HACHEURS : Cours et Exercices corrigés

Les hacheurs sont les convertisseurs statiques qui permettent le transfert de l’énergie électrique d’une source continue vers une autre source continue. (Ils sont l’équivalents des transformateurs en alternatif). Lorsque l’entrée et la sortie sont de natures dynamiques différentes, on peut les relier directement (on parle alors de hacheur à liaison directe). Lorsqu’elles sont de même nature dynamique, il faut faire appel à un élément de stockage momentané (on parle dans ce cas de hacheur à accumulation). Enfin dans le cas où l’isolation galvanique de la sortie avec l’entrée est une nécessité, on réalise des hacheurs dits « isolés ».

Suivant le degré de réversibilité que l’on désire, la structure du montage diffère.

Enfin, suivant la puissance nominale du système, la technologie des composants ne sera pas la même.

I- Familles de hacheurs

On distingue deux familles de convertisseurs continu / continu.

– Les hacheurs à liaison continue (continuité électrique entre entrée et sortie), Charge rapide et contrôlée de batteries d’accumulateurs, et typiquement entraînement de moteurs à courant continu à vitesse variable,

– Les alimentations à découpage avec isolation galvanique.

Les alimentations à découpage se sont fortement développées pour remplacer les, alimentations linéaires de poids élevé et faible rendement. Elles sont utilisées désormais dans tous les appareils électroniques « grand public »

II- Différents types de hacheur

On distingue :

•  Le hacheur série
•  Le hacheur parallèle
•  Les hacheurs 2 et 4 quadrants
•  Les alimentations à découpage.

III- Quelques Applications

Le hacheur est principalement utilisé pour :

• La variation de vitesse d’un moteur à courant continu
• Le freinage par récupération
• Alimentation d’appareil électronique grand public (PC, …)

VI- Hacheur série – Abaisseur de tension

Le schéma de principe du hacheur série est donné à la figure ci-dessous. On considère l’interrupteur I et la diode D parfaits. La charge est par exemple un moteur à courant continu.

Le fonctionnement du convertisseur se déduit de l’analyse du comportement de l’interrupteur I.

• à t=0, I est enclenché (passant) pendant un temps αT , alors : ud (t) = U
• entre αT et T (αT< t < T ), I est ouvert.

On a alors : i=0 et le courant id circule à travers la diode D (diode de « roue libre »).

Donc : ud (t) = 0 tant que la diode D conduit, soit tant que le courant id (t) est non nul.

• Lorsque id (t) s’annule, la diode D se bloque et : ud (t) = Ec

On distingue donc deux types de fonctionnement selon que le courant id (t) est interrompu ou non.

Fonctionnement à courant ininterrompu

La valeur moyenne de ud (t) vaut :

Remarque : la FEM Ec de la charge et la valeur moyenne Id0 du courant id (t) sont liés par :

• Si la charge est une batterie ( Ec est imposé par la charge), cette relation définit Id0
• Si la charge est un moteur à courant continu, cette relation fixe Ec (et donc la vitesse du moteur car Ec= KΩ (Ω en rad/s)), sachant que Id0 dépend du moment du couple du moteur M (M= KI si l’on néglige les pertes mécaniques et les pertes par hystéréris et courants de Foucault).

Fonctionnement à courant dans la charge interrompu

Lorsque l’interrupteur s’ouvre, à t = αT, le courant id(t) décroît. Si la constante de temps τ=Ic/Rc est suffisamment faible devant T, ce courant s’annule avant que l’interrupteur ne redevienne passant à t=T. En considérant que le courant id (t) est nul entre les instants βT et T, la valeur moyenne de ud (t) vaut alors :

Conclusion sur le hacheur série

Dans les deux types de fonctionnement, on voit que la valeur moyenne Ud0 de la tension disponible aux bornes de la charge est fonction du rapport cyclique α . On réglera la valeur de Ud0 en modifiant le rapport cyclique α :

1. soit en modifiant la durée de conduction de l’interrupteur I sans modifier la période T de commande (Modulation de Largeur d’Impulsion, MLI).

2. soit en modifiant la fréquence de commande ( f=1/T) sans modifier la durée de conduction de l’interrupteur.

La solution 1 est de loin la plus utilisée en pratique car elle permet un filtrage aisé de la tension ud(t) par un filtre passe-bas comme le décrit la figure ci-dessous. Ce filtre passe-bas permet d’éliminer les harmoniques élevés de ud(t).

V- Hacheur parallèle – Elévateur de tension

Le hacheur parallèle est aussi appelé hacheur survolteur. Ce montage permet de fournir une tension moyenne Ud0 à partir d’une source de tension continue U < Ud0 . Le montage étudié est donné à la figure ci-dessous :

Les applications principales du hacheur parallèle sont les alimentations de puissance régulées et le freinage par récupération des moteurs à courant continu. On distingue 2 phases de fonctionnement :

• Lorsque l’interrupteur I est fermé, la diode est polarisée en inverse (vD = -ud ); la charge est donc isolée de la source. La source fournit de l’énergie à l’inductance l.
• Lorsque l’interrupteur I est ouvert, l’étage de sortie (C+ charge) reçoit de l’énergie de la source et de l’inductance l.

Pour l’analyse en régime permanent présentée ici, le condensateur de filtrage C a une valeur de capacité suffisamment élevée pour que l’on puisse considérer la tension disponible en sortie constante : ud (t) = Ud0

Enfin on distingue deux modes de fonctionnement selon que le courant dans l’inductance l (il (t) ) est interrompu ou non.

VI- Application des hacheurs série et parallèle :

Alimentation et freinage d’un moteur à courant continu à l’aide d’un hacheur réversible

Le montage étudié est décrit sur la figure ci-dessous :

Le hacheur série est constitué de la diode D1 et de l’interrupteur I1. Le hacheur parallèle est constitué de la diode D2 et de l’interrupteur I2.

La machine fonctionne en moteur lorsqu’elle est alimentée par le hacheur série (D2 reste toujours bloquée car U > ud et I2 est maintenu ouvert).

La machine fonctionne en génératrice (phase de freinage) et alimente la source U (batterie par exemple) lorsque le hacheur parallèle est utilisé (D1 est toujours bloquée car lorsque I2 est fermé VD1 = 0 et lorsque I2 est ouvert D2 est passante et VD1 = -U ; I1 est maintenu ouvert).

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Electronique de puissance – cours – TD et Exercices corrigés

L’électronique de puissance est une branche de l’électronique qui a pour objet la conversion statique de l’énergie électrique.

La conversion statique est réalisée par des convertisseurs statiques qui transforment l’énergie électrique disponible en une forme adaptée à l’alimentation d’une charge bien déterminée.

Avantages des convertisseurs

• bon rendement
• Taille et masse réduites
• Fonctionnement silencieux

Les principales applications

• cas d’urgence (hôpitaux, salle informatique)
• photo volumique
• gestion, transport et distribution d’EE
• commande de machine électrique (variateur de vitesse)
• applications domestiques et industrielles

Différents types de convertisseurs statiques

Selon le réseau disponible et le besoin de la charge, on distingue différents type de convertisseurs :

• convertisseur alternatif → continu : redresseur
• convertisseur continu → alternatif : onduleur
• convertisseur continu → contenu : hacheur
• convertisseur alternatif → alternatif (à fréquence fixe) gradateur
• convertisseur alternatif (f1) → alternatif (f2) cyclo convertisseur
• le redresseur convertit l’énergie alternative disponible en énergie continue.

Selon les besoins de la charge, la tension ou le courant de sortie peuvent être réglables ou constants.

Le hacheur adopte le niveau d’énergie entre un réseau et une charge de même type continu.

L’onduleur convertit les grandeurs d’un réseau continu en grandeurs alternatives.

Dans le cas où la charge et le réseau sont alternatifs, on a affaire à un gradateur.

Définitions

Diode de puissance

 C’est un interrupteur unidirectionnel en courant non commandable ni à la fermeture ni à l’ouverture : Blocage et amorçage naturel.

 Une diode se comporte comme un interrupteur parfait dont les commutations sont exclusivement spontanées :

• il est fermé tant que le courant qui le traverse est positif.
• il est ouvert tant que la tension à ses bornes est négative.

Thyristor 

C’est un interrupteur unidirectionnel en courant commandable à la fermeture :

• VAK> 0 et pas d’impulsion sur la gâchette : thyristor bloqué (thyristor amorçable)
• VAK > 0 et on applique un courant de gâchette iG positif de valeur suffisante : thyristor passant (thyristor amorcé)
• Une fois il est passant, le thyristor ne s’ouvre que lorsque le courant qui le traverse s’annule.
• Le thyristor est bloqué et VAK < 0 et on applique une impulsion de commande : thyristor reste bloqué.

Transistor bipolaire de puissance

En électronique de puissance, les transistors fonctionnent en régime de commutation tandis que le fonctionnement linéaire est plutôt utilisé en amplification de signaux.

Le transistor bipolaire joue le rôle d’interrupteur unidirectionnel en courant et tension commandable à la fermeture et à l’ouverture par le biais du courant de base iB :

• Transistor bloqué : état obtenu en annulant le courant de base iB( 𝑖𝐵 = 0) ce qui induit un courant de collecteur nul( 𝑖𝑐 = 0 ) et une tension VCE non fixée. L’équivalent est un commutateur ouvert.
• Transistor saturé : 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.

Transistor MOSFET de puissance

Le transistor MOSFET est un interrupteur commandé à la fermeture et à l’ouverture par la tension VGS :

• VGS = 0 annule le courant iD ( 𝑖𝐷 = 0) : transistor bloqué
• VGS ≥ VGsat permet au courant iD de se croitre : transistor saturé

Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolor Transistor)

Le transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est l’association d’un transistor bipolaire (collecteur et émetteur) et d’un transistor MOSFET. Il associe les performances en courant entre collecteur et émetteur (la faible chute de tension collecteur émetteur est de 0,1 V) et la commande en tension par sa grille qui nécessite un courant permanent quasiment nul. Il est commandé à la fermeture et à l’ouverture par la tension VGE.

Sommaire  du cours d’électronique de puissance

Chapitre 1 : introduction à l’électronique de puissance

I- Introduction :

II- Différents types de convertisseurs statiques

III- Composants de l’électronique de puissance :

1. Diode de puissance

2. Thyristor

3. Transistor bipolaire de puissance

4. Transistor MOSFET de puissance

5. Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolor Transistor)

6. GTO (Turn off Gate Thyristor )

7. Comparaison des interrupteurs

IV- Sources et règles de connexion :

Chapitre 2 : Circuits d’aide à la commutation

I- Introduction

II- Exemple d’étude : commutation sur charge inductive

III- Commutation à la fermeture

IV- Commutation à l’ouverture :

V- Commutation à l’ouverture et à la fermeture

Chapitre 3 : Redressement non commandé

I- Introduction :

II- Redressement mono-alternance :

1. Redressement mono-alternance sur charge résistive :

2. Redressement mono-alternance sur charge inductive

II- Redressement double alternance montage PD2 :

1. PD2 sur charge résistive

2. PD2 sur charge inductive

3. PD2 sur charge R-E

4. PD2 sur charge R-L-E

III- Redressement triphasé : PD3 sur charge R-L-E

1. Analyse de fonctionnement

2. Chronogrammes

TD REDRESSEMENT NON COMMANDE

Chapitre 4 : Redressement commandé

I- Introduction :

II- Principe de fonctionnement : redressement mono-alternance

III- Redressement commandé double-alternance :

1. PD2 sur charge résistive

2. Redressement commandé double alternance : PD2 sur charge inductive R-L

3. Montage PD2 mixte sur charge inductive

IV- Redressement triphasé commandé PD3 tout thyristor :

TD REDRESSEMENT COMMANDE

Chapitre 5 : LES GRADATEURS

I- Introduction :

II- Gradateur monophasé

1. Débit sur charge résistive

2. Débit sur charge inductive

III- Gradateur triphasé

1. Analyse de fonctionnement

2. Calcul de la valeur efficace de la tension de sortie Vs1

IV- Application des gradateurs

TD GRADATEURS

BIBLIGRAPHIE

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