les hacheurs de puissance les hacheurs de puissance

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Chapitre
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LES HACHEURS DE PUISSANCE
LES HACHEURS DE PUISSANCELES HACHEURS DE PUISSANCE
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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. Introduction
IntroductionIntroduction
Introduction
Les hacheurs réalisent une conversion
continu-continu en modifiant les valeurs
de sortie. Ils assurent le transfert de
l'énergie depuis une source continue
vers une charge alimentée en continu
(convertisseur statique continu-continu). On
pourrait - à la limite - les ranger dans les
gradateurs avec fe = fs = 0. Comme
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
valeur moyenne de la tension Vs entre 0
et Ve. (hacheurs dévolteurs) ou au dessus de
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.
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 :
P
C
0
fig18.dsf
fe = 0 fS = 0
Ve
0 < VS < Ve
VS
IS
Ve < VS < Vlim
ou
Fig. 5-1. Description du hacheur
K
ER
K
+
fig41.dsf
Fig. 5-2. Interrupteur commandé
unidirectionnel

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thyristor trans. NPN trans. MOS
courant permanent en
conduction < 1500 A env. 100 A < 40 A
tension d'utilisation env 5000 V < 800 V < 400 V
fréquence de
fonctionnement env. 2 kHz > 10 kHz > 30 kHz
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.
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. Celles-
ci sont habituellement alimentées en courant alternatif monophasé et comportent
un transformateur, un redresseur à diodes, un hacheur et un filtre de sortie.
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. Les hacheurs à liaison directe
Les hacheurs à liaison directeLes hacheurs à liaison directe
Les hacheurs à liaison directe
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. Généralités
GénéralitésGénéralités
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
charge
filtre
hacheur
filtreredresseur
non commandé
Référence Ampli.
d'erreur
EEEE
000
0tt t t
50 Hz L6_24.dsf
transfo
0 < V
moy
< V
valeur eff. V
E
0t
Fig. 5-3. Schéma de principe d’une alimentation à découpage

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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.
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.
+
E C + E
L
fig42.dsf
(a) (b)
+++
Fig. 5-4. Source capacitive et source inductive. Représentation conventionnelle

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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.
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.
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.
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2.
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. Le hacheur série
Le hacheur sérieLe hacheur série
Le hacheur série (type BUCK)
(type BUCK) (type BUCK)
(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.
ER
K
+
fig44.dsf
D
L
v
i
iS
vS
iD
v C
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).
source charge
K
K.dsf