V) Hacheur réversible en tension et en courant - Physique Appliquée

Un hacheur fonctionne a 2 cadrans si le courant ou la tension sont réversibles. Un hacheur .... III) Hacheur parallèle ou élévateur :(un quadrant) (BOOST).


un extrait du document

Conversion continu-continu

Sommaire
 TOC \o "1-3" \h \z \u  HYPERLINK \l "_Toc257815890" Les Hacheurs  PAGEREF _Toc257815890 \h 2
 HYPERLINK \l "_Toc257815891" I) Introduction :  PAGEREF _Toc257815891 \h 2
 HYPERLINK \l "_Toc257815892" I.1) Champs d’application:  PAGEREF _Toc257815892 \h 2
 HYPERLINK \l "_Toc257815893" I.1) Fonctionnements 1,2 4 quadrants:  PAGEREF _Toc257815893 \h 2
 HYPERLINK \l "_Toc257815894" I.2) Les divers types de hacheurs:  PAGEREF _Toc257815894 \h 2
 HYPERLINK \l "_Toc257815895" I.1) Cellule de commutation:  PAGEREF _Toc257815895 \h 2
 HYPERLINK \l "_Toc257815896" II) Hacheur série : abaisseur de tension ou dévolteur.(un quadrant)  PAGEREF _Toc257815896 \h 3
 HYPERLINK \l "_Toc257815897" II.1) Principe :  PAGEREF _Toc257815897 \h 3
 HYPERLINK \l "_Toc257815898" II.2) Relevés caractéristiques  PAGEREF _Toc257815898 \h 3
 HYPERLINK \l "_Toc257815899" II.3) Fonctionnement sur charge inductive E,R,L ou R,L .Conduction ininterrompue.  PAGEREF _Toc257815899 \h 4
 HYPERLINK \l "_Toc257815900" III) Hacheur parallèle :(un quadrant)  PAGEREF _Toc257815900 \h 6
 HYPERLINK \l "_Toc257815901" III.1) Fonctionnement en régime permanent : Conduction ininterrompue.  PAGEREF _Toc257815901 \h 6
 HYPERLINK \l "_Toc257815902" III.1) Courbes :  PAGEREF _Toc257815902 \h 8
 HYPERLINK \l "_Toc257815903" III.2) Relation sur les valeurs moyennes.  PAGEREF _Toc257815903 \h 8
 HYPERLINK \l "_Toc257815904" III.3) Valeurs moyennes des courants  PAGEREF _Toc257815904 \h 9
 HYPERLINK \l "_Toc257815905" III.1) Applications  PAGEREF _Toc257815905 \h 9
 HYPERLINK \l "_Toc257815906" IV) Hacheur réversibles  PAGEREF _Toc257815906 \h 12
 HYPERLINK \l "_Toc257815907" IV.1) Hacheur réversibles en courant : 2 quadrants :  PAGEREF _Toc257815907 \h 12
 HYPERLINK \l "_Toc257815908" IV.1) Hacheur réversibles en tension : 2 quadrants :  PAGEREF _Toc257815908 \h 15
 HYPERLINK \l "_Toc257815909" V) Hacheur réversible en tension et en courant : 4 quadrants :  PAGEREF _Toc257815909 \h 18
 HYPERLINK \l "_Toc257815910" I) Hacheur à accumulation :  PAGEREF _Toc257815910 \h 22


Les Hacheurs
Introduction :
Champs d’application:
La conversion continu-continu permet d’obtenir une tension unidirectionnelle de valeur moyenne réglable à partir d’une tension continue fixe avec un rendement voisin de 1.
Les hacheurs sont essentiellement utilisés pour alimenter les moteurs à courant continu dont on veut régler la vitesse.
Le fonctionnement de ces montages peut être réversible en tension et/ou en courant.
On aura des hacheurs série, parallèle, deux ou quatre quadrants.
Symbole :
 EMBED Word.Picture.8 
Fonctionnements 1,2 4 quadrants:
Un hacheur fonctionne a 2 cadrans si le courant ou la tension sont réversibles
Un hacheur fonctionne a 4 cadrans si le courant et la tension sont réversibles
Les divers types de hacheurs:

 EMBED Word.Picture.8 
Cellule de commutation:
 EMBED Word.Picture.8 
La cellule de commutation sera la base de ces convertisseurs. Elle est telle que :
 EMBED Equation.DSMT4 et EMBED Equation.DSMT4  ne peuvent être ouvert ou fermés simultanément : (ce qui court-circuiterait une source de tension ou mettrait en circuit ouvert une source de courant
 EMBED Equation.DSMT4 
 EMBED Equation.DSMT4 

Hacheur série : abaisseur de tension ou dévolteur(un quadrant) (BUCK)
Principe :
Schéma :
 EMBED Word.Picture.8 On manoeuvre H de manière périodique
H ouvert v=0
H fermé v=Uo
Uo tension continue EMBED Word.Picture.8 . Rapport cyclique :
 EMBED Equation.3  compris entre 0 et 1
Relevés caractéristiques
Tension aux bornes de la charge (graphe 1)
 EMBED Word.Picture.8 
En manœuvrant H , on donne à v les valeurs alternées 0 et U. On fait varier la tension moyenne vc moy.
Valeur moyenne de la tension de la charge :
La valeur moyenne peut être calculée soit à l’aide d’une intégrale soit dans les cas simples en utilisant les formules de géométrie.
 EMBED Equation.3 
 EMBED Equation.3 
Variation de la tension moyenne en fonction de ( (graphe 3)
 EMBED Word.Picture.8 
En réglant le rapport cyclique ( du hacheur, on règle la tension moyenne aux bornes de la charge alimentée par le hacheur.
Valeur efficace de la tension de la charge :
Comme V est la racine de la valeur moyenne de v2(t) on obtient:
 EMBED Equation.3  (  EMBED Equation.3 
Tension aux bornes de l'interrupteur (graphe 2)
 EMBED Word.Picture.8 
Fonctionnement sur charge inductive E,R,L ou R,L .Conduction ininterrompue.
Schémas 
La charge est donc constituée par exemple d'un petit moteur et d'une bobine suffisamment grande pour que le courant ne s'annule jamais.
La charge étant inductive une diode de roue libre D est nécessaire pour permettre l'écoulement de l'énergie sans apparition de surtension préjudiciable pour H.
Le critère important pour que les portions du signal courant soient des droites il faut la constante de temps soit très supérieure à la période de hachage soit :  EMBED Equation.3 
 EMBED Word.Picture.8 :
Courbes :
 EMBED Word.Picture.8 

Remarque : Si R n’est pas négligeable, la forme des courant est différente.(arcs d’exponentielle).
L’analyse précédente est valable pour le cas où R est négligeable. Cependant si (=L/R >>T, les courbes représentatives des courants sont des portions de droite.
Ondulation du courant:
Lors de chaque phase la loi des mailles donne :
H fermé de 0 à (T:  EMBED Equation.3  donne l’équation différentielle  EMBED Equation.3 
H ouvert de (T à T:  EMBED Equation.3  donne l’équation différentielle  EMBED Equation.3 
Si la constante de temps du système  EMBED Equation.3  à la période de hachage les équations de l’évolution du courant dans la charge sont des portions de droites au lieu des exponentielles :
H fermé de 0 à (T: vC = U = E + EMBED Equation.3  (  EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3  (  EMBED Equation.3 
H ouvert de (T à T: vC = 0 = E + EMBED Equation.3  (  EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3  (  EMBED Equation.3 
Donc  EMBED Equation.3 
Donc l’ondulation du courant est  EMBED Equation.DSMT4  donc  EMBED Equation.DSMT4 
Rq : Si la résistance du moteur est négligeable = E = (U , le maximum d’ondulation est atteint pour (=0,5 donc  EMBED Equation.DSMT4 
Pour diminuer l’ondulation, il faut augmenter f (action limitée par les durées de commutation des transistors)ou augmenter L(encombrement).
Relations entre valeurs moyennes :
Dans la charge  EMBED Equation.3 
Dans la diode :  EMBED Equation.3 
Dans l’interrupteur H :  EMBED Equation.3 
La loi des mailles permet d’écrire: v = Ri + E + EMBED Equation.3  (  EMBED Equation.3 
et comme la tension moyenne aux bornes d'une bobine parcourue par un courant périodique est nulle  EMBED Equation.3 =0 (  EMBED Equation.3 = R EMBED Equation.3  + E = (U (  EMBED Equation.3 
Hacheur parallèle ou élévateur :(un quadrant) (BOOST)
Les rôles de générateur et de récepteur sont inversés entre la source de tension et la source de courant.
Le générateur a la nature d'une source de courant continu constant d'amplitude i ; il est unidirectionnel en tension.
Le récepteur a la nature d'une source de tension unidirectionnelle en courant et sa structure est telle que la tension à ses bornes peut être considérée comme constante et d'amplitude E (cette condition est généralement assurée par un condensateur en parallèle de valeur élevée).
 EMBED Word.Picture.8 

 EMBED Word.Picture.8 
Fonctionnement en régime permanent : Conduction ininterrompue.
H fermé : 0