C.P.G.E-TSI Les hacheurs 2006/2007 Les hacheurs I. Introduction : Le Hacheur est un convertisseur continu-continu, qui permet d'alimenter une charge sous tension réglable à partir d'une tension continue constante. = Réseau Continu Mcc = = Ω Charge Il est réalisé avec un transistor bipolaire ou un transistor IGBT ou avec un transistor à effet de champ à grille isolée à canal N. Son fonctionnement est périodique, de période T = 1/f. Au cours d'une période, l'interrupteur est fermé (passant) pendant une durée αT et ouvert (bloqué) pendant (1 - α) T. fermé ouvert fermé t αT 0 T Le nombre α, compris entre 0 et 1, est le rapport cyclique. On adoptera le symbole ci-contre d'un interrupteur à deux commutations commandées. Le courant ne peut circuler que dans un sens. Ce hacheur relie une source de tension à un récepteur de courant. Ce récepteur sera l’induit d’un moteur à courant continu. II. Hacheur série (ou abaisseur) : a) Montage : VH ic iH iH H DRL U VDRL Commande M = Uc iH c.o iDRL c.f iDRL vDRL vH vDRL vH iDRL b) Chronogrammes : On peut dessiner le modèle électrique ci-dessous, équivalent au circuit d'induit, où E est sa force électromotrice, R est la résistance d'induit et L son inductance. Mr BENGMAIH Page 1 sur 8 C.P.G.E-TSI Les hacheurs iC Uc L R ic M = 2006/2007 E Uc Dans une première approche, nous négligerons la résistance de l'induit. uc U H fermé ic H ouvert α.T H fermé H ouvert t T icmax icmin iH α.T t T icmax icmin t icmax iDRL T icmin t c) Ondulation du courant : • L'interrupteur H passant entre 0 et αT : di dic U − E (U − E ) t D’où i c = uc = U = E + L c → = + i (0) (U >E) dt dt L L On pose : i (0) = icmin Le courant croît linéairement dans l'induit. • L'interrupteur H ouvert entre αT et T, la diode doit obligatoirement être passante, car on doit évacuer l'énergie magnétique emmagasinée dans l'inductance L de l'induit. Aussi, uc est voisin de 0 : di dic E E (t − α T ) uc = E + L c ≈ 0 → =− D’où ic = − + i (α T ) dt dt L L E (t − α T ) On pose : i (α T ) = ic max ⇒ ic ( t ) = − + ic max : Le courant décroît linéairement. L Mr BENGMAIH Page 2 sur 8 C.P.G.E-TSI Les hacheurs 2006/2007 On pourra calculer l'ondulation du courant de deux manières possibles : (U − E ) α T (U − E ) α T i c (α T ) = ic max = + ic min ⇒ ∆i = ic max − ic min = L L di ( t ) dic ( t ) Or : uc ( t ) = E + L c ⇒ uc ( t ) = E + L ⇒ uc ( t ) = E . dt dt uc ( t ) = αU ⇒ E = αU d’où : ∆i = (1 − α ) αU . Lf Les variations de l’intensité du courant dans la charge sont donc inversement proportionnelles à la valeur de l’inductance, ainsi qu’à la valeur de la fréquence de hachage U Cette ondulation est maximale pour α = 0,5 et vaut: ∆ic max = . 4 Lf ∆ ic U 4 Lf 0 0,5 α 1 d) Contraintes sur les interrupteurs Diode Interrupteur VHmax = U (1 − α ) αU IHmax = icmax = icmoy + 2 Lf VDmax = U IDmax = icmax = icmoy + IDmoy = (1-α) . icmoy III. Hacheur parallèle (ou élévateur) : a) Montage: L iL iH U (1 − α ) αU 2 Lf iD D VD uH uc Mr BENGMAIH Page 3 sur 8 C.P.G.E-TSI Les hacheurs 2006/2007 Hypothèse courant linéaire. b) Chronogrammes : Uc =cste >U α.T iD t T t α.T uH T uc H fermé H ouvert H fermé H ouvert t α.T T α.T T iH iL ∆iL α.T T t c) Ondulation du courant : 1 T Valeur moyenne de la tension : uH = ∫ U c dt = U c (1 − α ) T αT U U −Uc iL ( t ) = L t + iL min iL ( t ) = ( t − α T ) + iLMax L U t ∈ [ 0, α T ] : iH ( t ) = t + iL min et : t ∈ [α T , T ] : iH ( t ) = 0 L iD ( t ) = 0 iD ( t ) = U − U c ( t − α T ) + iLMax L U −Uc U −Uc iL (T ) = iL min = (1 − α ) T + iLMax ⇒ ∆iL = iLMax − iL min = − (1 − α ) T . L L U (1 − α ) − U αU di = Or : U = L L + uH ( t ) ⇒ U = uH ⇒ U = u H = U c (1 − α ) ⇒ ∆iL = − . Lf Lf dt Mr BENGMAIH Page 4 sur 8 C.P.G.E-TSI Les hacheurs 2006/2007 d) Contraintes sur les interrupteurs Diode VDmax = Uc Interrupteur VHmax = Uc iLmoy αU IHmax = iLmax = + 1 − α 2 Lf IDmax = iLmax = icmoy 1−α + αU 2 Lf IDmoy = iLmoy IV. Hacheurs réversibles : 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. 1. hacheur réversible en courant : On considère le montage suivant : D1 T1 IE + I V0 T2 - u D2 Il permet : − De faire varier la vitesse, à couple donné ; − De faire varier le couple, à vitesse donnée. u I V0 T1 D2 T1 D2 T1 D2 D1 T2 D1 T2 D1 IE V0 P<0 P>0 Transfert de puissance : P > 0 : Dévolteur P < 0 : Survolteur Mr BENGMAIH Page 5 sur 8 C.P.G.E-TSI Les hacheurs 2006/2007 La marche en génératrice correspond au freinage par récupération de la machine : elle prend alors l’énergie mécanique de la charge qu’elle freine et la transforme en puissance. En moteur, si T1 conduit pendant la partie α1 T de la période, umoy = α1V0 ; E = umoy − Rimoy avec : imoy > 0 En génératrice, si T2 conduit pendant la partie α2 T de la période, umoy = (1 − α 2 ) V0 ; E = umoy − Rimoy avec : imoy < 0 . La figure suivante donne l’allure des caractéristiques E(imoy) ou n(Tem). Remarque : α1 + α2 = 1 α2 =0 n E α1 = 1 α2 =0,5 α2 croît Quadrant 1 α1 = 0,75 α2 =0,75 α1 croît Quadrant 2 α1 = 0, 5 α2 = 1 imoy α1 = 0 2. Hacheur réversible en tension : a. Avec modulation (+V0, 0) et (-V0, 0): IE Tem I +V0 D2 T1 V0 -V0 I T1 D1 T1 T2 D1 V Transfert de puissance : P > 0 avec Vmoy > 0 T2 D1 T1 D1T1 D1 T1 D1 D2 IE P>0 P<0 P > 0 avec Vmoy > 0 P = V0.IEmoy = Vmoy .Imoy Mr BENGMAIH Page 6 sur 8 T1 C.P.G.E-TSI Les hacheurs 2006/2007 b. Avec modulation (+V0,- V0) : I IE +V0 D2 T1 V0 -V0 I T1 D1 T1 T2 D2 T2 V D1 T2 D1 T1 D2 T2 D1 T1 D2 T2 D1 T1 D1 D2 T2 D2 IE V0 Transfert de puissance : P > 0 avec Vmoy > 0 P > 0 avec Vmoy > 0 P>0 P<0 P = V0.IEmoy = Vmoy .Imoy 3. Hacheur réversible en courant et en tension : I IT T1 VT1 Ue IT2 Mr BENGMAIH D1 ic T2 IT4 ID1 VT4 D2 ID3 IT3 Us T3 Us D4 M ID2 VT2 T4 ID4 Quadrant 2 Quadrant 1 Quadrant 3 Quadrant 4 VT3 D3 Page 7 sur 8 ic C.P.G.E-TSI Les hacheurs 2006/2007 T1 D 2 T1 D2 T1 D 2 T2 D1 T2 D1 T2 D1 T2 D 1 T2 D 1 T3 D 4 T3 D4 T3 D4 D3 T4 D3 T4 D3 T4 D3 T4 D3 T3 T4 T1 D2 T1 D2 T1 D 4 T3 D 4 T3 Us ic t 0,5 < α < 1 0,5 < α < 1 0 < α < 0,5 0 < α < 0,5 I Ue t V1moy >0 Ic >0 P >0 Quadrant 1 Mr BENGMAIH V1moy >0 Ic < 0 P<0 Quadrant 2 V1moy <0 Ic <0 P >0 Quadrant 3 V1moy <0 Ic >0 P<0 Quadrant 4 Page 8 sur 8