courant 𝑖p dans la charge. Dès l’amorçage de ThE, la tension 𝑉AK = –𝑈c est donc négative et bloque ThP. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Thyristor: Caractéristique et limites de fonctionnement Le fonctionnement réel est, comme pour une diode, caractérisé par ses deux états : • à l’état passant, 𝑉AK ≈ 0, le courant direct est limité par le courant direct maximal. • à l’état bloqué, 𝑖AK ≈ 0, la tension inverse est limitée (phénomène de claquage par avalanche) par la tension inverse maximale. Caractéristique du thyristor réel Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Thyristor: fonctionnement Pour assurer l’amorçage du composant, l’impulsion de gâchette doit se maintenir tant que le courant d’anode n’a pas atteint le courant de maintien ih. La largeur de l’impulsion de gâchette dépend donc du type de la charge alimentée par le thyristor. Sa durée sera d’autant plus importante que la charge sera inductive. Évolution du courant iAK à l'amorçage Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Thyristor: fonctionnement Après l’annulation du courant 𝑖AK , la tension 𝑉AK doit devenir négative pendant un temps au mois égal au temps d’application de tension inverse tq (tq ≈ 100 µs). Si ce temps n’est pas respecté, le thyristor risque de se réamorcer spontanément dès que 𝑉AK tend à redevenir positive, même durant un court instant. Évolution du courant iAK au blocage Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Transistor bipolaire de puissance Parmi les deux types, NPN et PNP, le transistor de puissance existe essentiellement dans la première catégorie (NPN). Le transistor est un composant totalement commandé : à la fermeture et à l’ouverture. Il n’est pas réversible en courant, ne laissant passer que des courants de collecteur ic positifs. Il n’est pas réversible en tension, n’acceptant que des tensions Vce positives lorsqu’il est bloqué. Hacheurs et Onduleurs Transistor NPN de puissance EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Transistor : Fonctionnement du composant parfait Dans son mode de fonctionnement linéaire, le transistor se comporte comme une source de courant 𝒊c commandée par le courant 𝒊B. Dans ce cas, la tension 𝑉ce est imposée par le circuit extérieur. La figure présente l’évolution des grandeurs entre le blocage, le fonctionnement linéaire et la saturation. Modes de fonctionnement Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Transistor : Fonctionnement et états du transistor • Transistor bloqué (B) ou OFF : état obtenu en annulant le courant 𝑖B de commande, ce qui induit un courant de collecteur nul et une tension 𝑽𝒄𝒆 non fixée. L’équivalent est un commutateur ouvert. • Transistor saturé (S) ou ON : ici, le courant 𝑖B est tel que le transistor impose une tension 𝑽𝒄𝒆 nulle tandis que le courant 𝑖c atteint une valeur limite dite de saturation, 𝑖csat . L’équivalent est un commutateur fermé. Hacheurs et Onduleurs Caractéristique du transistor parfait. EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Le MOSFET de puissance Le MOS est commandé à la fermeture et à l’ouverture. Il est rendu passant grâce à une tension vGS positive. La grille est isolée du reste du transistor, ce qui procure une impédance grillesource très élevée. La grille n’absorbe donc aucun courant en régime permanent. La jonction drain-source est alors assimilable à une résistance très faible : RDSon de quelques mΩ. On le bloque en annulant vGS, RDS devient alors très élevée. Transistor MOS Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Le MOSFET de puissance • Transistor ouvert (OFF) : État obtenu en annulant la tension VGS de commande, procurant une impédance drain-source très élevée, ce qui annule le courant de drain iD. La tension VDS est fixée par le circuit extérieur. L’équivalent est un interrupteur ouvert. • Transistor fermé (ON) : Une tension VGS positive rend RDS très faible et permet au courant iD de croître. L’équivalent est un interrupteur fermé. Hacheurs et Onduleurs Caractéristique du transistor MOS. EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Le MOSFET de puissance Comparables à celles des transistors bipolaires, le Mos a: • Une commande en tension plus aisée à réaliser. En régime statique, le courant de grille est quasi nul. Il n’apparaît que durant les commutations car la capacité de la jonction Grille-source impose des charges dans le circuit de grille. • Peu de charges stockées car la technologie n’est pas bipolaire. En conséquence, en régime de commutations, seules les durées 𝑡r et 𝑡f sont influentes ; Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Le transistor IGBT L’IGBT est un transistor bipolaire à commande par effet de champ. C’est l’association d’un transistor bipolaire et d’un MOSFET. Il réunit dans le même composant les avantages du bipolaire et du MOS. Bipolaire: chute de tension faible à l’état passant, tension directe bloquée élevée. MOS: commande en tension (IGrille quasi nul), temps de commutation faible. Hacheurs et Onduleurs Transistor IGBT EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: composants de commutation Le choix des interrupteurs Selon le composant utilisé, la fréquence à laquelle est soumis le composant change. En général, on cherche à utiliser la fréquence la plus élevée possible. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Les deux types de dipôles Sources de tension et du courant En électronique de puissance, on classe les dipôles utilisés selon deux catégories, suivant leur propriétés électriques dynamiques. Un dipôle de tension ne peut pas subir de discontinuité de tension. À cette catégorie appartiennent les batteries d’accumulateurs, les réseaux électriques Un dipôle de courant ne peut pas subir de discontinuité de courant. C’est le cas d’une machine à courant continu : le couple électromagnétique, donc le courant d’induit, ne peuvent pas subir de variations brutales. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Les deux types de dipôles Réversibilité des dipôles Dans un même montage, certains dipôles doivent fonctionner en générateur et d’autres en récepteur. Lorsqu’un dipôle peut assumer successivement les deux rôles, il est réversible ; on parle alors de source. La réversibilité peut être assurée par inversion de la tension ou bien du courant ou bien des deux. Ainsi, on peut qualifier une batterie d’accumulateurs de source de tension réversible en courant (un sens de courant lors de la charge et inversion de ce sens à la décharge),mais cette source n’est pas réversible en tension. Une machine à courant continu est une source réversible en tension (inversion de la vitesse)inversion des pôles) et une source réversible en courant (inversion du couple)inversion du sens du courant). Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Les deux types de dipôles Configurations interdites L’application des règles dynamiques montre que certaines configurations sont impossibles parce qu’elles provoqueraient des discontinuités interdites (discontinuités de tension pour un dipôle de tension, de courant pour un dipôle de courant). Ce sont : Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales: Les deux types de dipôles Configurations autorisées En revanche, les configurations regroupées dans la figure ci-dessous ne provoquent pas de discontinuités interdites Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales Conception des convertisseurs directs Elle met en liaison une source de tension avec une source de courant. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales Conception des convertisseurs indirects On peut modifier la nature de l’une des sources avant la connexion de ces deux dipôles . L’élément de stockage est placé à l’extérieur du convertisseur. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Introduction à l’étude des structures - Notions générales Conception des convertisseurs indirects On peut aussi utiliser deux convertisseurs directs intercalés. L’élément de stockage fait partie du convertisseur global. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Le hacheur dévolteur Le hacheur survolteur Le hacheur réversible en courant, en tension Le hacheur 4 quadrants Etude de l’ondulation du courant Le groupement des hacheurs Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Définitions: Conversion DC-DC Les hacheurs sont des convertisseurs directs du type continu-continu. Ils permettent d’obtenir une tension continue réglable à partir d’une tension continue fixe. Ils sont particulièrement utilisés pour la commande des machines à courant continu. Selon la structure, il peut être abaisseur ou élévateur de tension et, dans certaines conditions, renvoyer de l’énergie à l’alimentation. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Hacheur série Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série Le hacheur série, dit aussi abaisseur de tension ou buck converter, commande le débit : d’un générateur de tension dont la tension est toujours positive, dans un récepteur de courant dont le courant ne peut devenir négatif. Un hacheur série permet de régler le transfert d’énergie d’une source de tension continue (ou alimentation capacitive) vers une source de courant continu (ou charge inductive) en liaison directe (forward), c’est-à-dire sans élément intermédiaire d’accumulation. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série L’interrupteur électronique H, placé en série avec la source de tension, est périodiquement fermé pendant une durée αT et ouvert pendant (1 − α) T, où T est la période d’un générateur de tension dont la tension est toujours positive, PWM Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série Il est constitué par deux commutateurs H et D fonctionnant de manière périodique (période T ) et complémentaire (H=/D). Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série Phase 1 H fermé D ouvert Phase 2 H ouvert D fermé Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série Le commutateur H est constitué d’un composant commandable à la fermeture et à l’ouverture (transistor, IGBT,ou Mosfet), et le commutateur D est une diode. On aboutit ainsi au schéma de principe de la figure suivante où la séquence de fonctionnement de l’interrupteur H est précisée. α= 𝑑𝑢𝑟é𝑒 𝑑𝑒 𝑙’é𝑡𝑎𝑡 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎𝑛𝑡 𝑑𝑒 𝐻 𝑝é𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑛𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑒 𝐻 Le rapport cyclique est théoriquement compris entre 0 et 1. En réalité, à cause des durées de commutation non nulles de K et D, Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série De t=0 à t =αT l’interrupteur électronique H est fermé, la diode D est bloquée et se comporte comme un interrupteur ouvert. La source de tension fournit de l’énergie à la source de courant. On a : US = UE Hacheurs et Onduleurs IE = IS ID = 0 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série De t=αT à t =T l’interrupteur électronique H est ouvert, la diode D est passante et se comporte comme un interrupteur fermé. On a : US = 0 Hacheurs et Onduleurs IE = 0 IS=ID EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur série Equation de la tension 𝑈𝑆𝑀𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 . Equation du courant 𝐼𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝛼I𝑆 Equation de puissance 𝑃𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝑈𝐸 𝐼𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 I𝑆 = 𝑈𝑆𝑀𝑜𝑦 I𝑆 = 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 Remarque La tension moyenne de sortie est inférieure à la tension continue d’entrée : le hacheur série est abaisseur de tension, d’où le nom de hacheur dévolteur. Par contre, le courant continu de sortie est supérieur au courant moyen d’entrée Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E En pratique, on ajoute une inductance de lissage du courant, lorsque la charge ne se comporte pas comme une source de courant continu. La tension continue UE de l’alimentation et la tension continue E de la charge (fcém d’un moteur par exemple) sont telles que : 0 < E < UE. . Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E A la fermeture de l’interrupteur commandé, on distingue deux cas :Le courant dans la charge est différent de zéro ou il est nul. Nous sommes amenés à distinguer deux cas : la conduction continue et la conduction discontinue. . Dans le premier, le courant de sortie est suffisamment fort et le courant dans l'inductance ne s'annule jamais, même avec l'ondulation due au découpage. Dans le second, le courant de sortie moyen est bien entendu positif, mais, en raison de sa faible valeur moyenne, l'ondulation du courant dans l'inductance peut amener ce dernier à s'annuler. Or, les interrupteurs étant unidirectionnels, le courant ne peut changer de signe et reste à 0. le cas intermédiaire correspondant au fait que le courant s’annule seulement en un point ; la conduction est dite discontinue. EHTP 2019/2020 Hacheurs et Onduleurs Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction continue De t=0 à t=αT, l’interrupteur électronique H est fermé et la diode D bloquée. L’alimentation fournit de l’énergie à la charge et à l’inductance. On a : . 𝑈𝐸 = 𝑈𝑆 𝑈𝐸 = −𝑈𝐷 𝐼𝐸 = 𝐼𝑆 𝐼𝐷 = 0 𝑖𝑆 t 𝑈𝐸 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 t + L 𝑑𝑡 Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction continue De t=0 à t=αT, l’interrupteur électronique H est fermé et la diode D bloquée. L’alimentation fournit de l’énergie à la charge et à l’inductance. On a : . 𝑑𝑖𝑆 t 𝑈𝐸 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 t + L 𝑑𝑡 D’où Hacheurs et Onduleurs 𝐼𝑆 = −𝑡 𝐼𝑠𝑀𝑖𝑛 𝑒 𝜏 −𝑡 𝑈𝐸 − 𝐸 + (1 − 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Avec 𝜏 = EHTP 2019/2020 𝐿 𝑅 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction continue De t=αT à t=T, l’interrupteur électronique H est ouvert et la diode D passante. L’inductance délivre à la charge de l’énergie précédemment emmagasinée. On a : . 𝑈𝑆 =0 𝑖𝐸 = 0 𝑖𝐷 = 𝑖𝑆 𝑑𝑖𝑆 𝑈𝑠 = 0 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 + L 𝑑𝑡 Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction continue De t=αT à t=T, l’interrupteur électronique H est ouvert et la diode D passante. L’inductance délivre à la charge de l’énergie précédemment emmagasinée. On a : . 𝑑𝑖𝑆 𝑈𝑠 = 0 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 + L 𝑑𝑡 D’où Hacheurs et Onduleurs 𝐼𝑆 = −(𝑡−𝛼𝑇) 𝐼𝑠𝑀𝑎𝑥 𝑒 𝜏 −(𝑡−𝛼𝑇) 𝐸 + (−1 + 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Avec 𝜏 = EHTP 2019/2020 𝐿 𝑅 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction continue 𝑈𝑆 α𝑇 𝑇 2𝑇 𝑈𝐸 𝐸 0 𝑡 𝑖𝑆 𝑖𝑆𝑀𝑎𝑥 𝑖𝑆𝑀𝑖𝑛 0 𝑡 H Hacheurs et Onduleurs H EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction continue Valeurs moyennes 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 1 = 𝑇 𝛼𝑇 𝑈𝐸 𝑑𝑡 0 𝑈𝑠 = 𝑈𝐿 +R𝑖𝑠 +E 𝑈𝐿𝑚𝑜𝑦 = 0 Hacheurs et Onduleurs 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 − 𝐸 𝛼𝑈𝐸 − 𝐸 = = 𝑅 𝑅 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction discontinue De t =0 à t=αT, l’interrupteur électronique H est fermé et la diode D bloquée. On a : 𝑑𝑖𝑆 t 𝐼𝐸 = 𝐼𝑆 𝑈𝐸 = 𝑈𝑆 𝑈𝐸 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 t + L 𝑑𝑡 D’où 𝑖𝑆 = −𝑡 𝐼𝑠𝑀𝑖𝑛 𝑒 𝜏 −𝑡 𝑈𝐸 − 𝐸 + (1 − 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Avec 𝜏 = 𝐿 𝑅 Conduction discontinue 𝐼𝑠𝑀𝑖𝑛 = 0 −𝑡 𝑈𝐸 − 𝐸 𝑖𝑆 = (1 − 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction discontinue De t = αT à t=θT, l’interrupteur électronique H est ouvert et la diode D passante. On a : 𝑑𝑖𝑆 t 𝐼𝐸 = 0 𝐼𝐷 = 𝐼𝑆 𝑈𝑆 = 0 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 t + L 𝑑𝑡 D’où 𝐼𝑆 = Hacheurs et Onduleurs −(𝑡−𝛼𝑇) 𝐼𝑠𝑀𝑎𝑥 𝑒 𝜏 −(𝑡−𝛼𝑇) 𝐸 + (−1 + 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Avec 𝜏 = 𝐿 𝑅 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction discontinue De t =θT à t=T, l’interrupteur électronique H est ouvert et la diode D bloquée. On a : 𝑈𝑆 α𝑇 θ𝑇 𝑇 𝐼𝐸 = 𝐼𝐷 = 𝐼𝑆 = 0 2𝑇 𝑈𝐸 𝑈𝑆 =E 𝐸 0 𝑡 𝑖𝑆 𝑖𝑆𝑀𝑎𝑥 0 𝑡 H Hacheurs et Onduleurs H EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série sur une charge R, L et E Analyse du fonctionnement: Conduction discontinue Valeurs moyennes 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 1 = 𝑇 𝛼𝑇 0 1 𝑈𝐸 𝑑𝑡 + 𝑇 𝑈𝑠 = 𝑈𝐿 +R𝑖𝑠 +E 𝑈𝐿𝑚𝑜𝑦 = 0 Hacheurs et Onduleurs 𝑇 𝐸 𝑑𝑡 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 +(1-θ)E θ𝑇 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 − 𝐸 𝛼𝑈𝐸 − θ𝐸 = = 𝑅 𝑅 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série Application1 Une enceinte est chauffée par une résistance R=16 ohm, alimentée sous une tension continue U=220V par l'intermédiaire d’un hacheur. Pour une certaine valeur de la température extérieure, un régime périodique s’établit : on constate que la résistance est alimentée pendant 30s et déconnectée de l'alimentation pendant 8,0s. 1/ Calculer le rapport cyclique alpha correspondant à ce fonctionnement. 2/ Déterminer la puissance moyenne dissipée dans la résistance R. 3/ Calculer la tension moyenne aux bornes de R. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur série Application2 Un hacheur série dont les éléments sont considérés comme parfaits est alimenté par une source U = 120 V; il est chargé par un moteur monté en série avec une bobine de lissage. On néglige les résistances du circuit de charge (bobine et induit) et on note L son inductance totale. Pour un régime déterminé, l’observation à l'oscilloscope de l'intensité périodique i du courant traversant le moteur (grâce à une sonde de Hall) montre que i croit linéairement de 10 à 10,6A en 0,60ms puis décroit linéairement de 10,6 à 10 A pendant 0,20 ms. 1. Calculer la fréquence et rapport cyclique de fonctionnement du hacheur 2. Déterminer la f.é.m. E du moteur. 3. Calculer l'inductance L. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Hacheur parallèle Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle Le hacheur parallèle , dit aussi élévateur de tension ou boost converter, commande le débit : d’énergie d’une source de courant continu (ou alimentation inductive) vers une source de tension continue (ou charge capacitive) en liaison directe (forward), c’est-à-dire sans élément intermédiaire d’accumulation. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle Analyse du fonctionnement: Conduction continue De t=0 à t=βT, l’interrupteur électronique H est ouvert, la diode D est passante et se comporte comme un interrupteur fermé. La source de courant fournit de l’énergie à la source de tension. On a : 𝑈𝐸 = 𝑈𝑆 𝑖𝑠 = 𝑖𝐸 𝑖𝐻 = 0 Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle Analyse du fonctionnement: Conduction continue De t= βT à t=T, l’interrupteur électronique H est fermé, la diode D est bloquée et se comporte comme un interrupteur ouvert. On a : 𝑈𝐸 = 0 𝑖𝐻 = 𝑖𝐸 𝑖𝑠 = 0 Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle Analyse du fonctionnement: Conduction continue Phase2 Phase1 Equation de la tension 𝑈𝐸𝑀𝑜𝑦 = (1 − 𝛼)𝑈𝑠 𝐼𝑠𝑀𝑜𝑦 = (1 − 𝛼)I𝐸 Avec Equation de puissance Hacheurs et Onduleurs Equation du courant β = (1 − 𝛼) 𝑃𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝑈𝐸𝑀𝑜𝑦 𝐼𝐸 = (1 − 𝛼)𝑈𝑆 I𝐸 = 𝑈𝑆 I𝑆𝑀𝑜𝑦 = 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle Analyse du fonctionnement: Conduction continue La tension continue de sortie est supérieure à la tension moyenne d’entrée : le hacheur parallèle est élévateur de tension, d’où le nom de hacheur survolteur. Par contre, le courant moyen de sortie est inférieur au courant continu d’entrée. 1 𝑈𝑠 = 𝑈𝐸𝑚𝑜𝑦 (1 − 𝛼) 0<𝛼<1 𝑈𝐸 < 𝑈𝑠 1 𝐼𝐸 = 𝐼𝑆𝑚𝑜𝑦 (1 − 𝛼) 0<𝛼<1 𝐼𝑆 < 𝐼𝐸 𝑃𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension En pratique, on ajoute une capacité de lissage de la tension, lorsque la charge ne se comporte pas comme une source de tension continue. Le courant continu 𝐼𝐸 de l’alimentation et le courant continu I de la charge sont tels que : 0 < I < 𝐼𝐸 . Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension Analyse du fonctionnement: Ininterruption de la tension Us De t=0 à t= βT, l’interrupteur électronique H est ouvert et la diode D passante. L’alimentation fournit de l’énergie à la charge et au condensateur. On a : 𝑑𝑢𝑠 𝑢𝑠 𝐼𝑠 = 𝐼𝐸 = 𝐶 + +𝐼 𝑑𝑡 𝑅 𝑈𝑠 = 𝑈𝐸 D’où Hacheurs et Onduleurs 𝐼𝐻 = 0 𝑈𝑆 = −𝑡 𝑈𝑠𝑀𝑖𝑛 𝑒 𝜏 + 𝑅(𝐼𝐸 − 𝐼)(1 − −𝑡 𝑒𝜏) Avec 𝜏 = 𝑅𝐶 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension Analyse du fonctionnement: Ininterruption de la tension Us De t= βT à t=T, l’interrupteur électronique H est fermé et la diode D bloquée. Le condensateur délivre à la charge de l’énergie précédemment emmagasinée. On a : 𝑑𝑢𝑠 𝑢𝑠 𝐼𝑠 = 0 = 𝐶 + +𝐼 𝑑𝑡 𝑅 𝑈𝐸 = 0 D’où Hacheurs et Onduleurs 𝐼𝐻 = 𝐼𝐸 𝑈𝑆 = −(𝑡−𝛼𝑇) 𝑈𝑠𝑀𝑎𝑥 𝑒 𝜏 + 𝑅𝐼 − 𝑡−𝛼𝑇 −1 − 𝑒 𝜏 Avec 𝜏 = 𝑅𝐶 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension Analyse du fonctionnement: Ininterruption de la tension Us 𝑖𝑆 β𝑇 𝑇 2𝑇 𝐼𝐸 𝐼 0 𝑡 𝑢𝑆 𝑈𝑆𝑀𝑎𝑥 ∆𝒖𝑺 𝑈𝑆𝑀𝑖𝑛 0 𝑡 D Hacheurs et Onduleurs D EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension Valeurs moyennes 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 1 = 𝑇 𝛽𝑇 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝛽𝐼𝐸 𝐼𝐸 𝑑𝑡 0 𝑈𝑠 = 𝑅(𝑖𝑠 -𝑖𝑐 -I) 𝐼𝑐𝑚𝑜𝑦 = 0 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝑅(𝑖𝑠𝑚𝑜𝑦 −𝐼)=R(𝛽𝐼𝐸 - 𝐼) D’où, en remplaçant 𝛽 par 1-𝛼 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 = (1−𝛼)𝐼𝐸 Hacheurs et Onduleurs et 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 =R((1−𝛼)𝐼𝐸 - 𝐼) EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension Analyse du fonctionnement: Interruption de la tension Us De t=0 à t= 𝛽T, l’interrupteur électronique H est ouvert et la diode D passante. On a : i 𝑑𝑢𝑠 𝑢𝑠 𝐼𝑠 = 𝐼𝐸 = 𝐶 + +𝐼 𝑑𝑡 𝑅 𝑈𝑠 = 𝑈𝐸 D’où Hacheurs et Onduleurs 𝐼𝐻 = 0 𝑢𝑆 = 𝑅(𝐼𝐸 − 𝐼)(1 − −𝑡 𝑒𝜏) Avec 𝜏 = 𝑅𝐶 𝑒𝑡 𝑈𝑆 min=0 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension Analyse du fonctionnement: interruption de la tension Us De t= 𝛽T à t= θT, l’interrupteur électronique H est fermé et la diode D bloquée 𝑑𝑢𝑠 𝑢𝑠 𝑖𝑠 = 0 = 𝐶 + +𝐼 𝑑𝑡 𝑅 D’où 𝑢𝑆 = 𝑢𝐸 = 0 −(𝑡−𝛼𝑇) 𝑈𝑠𝑀𝑎𝑥 𝑒 𝜏 + 𝑅𝐼 −1 𝑖𝐻 = 𝐼𝐸 − 𝑡−𝛼𝑇 −𝑒 𝜏 Avec 𝜏 = 𝑅𝐶 De t= θT à t= T, l’interrupteur électronique H est fermé et la diode D passante 𝑢𝑠 = 0 Hacheurs et Onduleurs 𝑢𝐸 = 0 𝑖𝑠 = 𝐼 𝑖𝐻 = 𝐼𝐸 - 𝐼 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension Analyse du fonctionnement: interruption de la tension Us 𝑖𝑆 β𝑇 θ𝑇 𝑇 2𝑇 𝐼𝐸 𝐼 0 𝑡 𝑢𝑆 𝑢𝑆𝑀𝑎𝑥 0 𝑡 D Hacheurs et Onduleurs H, D D H, D EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle avec lissage de la tension les valeurs moyennes: interruption de la tension Us 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 1 = 𝑇 β𝑇 0 1 𝐼𝐸 𝑑𝑡 + 𝑇 𝑈𝑠 = 𝑅(𝑖𝑠 -𝑖𝑐 -𝐼) 𝐼𝑐𝑚𝑜𝑦 = 0 Hacheurs et Onduleurs 𝑇 𝐼 𝑑𝑡 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 = β𝐼𝐸 +(1-𝜃)𝐼 𝜃𝑇 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝑅(𝑖𝑠𝑚𝑜𝑦 −𝐼)=R(𝛽𝐼𝐸 - 𝜃𝐼) EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle Exemple d’un hacheur parallèle Dans le montage de la figure ci-dessus E est une f.é.m. réglable d'une source de tension. La bobine B, supposée parfaite présente une inductance assez grande pour que l’on puisse considérer l’intensité i du courant constante : i=I=40A. H est un interrupteur électronique qui s’ouvre et se ferme périodiquement. Sur une période T : H est fermé de 0 à αT, et ouvert de αT à T, α désignant le rapport cyclique. Rc est une résistance de 5Ω. Questions 1. Dessiner les courbes représentatives des intensités ic(t) et ih(t). 2. Calculer en fonction de α, la valeur moyenne de l’intensité du courant dans la résistance Rc et dans l’interrupteur H. 3. E est la f.é.m d’une machine à courant continu à excitation indépendante dont on néglige les pertes, qui fonctionne en génératrice. A courant induit constant i=40A, sa f.é.m E est liée à la fréquence de rotation n’ par la relation: E=K’n’ avec K=0,08v/tr.min-1 Montrer qu’il est possible de réaliser avec ce dispositif, l’équivalent d’un freinage rhéostatique pour la machine, Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur parallèle Exemple d’un hacheur parallèle En pratique, l’alimentation d’une charge est réalisée par la mise en série d’une bobine d’inductance L avec la source de tension continue E. La résistance r représente la résistance série de la bobine. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Hacheur à stockage inductif Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR À ACCUMULATION INDUCTIVE Principe Ce hacheur permet de régler le transfert d’énergie d’une source de tension continue (ou alimentation capacitive) vers une autre source de tension (ou charge capacitive),via une inductance d’accumulation. Pour simplifier l’étude de ce hacheur, on considère la tension us =E constante. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR À ACCUMULATION INDUCTIVE Analyse du fonctionnement: De t=0 à t=αT, l’interrupteur électronique H est fermé et la diode D bloquée. L’alimentation fournit de l’énergie à l’inductance. 𝑑𝑖𝐿 𝑢𝐿 = 𝑈𝐸 = 𝐿 𝑑𝑡 𝑖𝐸 = 𝑖𝐿 𝑈𝐸 𝑖𝐿 = 𝑡 + 𝑖𝐿𝑀𝑖𝑛 𝐿 Hacheurs et Onduleurs 𝑖𝑠 = 0 𝑖𝐿𝑀𝑎𝑥 𝑈𝐸 = 𝛼𝑇 + 𝑖𝐿𝑀𝑖𝑛 𝐿 EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR À ACCUMULATION INDUCTIVE Analyse du fonctionnement: De t= αT à t=T, l’interrupteur électronique H est ouvert et la diode D passante. L’inductance délivre à la charge l’énergie précédemment emmagasinée 𝑑𝑖𝐿 𝑢𝐿 = −𝐸 = 𝐿 𝑑𝑡 𝑖𝐸 = 0 −𝐸 𝑖𝐿 = (𝑡 − 𝛼𝑇) + 𝐼𝐿𝑀𝑎𝑥 𝐿 Hacheurs et Onduleurs 𝑖𝑠 = 𝑖𝐿 𝐼𝐿𝑀𝑖𝑚 −𝐸 = (1 − 𝛼)𝑇 + 𝐼𝐿𝑀𝑎𝑥 𝐿 EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR À ACCUMULATION INDUCTIVE Analyse du fonctionnement: 𝑈𝐿 α𝑇 𝑇 2𝑇 𝑈𝐸 𝑡 0 𝐸 𝑖𝐿 𝑖𝐿𝑀𝑎𝑥 ∆𝑖𝐿 𝑖𝐿𝑀𝑖𝑛 0 𝑡 H Hacheurs et Onduleurs H EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR À ACCUMULATION INDUCTIVE Valeurs moyennes: 𝑈𝐿𝑚𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 − (1 − 𝛼)E 𝑈𝐿𝑚𝑜𝑦 = 0 𝛼𝑈𝐸 𝐸= 1−𝛼 Si 𝛼 < 0,5 le hacheur abaisse la tension, et si 𝛼 > 0,5 le hacheur élève la tension. Ondulation crête à crête du courant : Permet de dimensionner l’inductance L. ∆𝐼𝐿 = 𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝐿𝑚𝑖𝑛 Hacheurs et Onduleurs 𝛼𝑇𝑈𝐸 (1 − 𝛼)𝑇𝐸 = = 𝐿 𝐿 EHTP 2019/2020 Hacheur réversible en courant Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR DEUX QUADRANTS RÉVERSIBLE EN COURANT En fonction des applications, il peut être nécessaire qu’un hacheur permette une inversion de tension, de courant ou encore du sens de la puissance transmise. Par exemple, l’alimentation en vitesse variable d’un moteur à courant continu, si elle permet l’inversion du sens du courant, permet ainsi de réaliser un freinage efficace du moteur, voire une récupération de l’énergie correspondante. Pour assurer de telles réversibilités, il semble suffisant de choisir des commutateurs qui autorisent les sens idoines des tensions et des courants, les quadrants de fonctionnement des dispositifs fixant directement les besoins. Is Is>0 fonctionnement moteur Vs Is<0 fonctionnement génératrice Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR DEUX QUADRANTS RÉVERSIBLE EN COURANT Principe: Un hacheur deux quadrants associe un hacheur série et un hacheur parallèle. Il est réversible en courant mais pas en tension ; l’énergie est transférée de la source de tension continue vers la source de courant continu si IS > 0, et réciproquement si IS < 0. L’alimentation (UE > 0) doit être réversible en courant. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR DEUX QUADRANTS RÉVERSIBLE EN COURANT Principe: Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR DEUX QUADRANTS RÉVERSIBLE EN COURANT On effectue une commande complémentaire des interrupteurs électroniques de telle manière que l’on ait : –H1 fermé ou D2 passante, et H2 ouvert et D1 bloquée, pendant αT, puis –H1 ouvert et D2 bloquée, et H2 fermé ou D1 passante, pendant (1 − α) T Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR DEUX QUADRANTS RÉVERSIBLE EN COURANT On obtient alors: De t=0 à t = αT, K1 est fermé et K2 ouvert. On a 𝐾1 𝑈𝑠 = 𝑈𝐸 𝐼𝐸 = 𝐼𝑠 𝐾2 De t= αT à t=T, K1 est ouvert et K2 fermé. 𝑈𝑆𝑀𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 𝐼𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝛼I𝑆 𝑃𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝑈𝐸 𝐼𝐸𝑀𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 I𝑆 = 𝑈𝑆𝑀𝑜𝑦 I𝑆 = 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR DEUX QUADRANTS RÉVERSIBLE EN COURANT Is Is>0 Psmoy>0 Vs Si 𝑃𝐸𝑀𝑜𝑦 =𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 > 0 alors la source de tension fournit de l’énergie à la source de courant, et réciproquement si 𝑃𝐸𝑀𝑜𝑦 =𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 < 0. Is<0 Psmoy<0 Remarque: On obtient les mêmes formules que pour le hacheur série mais le courant 𝐼𝑠 peut être positif ou négatif avec le hacheur deux quadrants, alors qu’il ne peut être que positif avec le hacheur série. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR DEUX QUADRANTS AVEC LISSAGE DU COURANT En pratique, on ajoute une bobine L de lissage du courant, lorsque la charge ne se comporte pas comme une source de courant. Ce hacheur permet par exemple de commander une machine à courant continu ; cette machine fonctionne en moteur si 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 >0 et en génératrice si 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 <0(freinage par récupération). Les sources de tensions continues sont telles que UE >0 et E≥0. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur deux quadrants avec lissage du courant Analyse du fonctionnement De t=0 à t=αT, K1 est fermé et K2 ouvert. On a : 𝐼𝑆 = −𝑡 𝐼𝑠𝑀𝑖𝑛 𝑒 𝜏 −𝑡 𝑈𝐸 − 𝐸 + (1 − 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Avec 𝜏 = 𝐿 𝑅 De t= αT à t=T, K1 est ouvert et K2 fermé. On a : 𝐼𝑆 = Hacheurs et Onduleurs −(𝑡−𝛼𝑇) 𝐼𝑠𝑀𝑎𝑥 𝑒 𝜏 −(𝑡−𝛼𝑇) 𝐸 + (−1 + 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Avec 𝜏 = 𝐿 𝑅 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur deux quadrants avec lissage du courant Analyse du fonctionnement Pour α=0,75 on a : 𝑢𝑆 0,75𝑇 𝑇 2𝑇 𝑈𝐸 𝐸 𝑡 0 𝑖𝑆 𝐼𝑆𝑀𝑎𝑥 𝐼𝑆𝑀𝑖𝑛 0 𝑡 D1 Hacheurs et Onduleurs D1 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur deux quadrants avec lissage du courant Analyse du fonctionnement Pour α=0,5 on a : 𝑢𝑆 𝑇 0,5𝑇 2𝑇 𝑈𝐸 𝐸 𝑡 0 𝑖𝑆 𝐼𝑆𝑀𝑎𝑥 0 𝐼𝑆𝑀𝑖𝑛 𝑡 D2 Hacheurs et Onduleurs H1 D1 H2 D2 H1 D1 H2 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur deux quadrants avec lissage du courant Analyse du fonctionnement Pour α=0,25 on a : 𝑢𝑆 0,75𝑇 𝑇 2𝑇 𝑈𝐸 𝐸 𝑡 0 𝑖𝑆 0 𝐼𝑆𝑀𝑎𝑥 𝐼𝑆𝑀𝑖𝑛 𝑡 D2 Hacheurs et Onduleurs D2 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Etude d’un hacheur deux quadrants avec lissage du courant On peut distinguer trois cas typiques selon les valeurs de α, de 𝑈𝐸 et de E : Le courant dans la charge 𝑖𝑠 peut être seulement positif (fonctionnement en hacheur série), ou seulement négatif (fonctionnement en hacheur parallèle), ou alternativement positif et négatif (fonctionnement en hacheur série et parallèle). Valeurs moyennes 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 = 𝛼𝑈𝐸 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 Hacheurs et Onduleurs 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 − 𝐸 𝛼𝑈𝐸 − 𝐸 = = 𝑅 𝑅 EHTP 2019/2020 Hacheur en pont (Quatre Quadrants) Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR EN PONT (QUATRE QUADRANTS) Un hacheur quatre quadrants associe deux hacheurs demi-pont. Il est réversible en courant et en tension; l’énergie est transférée de la source de tension continue vers la source de courant continu si 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 >0, et réciproquement si 𝑃𝑆𝑀𝑜𝑦 <0. L’alimentation (𝑈𝐸 >0) doit être réversible en courant. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR EN PONT (QUATRE QUADRANTS) Principe de fonctionnement On effectue une commande complémentaire des interrupteurs électroniques de telle manière que l’on ait : H1 fermé ou D2 passante, H3 fermé ou D4 passante, H2 ouvert et D1 bloquée, et H4 ouvert et D3 bloquée, pendant αT, puis H1 ouvert et D2 bloquée, H3 ouvert et D4 bloquée, H2 fermé ou D1 passante, et H4 fermé ou D3 passante, pendant (1−α)T. Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR EN PONT (QUATRE QUADRANTS) Principe de fonctionnement On obtient alors: De t=0 à t = αT, K1 et K3 sont fermés et K2 et K4 ouverts. On a 𝑢𝑠 = 𝑈𝐸 𝑖𝐸 = 𝐼𝑠 phase1 phase2 De t= αT à t = T, K2 et K4 sont fermés et K1 et K3 ouverts. On a 𝑢𝑠 = −𝑈𝐸 Hacheurs et Onduleurs 𝑖𝐸 = −𝐼𝑠 EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR EN PONT (QUATRE QUADRANTS) Principe de fonctionnement D’où: 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 = (2α − 1)𝑈𝐸 𝐼𝐸𝑚𝑜𝑦 = (2α − 1)𝐼𝑠 𝑃𝐸𝑚𝑜𝑦 = 𝑈𝐸 𝐼𝐸𝑚𝑜𝑦 = (2α − 1) 𝑈𝐸 𝐼𝑠 =𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 𝐼𝑠 =𝑃𝑆𝑚𝑜𝑦 Is Si 𝑃𝐸𝑚𝑜𝑦 = 𝑃𝑆𝑚𝑜𝑦 > 0 alors la source de tension fournit de l’énergie à la source de courant, et réciproquement si 𝑃𝐸𝑚𝑜𝑦 = 𝑃𝑆𝑚𝑜𝑦 < 0. Hacheurs et Onduleurs Is>0 Psmoy<0 Is>0 Psmoy>0 Vs Is<0 Psmoy>0 Is<0 Psmoy<0 0< α <0,5 0,5< α <1 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur quatre quadrants avec lissage du courant En pratique, on ajoute une bobine de lissage du courant, lorsque la charge ne se comporte pas comme une source de courant continu. Ce hacheur permet par exemple de commander une machine à courant continu dans les deux sens de rotation continûment (𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 peut être positif, nul, ou négatif) ; cette machine fonctionne en moteur si 𝑃𝑆𝑚𝑜𝑦 > 0 et en génératrice si 𝑃𝑆𝑚𝑜𝑦 < 0 (freinage par récupération). Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur quatre quadrants avec lissage du courant Principe de fonctionnement De t=0 à t = αT, K1 et K3 sont fermés, K2 et K4 ouverts. On a 𝑑𝑖𝑆 t 𝑈𝐸 = 𝑈𝑆 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 t + L 𝑑𝑡 D’où Hacheurs et Onduleurs 𝑖𝑆 = −𝑡 𝐼𝑠𝑀𝑖𝑛 𝑒 𝜏 −𝑡 𝑈𝐸 − 𝐸 + (1 − 𝑒 𝜏 ) 𝑅 𝑖𝐸 = 𝑖𝑆 Avec 𝜏 = 𝐿 𝑅 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur quatre quadrants avec lissage du courant Principe de fonctionnement De t= αT à t = T, K1 et K3 sont ouverts, K2 et K4 fermés. On a 𝑑𝑖𝑆 t 𝑈𝑆 = −𝑈𝐸 = 𝐸 + 𝑅𝑖𝑆 t + L 𝑑𝑡 D’où 𝑖𝑆 = Hacheurs et Onduleurs −(𝑡−α𝑇) 𝐼𝑠𝑀𝑎𝑥 𝑒 𝜏 𝑖𝐸 = −𝑖𝑆 −(𝑡−α𝑇) −𝑈𝐸 − 𝐸 + (1 − 𝑒 𝜏 ) 𝑅 Avec 𝜏 = 𝐿 𝑅 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur quatre quadrants avec lissage du courant Principe de fonctionnement 𝑢𝑆 𝑇 0,5𝑇 2𝑇 𝑈𝐸 𝑡 0 −𝑈𝐸 𝑖𝑆 𝐼𝑆𝑀𝑎𝑥 0 𝐼𝑆𝑀𝑖𝑛 𝑡 D2 D4 Hacheurs et Onduleurs H1 H3 D1 D3 H2 H4 D2 D4 H1 H3 D1 D3 H2 H4 EHTP 2019/2020 Les hacheurs Hacheur quatre quadrants avec lissage du courant Valeurs moyennes 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 1 = 𝑇 𝑇 𝑢𝑠 𝑑𝑡 0 𝑢𝑠 = 𝑅𝑖𝑠 + 𝑢𝐿 + 𝐸) 𝑈𝐿𝑚𝑜𝑦 = 0 Hacheurs et Onduleurs 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 = (2α − 1)𝑈𝐸 𝐼𝑠𝑚𝑜𝑦 𝑈𝑠𝑚𝑜𝑦 − 𝐸 (2α − 1)𝑈𝐸 −𝐸 = = 𝑅 𝑅 EHTP 2019/2020 Les hacheurs HACHEUR EN PONT Hacheurs et Onduleurs EHTP 2019/2020
