Chapitre 4 HACHEUR PARALLELE [PDF]

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CONVERTISSEURS DC/DC : HACHEURS

4 - HACHEUR PARALLÈLE 4.1.

Applications du hacheur parallèle

Les applications des hacheurs sont nombreuses : •

En forte puissance, ils interviennent comme organe de réglage de puissance électrique en continu généralement dans les systèmes de freinage de vitesse ou de couple de machines à courant continu. En effet, considérons un moteur à courant continu qui entraîne une forte charge, par exemple, un train. L'ensemble des parties mobiles, du fait de la masse et de la vitesse de celles-ci possède de l'énergie mécanique (énergie cinétique). Lors d'une phase de freinage, traditionnellement, cette énergie est convertie en chaleur pour être dissipée dans l'atmosphère : cette énergie est perdue. Il est plus intéressant de la convertir en énergie électrique et de envoyer celle-ci sur le réseau qui fournit le courant continu. On récupère ainsi de l'énergie. La machine à courant continu qui fonctionnait préalablement en moteur, est alors entraînée par sa charge dont elle convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Cette machine fonctionne alors en génératrice. Mais la fém E' de cette génératrice, dont la vitesse décroît puisque le groupe est en phase de freinage, est inférieure à la tension E qui alimentait le moteur. Pour assurer le transfert d'énergie électrique de la génératrice vers le réseau, il faut donc un convertisseur DC- DC élévateur de tension. La structure du hacheur parallèle permet ce transfert.

•

Ce type de hacheur peut être associer à d’autre convertisseurs pour contribuer à des conversions indirectes de type, continu-altrenatif (onduleurs).

•

En petite et moyenne puissance les problèmes se posent de manières différentes : Dans les alimentations de tension par exemple, le cahier des charges impose à la sortie du convertisseur une tension plus grandes et parfaitement continue avec un taux d’ondulation négligeable), l’entrée étant une source de courant constante (alimentation à découpage essentiellement utilisés pour alimenter qui équipent de nombreux appareils des laboratoires de recherches et des équipements électroniques sensibles).A la structure de hacheur de base viennent s’associer des éléments de filtrage ( une capacité).

4.2. Structure du hacheur parallèle. La charge est une source de tension E’ supposée constante. Le problème est comment obtenir une tension supérieure à celle de la source d’alimentation ? Dans le cas du hacheur série ; en hachant la tension de la source, on obtient une tension de récepteur inférieure et un courant supérieur à ceux de la source. Et si on hachait, le courant de la source, obtiendrait-on un courant inférieur et une tension supérieure (hacheur survolteur). Pour réaliser ce type de hacheur, on procède par plusieurs étapes : ! Première étape Transformer la source de tension d’alimentation E en source de courant Ie. Il suffit d’ajouter une inductance forte valeur en série avec E comme le montre la figure 4.1.

Figure 4.1

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CONVERTISSEURS DC/DC : HACHEURS ! Deuxième étape

Hacher le courant de source : Le principe consiste à interrompre périodiquement l’alimentation de la charge par la source du courant. Ce principe est illustré par le schéma de la figure 4.2. •

entre 0 et α T, court-circuiter la source ; le courant de sortie Is = 0.

•

entre α.T et T, envoyer le courant vers le récepteur ; Le courant de sortie Is = Ie.

On peut donc déduire la structure de base donnée par la figure 4.3

Figure 4.2

Le courant appliquée à la charge Is comporte :

•

une composante utile : la valeur moyenne : Ismoy = (1 – α) Ie

•

une composante parasite à la fréquence F = 1/T

Remarque : Pour le filtrage de la composante parasite, voir le chapitre sur les alimentations à découpage (montage Boost)

Figur 4.3 ! Troisième étape. •

Choisir les interrupteurs H et T :

1. H ne peut être une diode (il ne pourrait jamais s’ouvrir), H doit être déjà un interrupteur commandé à l’ouverture. Puisque on veut commander le rapport cyclique du montage # H il doit être commander à la fermeture. 2. T doit se fermer quand H s’ouvre pour ne pas ouvrir la source de courant d’alimentation. 3. T doit s’ouvrir quand H se ferme pour ne pas court-circuiter E’ T doit être commandé spontanément : on déduit que T ne peut être qu’une diode D. Vérification des conditions de commutation : Supposant que le courant d’entrée Ie constant : 1. Quand H s’ouvre, la tension aux bornes de la diode devient VD = E - L dIe/dt > 0 # La diode D conduit 2. Quand H se ferme, le courant Ie passe entièrement dans H (chemin de moindre résistance) et ID s’annule car VD = -E’

Finalement on trouve la structure du schéma du hacheur parallèle qui est représentée à la figure 4.4. Figure 4.4.

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CONVERTISSEURS DC/DC : HACHEURS ! Calcul de la tension de sortie E’.

.Le hacheur parallèle est un convertisseur qui conserve l’énergie qui se traduit par l’égalité des puissances d’entrée Pe et de sortie Ps en négligeant les pertes dans les interrupteurs on a : 1 T E (t ) Ie(t ) dt = E Ie moy = E Ie T ∫0 1 T Ps = ∫ E ' (t ) Is(t ) dt = E ' Is moy = E ' (1 − α ) Ie T 0 E On déduit donc la valeur de la tension de sortie : E ' = (1 − α ) Pe =

Puisque 0 ≤ αα≤ 1, alors E ≤ E’≤∞∞∞∞ .Le hacheur parallèle ne fonctionne que comme élévateur de tension. Il est un hacheur survolteur

4.3.

Etude du hacheur parallèle en mode continu.

En pratique la valeur de l’inductance L n’est pas infinie pour que le courant d’entrée Ie soit constant. Dans ce paragraphe, on va présenter deux cas réels du fonctionnement du hacheur parallèle à savoir. 1. Fonctionnement en mode continu. 2. Fonctionnement en mode discontinu.

! Analyse en mode continu (Fig 4.5). L'interrupteur H est fermé de t = 0 à t = αT, puis ouvert de αT à T, etc. • Dans la première phase, le générateur E ne débite plus dans la charge, c'est la phase de conduction de l’interrupteur H, La diode est bloquée, car elle est sous tension inverse. Le courant Is augmente de façon linéaire. • Quand H est ouvert, le générateur E alimente la charge. Le courant Ie ne peut s'arrêter à cause de la bobine et la diode D permet sa circulation. L'intensité décroît de façon linéaire. En régime permanent, l'intensité oscille entre une valeur Imin et une valeur Imax. Son expression sera calculée plus loin.

Caractéristiques du hacheur ! La valeur moyenne de la tension de sortie E’ La tension aux bornes de l’inductance L est dIe L =E pour 0 ≤ t ≤ αT dt dIe L = E − E ' pour α T ≤ t ≤T dt

Figure 4.5

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En régime permanent, Ie(t) est périodique et la valeur moyenne du terme L.dIe/dt est nulle, on déduit que la E valeur moyenne de la tension de sortie E’ est donnée par : E ' = (1 − α )

! Ondulation de courant d’entrée Ie Comme on l’a signalé au part avant ; le deuxième paramètre qui caractérise un hacheur est l ‘ondulation du courant définie par : ∆ Ie = I max − I min La résolution de l'équation différentielle ci-dessus permet de déterminer les expressions du courant Ie Ie(t ) = I min +

E t L E Ie(t ) = I ma + (t − α T ) L

pour pour

0 ≤ t ≤ αT

α T ≤ t ≤T

En écrivant que les deux expressions précédentes prennent la même valeur Imax à t = αT et la même valeur Imin à t = T, on peut déterminer Imax et Imin : E αT L E = I ma + (T − α T ) L

Iemax = I min + IeMin

D’ou l’ondulation du courant Is est : ∆ Ie = I ma − I min =

E αT L

! Choix de l’interrupteur H Pour le choix du type de l’interrupteur H,il doit être commandé à la fermeture et à l’ouverture. Le choix donc se porte sur Les transistors. En pratique, dans le domaine des petites et moyennes puissances (jusqu'à 10kHz), les interrupteurs électroniques sont réalisés à partir de transistors haute tension permettant des commutations (passage l'état bloqué à l'état passant et vice versa) à fréquence élevée : quelques kHz pour des transistors bipolaire NPN, 40 à 200kHz pour des transistors MOS. Pour les fortes puissances et en haute tension (jusqu'à 1kHz), les interrupteurs électroniques sont réalisés à partir des GTO (thyristor commandé à la fermeture et à l’ouverture) et les thyristors rapides avec un ajout de circuit d’extinction.

4.4.

Analyse en mode discontinu (Fig 4.1)

il y a 3 phases de fonctionnement. •

Dans la première phase ; l’interrupteur H est fermé de t = 0 à t = αT, le générateur E ne débite plus dans la charge, c'est la phase de conduction de l’interrupteur H, La diode D est bloquée, car elle est sous tension inverse. Le courant Is augmente de façon linéaire à partir de 0.

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•

Dans seconde phase de t = αT à t = βT, le générateur E alimente la charge. Le courant Ie ne peut s'arrêter à cause de la bobine et la diode D permet sa circulation. L'intensité décroît de façon linéaire jusqu'à 0.

•

Dans troisième phase de t= βT à T, le courant Ie reste nul, ce provoque le blocage de la diode D. La tension VH aux bornes de l’interrupteur n’est plus égale à E’ mais, VH devient égale à E.

Caractéristiques du hacheur ! La valeur moyenne de la tension de sortie E’ La tension aux bornes de l’inductance L est :

dIe =E dt dIe = E − E' L dt dIe =0 L dt L

pour

0 ≤ t ≤ αT

pour

αT ≤ t ≤β T

pour

βT ≤ t ≤ T

En régime permanent, Ie(t) est périodique et la valeur moyenne du terme L.dIe/dt est nulle, on déduit que la valeur moyenne de la tension de sortie E’ est donnée E par : E ' =  α 1 −   β

Figure 4.6

! Ondulation de courant d’entrée Ie. La résolution de l'équation différentielle ci-dessus permet de déterminer les expressions du courant Ie

Ie(t ) =

E t L

Ie(t ) = I ma + Ie(t ) = 0

E (t − α T ) L (β T − α T )

pour

0 ≤ t ≤αT

pour

α T ≤ t ≤ βT

pour

βT ≤ t ≤ T

D’ou l’ondulation du courant Is est :

∆ Ie = I ma − I min =

E αT L

! Choix de l’interrupteur H Pour le choix du type de l’interrupteur H,il doit être commandé à la fermeture et à l’ouverture. Le choix donc se porte sur Les transistors.

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Enfin nous pouvons faire les deus remarques concerna nant l’ondulation du courant (problème de filtrage) pour le hacheur parallèle : 1- Dans les deux cas qu’on vient d’étudier, pour diminuer l’ondulation ∆Ιs , il faut : •

réduire la période T, mais implique la diminution du rendement du hacheur car les pertes par commutation augmente.

•

augmenter L (introduire une inductance de lissage en plus en série) mais implique le problème d’encombrement.

2- Comme on l’a déjà signalé que le hacheur parallèle n’est utilisé en forte et moyenne puissance pour le freinage des moteurs à courant continu. Le problème se pose lorsque on désire un freinage à couple constant donc, à courant constant. En pratique on cherche à éviter le fonctionnement en mode discontinu soit en augmentant la fréquence de découpage ou soit l’ajout d’une inductance de grande valeur en série avec la machine qui dans le mode freinage fonctionne en génératrice.

4. 5.

Limite conduction continue /conduction discontinue

A la limite entre la conduction continue et discontinue, on a Imin = 0 et I max =∆Is ∆Ie =

E αT L

On peut montrer que le courant moyen de Is est Pour le mode discontinu, Imin = 0

Iemoy =

I max + I min ∆Is = I min + 2 2

Iemoy =

∆Ie E ααT == 2 2L

Remarque : Pour savoir de quel type de fonctionnement du hacheur , il suffit de comparer Iemoy par rapport à Imin. •

Si Iemoy > Imin implique le fonctionnement en mode continu.

•

Si Iemoy < Imin implique le fonctionnement en mode discontinu.

4.6. Exemple de la commande d’un hacheur utilisant un transistor MOS. Dans ce paragraphe on va présenter un exemple de commande en boucle ouverte utilisant un circuit intégré spécialisé pour la commande en PWM le TL 0494 présenté aux paragraphes précédents La figure 4.7 représente le schéma de commande du transistor Mos commandé par le circuit PWM TL494. Comme on l’a précisé, Le courant de sortie de l’AOP étant très faible (10 à 20 mA), insuffisant pour saturer un transistor bipolaire. Mais dans le cas d’utilisation du transistor MOS, il est largement suffisant pour saturer ce dernier type de transistor.

Remarques : ! Dans le cas d’utilisation d’un transistor MOS , il n’est pas nécessaire d’ajouter le circuit d’amplification (le montage classe A ou le Push-pull.

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! Comme on peut le constater, on a pas besoin d’aussi, des isolateurs ( opto-coupleurs) car, on a pas de problème de masse. ! Le circuit comporte une référence de 5 V, grâce à cette tension fixe et à l’aide d’un potentiomètre on peut faire varier le rapport cyclique donc la faire varier la tension de sortie E’. ! Ce circuit comporte aussi un générateur d’impulsions à fréquence de hachage réglable par une RT ou CT, un comparateur.

Figure 4.7 : schéma de commande d’un hacheur parallèle

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4.7.

Réversibilité en puissance

.Les hacheurs série et parallèle sont irréversibles en puissance. L’un peut transmettre une puissance d’une source de tension E vers un récepteur de tension Vs (Vs < E). L’autre peut transmettre une puissance d’une source de tension E vers un récepteur de tension Vs (VS = E’ > E). .Idée : Associer des hacheurs séries et des hacheurs parallèles pour obtenir un hacheur réversibles en puissance.

4.7.1.

Réversibilité en courant.

Le principe est d’associer un hacheur série et un hacheur parallèle pour obtenir un hacheur réversible en courant comme le montre la figure 4.8.

Figure 4.8.

! principe du Fonctionnement : On part du principe que les tensions E et E’ sont réversibles ( fonctionnement récepteurs et générateurs comme le cas des batteries), et la tension E < E’ :

! Quand Ie > 0, la puissance va de la source vers le récepteur : seul le hacheur dévolteur fonctionne ! Quand Ie < 0, la puissance va du récepteur vers la source : seul le hacheur survolteur fonctionne. Les tensions aux bornes de la source E et récepteur E’ sont toujours positives. Seuls les courants sans le récepteur IR et dans la source IS peuvent changer de sens ; on parle donc d’un hacheur réversible en courant c’est-à-dire :

! Quand on veut alimenter E’ (charger ) ; on garde l’interrupteur Ts ouvert et on commande l’interrupteur TD ( utilisation du hacheur série) pour transférer le courant de E vers E’. ! Quand on veut alimenter E (charger ) ; on garde l’interrupteur TD ouvert et on commande l’interrupteur TS ( utilisation du hacheur parallèle) pour transférer le courant de E’ vers E. EXEMPLES : 1. Charge et décharge d’une batterie de force électromotrice E ; lors de sa charge on utilise un hacheur série (dévolteur de tension). Lors de sa décharge on utilise un hacheur parallèle (survolteur de tension). 2. Variation de vitesse d’un moteur à courant continu et freinage ; la variation de vitesse se fait par le hacheur série par contre le freinage se fait part le hacheur parallèle.

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4.7.2.

Le hacheur réversible en tension et en courant.

Réversibilité le cas d'une machine à courant continu dont le flux est constant. Sur deux axes x et y de la figure 4.9, portons d'une part sur l’axe X, la vitesse angulaire Ω de la machine (ou sa fém E puisque E=K Ω , K désignant une constante) et d'autre part l'intensité I du courant qui la traverse (remarque : le moment du couple Tem=K I est moteur quand I est positif). Si la machine est un moteur de traction fonctionnant normalement dans le quadrant 1,

Figure 4.9 On doit pouvoir freiner celui-ci : au lieu d'utiliser pour cela des moyens mécaniques, on peut utiliser des moyens électriques qui économisent de l'énergie. Il suffit en effet de faire fonctionner la machine en génératrice, et, tant qu'elle tourne (E>0), de lui faire renvoyer de l'énergie dans sa source d'alimentation. La figure XII 4.9 montre alors que le courant change de signe et on passe dans le quadrant 2. Pour réaliser cette fonction, il suffit d’utiliser le hacheur précédant réversible en courant. Après la phase de freinage, on peut demander à la machine de reprendre son fonctionnement en moteur, mais avec un sens de rotation différent du premier : fonctionnement dans le cadrant 3 ( Ω < 0 et Tem < 0). Donc, on doit alimenter le moteur par une tension négative, il faut donc un convertisseur capable de fournir à la machine une tension négative à partir d’une tension d’alimentation positive. Et si on veut freiner à nouveau le moteur, il suffit en effet de faire fonctionner la machine en génératrice, et, tant qu'elle tourne (E < 0), de lui faire renvoyer de l'énergie dans sa source d'alimentation. La figure ci-dessus montre alors que le courant change de signe et on passe dans le quadrant 4.

Pour faire fonctionner le moteur dans les quatre quadrants, il faut un convertisseur réversible en courant (mode freinage) et en tension (changement du sens de rotation). La figure 4.10 donne le schéma d’un hacheur capable de réaliser cette fonction.

4.7.3.

Hacheur réversible (quatre quadrants)

Il s'agit d'un hacheur abaisseur dans lequel le transfert de puissance peut se faire dans les deux sens (la charge peut aussi fonctionner en génératrice) et qui permet de fournir une tension positive ou négative. La tension Vs et l'intensité Is peuvent avoir un signe quelconque, le point de fonctionnement peut se trouver n'importe où dans le diagramme (Vs, Is), d'où la dénomination quatre hacheur quadrants. Cela permet, lorsqu'on alimente un moteur à courant continu, de le faire tourner dans les deux sens et également de le faire fonctionner en génératrice et, par exemple, de récupérer de l'énergie électrique pendant les freinages.

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Schéma du montage

Figure 4.10.

Le montage est composé de deux hacheurs dévolteurs et deux survolteurs. Il s'agit d'un montage en pont, à quatre interrupteurs commandés en parallèles avec quatre diodes. S'il s'agit de thyristors, ceux-ci doivent être munis d'un système d'extinction, c'est ce qui est symbolisé sur le schéma par le deuxième trait à côté de la gâchette. Remarque : La charge est flottante, elle n'a aucune liaison directe avec un pôle du générateur.

! Principe de fonctionnement Pour un fonctionnement dans un cadrant donné, deux des quatre interrupteurs restent toujours bloqués (même si on leur envoie des commandes d’amorçage), les deux autres fonctionnent simultanément et sont ouverts et fermés ensemble et périodiquement. Comme on va le montrer ; pour pouvoir fonctionner de la machine à courant continu dans les 4 quadrants, il suffit de faire varier le rapport cyclique α des interrupteurs.

Remarque : en pratique et pour la facilité de réalisation du circuit de réglage, on commande simultanément T1 et T4, et à l’ouverture de ces derniers, on ferme les autres interrupteurs T3 et T4 pour ne pas court-circuiter la source d’alimentation E. Par contre la continuité du courant inductif Is ( ne pas ouvrir une source de courant) est assurée par les 4 diodes (D1,D2, D3 et D4). Ce principe de commande et illustré par les figure 4.10-a et 4.10-b dans lesquelles tm désigne le temps mort qui est négligeable devant la période de découpage T du hacheur (tm0.5 ; Vs moyenne > 0 La figure 4.10-b ci-dessous : représente le cas ou α < 0.5 ; Vs moyenne < 0.

Figure 4.10-a : cas ou α < 0.5 ; Vs moyenne > 0

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Figure 4.10-b : cas ou α < 0.5 ; Vs moyenne < 0

! Cas 1 : fonctionnement de la machine à courant continu en moteur ( sens de rotation droite).

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Fonctionnement dans le cadrant 1 (fig 4.11-a). Etudions le cas où ce sont T1 et T4 qui fonctionnent et où E’ est positif et inférieur à E. Nous faisons l’hypothèse

d’un

courant

ininterrompu

(fonctionnement en mode continu , la résistance de l’induit R est négligeable ). de t = 0 à t = αT, les deux interrupteurs T1 et T4 sont fermés. La tension aux bornes de la charge Vs = E et le courant de sortie Is augmente. Le courant d’entrée Ie >0 et augmente aussi à partir de Imin.

Remarque : Dans cette phase le moteur fonctionne dans le quadrant 1, (sens de rotation droite) de t = αT à t = T, les quatre interrupteurs sont ouverts. Le courant Is dans la charge reste positive à cause de la bobine de lissage, et le courant passe par les diodes D2, D3 et par le générateur. Dans cette phase, la charge restitue de la puissance au générateur, c’est une phase de récupération (les diodes sont appelées diodes de récupération). Dans cette phase de fonctionnement, le courant Is reste positif, mais diminue. Par contre Le courant d’alimentation change de sens Ie = - Is.

Remarque : Dans cette phase le moteur fonctionne toujours dans le quadrant 1 , mais c’est la phase de transition du passage

du fonctionnement dans le

quadrant 1 au quadrant 2 de la figure 4.9.

Figure 4.11-a

! Cas 2 : fonctionnement de la machine à courant continu en moteur ( sens de rotation gauche).

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Fonctionnement dans le cadrant 3 (fig 4.11-b). Etudions le cas où ce sont T2 et T4 qui fonctionnent et où E’ est positif et inférieur à E. Nous faisons l’hypothèse d’un courant ininterrompu (fonctionnement en mode continu , la résistance de l’induit

R est

négligeable ). de t = 0 à t = αT, les deux interrupteurs T1 et T3 sont commandés mais c’est les diodes D1 et D3 qui conduisent. La tension aux bornes de la charge Vs = E et le courant de sortie Is augmente. Le courant d’entrée Ie