HACHEUR 2010

HACHEUR
A) PROBLEME A RESOUDRE
Dans le circuit ci-contre, le moteur à courant
continu est alimenté par une source fixe.
i
Sc
Question 1 : Expliquer pourquoi on ne peut pas
faire varier la vitesse du moteur.
M
Ua
Question 2:
Compléter la phrase :
Pour faire varier la vitesse d’un moteur à courant continu, il faut faire varier la ………………….
…………………… de l’induit.
B) PRINCIPE DU HACHEUR
On place un interrupteur électronique commandé entre la source d’alimentation et le moteur.
i
K
Ua
u
M
Question 3 :
Citer deux exemples d’interrupteurs électroniques commandés.
La commande de l’interrupteur est périodique ; elle est représentée ci-dessous :
K
fermé
0
K
ouvert
αT
K
fermé
K
ouvert
la grandeur α est appelée « rapport
cyclique » :
αT
t T
α=
T
2T
= durée de fermeture / période
Question 4 :
Donner la valeur de α si T = 2 ms et si l’interrupteur est fermé pendant 1,4 ms.
C) ETUDE DE LA TENSION u
Question 5 :
Ecrire la relation entre u et Ua quand K est fermé c’est à dire pour 0 < t < αT
Même question pour la phase ou K est ouvert c’est à dire pour αT < t < T .
Dessiner les variations de la tension u sur le chronogramme ci-dessous :
u
Ua
0
αT
T
2T
t
Si la fréquence de fonctionnement de l’interrupteur est de 1000 Hz, cela veut dire qu’il se ferme et qu’il
s’ouvre 1000 fois par seconde : en raison de son inertie mécanique, le moteur n’a donc pas le temps de
« réagir » aux variations très rapides de la tension u.
Tout se passe comme si le moteur était alimenté par une tension continue : c’est la valeur moyenne de la
tension u(t).
Question 6 :
En utilisant la méthode des aires, établir l’expression de la valeur moyenne < u > en fonction de α et Ua.
Application numérique : calculer la valeur de < u > si Ua = 12 V et α = 0,8.
Question 7 :
Dessiner la courbe théorique < u > = f (α) pour Ua = 12 V ; Echelles :1 V/cm pour Ua et 0,1 / cm pour α.
Rappel : on mesure la valeur moyenne d’une tension variable avec un voltmètre en position DC.
Petite synthèse intermédiaire
La hacheur est un dispositif qui produit une tension de valeur moyenne réglable à partir d’une source
fixe ce qui permet de faire varier la vitesse des moteurs à courants continu. Pour faire varier la valeur
moyenne de la tension et donc la vitesse, il faut faire varier le rapport cyclique c’est à dire la durée de
fermeture de l’interrupteur.
D) REALISATION PRATIQUE
Vous allez réaliser le montage ci-dessous mais avant il faut lire la suite et effectuer les opérations dans
l’ordre.
CH2
T
Si
CH1
cable rouge
+
GBF
Sc
M
D
CH1cable noir
Question 8 :
Prendre un GBF et un oscilloscope : régler le GBF pour qu’il délivre la tension uc dont les variations sont
dessinées ci-dessous :
uc
1V
0
T
t
-8V
T = 2 ms
Remettre le GBF hors tension sans toucher aux réglages.
Ici, c’est un transistor (de type PNP ) qui va jouer le rôle de l’interrupteur et uc est sa tension de commande :
Quand uc = - 8 V, T est saturé ( interrupteur fermé )
Quand uc = 1 V , T est bloqué ( interrupteur ouvert )
Quelques indications pour la réalisation du montage :
Sc est une alimentation marron Jeulin ; position « continu » 12 V.
Rb : résistance de base du transistor : petite résistance dans une boîte en plastique
Si : sonde de courant pour visualiser les variations de i sur la voie CH2 de l’oscilloscope
sensibilité : 100 mV / A
La tension u sera visualisée sur la voie CH1 ; on utilise deux câbles spéciaux à la place de
l’adaptateur BNC / banane : le rouge est branché sur la borne + et le noir sur la borne – et il
faudra se mettre en mode différentiel .
Pour brancher le GBF « à l’endroit » : la borne noire est reliée à l’émetteur du transistor
Question 9:
Quelle est le rôle de la diode ?
Question 10:
Réaliser le montage.
Question 11:
Mettre sous tension ( d’abord la source puis le GBF ) ; le moteur doit tourner : si on fait varier le rapport
cyclique α ( commande SYM du GBF ), la vitesse du moteur doit varier.
Régler l’oscilloscope pour avoir des courbes correctes sur l’écran ( il faut visualiser deux ou trois périodes )
Cependant le montage fonctionne mal comme on peut le constater en observant les courbes sur l’écran de
l’oscilloscope !
Explication : l’ondulation du courant ( différence entre la valeur maxi et la valeur mini du courant ) est trop
grande et par moments, le courant s’annule ( on dit que le courant est discontinu) .
Solution : il faut atténuer les variations du courant c’est à dire le « lisser ».
Question 12 :
Quel est le composant qui a la propriété de lisser le courant ?
Ajouter ce composant dans le circuit ( hors tension ).
FAIRE VERIFIER
Question 13 :
Remettre sous tension et régler α à 0,6 ; mesurer la valeur maximale ( notée imax ) et la valeur minimale
( notée imin ) du courant i.
On pourra également brancher un voltmètre pour mesurer < u > et constater que cette valeur dépend de α.
Question 14 :
Dessiner sur votre feuille les variations de la tension u et du courant i ( représenter deux périodes ).
Echelle verticale : 2 V / cm pour u et 0,4 A / cm pour i
Question 15 :
En utilisant la méthode des aires, établir la relation permettant de calculer la valeur moyenne < i > du courant
i en fonction de imax et imin .
Calculer cette valeur moyenne .
Calculer l’ondulation du courant : ∆i = imax - imin .
Question 16 :
Après avoir mis le montage hors-tension, placer un ampèremètre dans le circuit pour mesurer « directement »
la valeur moyenne de i.
FAIRE VERIFIER
Question 17 :
Mettre sous tension , relever la valeur de < i > et comparer à la valeur calculée à la question 15.
Question 18 :
Amélioration du fonctionnement : on cherche à diminuer le plus possible l’ondulation du courant pour obtenir
un courant pratiquement continu. Pour y parvenir, on peut soit augmenter la fréquence de fonctionnement de
l’interrupteur soit l’inductance de la bobine de lissage en ajoutant un noyau de fer dans la bobine .
Mettre en œuvre ces deux méthodes successivement devant le professeur .
Question 19 :
En s’inspirant de ce qu’on a déjà fait pour l’onduleur, faire une synthèse du fonctionnement du hacheur
( phases de fonctionnement, modèle équivalent dans chaque phase, transfert de l’énergie …) .