Les montages Hacheur Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Études des montages HACHEUR...

Les montages Hacheur

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Études des montages HACHEUR

Sébastien GERGADIERLycée Richelieu

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Plan de la présentation

Introduction et généralités

Présentation application support

Objectifs des montages Hacheurs

Structure d’un variateur de vitesse pour MCC

Le montage hacheur série à conversion directe

Principe

Valeurs moyenne et efficace de sortie

Le montage hacheur parallèle à conversion directe

Principe

Valeurs moyenne et efficace de sortie

Les montages hacheur à conversion indirecte

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AGIR

ÉnergieÉlectriqueContinue

ÉnergieÉlectrique Continue

Montage Hacheur

Introduction et généralités

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PRESENTATION DU SUPPORT

MACHINE DE CONDITIONNEMENT DE COMPRIMES

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PRESENTATION DU SUPPORT

ALIMENTER CONVERTIR TRANSMETTREDISTRIBUERAlimentations électrique et pneumatique

Remplir le flacon de

comprimés

ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER

Chaîne d’information

Signalisation lumineuse : Balise

Commandes utilisateur

Chaîne d’énergie

APICapteurs TORCapteurs ultra son

Boîtier de commande

Moteurs CC

VérinsRéducteursVibreurConvoyeur…

Prise réseau

+ Prise pneumatique

Flacon rempli du nombre de comprimés

désiré et bouché

Flacon vide sur palette avec un bouchon

Contacteurs

Variateur de vitesse

Niveau trémie

Présence palette

Affichage production

Ordres

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Objectif : Obtenir une tension continue variable à partir d’une source continue fixe.

Introduction et généralités

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Introduction et généralités

MCC

CVS

STRUCTURE INTERNE D’UN VARIATEUR POUR MCC

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Introduction et généralités

STRUCTURE ELECTRONIQUE D’UN VARIATEUR POUR MCC

Montage

Redresseur

PD3

Filtre LC Montage Hacheur

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Introduction et généralités

Première possibilité :

Montage diviseur de tension

Si Id = 0, alors : 2

1 2

.d s

RU U

R R

Si Id ≠ 0, alors : 2

1 2 2

..

.c

d sc c

R RU U

R R R R R

Relation qui dépend de Rc.

Rendement très faible.

Inconvénients :

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Introduction et généralités

e

. ²

R . ²d c d

s q s

P R I

P I

3

. 1 ²

² ² ². 2 ² ²c

c c c

RR

R R R R R RR R

si R1= R et R2= 1- R

Le rendement est maximal pour : 2 1cR R R

Soit pour α=0.5, on a : 16%

Donc 84% de la puissance fournie par la source est perdue par effet Joule, et n’est donc pas transmise à la charge.

Montage jamais utilisé en électronique de puissance.

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Seconde possibilité :

Utilisation d’un convertisseur statique CVS

On utilise un interrupteur à la place des résistances R1 et R2.

Conséquences :

Plus de puissance perdue par effet Joule (si K parfait)

Circuit supplémentaire pour la commande de l’interrupteur

Introduction et généralités

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La commande de l’interrupteur K est périodique de période T.

ont

T

État de K

1

00 ton T

temps

On note α le rapport entre le temps de conduction ton par rapport à la période T.

Introduction et généralités

Deux possibilités :

faire varier ton avec T constant

faire varier T à ton constant.

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Montage hacheur série

Schéma de principe d’un hacheur série

3 Phases possibles :

K est fermé, donc ud = +U

K est ouvert et id ≠ 0, donc ud = 0

K est ouvert et id = 0, donc ud = +Ec

Conduction continue

Conduction discontinue

On suppose les interrupteurs parfaits.

Charge homogène à une source de courant

Machine à courant continu par exemple.

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Montage hacheur série

En conduction continue (courant de charge ininterrompue) :

Phase 1 : 0 t T

Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants qui a pour solution :

Conditions initiales :

d min

cd

c

en t = 0; i (t) = I

U-Een t = + ; i (t) =

R

soit

Donc :

( )( )d

c c d c

di tU l R i t E

dt

/( ) tdi t Ae B

minI c

c

c

c

c

c

U EA

R

U EB

R

l

R

min( ) It

c cd

c c

U E U Ei t e

R R

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Montage hacheur série

Phase 2 : T t T

Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants qui a pour solution :

Conditions initiales :

d max

cd

c

en t = T; i (t) = I

Een t = + ; i (t) = -

R

soit

Donc :

( )0 ( )d

c c d c

di tl R i t E

dt

/( ) t Tdi t De E

maxI c

c

c

c

ED

R

EE

R

max( ) It T

c cd

c c

E Ei t e

R R

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Montage hacheur série

Tension aux bornes de la charge

Courant dans la charge

Courant dans l’interrupteur

Courant dans la diode

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Montage hacheur série

max( ) It T

c cd

c c

E Ei t e

R R

min( ) It

c cd

c c

U E U Ei t e

R R

min

.

I

1

T T T

c cT

c

Ue e

R E

Re

Phase 1 :

Phase 2 :

En t = αT : max minI I . . 1T T

c

c

U Ee e

R

En t = T :

min maxI I . . 1T T T T

c

c

Ee e

R

Expression des courants min et max :

Ondulation du courant dans la charge :

max minI II

1 1

.

1

T TT

T

e eU

IRc

e

max

. 1

I

1

T

c cT

c

Ue

R E

Re

Si T<<τ, on utilise un développement limité à l’ordre 1 de l’exponentielle en 0 :

. . 1

c

UI

l f

Cela revient à négliger la résistance Rc.

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Montage hacheur série

1

c

UI

l f

Ondulation maximale du courant dans la charge :

Ondulation maximale pour : 0d I

d

Soit pour : 1

2

maxI

4 c

U

l f

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Montage hacheur série

Formes d’ondes de la tension et du courant en sortie :

Valeur moyenne de la tension de sortie :

Donc :

On a aussi : 0

( ). ( ) . d

d c c d c

di tU E R i t l

dt

Si on néglige la résistance Rc, on a de même : 0d cU E U

0

0

1( )

T

d dU u t dtT

0

0

1 1. 0.

T T

d

T

U U dt dtT T

0dU U

Comme la vitesse de rotation est proportionnelle à Ec, on peut régler celle-ci en agissant sur α.

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U

K

D

CHARGE

C

Filtre passe-bas

Montage hacheur série

Si on désire disposer d’une alimentation continue réglable, la source de sortie doit être considérée, vu de la charge, comme une source de tension.

Or, en vertu des règles d’association des sources, il faut placer une inductance.

On peut placer un condensateur pour changer la nature de la source de sortie.

On parle alors d’alimentation à découpage.

L

On rappelle que tout signal x(t) est décomposable comme :

( ) ( ) ( )x t x t x t

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Montage hacheur série

Dimensionnement du filtre LC :

Conventions :

L’impédance d’un condensateur de capacité C notée Zc s’exprime par :

1cZ jC

Donc, la composante continue (ω=0) du courant ne circule pas dans le condensateur.

( ) ( )C Li t i t

L’inductance L se détermine comme pour une charge du type source de courant. 1U

ILf

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Montage hacheur série

Donc :

( )( ) . C

C

dv ti t C

dtOr :

1 1( ) . ( ). . ( ).C C Lv t i t dt i t dt

C C

1

2

2

1. ( ) ( )

TT

L LT T

Vs i t dt i t dtC

1

8 8 ²

UIVs

Cf LCf

max 32 ²

UVs

LCf

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Montage hacheur parallèle

Schéma de principe d’un hacheur parallèle

3 Phases possibles :

K est fermé, donc uK = 0

K est ouvert et il ≠ 0, donc uK = uD

K est commandé et il =0, donc uK = U

Conduction continue

On suppose les interrupteurs parfaits.

On suppose aussi que la capacité C est suffisamment élevée pour que uD(t)=constante=uD0

Conduction discontinue

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Montage hacheur parallèle

Phase 1 : 0 t T

Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants.

Condition initiale :

l minen t = 0; i (t) = I

Donc :

( )ldi tU ldt

min( ) Il

Ui t t

l

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Montage hacheur parallèle

Phase 2 : T t T

Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants.

Condition initiale :

l maxen t = T; i (t) = I

Donc :

Il faut que le courant diminue, il faut donc que :

0

( )lD

di tU l U

dt

0max( ) . ID

l

U Ui t t T

l

0DU U

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Montage hacheur parallèleFormes d’ondes des signaux :

Expression de la tension moyenne de sortie Ud0 :

( )1 1 1( ) . . . ( ) . ( ) ( 0) 0

car signal périodique en régime permanent

ll l l l

T T

di tv t l dt l di t i t T i t

T dt T T

Soit :

0 . 1( ) 0 dl

U T U U Tv t

T

Donc : 0 1

1dU

U

Si pas de pertes dans le CVS :

0

0

1d

l

I

I

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Montage hacheur parallèle

En théorie, la valeur moyenne de la tension de sortie est infinie pour α=1,

Mais en pratique elle est limitée, car l’étude à été menée avec des composants supposés parfaits. (voir TD)

Dimensionnement de l’inductance l :

min

0max

( ) . I

( ) . I

l

dl

Ui t t

lU U

i t t Tl

Phase 1 : 0 t T Phase 2 : T t T

Donc : 0 1d

l

UUI

lf lf

Ondulation du courant dans la source ∆Il :

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Montage hacheur parallèle

Dimensionnement de la capacité du condensateur C :

On tient compte désormais de l’ondulation de la tension ud(t). Cette ondulation est due à la composante alternative du courant dans la charge.

Pour , on a :0 t T max

0( ) .S

Idv t V t

C

Donc, en t=αT, on a : max

0( ) .S

Idv t T V T

C

Soit, en fait : 0max min

dS

IV V V

Cf

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Montage à conversion indirecte

VOIR TD

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