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Auteur(s)
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François BERNOT : Ingénieur de l’École supérieure d’électricité - Docteur en sciences pour l’ingénieur - Professeur des universités à l’École d’ingénieurs de Tours
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Précisons tout de suite que le terme hacheur représente la classe des convertisseurs continu/continu. Ils peuvent être modulés en MLI (modulation de largeur d’impulsions) ou en MPI (modulation de position d’impulsions), en anglais respectivement PWM (Pulse Width Modulation) et PPM (Pulse Position Modulation).
D’un point de vue structurel, un onduleur MLI triphasé sera constitué de six hacheurs simples continu/continu, regroupés en trois hacheurs réversibles du même type. Il est donc important de bien comprendre le fonctionnement des hacheurs, avant d’aborder celui des onduleurs traité dans un autre article.
Le hacheur est indispensable lorsque la source est continue (batterie, caténaire...). Mais il est aussi largement utilisé en robotique industrielle (alimentation secteur + redresseur), car sa fréquence de découpage élevée donne un motovariateur à bande passante large.
L’article [E 3 964] a pour objet l’étude du fonctionnement des hacheurs abaisseurs et élévateurs de tension à un quadrant, dont sera déduit le fonctionnement du hacheur de tension réversible dans deux et quatre quadrants. Les autres variantes de hacheurs sont abordées rapidement : à stockage intermédiaire, isolés, résonants...
La modélisation fine des accessoires des structures rencontrées, ainsi que leur commande font l’objet de l’article Hacheurs : filtres, commutations et commande.
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Hacheur élévateur à un quadrant
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1. Hacheur abaisseur à un quadrant
Le schéma structurel du hacheur abaisseur à un quadrant est donné sur la figure 1.
Ce hacheur utilise un couple transistor-diode (T1-D1 ), qui connecte périodiquement la source de tension vers la charge inductive. L’énergie transite de façon unidirectionnelle depuis la source de tension vers la charge, comme l’indique le quadrant de fonctionnement représenté dans le plan (Vs , Is ) de la figure 1.
Nous allons introduire notre étude par l’image d’un barrage hydraulique, dont le fonctionnement rappelle celui de notre dispositif. Cette analogie a ses limites, mais elle évoque correctement le fonctionnement envisagé.
1.1 Analogie hydraulique
Le barrage hydraulique représenté sur la figure 2 est composé d’un réservoir supérieur qui accumule de l’énergie potentielle, d’une conduite qui véhicule l’eau et d’une turbine qui produit de l’énergie cinétique ; un alternateur pourrait ensuite transformer cette énergie en électricité.
Nous avons « amélioré » ce dispositif en y incluant une vanne de régulation du débit tout ou rien. Ce robinet à découpage contrôle ainsi la puissance fournie, sans gaspiller l’énergie précieuse accumulée plus haut.
La figure 3 illustre le fonctionnement de ce hacheur hydraulique.
Lorsque la vanne est ouverte, l’eau transite directement dans la turbine. L’énergie cinétique reçue est alors égale, aux pertes de charge près, à l’énergie potentielle fournie.
Si le clapet est maintenant coupé, la source se retrouve dans un état de puissance nulle, ainsi que la turbine. Mais les énergies cinétiques de l’eau et de la roue doivent être maintenues, sous peine d’un « coup de bélier » destructeur. C’est le rôle du clapet de décharge (diode) qui autorise une circulation continue de l’eau. Ainsi, la turbine reste en eau et ne cavite pas.
Si nous commutons régulièrement entre ces deux états, avec une périodicité inférieure aux constantes de temps du système, la turbine verra un débit d’eau équivalent à celui qui aurait été obtenu avec une vanne à ouverture...
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