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## LE HACHEUR

Page tirée du site Philippe Boursin /Pedagogie /Voiture electrique /Le hacheur.htm

I. PRINCIPE I.1. Charge résistive Imaginons une source à tension continue constante (une batterie d’accumulateurs par exemple), de tension y, alimentant une résistance R par l’intermédiaire d’un interrupteur qui s’ouvre et se ferme très rapidement, on est en présence d’un hacheur de courant (fig. 1). L’interrupteur est remplacé dans la réalité par un thyristor ou un transistor. T période ; T1 temps de fermeture ; T2 temps d’ouverture. fig. 1. Principe du hacheur. La tension Uc aux bornes de la résistance peut prendre deux valeurs : - lorsque H est ouvert, à l’état 0, Uc = 0 ; aucun courant ne circule. - lorsque H est fermé, à l’état 1, Uc = V ; un courant = V/R circule. Selon la durée de fermeture par rapport à la durée totale de la période, la tension moyenne (Uc moy) pourra varier de 0 à V (fig. 2). fig. 2. Variation de la tension moyenne Soit T, la période ; on nomme T1 la durée de fermeture et T2 la durée d’ouverture. Si on pose T1 = a.T, a représentant la durée de fermeture par rapport à la durée de la période, on a :
| durée de fermeture |  | T1
a = | --------------------------- | = | --- | la tension moyenne est Uc = a . V
| durée de la période |  | T
I.2. Charge sur un moteur (R, L, E) Il est nécessaire d’ajouter une diode de roue libre au montage précédent ; en son absence, on observerait des surtensions importantes à l’ouverture et à la fermeture de H. Le moteur possède toujours une force électromotrice E’, une résistance d’induit et une inductance interne (fig. 3). fig. 3. Alimentation, d'un moteur par un hacheur L’intensité dans le circuit est périodique et varie entre deux valeurs, plus ou moins éloignées selon la valeur du rapport de conduction. En régime de fonctionnement continu, on a T > L/R.
| T1
La tension moyenne est : Umoy = | ----- | .V = a . V = E’ + R . Imoy
| T
| a . V - E'
L’intensité moyenne est : Imoy = | --------------
| R

II. MONTAGE DES HACHEURS II.1. Hacheur série Il s’agit du type de montage déjà étudié au paragraphe I. Ce type de hacheur permet de faire varier la tension entre 0 et une valeur V donnée, selon la largeur a, d’impulsion. On l’appelle aussi dévolteur. II.2. Hacheur parallèle ou survolteur Ce type de montage permet notamment d’effectuer un freinage par récupération avec un moteur à courant continu. Dans ce cas, le hacheur est monté en parallèle avec le moteur (fig. 4). fig. 4. Hacheur en montage parallèle. a. Fonctionnement Lorsque l’interrupteur H est fermé, le courant Im augmente, et une certaine quantité d’énergie est emmagasinée dans l’inductance L. Lorsque l’interrupteur H s’ouvre, l’énergie de l’inductance se dirige vers la source à travers la diode D. b. Conséquences du montage parallèle - Pour que le moteur fournisse de l’énergie à la source, il faut qu’il se transforme en génératrice et que la tension Um soit supérieure à la tension V de la source. - En cas de moteur série, il faut inverser le sens du courant dans l’enroulement d’excitation pour créer un flux de même sens. - Enfin, il faut que la source accepte le courant en retour ; ce n’est pas le cas avec un redresseur par exemple. II.3. Hacheur réversible En associant un hacheur série comportant H1 et D1 (fig. 5) et un hacheur parallèle formé de H2 et D2, on obtient un montage survolteur-dévolteur. fig. 5. Montage survolteur-dévolteur.

III. HACHEUR À THYRISTORS Les hacheurs à thyristors sont les hacheurs les plus couramment utilisés, car ils peuvent contrôler des courants intenses et des tensions élevées. Toutefois, ils sont difficiles d’emploi car, si l’amorçage par la gâchette est facile, la coupure du courant nécessite un passage à zéro de la tension aux bornes du thyristor ou la création d’une tension inverse sur la cathode (fig. 6). fig. 6. Circuit hacheur à deux thyristors. Schéma d’un circuit de blocage a. Fonctionnement (fig. 7) - Au départ (fig. 7 a) à l’instant 0, Th1 est bloqué, C est chargé à + E, D1 conduit (voir fig. 6) ; le moteur débite sur la diode u = 0 V. b. Amorçage de Th1 (fig. 7b) - On passe de 0 à T1, Th1 est conducteur le courant I passe par Th1 ; de plus, il y a établissement du circuit D, L, C, Th1 ce qui provoque la décharge C et le charge en sens inverse (circuit LC). - En fin de charge de C, la diode D interrompt le circuit. - C est chargé en sens inverse (- E). c. Extinction de Th et charge de C (fig. 7c) -L’amorçage de The (thyristor d’extinction) à l’instant a.t provoque au point A une tension + 2E ; Th1 se trouve à une tension inverse entre anode et cathode et se désamorce. - Le courant I passe par C, The et le circuit moteur ; il charge linéairement le condensateur. La tension aux bornes du condensateur atteint la valeur uc = + E. d. Conduction de DL (fig. 7d) A l’instant T2, la tension u s’annule et tend à devenir négative. La diode D1 devient conductrice, elle bloque The et assure le passage du courant i. A l’instant T, un nouveau cycle peut commencer. En résumé Pour bloquer le thyristor principal, on utilise la décharge d’un condensateur dans un circuit oscillant comportant une inductance et une diode. Il faut charger ce condensateur, inverser sa tension et l’appliquer à la cathode du thyristor dont on veut provoquer l’extinction. fig. 7. Fonctionnement d’un hacheur à thyristors.

IV. HACHEURS À TRANSISTOR L’apparition de transistors de puissance sur le marché a ouvert de nouvelles voies pour la modulation de l’énergie. On peut réaliser des transistors de puissance ayant un courant de collecteur 200 A et supportant une tension inverse pouvant atteindre 1 000 V IV.1. Montage hacheur à transistor série Ce montage permet d’obtenir des fréquences de hachage beaucoup plus importantes qu’avec des thyristors et ne nécessite pas de circuit d’extinction. En revanche, un circuit d’aide à la commutation (CALC) est nécessaire pour permettre une commutation plus rapide, donc un meilleur rendement (fig. 8). fig. 8. Hacheur à transistor. IV.2.Circuit d’aide à la commutation (CALC) Le CALC (fig. 9) permet, par sa mise en conduction, de ralentir la croissance de la tension VCE et, par son blocage, de ralentir la montée du courant IC (fig. 10). L’inductance L ralentit la croissance de IC, le circuit D2-R2 permet d’éviter les surtensions à la coupure du courant. Le condensateur C se charge à l’ouverture du transistor par le circuit D1-C ; le condensateur C se décharge par R1 lorsque le transistor est saturé. - fig. 9. Circuit d’aide à la commutation. - fig. 10. Intervention de l’aide à la commutation. Exemple Pour une fréquence de hachage de 10 kHz, VCE0 400 V et Icm 60 A. On prendra C = 20 nF - 150 V et R = 25 W 10 W avec une diode Dl ESM 765-600. IV.3. Circuit de commande de base (CCB) Le circuit de commande de base (CCB) assure l’isolement du circuit de puissance et un courant de base suffisant. Il est réalisé à l’aide d’un générateur d’impulsions auquel on ajoute un système amplificateur, car les transistors de puissance en commutation ont un gain en amplification relativement faible de 5 à 10 au maximum.

V. COMMANDE DE MOTEUR PAR HACHEUR V.1. Moteur avec un sens de rotation a. Sans freinage (fig. 11) Le moteur est monté en série avec le hacheur ; il possède une diode de roue libre à ses bornes pour éviter les surtensions à l’ouverture du thyristor. fig. 11. Hacheur série avec moteur. b. Fonctionnement avec freinage par récupération Dans le cas d’un fonctionnement en moteur (fig. 12), le moteur est alimenté par Th1 et la diode D2 assure la fonction de roue libre. - Th1 hacheur dévolteur ; - D2 diode de roue libre ; - Th2 hacheur survolteur ; - D1 diode de récupération. fig. 12. Fonctionnement en moteur. c. Fonctionnement en freinage avec récupération (fig. 13). Il y a conduction de Th2 et Dl. - Lorsque Th2 est fermé, le courant augmente; - Lorsque Th2 est ouvert, le courant circule de Dl vers la source. fig. 13. Fonctionnement en freinage avec récupération. V.2. Moteur avec deux sens de rotation et freinage â récupération a. Fonctionnement en moteur (fig. 14) Lorsque les transistors T1 et T4 sont fermés (non-passants), le moteur est alimenté dans un sens ; si l’on ouvre T4, la diode de roue libre D3 et le circuit se referment par T1. fig. 14. Marche en moteur. b. Fonctionnement en freinage (fig. 15) Lorsque T2 est fermé (non-passant), le courant augmente en passant par T2 et D4 (circuit fléché en bleu) ; lorsque T2 s’ouvre (passant), le courant se referme par D1, E et D4. fig. 15. Marche en freinage avec récupération. Remarque La source ne doit pas présenter de diode en sens inverse. Le fonctionnement dans l’autre sens de rotation est parfaitement symétrique. V.3. Choix d’un hacheur pour moteur à courant continu Le choix d’un hacheur est fonction de la nature de la source, en général une batterie d’accumulateurs, et de l’utilisation que l’on veut faire de ce hacheur. Le plus souvent, on l’utilise pour effectuer une traction électrique (chariot de manutention, voiture électrique, locomotive par exemple). En tenant compte de ces deux paramètres, on réalise des hacheurs adaptés aux tensions et aux puissances employées. Les hacheurs à transistor sont utilisés pour des puissances allant jusqu’à 10 kW. Pour les fortes puissances, on a recours aux thyristors, en particulier pour les locomotives électriques.