nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge CHAPRE 4 HACHERS 1. nroucon - nérê es hacheurs Les hacheurs son es conversseurs saques connu-connu permean e fabrquer une source e enson connue varabe à parr une source e enson connue fxe. La fgure 4-1 rappee e schéma e prncpe u hacheur. Enrée (DC) Sore (DC) Conversseur Connu (DC) - Connu (DC) Fgure 4-1. Schéma e prncpe u hacheur. es éven que e procéé e pus smpe pour ransformer une enson connue e vaeur fxe en une enson connue régabe es e monage en poenomère vseur e enson écr sur a fgure 4-2. s s R 1 R=R 1 +R 2 R 1 =αr R 2 =(1-α)R R 2 R c Fgure 4-2. Monage poenomérque. Le régage e α perme e fare varer a enson sponbe aux bornes e a charge : R2 = R R = ( 1 α ) à ve ( R + s s c = ). 1 2 Pour α =, on a : = s Pour α = 1, on a : = L nconvénen e ce monage es son renemen méocre, ce qu s avère crque pour es appcaons fasan nervenr es pussances non néggeabes. Le renemen s écr : η= P Ps avec: P =. e Ps = s. s 2 Rc. R2 So après cacus : η= ( R + R )(( R + R ) R + R R ) c 2 c 2 1 c 2 Chp-4-46 -
nversé e Savoe Ou encore : η= R. R ( 1 α) 2 c 2 2 2 2 3 2 c c c R + R R + αr α ( RR + 2R ) + α R Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge η es maxmum pour : R = c R = 2 ( 1 α ) R Par exempe, pour R 1 = R 2 = R c (so α = 1 2 ), on oben : η= 1 6 16% So 84% e a pussance gaspée nuemen! Ans es monages poenomérques son usés unquemen en éecronque e fabe pussance (queques Was maxmum). En éecronque e pussance, on fera sysémaquemen appe à es hacheurs. On sngue puseurs ypes e hacheurs, es eux ypes e base (que nous nous proposons éuer c) éan e monage sére e e monage paraèe. Le prncpe consse à nerrompre péroquemen amenaon e a charge par a source. Ce prncpe es usré par e schéma e a fgure 4-3. Source connue Fre passe-bas Charge Fgure 4-3. Prncpe u hacheur sére. L nerrupeur commanabe hache a enson amenaon. Après frage, on oben une enson consane (avec c : < ). En fasan absracon u fre passe-bas, on peu comparer ce monage au monage poenomérque (fgure 4-4). s R 1 s R 2 R c R c Fgure 4-4. Comparason u hacheur sére avec e monage poenomérque. Le pon consué par R 1 e R 2 es rempacé par nerrupeur qu conraremen à R = R1 + R2 pas (ou peu en praque) e pussance. 2. Défnon u rappor cycque α = ON. On éfn égaemen e emps penan eque nerrupeur es fermé par : Chp-4-47 - ne sspe Le rappor cycque es éfn comme e emps ON penan eque nerrupeur es fermé vsé par a péroe e fonconnemen u monage, so :
nversé e Savoe =. OFF ON Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge 3. Hacheurs sére e paraèe Comme on a en nroucon, es hacheurs son es conversseurs saques qu son amenés par es sources e enson connue e prousen aux bornes une charge une enson unreconnee e vaeur moyenne régabe. On peu magner un gran nombre e sposfs éecronques réasan cee foncon. On se conenera c nquer es ypes e monages es pus usés ans que queques appcaons. Ces monages useron es nerrupeurs unreconnes saques qu seron représenés par e symboe e a fgure 4-5. Fgure 4-5. Symboe e nerrupeur unreconne. es a péroe u sgna e commane. Dans a sue, seu e régme permanen es éué. 3.1 Hacheur sére (abasseur e enson) Le schéma e prncpe u hacheur sére es onné à a fgure 4-6. On consère nerrupeur e a oe D parfas. La charge es par exempe un moeur à couran connu. D u c R c u Charge E c Fgure 4-6. Hacheur sére. Le fonconnemen u conversseur se éu e anayse u comporemen e nerrupeur. à =, es encenché (passan) penan un emps α, aors : u ( ) = enre α e (α < < ), es ouver. On a aors : = e e couran crcue à ravers a oe D (oe e «roue bre»). Donc :u ( ) = an que a oe D conu, so an que e couran ( ) es non nu. Lorsque ( ) s annue, a oe D se boque e : u ( ) = E On sngue onc eux ypes e fonconnemen seon que e couran 3.1.1 Fonconnemen à couran nnerrompu (fgure 4-7) La vaeur moyenne e u ( ) vau : =. = α. L expresson e () sera éabe en D. Chp-4-48 - α c ( ) es nerrompu ou non. Remarque : a FEM E c e a charge e a vaeur moyenne u couran ( ) son és par : = Ec + Rc. S a charge es une baere ( E c es mposé par a charge), cee reaon éfn.
nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge S a charge es un moeur à couran connu, cee reaon fxe E c (e onc a vesse u moeur car E = c K Ω (Ω en ra/s)), sachan que épen u momen u coupe u moeur M (M= K s on négge es peres mécanques e es peres par hysérérs e courans e Foucau). () u () α () Fgure 4-7. Hacheur sére. Fonconnemen à couran nnerrompu ans a charge. 3.1.2 Fonconnemen à couran ans a charge nerrompu (fgure 4-8) u () E c () () α β Fgure 4-8. Hacheur sére. Fonconnemen à couran nerrompu ans a charge. Lorsque nerrupeur s ouvre, à = α, e couran () écroî. S a consane e emps τ = c es Rc suffsammen fabe evan, ce couran s annue avan que nerrupeur ne reevenne passan à =. En conséran (vor fgure 4-8) que e couran ( ) es nu enre es nsans β e, a vaeur moyenne e u ( ) vau aors : 1 α = {. + Ec } = + 1 Ec. α ( β ) β 3.1.3 Concuson sur e hacheur sére Dans es eux ypes e fonconnemen, on vo que a vaeur moyenne e a enson sponbe aux bornes e a charge es foncon u rappor cycque α. On régera a vaeur e en mofan e rappor cycque α: 1. so en mofan a urée e conucon e nerrupeur sans mofer a péroe e commane (Mouaon e Largeur mpuson, ML). Chp-4-49 -
nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge 2. so en mofan a fréquence e commane (f nerrupeur. = 1 ) sans mofer a urée e conucon e La souon 1. es e on a pus usée en praque car ee perme un frage asé e a enson u ( ) par un fre passe-bas comme e écr a fgure 4-9. Ce fre passe-bas perme émner es harmonques éevés e u ( ). L éue e ce crcu sera effecuée en P. D u L C u c ()= c Charge Fre passe-bas Fgure 4-9. Hacheur sére avec fre passe-bas en sore permean obenr une enson u c () quas consane e égae à c. 3.2 Hacheur paraèe (éévaeur e enson) Le hacheur paraèe es auss appeé hacheur survoeur. Ce monage perme e fournr une enson moyenne à parr une source e enson connue <. Le monage éué es onné à a fgure 4-1. D v L u v D u C Charge Fgure 4-1. Hacheur paraèe. Les appcaons prncpaes u hacheur paraèe son es amenaons e pussance réguées e e frenage par récupéraon es moeurs à couran connu (vor 5). On sngue 2 phases e fonconnemen: Lorsque nerrupeur es fermé, a oe es poarsée en nverse (vd = u ); a charge es onc soée e a source. La source fourn e énerge à nucance. Lorsque nerrupeur es ouver, éage e sore (C+ charge) reço e énerge e a source e e nucance. Pour anayse en régme permanen présenée c, e conensaeur e frage C a une vaeur e capacé suffsammen éevée pour que on pusse consérer a enson sponbe en sore consane : u ( ) = Chp-4-5 -
nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge Enfn on sngue eux moes e fonconnemen seon que e couran ans nucance ( ( ) ) es nerrompu ou non. 3.2.1 Fonconnemen à couran e source nnerrompu Pour < < α, nerrupeur es fermé e nensé ( ) croî néaremen : 1 = onc ( ) = = + ( ) On a : u = ; = ; v = Pour α < <, nerrupeur es ouver, nucance se émagnése e e couran ( ) écroî : = + o onc ( ) = ( ) + ( ) α α avec : ( α ) = α + ( ) e : < car () o écroîre. On a : u = ; = ; v = On éu es caracérsques e a fgure 4-11. u () u () () () α Fgure 4-11. Hacheur paraèe. Fonconnemen à couran e source nnerrompu. On éermne facemen a reaon an à. On a : = vl + u Donc en moyenne sur une péroe, compe enu u fa que a vaeur e a moyenne e v () es nue, on oben : Chp-4-51 -
nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge = = ( 1 α) = ( 1 α ) 1 Donc : = 1 α En conséran un crcu sans peres, a pussance moyenne évrée par a source es égae à a pussance moyenne sponbe en sore : = moyennee ( ) Psource =. =. = moyennee ( ) e onc : = 1 α. Cee reaon perme e mensonner es conuceurs à user. Remarque: on oben rès smpemen a reaon an à en conséran V =.. α + ( )(( 1 α) ) En effe : V = = 1 D où recemen : = 1 α 3.2.2 Lme enre e fonconnemen nerrompu e e fonconnemen nnerrompu La forme es couran e enson ( ) e v ( ) es onnée sur a fgure 4-12. () M v () α - Fgure 4-12. Hacheur paraèe. Lme u fonconnemen à couran e source nnerrompu. La vaeur moyenne u couran ( ) s écr: M 1 = = α (car 2 2 ( ) = ) Donc a vaeur moyenne u couran sponbe en sore s écr : 1 1 = ( 1 α) = α ( 1 α) = α( 1 α ) 2 2 3.2.3 Fonconnemen à couran e source nerrompu 2 Ce ype e fonconnemen nerven orsque even e que e couran ( ) s annue uran a phase où nerrupeur es ouver. Ce ype e fonconnemen éan peu usé, ne sera pas éveoppé ans ce cours. 4. Réguaon e a enson e sore Chp-4-52 -
nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge Remarque: on pren exempe u hacheur sére mas cea n enève ren à a généraé u prncpe e réguaon expqué c. Dans es hacheurs, a enson e sore o en rège générae êre réguée pour êre consammen égae à une enson fxée, compe-enu u fa que a enson amenaon e es caracérsques e a charge peuven varer. On rappee e schéma e prncpe u hacheur sére e e graphe e a enson e sore avan frage sur a fgure 4-13. u () u Charge ON α OFF Fgure 4-13. Schéma e prncpe u hacheur sére. ne méhoe pour réguer a enson e sore u ( ) afn obenr une enson moyenne fxe consse à ajuser en permanence e rappor cycque e commane e nerrupeur α = ON sans mofer. Cee méhoe qu consse à fare varer a argeur es mpusons e commane e nerrupeur es appeée méhoe e Mouaon e Largeur mpuson (ML) ou encore PWM pour «Puse Wh Mouaon». Le sgna e conrôe e nerrupeur V CRL evra êre éaboré par comparason enre a enson effecvemen sponbe e a enson moyenne ésrée. Le schéma généra e a fgure 4-14 sera empoyé. + A - V ff comparaeur V CRL V DS Fgure 4-14. Bouce e réguaon u hacheur. A es un ampfcaeur fférene qu va servr à ampfer écar enre a enson moyenne ésrée e a enson moyenne effecvemen sponbe. Cee enson écar V ff sera ensue comparée à une enson en en e sce e péroe afn e générer a enson e commane e nerrupeur V CRL comme e monre a fgure 4-15. Lorsque V ff >V DS : V CRL = +V cc, nerrupeur es commané à a fermeure (éa ON). Lorsque V ff < V DS : V CRL =, nerrupeur es commané à ouverure (éa OFF). Le fonconnemen e a réguaon es expqué c-essous : s, aors, onc V ff = A( ), onc α. Or = α, onc. Paran une mnuon e, on oben onc une augmenaon e en jouan sur α. Chp-4-53 -
nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge De a même manère, on monre facemen qu une augmenaon e es corrgée par une mnuon u rappor cycque α. Ce ype e réguaon es «proporonne» car a enson V ff es proporonnee à a fférence enre a graneur e sore à réguer e a graneur e consgne (ou e référence) à aenre. Chp-4-54 -
nversé e Savoe Lcence EEA Moue 6 Énerge e conversseurs 'énerge V DS V ff V cc V CRL ON OFF α Fgure 4-15. Généraon e a enson e commane V CRL e nerrupeur à ae un généraeur e en e sce. 5. Appcaon es hacheurs sére e paraèe: amenaon e frenage un moeur à couran connu à ae un hacheur réversbe Le monage éué es écr sur a fgure 4-16. D 2 1 v D1 2 u M D 1 Fgure 4-16. Le hacheur sére es consué e a oe D 1 e e nerrupeur 1. Le hacheur paraèe es consué e a oe D 2 e e nerrupeur 2. La machne fonconne en moeur orsqu ee es amenée par e hacheur sére (D 2 rese oujours boquée car > u e 2 es manenu ouver). La machne fonconne en générarce (phase e frenage) e amene a source (baere par exempe) orsque e hacheur paraèe es usé (D 1 es oujours boquée car orsque 2 es fermé V D1 = e orsque 2 es ouver D 2 es passane e V = D1 ; 1 es manenu ouver). Chp-4-55 -