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BTS Electrotechnique (deuxième année)

Les Hacheurs 4 quadrants

CONVERTISSEURS CONTINU - CONTINU : HACHEURS et ALIMENTATIONS A DECOUPAGES

IV. HACHEUR EN PONT ou 4 QUADRANTS

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2. Etude du fonctionnement

2.1. Schéma du montage

Schéma du montage

Le montage est constitué d’une source de tension continue E réversible en courant, de l’induit d’une machine à courant continu (MCC) + son inductance de lissage L et de 4 interrupteurs électroniques K1, K2, K3, K4 commandés à l’ouverture et à la fermeture et bidirectionnels en courant.

La machine à courant continu est susceptible de fonctionner en moteur, le transfert d’énergie s’effectue alors de la source E vers la MCC, ou en génératrice, le transfert d’énergie s’effectue alors de la MCC vers la source E.

Les interrupteurs sont constitués d’un transistor ou d’un thyristor (GTO) + son circuit de commande, et d’une diode branché en antiparallèle qui permet d’assurer la possibilité du retour du courant.

2.2. Les 4 quadrants

les 4 quadrants

Les 4 quadrants de fonctionnement de la machine à courant continu dans le plan Ω = f (Tem) ou EM = f  (IC) sont donnés sur la figure ci-contre.

Quadrant 1 : la machine tourne en marche avant et fonctionne en moteur.

Quadrant 2 : la machine tourne en marche avant et fonctionne en génératrice.

Quadrant 3 : la machine tourne en marche arrière et fonctionne en moteur.

Quadrant 4 : la machine tourne en marche arrière et fonctionne en génératrice.

2.3. Les différents modes de commandes

2.3.1. Commande séquentielle

On ne fait travailler que deux interrupteurs :

Exemples :

Pour obtenir une tension uC > 0, on peut commander en permanence la fermeture de T3 :

Pour obtenir une tension uC < 0, on peut commander en permanence la fermeture de T2 :

Avantages :

Inconvénient :

2.3.1. Commande continue

C’est ce mode de commande qui est le plus souvent utilisé avec ce type de hacheur.

Les interrupteurs sont tous commandés à la même période selon le processus suivant :

Avantages :

Inconvénients :

2.4. Analyse du fonctionnement en commande continue

Pour 0 ≤ t < αT, on commande la fermeture de K1 et K3 donc uC = E :

Pour αT ≤ t < T, on commande la fermeture de K2 et K4 donc uC = - E :

2.5. Valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge

La forme de la tension de sortie est donc la suivante :

Chronogramme de la tension aux bornes de la charge

On calcul la valeur moyenne de la tension de sortie par la méthode des aires :

< u C > = A + A T

Avec            A+ = E.αT                   et                    A- = E.(1-α)T

Donc            < u C > = E . αT E . ( 1 α ) T T

<uC> = (2α - 1).E

Cette tension est donc réglable de – E à + E.

2.6. Chronogrammes

Chronogrammes pour α > ½ et la machine à courant continu fonctionnant en moteur : quadrant 1

Chronogrammes pour un fonctionnement dans le quadrant 1

Chronogrammes pour α < ½ et la machine à courant continu fonctionnant en moteur : quadrant 3

Chronogrammes pour un fonctionnement dans le quadrant 3

Chronogrammes pour α > ½ et la machine à courant continu fonctionnant en génératrice : quadrant 2

Chronogrammes pour un fonctionnement dans le quadrant 2

2.7. Fonctionnement dans les 4 quadrants

La tension aux bornes de la charge vérifie la relation :

                   uC = uL + uM

En passant aux valeurs moyennes :

                   < uC > = < uL > + < uM >

Or                < uL > = 0     donc :          < uC > = < uM >

De plus         <uC> = (2α - 1).E                  et                < uM > = EM + R.< iC > = KΦΩ + R.< iC >

On en déduit que la vitesse de rotation est donnée par la relation :

Ω = ( 2 α 1 ) . E R . < i C >

A charge constante (courant constant), il s’agit de l’équation d’une droite paramétrée par le rapport cyclique α.

On obtient donc les graphes suivants dans le plan Ω = f (Tem) ou EM = f  (IC) :

Plan couple vitesse

Pour positionner précisément le groupe moteur charge dans le plan Ω = f (Tem), il faut réaliser une régulation de vitesse par l’intermédiaire du paramètre α, mais aussi une régulation de courant comme nous allons le voir par la suite.

Pour démarrer le groupe à partir du point 0 jusqu’à une vitesse donnée Ω il faut augmenter le rapport cyclique, mais pas trop radicalement pour éviter les surintensités dans le moteur. C’est le rôle de la boucle de courant pour laquelle on définit une valeur maximale ICmax .

Ainsi le trajet OA sur le graphe ci-dessous est imposé par le réglage de la boucle de courant. Celle-ci assure aussi la régulation jusqu’au point B, puis la boucle de vitesse permet d’atteindre le point C.

A partir du point C, pour obtenir le freinage, il faut diminuer rapidement le rapport cyclique sans dépasser le courant max, la boucle de courant intervient de nouveau pour passer au point D, puis pour inverser le sens de rotation jusqu’au point E.

La régulation de vitesse permet de passer au point F.

La régulation de courant intervient de nouveau pour la phase de freinage de G à A puis 0.

Déplacement du point de fonctionnemment dans le plan couple vitesse lors d'un cycle complet

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Commentaires (6)

Bonjour,
Petite erreur au 2.4. Analyse du fonctionnement en commande continue
"Pour αT ≤ t < T, on commande la fermeture de K1 et K3 donc uC = - E :

Si iC > 0, le courant circule par D2 et D4.
Si iC < 0, le courant circule par T2 et T4."

On commande la fermeture de K2 et K4, et non de K1 et K3.
Merci pour les informations.
Cordialement
#1 - Jajajaja - 10/08/2017 - 09:09
@ Jajajaja
Bonjour,

Effectivement !

Je corrige au plus vite.

Merci pour votre aide.
#2 - Olivier - 10/15/2017 - 17:21
dans combien de quadrants,le hacheur peut-il-fonctionner à charge RL?
#3 - DJEMA Asma - 11/15/2017 - 20:46
@ Djema Asma
Bonjour,
Une charge RL n'étant pas capable de fournir d'énergie durablement, il n'y aura que 2 quadrants exploitables (quadrants 1 et 3).
#4 - Olivier - 11/17/2017 - 10:13
signe du courant Ic
Bonjour,
j'aimerai savoir s'il vous plait comment peut-on choisir le signe de Ic le courant circulant dans la charge ?
#5 - ajid - 12/09/2017 - 16:07
@ ajid
Bonjour,

Le sens du courant dans la charge est choisi arbitrairement. Celui-ci est bidirectionnel et peu changer de signe.
Cependant, à un système donné, on privilégiera le sens le plus fréquent. Par exemple, pour un hacheur 4Q alimentant une machine à courant continu fonctionnant le plus souvent en moteur dans un sens de rotation donné, on fléchera le courant tel que celui-ci soit positif dans le mode de fonctionnement considéré (de même pour la tension). Alors le courant sera négatif en frein dans le même sens de rotation ou en moteur dans le sens de rotation inverse.
#6 - Olivier - 12/09/2017 - 17:47
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