les hacheurs de puissance les hacheurs de puissance

Chapitre
5
LES HACHEURS DE PUISSANCE
TGV Sud-Est (livrée orange)
Mise en service: 1978 à 1986. Vitesse commerciale: 270 km/h.
Bicourant 1,5 kV continu et 25 kV/50 Hz monophasé alternatif.
Tritension 1,5 kV continu, 25 kV/50 Hz et 15 kV 16 2/3 Hz monophasé alternatif
Puissance: 6400 kW
Cours d'électronique de puissance
EPUNSA
P. IACCONI
LPES-CRESA
Université de Nice-Sophia Antipolis
06 108 – Nice cedex 2
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21/02/2007
PI - 1/16
1.
Introduction
Les hacheurs réalisent une conversion
C
continu-continu en modifiant les valeurs
0 < VS < Ve
de sortie. Ils assurent le transfert de
ou
l'énergie depuis une source continue
Ve < VS < Vlim
Ve
vers une charge alimentée en continu
fS = 0
(convertisseur statique continu-continu). On fe = 0
pourrait - à la limite - les ranger dans les
P
gradateurs avec fe = fs = 0. Comme
VS
ceux-ci, en effet, ils assurent
l'interruption périodique du courant
qu'une source continue débite dans le
récepteur et permettent de faire varier la
fig18.dsf
valeur moyenne de la tension Vs entre 0
0
IS
et Ve. (hacheurs dévolteurs) ou au dessus de Fig. 5-1. Description du hacheur
Ve (hacheurs survolteurs). Là aussi la
puissance transite de l'entrée vers la sortie.
Les hacheurs jouent ainsi le rôle de "transformateurs de courant continu" abaisseurs ou
élévateurs.
K
+
E
R
K
fig41.dsf
Fig. 5-2. Interrupteur commandé
unidirectionnel
Les hacheurs fonctionnent en commutation forcée.
Ils nécessitent des semi-conducteurs à fermeture et
ouverture commandées, que l'on symbolise sur les
schémas par deux gachettes, (fig.2). On dit souvent
que K est un interrupteur électronique commandé
unidirectionnel car les interrupteurs à semi-conducteur
ne permettent pas d'inverser le courant.
L'interrupteur K s'ouvre et se ferme avec une
fréquence élevée hachant ainsi le courant débité par la
source E.
Le rôle de K peut être joué par un thyristor, un transistor bipolaire NPN, un transistor
MOS ou une association de BIP et de MOS. Dans tous les cas, la consommation des
semi-conducteurs et des composants du hacheur est très faible, (nulle en première
approximation), le rendement est voisin de 1.
Les caractéristiques du hacheur dépendent du type de semi-conducteurs utilisés
pour les interrupteurs.
Exemple :
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courant permanent en
conduction
tension d'utilisation
thyristor
trans. NPN
trans. MOS
< 1500 A
env. 100 A
< 40 A
env 5000 V
< 800 V
< 400 V
env. 2 kHz
> 10 kHz
> 30 kHz
fréquence de
fonctionnement
Tableau des principales caractéristiques des hacheurs en fonction du type de l’interrupteur
On trouve des hacheurs dans tous les équipements destinés à l'utilisation de
l'énergie éolienne ou solaire. Ils permettent de rendre constante une tension
d'entrée très versatile. Les hacheurs sont également utilisés dans l'alimentation des
moteurs pas à pas
Un des gros domaines d'utilisation des hacheurs est la variation de vitesse du moteur à
courant continu. Ils équipent par exemple la majorité des engins de moyenne traction,
tels que ceux utilisés pour le métro. La première génération de TGV (TGV Sud
Est) est équipée d'ensembles hacheurs-moteurs à courant continu.
Ampli.
d'erreur
Référence
50 Hz
transfo
L6_24.dsf
E
redresseur
non commandé
E
0
t
0
filtre
E
E
t
0
t
valeur eff. V
Fig. 5-3. Schéma de principe d’une alimentation à découpage
charge
filtre
hacheur
0
E
t
0
t
0 < Vmoy < V
L'autre grand domaine d'utilisation des hacheurs est la réalisation de très
nombreuses sources de tension continue, stabilisées ou variables, souvent de faible
puissance, nécessaires dans les gros équipements : les alimentations à découpage. Cellesci sont habituellement alimentées en courant alternatif monophasé et comportent
un transformateur, un redresseur à diodes, un hacheur et un filtre de sortie.
2.
Les hacheurs à liaison directe
2.1.
Généralités
En électronique de puissance, - c'est-à-dire en commutation - les sources continues
de forte énergie sont souvent sollicitées en impulsions. Il est alors nécessaire de
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PI - 3/16
filtrer le courant ou la tension (filtrage) afin de diminuer l'ondulation de la grandeur
de sortie.
En pratique, on ajoute un condensateur de forte capacité sur les bornes d'une
source de tension continue (batterie, dynamo à excitation séparée, redresseur
statique, alimentation stabilisée,...). De même, on réalise une source de courant
continu en mettant en série avec la source (machine à courant continu, etc..) une
bobine de forte inductance.
L
E
+
C
(a)
E
+
+
fig42.dsf
+
+
(b)
Fig. 5-4. Source capacitive et source inductive. Représentation conventionnelle
On peut également définir des charges de nature capacitive ou inductive. Certaines
des sources ci-dessus peuvent devenir des charges; exemples: batteries, machines à
courant continu, et toute source réversible.
En pratique, l'identification d'un générateur ou d'un récepteur réel à une source de
courant ou de tension est rarement évidente compte tenu de leurs imperfections.
Pour ces raisons, on est très souvent amené à confirmer le caractère source de
tension par l'adjonction d'un condensateur en parallèle ou le caractère source de
courant par l'adjonction d'une inductance en série.
Consécutivement aux définitions que nous venons de donner, on remarque que:
• le courant d'une source de courant ne peut pas varier instantanément (présence
de L), mais sa tension oui;
• la tension aux bornes d'une source de tension ne peut pas varier instantanément
(présence de C), mais son courant oui.
Autrement dit:
• une source de tension ne doit jamais être court-circuitée, mais elle peut être
ouverte;
• le circuit d'une source de courant ne doit jamais être ouvert, mais il peut être
court-circuité.
Il s'ensuit que l'on peut énoncer une règle générale d'interconnexion entre la source
d'entrée et la charge de sortie d'un convertisseur :
on ne peut pas relier directement, par un interrupteur K, une source et une charge
de même nature.
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PI - 4/16
En effet, relier une source de courant et une
charge inductives dont les courants sont
différents entraînerait une très forte surtension
L(di/dt) aux bornes de K.
K
charge
source
De même, relier une source de tension et une
charge capacitives de tensions différentes
produirait une très forte surintensité C(dv/dt) aux
bornes de K.
K.dsf
On ne peut donc envisager que deux types de hacheurs à liaison directe:
• le hacheur série qui relie une source capacitive à une charge inductive,
• le hacheur parallèle qui relie une source inductive à une charge capacitive.
Un élément indispensable au fonctionnement des hacheurs n'est pas représenté sur
le schéma de principe; il s'agit de la diode dite diode de récupération ou diode de roue libre,
nécessaire pour écouler l'énergie emmagasinée dans L et qui ne peut plus s'écouler à
l'ouverture de K.
Remarque 1. On constate donc que l'on ne peut relier entre elles des sources et des
charges de même nature que si l'on ferme l'interrupteur K lorsque les tensions (ou
les courants) sont égales. Ce cas de figure est très rarement employé et de toute
façon d'un usage très particulier.
Remarque 2. Les hacheurs à accumulation permettent de relier des sources et des
charges de même nature.
2.2.
Le hacheur série (type BUCK)
L'inductance L englobe la charge et le self de lissage (fig.5). Dans la description qui
suit, on ne s'intéresse qu'au régime permanent en négligeant les états transitoires qui
suivent la mise en service du système.
iS
L
K
i
E
+
vS
vC
D
R v
iD
fig44.dsf
Fig. 5-5. Hacheur série
• 0 ≤ t < t1 = αT avec 0 ≤ α ≤ 1. α est le rapport cyclique.
K est fermé. E débite sur R, L ; D est bloquée (fig. 6a).
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PI - 5/16
Le courant i dans la charge obéit à:
di
E = R i + L dt
iS = i ; vc = vS = E et i tend asymptotiquement vers E/R.
• αT ≤ t < T ; K est ouvert (fig. 6b).
L'énergie emmagasinée dans L s'écoule à travers D. La bobine restitue une
partie de l'énergie accumulée.
i = iD ; iS = 0 et vc = 0
di
i est la solution de Ri + L dt = 0 et tend asymptotiquement vers 0.
La figure 6 donne la forme des signaux observés.
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PI - 6/16
iS
iS
L
K
L
i
E+
vS
fig44b.dsf
vC
Rv
i
E+
(a) K fermé
vS
iD
vC
Rv
(b) K ouvert
vC
E
VCmoy
0
0
αT
T
t
i
E/R
Imax
Imoy
Imin
0
∆I
0
αT
T
t
0 0
αT
T
t
αT
T
t
iD
Imax
Imin
iS
Imax
Imin
0 0
Fig. 5-6. Chronogramme du hacheur série
Remarque:
si i(T) toujours différent de 0, le régime est dit de conduction continue,
si i(T) = 0, le régime est dit de conduction discontinue.
En pratique, la constante de temps L/R est très grande devant la période T du
phénomène. On peut alors assimiler toutes les branches d'exponentielles à des
portions de droites (tangentes à l'origine des branches d'exponentielles).
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PI - 7/16
On obtient facilement :
1 T
⌠ vC dt = α E
Vcmoy = T ⌡
0
0<α<1
5-1
1 T
⌠ v dt = Vcmoy = α E
Vmoy = V0 = T ⌡
0
5-2
Vmoy α E
1 T
I0 = Imoy = T ⌠
⌡ i dt = R = R
0
5-3
On constate que l'action sur le rapport cyclique, quelle que soit la période de
répétition T, permet de réaliser une variation linéaire de la tension moyenne Vcmoy et
du courant moyen Imoy dans la charge.
Remarque : Vcmoy = Vmoy. Ceci résulte du fait que la tension moyenne aux bornes de
L est nulle.
Il est extrêmement important d'évaluer l'ondulation du courant qui, si elle devient
trop importante, peut perturber le fonctionnement de la charge (moteur).
L
Dans le cas (fréquent) où T << R , l'ondulation absolue en courant s’approxime
par :
T
E
1
∆I ≈ E L α [1 - α] = L α [1 - α] f
5-4
et l'ondulation relative (ou taux d'ondulation) :
∆I
T
=
[1
α]
2 Imoy
2τ
L
avec τ = R
5-5
L'ondulation est maximum pour α = 0,5. On peut la réduire en augmentant la
fréquence de découpage ou l'inductance globale L (Cf. annexe 1).
Analogie avec le transformateur abaisseur (facultatif):
E et iS sont les paramètres d'entrée; vc et i sont les paramètres de sortie.
1 T
1 αT
α2 E
ISmoy = T ⌠
⌡ iS dt = T ⌠
⌡ iS dt = R
0
0
5-6
ISmoy = α Imoy
5-7
Soit
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Facultatif_________________________________________________________
La relation 7 se démontre géométriquement par les surfaces (fig.7) :
i
1
Imoy .T = 2 (Imax + Imin).T
Imax
Imoy
Imin
0
0
i
αT
1
Imoy = 2 (Imax + Imin)
T
t
1
ISmoy.T = 2 (Imax + Imin) αT
Imax
ISmoy
Imin
0
ISmoy = α Imoy
0
αT
t
T
fin du facultatif_______________
Fig. 5-7.
αE
Vcmoy = α E et Imoy = R
5-8
d'où les relations :
VCmoy = α E
Imoy =
1
I
α Smoy
5-9
Ces équations sont analogues à celles que l'on rencontre avec le transformateur
idéal :
V2 = k V1
I2 = k-1 I1
5-10
Le hacheur série se comporte comme un transformateur de courant continu abaisseur de
rapport de transformation α continûment variable de 0 à 1. Pour ces raisons, il est
souvent appelé hacheur dévolteur. L'analogie peut être poussée plus loin :
La puissance délivrée par la source est :
α2 E 2
1T
PS = T ⌠
⌡E IS dt = α E Imoy = E Ismoy = R
0
5-11
R/α2 est l'équivalent d'une résistance de charge de transformateur ramenée au
primaire.
La puissance reçue par la charge est :
5-12
1T
PC = T ⌠
⌡vC i dt = α E Imoy
0
soit :
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PI - 9/16
P C = PS
En réalité le rendement d'un hacheur n'est pas 1 mais est supérieur à 0,95.
2.3.
Le hacheur parallèle (type BOOST)
C'est le dual du précédent:
hacheur série
hacheur parallèle
source de tension
source de courant
(lissée par un condensateur)
(lissée par une self)
K en série avec la source
K en parallèle avec la source
charge inductive
charge capacitive
diode de récupération en parallèle sur la diode en série
avec la charge
charge
hacheur de tension
hacheur de courant
Examinons le cas où la conduction est continue et où la source n’est pas parfaite.
On supposera que la capacité de C est suffisamment grande pour que l'on puisse
considérer vc comme constante :
vc = Vc
source idéale
(L infini)
J
source non idéale
L
iS
E
+
D iD
i
iK
vL
vS
K
vC
R v
fig45.dsf
Fig. 5-8. hacheur parallèle (source de courant non idéale)
• (a) t < 0 ; K est ouvert; l'énergie passe de la source à la charge par la diode D. C
stocke de l'énergie.
di
i = iD = iS ; iD obéit à E - vC = L dtS ; vS = vC = Ri
• (b) 0 ≤ t < αT ; K est fermé et court-circuite la source.
di
iS = iK obéit à E = L dtS car D est bloquée, (sous tension inverse).
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PI - 10/16
L
iD
iS
L
i
+
E
vS
vC
K
R v
E
+
iD
i
vC
vS
Rv
(b) 0 < t < αT : K fermé
αT < t <T : K ouvert
(a) t < 0 et
iS
fig45b.dsf
iK
pente 1
di
pente 1 : ---K = E
-L
dt
(a)
(b)
0
αT
0
T
iD
t
pente 2
di
-V
pente 2 : ---D = E
-------C
L
dt
IDmoy
(b)
0
(a)
αT
0
T
t
iS
Imax
Imin
ISmoy
(b)
(a)
αT
0 0
T
t
T
t
T
t
vS
VC
VSmoy
(b)
(a)
αT
0 0
vC
VCmoy
(b)
0 0
(a)
αT
Fig. 5-9. Formes d’ondes du hacheur parallèle (type BOOST)
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PI - 11/16
Au cours de cette phase iS croît, ce qui impose que la pente de iS(t) soit négative
di
dans la phase a) donc que dtS < 0 => E - vC < 0 => vC > E.
La tension vC est supérieure à E ! (caractère élévateur de tension).
• (c) t = αT; commutation à l'ouverture de K; puis αT < t < T.
di
A l'ouverture , iS tend brusquement à décroître: dtS < 0.
di
A la tension E vient s'ajouter la tension - vL = - L dtS , qui est > 0 et va permettre
l'entrée en conduction de D. On se retrouve alors dans la phase a).
On établit facilement les relations entre les grandeurs d'entrée E et ISmoy et les
grandeurs de sortie VC et IDmoy :
VC =
car
1
E
1-α
Vsmoy = E
et
5-13
IDmoy = [1 - α] Ismoy
1T
⌡vL dt = 0
T⌠
0
Le hacheur parallèle est l'analogue d'un transformateur élévateur de tension continue et de
rapport de transformation 1 ≤ k = (1 - α)-1 < ∞ car 0 ≤ α ≤ 1. Le hacheur parallèle
est qualifié de survolteur.
La puissance transmise est
E2 1 2
P= R (
)
1-α
5-14
R (1 - α)2 étant la résistance de charge ramenée au "primaire".
3.
Les hacheurs
hacheurs à accumulation (liaison indirecte)
Nous avons vu que les hacheurs à
liaisons directes ne peuvent relier
entre elles que des sources et des
charges de natures différentes.
Pour transférer de l'énergie d'une
source à un récepteur de même
nature, il faut utiliser un hacheur à
liaison indirecte.
L'élément de stockage de l'énergie
(inductance ou condensateur) est
relié tantôt à l'entrée, tantôt à la
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sources de tension
hacheur à accumulation
inductive
hacheur
direct
série
hacheur
direct
parallèle
hacheur à accumulation
capacitive
fig.II_1.dsf.
sources de courant
Fig. 5-10. Les différents types de hacheurs
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PI - 12/16
sortie.
3.1.
Hacheur à accumulation inductive (type BUCKBUCK-BOOST)
BOOST)
D
K
i1
i
E
+
v
vL
1
v2
L
i2
fig46.dsf
Fig. 5-11. Schéma de principe du hacheur BUCK-BOOST
Lorsque la source et le récepteur sont capacitifs (source et récepteur de tension), on
utilise une self comme élément de stockage, (fig.11).
Durant chaque période T, le thyristor commandé K conduit pendant αT, la diode
D pendant (1 - α)T. Quand K est passant, le courant i dans l'inductance L
augmente (charge); quand D est passante, i diminue (décharge).
i1
K
i1
D
iK
E
v1
vK
vD
vL
D
iK
i
i
+
K
E
v2
L
+
v1
vK
vD
vL
v2
L
i2
i2
fig46b.dsf
fig46a.dsf
Fig. 5-12.- 0 < t < αT
Fig. 5-13. - αT < t < T
Pour 0 < t < αT : K conduit, D est bloquée
i (t) = i1(t) = iK(t)
; i2(t) = 0
di(t)
di(t)
v
v1 = vL = L dt i(t)= i(0) + L1 t i(t) ↑ linéairement : dt > 0
vK = 0
; vD = -[v2 + v1]
pour t = αT:
i(αT) = i(0) + αT
pour αT < t < T : K bloqué, D conduit
i(t) = i2(t) = iD
;
i1 = 0 ;
vD = 0
v K = v1 + v2
di(t)
v
di(t)
v2 =- L dt i(t) = i(αT) - L2 (t - αT) i(t) ↓ linéairement : dt < 0
pour t = T :
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PI - 13/16
v
i(T) = i(αT) - L2 (1 - α)T
En remarquant qu'en régime établi i(T) = i(0), on obtient :
v2
α
=
v1 1 - α
5-15
v
Si α varie de 0 à 1, v2 varie théoriquement de 0 à l'infini.
1
3.2.
Hacheur à accumulation capacitive (type de CUK)
Lorsque la source et le récepteur sont de courant l'élément de stockage est capacitif,
fig.14.
i
i
E
C
i
1
+
v
1
D
K
2
+
v2
fig47.dsf
Fig. 5-14. hacheur à accumulation capacitive
On montre alors que :
i2
α
=
i1 1 - α
4.
5-16
LES hacheurs REVERSIBLES (facultatif)
(facultatif)
Un hacheur est réversible s'il permet de commander le transfert d'énergie dans les
deux sens. D'après la nature des sources entre lesquelles il est placé et la ou les
grandeurs qu'il permet d'inverser, il existe plusieurs types de hacheurs réversibles.
4.1.
Utilisation de deux hacheurs classiques en cascade
Le hacheur réversible en courant, par exemple, est constitué par un hacheur série associé
à un hacheur parallèle. Placé entre une source de tension constante et un moteur à
courant continu, il permet :
* de faire varier sa vitesse à couple donné,
* de faire varier son couple à vitesse donnée.
* de freiner le moteur en récupérant l’énergie
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PI - 14/16
D2
L
E
K
V
1
source capacitive
1
1
D
1
K2
fig44M.dsf
r
V
2
E'
source inductive
Fig.5.15.
La fig.15 donne un exemple. Les deux interrupteurs K1 et K2 ne fonctionnent pas
en même temps.
La source de tension E1 alimente, par un hacheur série (K1 , D1), une charge
inductive. Celle-ci est constituée par une inductance L en série avec l’induit d’un
moteur à courant continu de fcém E’ et de résistance interne r. La fém E1 est plus
grande que la fcém E’ du moteur. Le hacheur série est abaisseur de tension.
Un hacheur parallèle (K2 , D2) assure la récupération d’énergie de la charge
(devenue source) vers la source.
Le convertisseur K1 , D1 alimente sous tension variable l’induit du moteur à courant
continu à excitation indépendante.. Si on désire freiner cette machine, on peut
récupérer son énergie cinétique en la faisant travailler en génératrice, sans changer
le sens de rotation , ni le sens du courant d’excitation. La polarité de E’ reste la
même. Seul le courant dans l’induit change de sens (il faut donner le temps au
courant de s’inverser dans le circuit inductif).
4.2.
Les hacheurs à deux interrupteurs
non décrits
Annexe 1 : calcul du taux d’ondulation du courant d’un hacheur série
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PI - 15/16
Chapitre 5
LES HACHEURS DE PUISSANCE
1.
INTRODUCTION...................................................................................................................................... 2
2.
LES HACHEURS A LIAISON DIRECTE.............................................................................................. 3
2.1.
2.2.
2.3.
3.
LES HACHEURS A ACCUMULATION (LIAISON INDIRECTE) .................................................. 12
3.1.
3.2.
4.
GENERALITES .......................................................................................................................................... 3
LE HACHEUR SERIE (TYPE BUCK) .......................................................................................................... 5
LE HACHEUR PARALLELE (TYPE BOOST) ............................................................................................. 10
HACHEUR A ACCUMULATION INDUCTIVE (TYPE BUCK-BOOST)......................................................... 13
HACHEUR A ACCUMULATION CAPACITIVE (TYPE DE CUK) ................................................................... 14
LES HACHEURS REVERSIBLES (FACULTATIF) .......................................................................... 14
4.1.
4.2.
UTILISATION DE DEUX HACHEURS CLASSIQUES EN CASCADE ................................................................ 14
LES HACHEURS A DEUX INTERRUPTEURS ............................................................................................... 15
c:/…/EPchapitre3
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PI - 16/16