Transcription of CH10 : Les hacheurs
1 BTS lectrotechnique 2 me ann e - Sciences physiques appliqu es CH10 : Les hacheurs Enjeu : motorisation des syst mes Probl matique : Comment obtenir plusieurs points de fonctionnement entre un moteur courant continu et une charge m canique ; le cas ch ant dans plusieurs quadrants ? Objectifs : A l issue de la le on, l tudiant doit : Conna tre les structures des hacheurs s rie, parall le, r versible en courant, r versible en tension et 4 quadrants. Savoir d terminer la forme d onde de la tension de sortie d un hacheur s rie les intervalles de conduction tant connus Savoir d terminer la forme d onde de la tension d entr e d un hacheur parall le les intervalles de conduction tant connus Savoir calculer la valeur moyenne de la tension d un hacheur en passant par un calcul d aire Conna tre l application du montage dans la motorisation des syst mes Savoir calculer la puissance en entr e et en sortie du hacheur
2 1. Qu est-ce qu un hacheur ? Un hacheur est un convertisseur statique qui permet de r gler le transfert d nergie entre une source lectrique continue et une charge lectrique continue. Son symbole normalis est : SourceChargetransfert depuissanceR versibilit possibleselon le type dehacheur 2. Quelles sont ses applications dans l industrie ? Le hacheur est principalement utilis pour : La variation de vitesse d un moteur courant continu Le freinage par r cup ration Alimentation d appareil lectronique grand public (PC.)
3 3. Comment est r gul le transfert de puissance dans un hacheur ? A l aide d un composant qui permet r gler, sur une p riode, la dur e du transfert de puissance entre la source et la charge. Ce composant est le transistor de symbole : E (Emmetteur)C (Collecteur)B(Base) Les transistors d lectronique de puissance fonctionnent en tout ou rien : ils sont quivalents un interrupteur ferm lorsqu on applique une tension positive entre B et C suffisamment grande (voir donn es constructeur) et un interrupteur ouvert dans le cas contraire.
4 La commande (ouverture et fermeture) du transistor s effectue entre les bornes B et C. Le transfert de puissance s effectue entre les bornes E et C 4. Qu est-ce que le rapport cyclique ? C est la fraction de p riode pendant lequel le transistor conduit. On le note . Exemple : si le transistor conduit pendant de la p riode, =0,25. Pour d terminer le rapport cyclique on utilise la relation : = 5. Quels sont les diff rents types de hacheur ? On distingue : Le hacheur s rie Le hacheur parall le Les hacheurs 2 et 4 quadrants Les alimentations d coupage.
5 6. Quelle est la structure du hacheur s rie ? Le hacheur s rie est un convertisseur statique r glant le transfert d nergie entre une g n rateur de tension continue est une source de courant continu. VCCiuTDHacheur s rie 7. Quelle est la forme d onde de la tension en sortie du hacheur s rie ? Les conductions de T et D sont compl mentaires : quand T est passant (T=1) alors D est bloqu e (D=0) et vice-versa. E (Emmetteur)C (Collecteur)B(Base) >0 0 ECui ECui u=0 i=0 De 0 , le transistor est passant : T=1 et D=0 VCCiuDT On a alors u=VCC.
6 De , le transistor est bloqu : T=0 et D=1 iVCCuDT On a alors u=0. D o la forme d onde suivante : 0u(t)T TVCCt 8. Quelle est l expression de la valeur moyenne de la tension en sortie du hacheur s rie ? < >= Avec : aire situ e sous la courbe (voir surface hachur e ci-contre). < >= 0u(t)T TVCCt 9. Comment le hacheur s rie permet-il la variation de vitesse des moteurs courant continu ? La tension en sortie du hacheur est continue mais pas parfaitement liss e. Cependant, en rendant par r glage la p riode T du hacheur n gligeable par rapport la constante de temps m canique du moteur, la vitesse de celui-ci n aura pas le temps de varier.
7 Tout se passe comme-ci le moteur tait aliment par une tension continue parfaitement liss e =< >= . Avec le r glage de , on obtient diff rentes valeurs de U qui correspondent des caract ristiques m caniques diff rentes pour le moteur (droites parall les). Ces droites permettent d obtenir plusieurs points de fonctionnement avec la charge entra n e (voir ci-contre l exemple de l entra nement d une pompe). Le hacheur permet galement le d marrage tension d induit r duite. Tn < >= Tr=f(n) de la pompe Tu=f(n) du moteur pour =1 (U=Un) =0,25 =0,5 =0,75 10.
8 Quelle est la forme d onde du courant en sortie d un hacheur s rie alimentant un moteur courant continu ? La constante de temps lectrique du moteur est beaucoup plus faible que la constante m canique de celui-ci et n est pas n gligeable devant la p riode du hacheur. Le courant va donc r pondre aux fluctuations de la tension en sortie du hacheur. Une fois le r gime permanent tabli (le moteur d marre avant t=0), on a montr dans le paragraphe pr c dent que la vitesse tait constante : donc E=Cte A t=0, u passe brutalement de 0 VCC.
9 La variation du courant d induit du moteur est r git par l quation diff rentielle suivante : + + = C est un r gime transitoire du 1er ordre, dont on peut mettre l quation sous sa forme canonique : + = La constante de temps est = est la valeur finale de i est i croit donc suivant la courbe de r ponse d un 1er ordre un chelon, mais n a pas le temps d atteindre sa valeur finale avant t= . A t= , u passe brutalement de VCC 0. La variation du courant d induit du moteur est r git par l quation diff rentielle suivante : + + = C est un r gime transitoire du 1er ordre, dont on peut mettre l quation sous sa forme canonique : + = La constante de temps est = est la valeur finale de i est i d croit donc suivant la courbe de r ponse d un 1er ordre un chelon, mais n a pas le temps d atteindre sa valeur finale avant t=.
10 A t=T, on revient la configuration de t=0 Le courant i est donc p riodique. On obtient la forme d onde suivante : 11. Comment am liorer le lissage du courant ? L ondulation de courant peut tre approximer pour le hacheur s rie par la relation : = ( ) Pour diminuer cette ondulation de courant, on peut donc augmenter la fr quence F du hacheur ou augmenter le L du moteur en ajoutant celui-ci une inductance de lissage en s rie. 12. Quelle est la structure du Hacheur parall le ?
