UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
Filière : GENIE INDUSTRIEL
Département : Génie Mécanique et Productique
Département : Génie Electrique
Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur
Présenté par : RAKOTOARIVONY Herisoa
Encadré par M.ANDRIATSIHOARANA Harlin Samuel
Année universitaire : 2000-2001
Date de soutenance : mardi 15 janvier 2002.
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ALIMENTATION A VITESSE VARIABLE D’UN MOTEUR A COURANT
CONTINU PAR HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
Filière : GENIE INDUSTRIEL
Département : Génie Mécanique et Productique
Département : Génie Electrique
Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur
Présenté par : RAKOTOARIVONY Herisoa
Membre de jury :
• Président : Monsieur Solofomboahangy ANDRIAMITANJO
• Chef de département Génie Electrique, E.S.P.A
• Rapporteur : Monsieur ANDRIATSIHOARANA Harlin Samuel
• Examinateurs : Monsieur RAVALOMANANA Solofonirina Olivier
Monsieur RAJAONARIVELO Jean André
Monsieur RAKOTONIAINA Solofo Hery
Enseignants à l’E.S.P.A
Date de soutenance : mardi 15 janvier 2002.
Lieu : salle n°23 Bloc Technique Ankatso
Année universitaire : 2000-2001
ALIMENTATION A VITESSE VARIABLE D’UN MOTEUR A COURANT
CONTINU PAR HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
«««« Heureux ceux qui ont le cœur Heureux ceux qui ont le cœur Heureux ceux qui ont le cœur Heureux ceux qui ont le cœur
pur, car ils verront Dieupur, car ils verront Dieupur, car ils verront Dieupur, car ils verront Dieu !!!! » » » »
MatthieuMatthieuMatthieuMatthieu : 5.6: 5.6: 5.6: 5.6
Mémoire de fin d’études
REMERCIEMENTS D’abord, je loue mon Dieu, le Seigneur de tout mon être, de m’avoir donné la
force ; la santé et le courage…pour que je puisse mener à terme ce travail.
J’adresse mes vifs remerciements à :
- Monsieur Benjamin RANDRIANOELINA Directeur de l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo d’avoir accordé ma candidature au sein
de cette formation d’Ingénieurs. Soyez remercié !
- Monsieur Solofomboahangy ANDRIAMITANJO, chef de département
Génie Electrique qui nous a formé ; m’a guidé tout au long de mes cinq années
d’études. Que Monsieur le chef de département soit également remercié pour bien
vouloir présider le jury de ce présent mémoire.
- Monsieur ANDRIATSIHOARANA Harlin Samuel, enseignant à l’E.S.P.A,
qui n’est autre que le rapporteur du présent mémoire. Vous avez consacre une
grande partie de vos précieux temps pour me guider tout au long de l’élaboration
et de la réalisation de ce mémoire. Veuillez accepter ma gratitude !
- Aux membres du jury en personnes de :
• Monsieur RAJAONARIVO Jean André
• Monsieur RAVALOMANANA Solofonirina Olivier
• Monsieur RAKOTONIAINA Solofo Hery
Enseignants à l’E.S.P.A
Qui ont jugé la forme et le fond de cet ouvrage malgré leurs
occupations socioprofessionnelles.
- Enfin , j’ai une pensée pleine de gratitude à mes chers parents ; à tous
les membres de ma famille, ainsi qu’à mes amis et collègues qui m’ont toujours
encouragé dans mes études
QUE DIEU VOUS BENISSE !
Herisoa
Mémoire de fin d’études
PRESENTATION DU SUJET
ETUDE THEORIQUES :
Les équations relatives au MCC
Les variateurs de vitesse d’un MCC
Les différents types de hacheurs
Fonctionnement du hacheur à thyristors
TRAVAUX DEMANDES :
Conception et réalisation d’un circuit de commande
Réalisation du hacheur
Essais et mesures
TITRE : « ALIMENTATION A VITESSE VARIABLE
D’UN MOTEUR A COURANT CONTINU PAR
Mémoire de fin d’études
SOMMAIRE
PRESENTATION DU SUJET
I.INTRODUCTION ------------------------------------------------------------------------------ 1
II LES EQUATIONS RELATIVES AU MCC ---------------------------------------------- 2
II.1 GENERALITES ............................................................................................................... 2
II.2 EQUATIONS GENERALES ......................................................................................... 4 II.2.1 Expression de la f.é.m : .................................................................................. 4
II.2.2 Equation de tension:....................................................................................... 4
II.2.3 Expression générale du couple : .................................................................... 5
II.2.4 Différents types de MCC ............................................................................... 6
II.2.4.1 Moteur shunt et moteur à excitation séparée ................................. 6
II.2.4.2 Moteur série ................................................................................... 6
II.2.5 La vitesse de rotation : ................................................................................... 7
II.2.6 Conclusion : ................................................................................................... 7
III VARIATION DE LA VITESSE DE ROTATION DES MCC ------------------------ 8
III.1 VARIATION PAR RESISTANCE OU REGLAGE RHEOSTATI QUE : ................ 8
III.2 VARIATION PAR LE FLUX: ...................... ................................................................ 9
III.3 VARIATION PAR LA TENSION D'INDUIT: .......... ................................................ 10
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS --------------------------------------- 12
IV.1 DEFINITION: ............................................................................................................... 12
IV.2 ETUDE DE QUELQUES MONTAGES: .................................................................... 12
IV.2.1 Les hacheurs directs: .................................................................................. 13
IV.2.1.1 Le hacheur série: ........................................................................ 13
IV.2.1.2 Le hacheur parallèle: ................................................................. 16
IV.2.1.3 Hacheurs réversibles en courant: ............................................... 19
IV.2.1.4 Le hacheur en pont: .................................................................... 20
IV.2.2 Les hacheurs à liaison indirecte ou à accumulation: .................................. 24
IV.2.2.1 Le hacheur à stockage inductif: .................................................. 24
IV.2.2.2.Le hacheur à stockage capacitif: ................................................ 27
IV.3 ONDULATION DU COURANT CONTINU ................ ............................................. 30
Mémoire de fin d’études
IV.4 LES SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE UTILISES .................................... 34
IV.4.1 Diode ; ........................................................................................................ 34
IV.4.2 Thyristor (ou diode commandée) ............................................................... 35
IV.5 CONCLUSION: ............................................................................................................ 37
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS -------------------------- 38
V.1 phenomene de commutation forcee (ou commandee): .................................. 38
V.2 schema equivalent d'un abaisseur a commutation forcee periodique: ........ 40
V.3 les divers etats de conduction du contacteur statique .................................... 42
V.3.1 Enclenchement : .......................................................................................... 42
V.3.2 Déclenchement : .......................................................................................... 44
V.3.3 Remarque : charge initiale du condensateur d'extinction ............................ 46
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE -------------------- 48
VI.1 Calculs des temps d'enclenchement et de déclenchement [4] ...................... 48
VI.1.1 Le temps d'enclenchement: t"e: .................................................................. 48
VI.1.2 Le temps de déclenchement: t"d ................................................................. 50
VI.2 DIMENSIONNEMENT DU CIRCUIT DE BLOCAGE: ....... ................................... 52
VI.2.1 Temps de protection: .................................................................................. 52
VI.2.2 L’expression de C: ..................................................................................... 53
VI.2.3 L'expression de Lc ...................................................................................... 54
VI.2.4 applications numériques: calcul de Lc et C ................................................ 54
VI.3 DETERMINATION DE LA FREQUENCE D'OPERATION: ... ............................. 58
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE ------------------------ ------------------------------- 59
VII.1 PRINCIPE: .................................................................................................................. 59
VII.2. SCHEMA FONCTIONNEL :.................................................................................... 60
VII.3 CHRONOGRAMMES: .............................................................................................. 61
VII.4 ETUDE DE CHAQUE CELLULE ............................................................................ 62
VII.4.1 Obtention du signal rectangulaire: (a) ....................................................... 62
VII.4.2 Le détecteur de flancs montants: ............................................................... 62
VII.4.3 Détecteur des flancs descendants: ............................................................. 63
VII.4.4 Amplification par les transformations d'impulsions: ................................ 64
VIII CONCLUSION ----------------------------------- ---------------------------------------- 65
ANNEXES --------------------------------------------------------------------------------------- 66
BIBLIOGRAPHIE ------------------------------------- ---------------------------------------- 83
Mémoire de fin d’études
LISTES DES ABREVIATIONS
CS :Contacteur Statique
Db :Diode de blocage
f.é.m :force électromotrice
GTO: Gate Turn Off
Ta :Thyristor auxiliaire
Tp :Thyristor principal
PME /PMI : Petites et moyennes Entreprise /Industrie
[ ] ou * : renvoi et référence bibliographique
I INTRODUCTION
Mémoire de fin d’études
1
I.INTRODUCTION
Pendant plusieurs années, on avait utilisé dans certaines applications
industrielles des systèmes mécaniques pour varier ou régler la vitesse des moteurs
électriques. Cette technique est malheureusement difficile, surtout pour le cas des
Moteurs à Courant Continu dont la tension qu’on dispose est continue et fixe.
Vu l’évolution de la technologie actuelle, des meilleures solutions ont été
apportées par ″ l’Electronique de puissance. ″.Grâce à la mise au point des semi-
conducteurs de puissance (transistors, diodes, thyristors….), le convertisseur conçu est
fiable, moins encombrant et insensible aux vibrations mécaniques….
Dans ce projet, il s’agit plus particulièrement d’étudier et de réaliser un hacheur
à thyristors pour l’alimentation à vitesse variable d’un Moteur à Courant Continu.
Pour cela, ce présent mémoire a été subdivisé en plusieurs chapitres
interdépendants dont on peut regrouper encore en trois parties :
-La partie concernant les rappels sur les M.C.C.
-La partie concernant les études théoriques sur les hacheurs
-La partie concernant la conception et la réalisation.
II.LES EQUATIONS RELATIVES AU M.C.C
Mémoire de fin d’études
2
II LES EQUATIONS RELATIVES AU MCC
II.1 GENERALITES
Les moteurs à courant continu" (MCC) sont des machines tournantes
transformant l'énergie électrique en énergie mécanique. C'est alors un "convertisseur
électromécanique.
-Représentation normalisée d'un MCC :
Figure II.1 : Représentation normalisée d'un MCC
-Description:
Un MCC est composé de:
Un circuit magnétique comportant une partie fixe : "le stator"; et une
partie tournante: "le rotor".
Une source de champs magnétiques (inducteur) Cette source peut être :
un courant et le circuit magnétique porte alors deux circuits électriques,
elle peut être aussi constituée d'aimants permanents, dans ce cas le circuit
magnétique porte un bobinage unique (l'induit.
Un collecteur qui, associé aux balais permettant de relier le circuit
électrique rotorique à un circuit extérieur à la machine. L'ensemble balais-
collecteur assure une fonction de redressement.
II.LES EQUATIONS RELATIVES AU M.C.C
Mémoire de fin d’études
3
Encoche pour les
conducteurs de
l'induitCollecteur
et balais
Rotor (induit)
Bobinage d'excitation
Stator (inducteur)
Entrefer
Figure.II.2 :Coupe schématique d'un MCC à bobines inductrices
-caractéristiques : les propriétés de tous les moteurs sont déterminées par
l’ensemble de caractéristiques suivantes :
Caractéristiques de démarrage
Caractéristiques de fonctionnement mécanique
Caractéristiques de freinage et inversion du sens du moteur
Caractéristiques de réglage
Ce dernier nous permet d’étudier à la chapitre III les différents modes de
variations de la vitesse d’un MCC
II.LES EQUATIONS RELATIVES AU M.C.C
Mémoire de fin d’études
4
II.2 EQUATIONS GENERALES [5]
II.2.1 Expression de la f.é.m :
La force électromotrice développée par un moteur à courant continu peut
s'exprimer comme la formule ci-après :
Φ= nNa
pE
2
2 (II.01)
Avec : 2p : C'est le nombre de pôles de l'inducteur
2a : Nombre de voies en parallèle de l'enroulement de l'induit
n : nombre de conducteurs actifs (au nombre de brins actifs)
N : vitesse de rotation en tour par seconde [tr/s]
φ : le flux utile par pôle exprimé en Weber [Wb]
Ce flux est produit par le courant d'excitation (Ie = (Ve/R)
NB : Ici, la réaction d'induit est compensée, sinon quand le moteur est en charge,
la formule (II.01) devient :
)(2
20 ∆Φ−Φ= nN
a
pE (II.02)
Où ∆φ c'est la réduction due à la réaction d'induit crée par le bobinage de l'induit
parcouru par un courant i.
Φ0 c’est le flux utile dû au seul inducteur
II.2.2 Equation de tension:
Soit U la tension appliquée à l'armature (ou induit) du moteur:
On a d'après la loi d'Ohm:
U = E + ra I (II.03)
Où ra: c'est la résistance totale du circuit parcourue par le courant I.
II.LES EQUATIONS RELATIVES AU M.C.C
Mémoire de fin d’études
5
E
I
U
Figure II.3
Remarquons qu'en basse tension, la chute de tension eB aux contacts balais –
collecteurs n'est pas négligeable, et la tension U devient :
U = E + (raI + eB) (II.04)
II.2.3 Expression générale du couple :
En multipliant l'équation (II.3) par I, on obtient :
UI = EI + raI² (II.05)
On en déduit :
P = UI: la puissance absorbée par l'induit.
Pj = ra I2 : les pertes joules.
La différence Pe = P – Pj = EI est la puissance électrique transformée
intégralement en puissance mécanique appelée "puissance électromagnétique". Ce qui
donne naissance au "couple électromagnétique".
a
pnKKI
n
EI
n
PC e
e 22
2où (II.06)
22 πππ=Φ=== (II.07)
Réellement, "le coupe utile" Cm ou "couple moteur" est la différence entre le
couple électromagnétique Ce et le couple de pertes Cp qui sont d'une part les pertes fer
(hystérésis et courant de Foucault), d'autre part, les pertes mécaniques (frottements et
ventilations).
Cm = Ce – Cp (II.08)
Mais pratiquement, le couple Cp dépend de la vitesse et peut être négligeable par
rapport au couple électromagnétique Ce. Ainsi peut-on écrire que:
Cm ≅ Ce = KIφ (II.09)
II.LES EQUATIONS RELATIVES AU M.C.C
Mémoire de fin d’études
6
II.2.4 Différents types de MCC
II.2.4.1 Moteur shunt et moteur à excitation séparée
Figure.II.4.a :Moteur à excitation séparée Figure.I I.4.b : Moteur shunt
Pratiquement, ces deux types de moteur sont semblables car l'excitation est
assurée par une même source de tension extérieure à l'induit.
Pour le moteur shunt de la figure II.4.b. on a : I = Ia + Ii avec Ii =(U/R) or la
résistance R de l'inducteur est très élevée, donc Ii << Ia
C'est à dire que : Ia ≅ I (II.10)
II.2.4.2 Moteur série
Figure.II.5 : Moteur série
Pour ce type moteur, le courant de l'induit et le courant de l'excitation sont
identiques : I = Ia = Ii (II.11)
Fig.II.5
M M
RhéostatIInduit
excitation
I Ii
Ia
UU
+
- -
+
Ri
II.LES EQUATIONS RELATIVES AU M.C.C
Mémoire de fin d’études
7
II.2.5 La vitesse de rotation :
L'expression de la vitesse de rotation d'un MCC est donnée par la relation:
φC
IarUN
−= (II.12)
Avec:
C: c'est le "couple mécanique" :
na
pC
2
2= (II.13)
U: C'est la tension aux bornes de la machine.
I: est le courant de l'induit.
ra: la résistance totale du circuit parcouru par le courant de l'induit I
II.2.6 Conclusion :
On peut conclure que :
D'après la formule (II.09), le couple utile Cm d'un MCC est proportionnel au
courant de l'induit et au flux de l'inducteur.
D'après la formule (II.13) précédente, on peut régler la vitesse de rotation d'un
MCC
En faisant varier la tension d'induit U
En faisant varier la résistance du circuit d'induit.
En faisant varier le flux d'excitation φ.
III.VARIATION DE LA VITESSE DE ROTATION DES M.C.C
Mémoire de fin d’études
8
Redresseur1 Redresseur2
M
III VARIATION DE LA VITESSE DE ROTATION DES
MCC
Pratiquement, pour la grande majorité des entraînements on considère la
machine entraînée comme travaillant à "couple constant" tandis que le moteur électrique
doit avoir une "caractéristique shunt". Ce qui nous a conduit à étudier les différentes
possibilités courantes de variation de vitesse d'un moteur shunt à courant continu qui
entraîne une machine dont le couple résistant est constant.
III.1 VARIATION PAR RESISTANCE OU REGLAGE RHEOSTATI QUE :
On fixe la tension et le flux à leur valeur nominale, et on peut à l'aide d'un
rhéostat Rh branché en série avec l'induit, varier la résistance de l'induit.
L'équation (II.12) devient:
( )φC
IRrU ha +−=Ν (III.01)
Le "couple moteur" est par la formule (II.09): φKICm =
En particulier:
Pour Cm = 0, I = 0 φC
UN = (III.02)
ham
ha Rr
UKC
Rr
UINPour
+=
+==
φ;;0 (III.03)
On obtient ainsi dans le diagramme représentant les caractéristiques du moteur
(Cm = f(N) ), un faisceau de droites concourantes. (figure III.2)
a. Schéma bloc :
Figure III.1.Variation de la vitesse d'un MCC par f lux d'induction avec un rhéostat
de champ
III.VARIATION DE LA VITESSE DE ROTATION DES M.C.C
Mémoire de fin d’études
9
Cm
M2 M1 M
Nn N 0
M Ua Ue
Redresseur1 Redresseur2
Rh
Figure.III.3.a :variation de la vitesse d'un MCC pa r
flux d'induction avec un rhéostat de champ
b. Courbes caractéristiques du moteur: Cm = f(N)
Figure.III.2: caractéristiques mécaniques d'un MCC réglé par un rhéostat [2]
L'inconvénient de ce type de réglage est la consommation d'énergie autant plus
importante dans le rhéostat. Ce système ne convient que pour le démarrage ou le
freinage.
III.2 VARIATION PAR LE FLUX:
D'après la relation (II.09) du couple moteur: Cm = K φ I, on a intérêt de démarrer
à flux maximal, et quand la vitesse nominale Nn sera atteinte, on pourra réduire le flux à
l'aide d'un rhéostat de champ qui était inséré dans le circuit de l'inducteur. Remarquons
que ce rhéostat était en court-circuit pendant le démarrage.
Ainsi, il serait possible aussi de monter un "variateur de courant continu" au lieu
d'un rhéostat pour varier le courant inducteur.
Les schémas blocs et les caractéristiques du moteur sont représentés dans les
figures suivantes:
Schémas blocs :
III.VARIATION DE LA VITESSE DE ROTATION DES M.C.C
Mémoire de fin d’études
10
Redresseur1 Redresseur2 Hacheur
M Ua Ue
Cm
Cr
Nn 0
M M1 M2
N
Figure III.3.b.Variation de la vitesse d'un MCC par flux d'induction avec un
hacheur
Courbes caractéristiques du moteur
Figure III.4.Caractéristiques mécaniques d'un MCC ( réglage par flux) [2]
Remarque: le réglage du flux permet seulement d'augmenter la vitesse du moteur
à partir de sa vitesse de base.
III.3 VARIATION PAR LA TENSION D'INDUIT :
Le flux étant fixé à sa valeur maximale, cela corresponde à la caractéristique à
tension maximale ( au point M) figure III.6. Si l'on néglige la chute de tension dans
l'induit par rapport à la tension appliquée (ra I<< U), on obtient à partir de la relation
(II.03) que:
QφKU
N 1= (III.04).
III.VARIATION DE LA VITESSE DE ROTATION DES M.C.C
Mémoire de fin d’études
11
M Ua Ue
Redresseur1 Redresseur2 Hacheur
Cm
Cr
M2 M1 M
Nn N 0
Ainsi, pour deux tensions différentes U1 et U2 (U2<U1<Umax), les vitesses à
vide sont respectivement N01 et N02 et l'on peut écrire la relation:
φKU
N
U
N 1
2
02
1
01 == (III.05)
La vitesse du MCC diminue légèrement quand on le charge, c'est pourquoi les
caractéristiques mécaniques AiBi (pour la tension Ui) sont des droites parallèles et
sensiblement verticales dans le plan (Cm, N).
En particulier, il est possible de maintenir la charge immobile (point M3). Cette
propriété est intéressante pour des engins de levage.
Un "Hacheur" nous permet de varier la tension de l'induit
Figure III.5. Variation de la vitesse d'un MCC par la tension d'induit
- Courbes caractéristiques mécaniques du moteur:
Figure III.6 . Caractéristiques mécaniques d'un MCC dont la vites se est variée par
la tension d'induit.[2]
On peut en conclure que la variation de la tension permet seulement de diminuer
la vitesse.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
12
Ue
=
=
Us
+
-
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
IV.1 DEFINITION:
Un "Hacheur" est un variateur de courant continu qui permet d'alimenter une
charge (souvent une charge ohmique; ou inductive) sous une tension continue réglable à
partir d'une source constante de tension continue. Il est essentiellement utilisé pour
alimenter un MCC dont on peut varier la vitesse.
Il utilise des semi-conducteurs de puissance(Thyristors; Transistors; diodes;
GTO…); des éléments passifs (inductances, condensateur…) dont l'ensemble
fonctionne comme un "interrupteur électronique unidirectionnel" ou "contacteur
statique"
Ce contacteur agit en "hachant" la tension du circuit de charge, par la
commutation ouverture- fermeture périodique de l'interrupteur électronique. (ou C.S)
Symboles :
Figure IV.1.a Hacheur Figure IV. 1.b contacteur statique
Ue: tension d'entrée;
Us: tension de sortie
IV.2 ETUDE DE QUELQUES MONTAGES:
Pour mieux comprendre le principe de chaque montage, on fera d'abord l'étude
du "fonctionnement idéalisé" des variateurs de courant continu en régime permanent où
l'on supposera:
- primo; l'inductance de la charge à courant continu est infinie (L = ∞); c'est à
dire que le courant continu circulant dans la charge est complètement lisse.
- secundo; la durée de la commutation forcée est nulle (tc = 0) d'où dans ce cas,
on a un "contacteur idéal".
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
13
+
-
Ue
IV.2.1 Les hacheurs directs:
Un hacheur est direct quand il n'y a pas d'élément de stockage de l'énergie
(inductance ou capacité) entre son entrée et sa sortie.
IV.2.1.1 Le hacheur série:
On l'appelle aussi "hacheur dévolteur" ou "abaisseur" car la tension de sortie a
une valeur moyenne inférieure à la tension d'entrée.
a. Fonctionnement:
A l'enclenchement du contacteur statique, la tension ud à la sortie est égale à celle
de l'entrée Ue et le courant ie correspond au courant de charge id. Dans ce cas, la diode D
est bloquée.
Au déclenchement du contacteur statique, le courant de charge Id se décharge
alors à travers la diode D où iD = id, le courant continu ich commute alternativement du
contacteur statique à la diode D et vis versa…
b. Schéma équivalent:
Figure IV.2 : Schéma équivalent d’un abaisseur
Enclenchement
Déclenchement
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
14
Ud
te td
Tp
ap
aa
ie
iD
Id
Id
Ie
Ip
t
t
t
t
t
c. Chronogrammes
Figure IV.3. Fonctionnement d’un hacheur à thyristo rs (Montage série)
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
15
Soit te: la durée d'enclenchement
td: celle du déclenchement
et la somme te + td = Tp (IV.01) est la période de commutation
Soit P
e
de
e
T
t
tt
t=
+=α (IV.02) le « rapport cyclique »
On peut alors exprimer la valeur moyenne de :
La tension aux bornes de la charge
ede
ed U
tt
tU ×
+= (IV.03)
le courant d'entrée
dde
ee I
tt
tI ×
+= (IV.04)
le courant de diode
dde
dD I
tt
tI ×
+= (IV.05)
De (IV.02) et (IV.03) on tire Ud Id = Ue Ie (IV.06)
Par conséquent, la puissance absorbée par la charge est la même que celle
fournie à l'entrée du hacheur. En outre, la tension d'entrée est constante; mais le courant
d'entrée I est rectangulaire, quant à la sortie, Ud est rectangulaire et le courant de charge
Id est constant. Notons aussi que 0 ≤ Ud ≤ Ue
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
16
+
-
Ue CS
Déclenchement
Enclenchement
IV.2.1.2 Le hacheur parallèle:
Souvent on appelle ce montage: "montage à récupération.
Ici le contacteur statique est monté en dérivation avec le générateur.
Schéma équivalent:
Figure IV.4 . Hacheur parallèle
Fonctionnement:
Durant le temps d'enclenchement (te), la charge est court-circuitée, donc ud = 0 et
que la diode D est bloquée et évite un court-circuit à l'entrée, et le courant Id circule à
travers la charge et le contacteur statique (CS).
Pendant le déclenchement (td), la tension d'entrée et la tension aux bornes de la
charge sont égales, et le courant Id traversant la diode D va récupérer l'énergie vers
l'alimentation.
La valeur moyenne de la tension continue Ud est:
ede
ee
de
dd U
tt
t1U
tt
tU
+−=
+= (IV.07)
De même, celle du courant d'entrée est:
dde
de I
tt
tI
+= (IV.08)
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
17
Et enfin la valeur moyenne du courant dans le contacteur statique est:
dde
eCS I
tt
tI
+= (IV.09)
Comme dans le cas du hacheur série précédent, on peut écrire aussi à l'aide des
formules (IV.06) et (IV.07) que: Ud. Id = Ue . Ie (IV.10)
C'est à dire qu'on a toujours égalité de puissance des deux côtés entrée et sortie.
Cependant, dans ce montage, c'est la charge qui va fournir l'énergie vers l'alimentation.
Ce montage est souvent utilisé pour freiner un moteur à courant continu d'un
engin de traction.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
18
Ud
te td
Tp
ap
aa
iCS
ie
Id
Id
ICS
Ie
t
t
t
t
t
Chronogrammes
s
Figure IV.5. Fonctionnement d’un hacheur à thyristo rs (montage parallèle)
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
19
- Hacheur série :
formé par CS1 et D2
- Hacheur parallèle :
formé par CS2 et D1
U e
Id
U d
CS
1D
1
D 2 C S 2
ie
D1
CS1
IV.2.1.3 Hacheurs réversibles en courant:
C'est l'association d'un hacheur série et d'un hacheur parallèle. Avec ce montage,
on peut commander le transfert de l'énergie dans les deux sens entre "une source de
tension" et "une source de courant".
Schéma équivalent:
Figure IV.6.
Hacheur réversible.
Figure IV.6 Hacheur réversible
Fonctionnement:
Pour Id >0; on a le cas d'un hacheur série:
Soit α1T la durée de fermeture du contacteur statique CS1 durant chaque période
T, ainsi, la valeur moyenne de
Ud = α1 Ue (tension de sortie) (IV .11)
et Ie = α1 Id > 0 (courant d'entrée) (IV.12)
Le courant Id commute à CS1 et D2
pour Id < 0; il fonctionne en hacheur parallèle, et si on désigne par α2 T la
durée de la fermeture de CS2 durant chaque période T, on a:
Ud = (1- α2 ) Ue (IV.13)
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
20
CS1
CS'1
D1
D'1
UeId
Ud
D2
D'2
CS2
CS'2
Ie = (1- α2 )Id < 0 (IV.14)
le courant passe alors dans le deuxième contacteur statique CS2 et dans la diode
D1.
Ce montage impose ce que l'on appelle "commande complémentaire" :
α1 + α2 = 1 (IV.15)
IV.2.1.4 Le hacheur en pont:
Le hacheur en pont permettant de commander le transfert entre sources de
réversibilité différentes; et que parmi les nombreuses possibilités offertes par cette
structure, l'une de plus utilisées est celle d'un hacheur reliant:
Une source de tension réversible en courant
(Ue > 0 ; ie > 0 ou ie < 0)
et une source de courant réversible en courant et en tension.
(Id > 0 ou Id < 0 ; ud >0 ou ud < 0)
a. Schéma équivalent :
Figure IV.7. Hacheur en pont
Pour ce type montage, nous avons deux sortes de commande:
La commande séquentielle
La commande continue.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
21
d. La commande séquentielle:
Le but de cette commande c'est de réduire le nombre de commutations. Ainsi, on
utilise deux interrupteurs : l'un, fermé en permanence (appelé»: interrupteur
d'aiguillage") et l'autre fermé et ouvert assurant le hachage.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
22
Les quatre modes de fonctionnement d'un hacheur en pont sont résumés dans le
tableau ci-après:
.Signe de ud ud > 0 ud>0 ud < 0 ud < 0
Signe de Id Id > 0 Id < 0 Id > 0 Id < 0
Interrupteur d’aiguillage CS'2 CS'2 CS2 CS2
Interrupteur pour le Hachage CS1 CS'1 CS1 CS'1
Eléments conducteurs
pendant la fermeture de
l’interrupteur de Hachage
CS1 et CS'2 CS'1 et D'2 D2 et CS1 CS'1 et CS2
Eléments conducteurs
pendant l’ouverture de
l’interrupteur de Hachage.
CS'2 et D'1 D1 et D'2 D2 et D'1 D1 et CS2
Durée de fermeture. α1T α'1T α1T α1'T
Rapport d
e
e
d
I
I
U
U=
= α1 = 1 - α1’ = 1 - α1 = α'1
Courant ie à la fermeture iCS'2 = ie = Id =
iCS1
iD'2 = -Id =
iCS'1 ie = 0
id = 0 ie = -Id
Tension ud à la fermeture ud = Ue ud = 0 ud = 0 ud = -Ue
Courant ie à l’ouverture ie = 0, Id = ID'1 =
iCS2
-Id = iD1 =-ie
= ID'2
ie = -Id ie = 0
Tension ud à l’ouverture ud = 0 ud = Ue ud = -Ue ud = 0
Tableau IV.1. : Fonctionnement d’un hacheur en pont (commande séquentielle.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
23
On peut en conclure pour la commande séquentielle qu’on a deux cas de
fonctionnement :
-1er Cas : Ud Id = Ue Ie > 0, on retrouve le fonctionnement du hacheur série.
-2ème Cas Ud Id = Ue Ie <0, on retrouve celui du hacheur parallèle.
c. Commande continue:
Le but c’est d’avoir une loi de commande unique au lieu de quatre comme
précédente, on procède alors comme suit :
Pour 0 < t < α1T : on commande la fermeture de CS1 et CS'2.
Si : Id > 0 alors ie = ICS1 = Id = ICS'1 et
Si : Id < 0, iD2 = -Id = iD1 = -ie
Pour les deux cas, la tension de sortie ud est toujours égale la tension d’entrée Ue
et elles on les mêmes signes (ud = Ue)
Pour α1T < t < T : On commande la fermeture des deux autres
contacteurs statistiques CS2 et CS'1, ainsi
Si : Id > 0 ; iD'1 = Id = iD2 = -ie
Si : Id < 0 ; i = iCS2 = -Id = iCS'1
Dans ce deuxième cas : ud = -Ue
On a toujours la même expression de la valeur moyenne de la tension de sortie :
( )[ ]eeed TUTUT
U αα −−= 11
1 (IV.16)
D’où la loi de commande :
12 −== αd
e
e
d
I
I
U
U
(IV.17)
C’est à dire que : quand α1 va de un à zéro, ud va de +Ue à –Ue.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
24
C Sie= iC S
V cs
U eV d
U d
d. Exemple d’utilisation du hacheur en pont :
Le hacheur en pont est souvent utile pour la commande à quatre quadrants
d’une machine à courant continu, à partir d’une batterie d’accumulateur,
IV.2.2 Les hacheurs à liaison indirecte ou à accumulation:
Comme son nom l’indique, les hacheurs à liaisons indirectes comportent un
élément de stockage de l’énergie (inductance ou capacité) donc, l’entrée et sortie ne sont
jamais reliées directement. Ils sont nécessaires pour commander le transfert d’énergie
entre deux sources de même nature sans changer la nature de l’une d’elles.
IV.2.2.1 Le hacheur à stockage inductif:
Le hacheur à stockage inductif permet de relier un générateur et un récepteur de
tension. Ainsi, l’élément de stockage doit être une inductance qui joue le rôle d’une
source de courant reliée à l'entrée (phase de charge) ou à la sortie (phase de décharge).
a. Schéma équivalent:
Figure.IV.8: Hacheur à stockage inductif
b. Fonctionnement:
- pour 0 < t < αT : le contacteur statique conduit, l’inductance L emmagasine
l’énergie provenant de la source de tension (générateur tension) on a alors :
ie = iCS = iL , Id = 0 ; VD = (-Ue + Ud)
Puisque eL U
dt
diL = ; iL croît linéairement.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
25
c- pour αT < t < T : C’est la diode D qui conduit, l'énergie stockée dans
l’inductance est maintenant transférée au récepteur de tension et le courant iL décroît
d’une façon linéaire.
On a : iL = id = iD ; ie = 0 ; vCS = +(Ue + Ud)
En régime permanent, le courant iL a la même valeur moyenne IL pendant les
deux intervalles d’où les valeurs moyennes des courants d’entrée Ie et de sortie Id.
Ie = α IL; Id = (1-α) IL (IV.18)
Si les pertes à l'intérieur du hacheur sont négligeables, la puissance moyenne est
la même à l’entrée qu'à la sortie.
αα−
==1d
e
e
d
I
I
U
U (IV.19).
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
26
0T
t
Ie = iCS
0
Ue+Ud
0
0
-(Ue+ud)
D
iD=id
iL
IL
T
t
t
vCS
t
0
vD
t
CS D CS
c. Diagrammes:
Figure IV.9. Formes d’ondes pour un hacheur à stoc kage Inductif.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
27
Ie
Ue VcsCS Vd
Uc
Ud
IdC
IV.2.2.2.Le hacheur à stockage capacitif:
Dans ce montage, on utilise comme source de tension intermédiaire un
condensateur. Le système consiste à relier deux sources de courant.
a. Schéma équivalent:
Figure IV.10. : Hacheur à stockage capacitif
b. Fonctionnement :
A 0 < t < αT : la diode D est bloquée, le contacteur statique CS conduit et le
condensateur C alimente le récepteur à courant constant Id, la tension uc aux bornes du
condensateur va diminuer alors linéairement :
Ue = 0 ; ud = uc
iC = -Id ; C
I
dt
du dc −=
iCS = Ie + Id ; vCS = 0 ; iD = 0 ; vD = -ud
pour αT < t < 0 : la diode n’est plus bloquée et le générateur va charger le
condensateur à courant Ie constant, la tension Uc croît linéairement de nouveau et l’on
a :
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
28
Ue = uc ; ud =0
ic = ie ; C
I
dt
du ec =
iCS = 0 ; uCS = uC iD = Ie +Id vD =0
Comme dans le cas du hacheur à stockage inductif, la tension aux bornes de C a
la même valeur moyenne uc pendant la décharge et pendant sa charge en régime établi.
D’où les valeurs moyennes Ue et Ud des tensions d’entrée et de sortie:
Ud = α Uc Ue = (1-α) Uc (IV 20)
De même, si on néglige les pertes dans le hacheur, on retrouve les mêmes
valeurs moyennes de puissances à l’entrée et à la sortie :
αα−
==1d
e
e
d
I
I
U
U (IV.21).
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
29
uc
Uc
0 t ααααT T
0 t
0 t
0 t
0 t
ics
Ie+Id
Ue vcs
Ie+Id
iD
vD -Ud
ααααT T
CS CS D D
c diagrammes:
Figure.IV.11. Forme d’ondes pour un hacheur à stock age capacitif
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
30
id
R
L
Ui
Ud
+
_
IV.3 ONDULATION DU COURANT CONTINU
En réalité, l’inductance L de la charge à courant continu est finie. Ainsi à cause
de la tension rectangulaire fournie à la charge par le hacheur, le courant continu possède
une certaine ondulation.
Considérons la charge à courant continu de la figure IV.12 :
Figure IV.12
On a l’équation différentielle :
iddd uuRi
dt
diL −=+ (IV.22)
- Pendant la durée d’enclenchement te : ud =Ue
La valeur initiale du courant continu est 0di
on obtient la solution de l’équation différentielle :
Td
Tied eie
R
UUi
ττ −−+−−=
0)1( (IV.23)
où R
LT = (IV.24) est la constante de temps de la charge
τ: la variable de temps mesurée à partir de l’instant d’enclenchement
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
31
- pendant la durée de déclenchement td
ud=0
la valeur initiale du courant vaut 1di
Td
Tid eie
R
Ui
''
1)1(
ττ −−+−−= (IV.25)
- Détermination des conditions initiales id0 et id1 :
Pour et=τ , on a id=id1 et on tire de (IV.23)
T
t
dT
tie
d
ee
eieR
UUi
−−+−−=
01)1( (IV.26)
Pour un régime permanent , il faut qu’à l’instant τ’=td, le courant soit de
nouveau égal à ido .De (IV.25) on tire, en substituant id1 par son expression trouvée
précédemment :
R
U
R
Ui i
e
eeed
TpT
Tdt
Tet
−=−
−−
−
−
1
)1(
0 (IV.27)
où dep ttT += c’est la période de pulsation.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
32
id
Îd
id0 id1 Id
t
t
ie
id1
id0 t
iD
id1 id0
t
Ud TP
te td
τ τ’
Ui
Ue
Les diagrammes suivants nous montre l’allure de la tension et des courants :
figure IV.13
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
33
- L’ondulation :
Elle est donnée par :
01 ddd iiÎ −= (IV.28)
à l’aide des relations (IV.26) et (IV.27), on obtient après quelques
transformations :
TpT
Tdt
Tet
e
eeed R
UÎ
−
−−
−
−−=1
)1)(1( (IV.29)
l’ondulation du courant continu ne dépend que de la période de pulsation Tp et
de la durée d’enclenchement ,à condition que id0>=0
la valeur moyenne du courant continu :
ττ∫ ∫+=e dt t
ddp
d didiT
I0 0
(1 (IV.30)
où il faut introduire pour id dans la première intégrale l’expression (IV.23) et la
deuxième intégrale son expression dans (IV.25) ;et on obtient après calculs :
)(1
i
p
eed UT
tU
RI −= (IV.31)
)(1
ied UUR
I −= α (IV.32)
→ R
UUI id
d
−= (IV.33)
On voit que l’inductance de charge n’a d’influence sue la valeur moyenne du
courant continu.
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
34
Ue
t
Ur
t
VAK
A K
1A
iAK
1V vAK
Caractéristique réelle
Caractéristique idéalisée
IV.4 LES SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE UTILISES
IV.4.1 Diode ;
Symbole :
Figure IV.14.a. Diode de redressement Figure IV.14.b.
Le semi-conducteur de base élémentaire est la diode c’est une jonction semi-
conductrice simple qui se bloque(en circuit ouvert) lorsqu’on inverse le courant à ses
bornes et elle est conductrice (en court-circuit) lorsque le courant circule dans le sens
anode-cathode (VAK faible ou nulle) Ainsi, elle est utilisée pour le redressement.
FigureIV.15.a. Oscillogrammes de tensions
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
35
ue UR
i
V
VAK
A K
g B
A O
C
i
Figure IV.15.b . Redressement monophasé, mono alternance à diode
- Etat passant : > Seuil (Seuil ~ 0.7 à 1Volts)
- Etat bloqué : VK > VA
En réalité il existe toujours des courants inverses mais faibles.
IV.4.2 Thyristor (ou diode commandée)
Un thyristor est un dispositif à trois jonctions dont on peut déclencher la
conduction. Il conduit lorsqu’on injecte une impulsion positive suffisante et que son
anode est positive. Il se comporte comme une diode à l’état conducteur.
Symbole :
Figure IV.16
Caractéristique du thyristor :
OC :tension négative ↔ thyristor bloqué
OA :tension positive, pas d’impulsion de gâchette ↔ thyristor bloqué
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
36
K
G
ue DRL UR
UR
0 ππππ 2ππππ t
α α α α (angle de retard)
OB :tension positive + impulsion de gâchette ↔ thyristor conducteur
Le thyristor travaille de 500 à 7000 Volts avec des puissances pouvant atteindre
ou dépasser largement les mégawatts.
Il remplit plusieurs fonctions :
- fonction de redressement : Analogue à celui de la diode
- fonction « interrupteur »: Permettant de remplacer des contacteurs
mécaniques
- fonction de régulation : La possibilité de varier de façon précise le temps
d’amorçage du thyristor permet de commander la puissance ou le courant
moyen de sortie
- fonction amplification : Comme le courant de commande est très faible par
rapport au courant principal, on a alors un gain en courant et en puissance
Figure IV.17. Redressement mono alternance à thyris tor
IV LES DIFFERENTS TYPES DE HACHEURS
Mémoire de fin d’études
37
IV.5 CONCLUSION:
Nous avions étudié dans le cas général ; les principes des différents types de
hacheur, et l’on arrive aux conclusions suivantes :
- Les composantes de puissance travaillant toujours en deux états distincts, qu’ils
soient «fermés » ou qu’ils soient «ouverts », on peut dire alors qu’ils jouent le rôle de
«l’ interrupteur »
Il n’y a pas de dissipation d'énergie au niveau interrupteur, en effet, la puissance
dissipé au niveau composant se calcule comme :
∫=T
kk dtivT
P0
1 (IV.34)
et comme on a 2 états de conduction de l’interrupteur
[0,t1] : l’interrupteur est fermé vk = 0 ; ik ≠ 0
[t1,T] : l’interrupteur est ouvert vk ≠ 0 ; ik = 0
Donc P = 0.
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
38
Ue ud
iTp Tp
Ta uc C +
ic D
iD
L
R
I d
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Le hacheur à thyristors est l'un des plus utilisés comme convertisseurs continu-
continu dans l'électronique industriel, surtout en puissance élevée. Cependant, le
blocage du thyristor et la mise en marche du contacteur statique sont un peu
compliquées pour ce type de hacheur. D'autre part, en électronique de puissance, il est
très difficile de commuter en courant avec une très courte durée
t
i
d
d.
D'où, dans ce chapitre, il est nécessaire de traiter brièvement le phénomène "de
commutation forcée" avant d'étudier le fonctionnement du hacheur à thyristors.
V.1 PHENOMENE DE COMMUTATION FORCEE (OU COMMANDEE):
Un convertisseur est "à commutation forcée" si le transfert des courants d'une
voie à une autre est entièrement au partiellement commandé. Dans le cas du thyristor, ce
transfert est provoqué par la décharge d'un condensateur faisant partie intégrante du
convertisseur statique. Il y a lieu de noter aussi que la durée tc de la commutation doit
être faible par rapport à la période de fonctionnement (tc<< T).
Les schémas suivants nous permettrons de comprendre le principe de la
commutation forcée:
Figure V.01.a. Principe de la Commutation forcée
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
39
i
IdiT ic iD
tc
u
Ue
ud
Figure V.01.b. Allure des courants et des tensions pendant la commutation forcée
Sur les figures V.1.a. et V.1.b., le contacteur statique est composé d'un "thyristor
principal" Tp; d'un condensateur C et d'un "thyristor auxiliaire" Ta.
Le courant iT du thyristor principal Tp commute d'abord sur le thyristor auxiliaire
Ta et puis sur la diode D. Le principe sera résumé par le tableau qui suit:
TEMPS Etat du
condensateur C
Eléments
conducteur
Tension Ud et courant Id Observations
à t0 C est déjà
chargé à vC
Tp ud = Ue
Id = iT= cte
D est bloqué
iD = 0
à t1 C se décharge
vC
Tp et Ta Id = iT U iC Ta est allumé C se
décharge à travers Tp et Ta
iT décroît jusqu'à zéro
à t2 Ta ud varie de Ue à
Ue + vc
Id = iC
Tp est bloqué
à t3 Ta et D ud = 0
Id = iC U iD
ud ne peut pas être
négative car D conduit et
impose ud=o
iC diminue jusqu'à zéro
à t4 D ud = 0
Id = iD
Fin de
commutation forcée
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
40
-
+
id
iD R
L
ui
D
uc C
Dc Lc
Tp
uTp ie
Lσ1
Lσ2 Db
ud Ue
iTp
iL
vTa
Ta
Tableau V.1. Principe de la commutation forcée
La durée de la commutation forcée est environ: tc ≅ 50 à 200 µs
Remarque: Ce montage ne permet qu'une seule commutation forcée. Donc, si
on veut obtenir de façon périodique le même phénomène, la charge du condensateur
doit être convenable et suffisante pour l'extinction des deux thyristors.
V.2 SCHEMA EQUIVALENT D'UN ABAISSEUR A COMMUTATION
FORCEE PERIODIQUE:
Pour simplifier le calcul du phénomène transitoire lors de la commutation
forcée, on supposera encore que le courant circulant dans la charge est complètement
lisse (L = ∞). En outre, des éléments passifs (inductances) et une diode D sont ajoutés
au contacteur statique de la figure V.01.a. D'où le schéma équivalent d'un abaisseur:
Figure V.2. Schéma équivalent d'un abaisseur de te nsion.
Tp: thyristor principal
Ta: thyristor auxiliaire
C: condensateur du circuit d'extinction C.S
Dc: diode du circuit d'extinction
Lc: inductance du circuit d'extinction
uH
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
41
Lσ1 et Lσ2 sont des petites inductances dues aux connexions, elles limitent la
vitesse de variation de courant t
i
d
d dans les deux thyristors Tp et Ta
Db: diode de blocage: elle empêche la décharge partielle du condensateur C à
travers les inductances de fuites(Lσ1 et Lσ2); l'inductance Lc et l'alimentation.
D: diode de roue libre.
R, L, Ui sont des charges.
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
42
V.3 LES DIVERS ETATS DE CONDUCTION DU CONTACTEUR
STATIQUE:[4]
V.3.1 Enclenchement :
Nous allons admettre que le contacteur statique soit déclenché, le courant Id
circule alors à travers la charge et la diode D. Suite à un phénomène de déclenchement
précédent, le condensateur C est chargé à la polarité indiquée par la figure V.3.a.
Figure V.3.a
Quand le thyristor principal Tp est allumé, le condensateur C se décharge à
travers l'inductance Lc et la diode Dc d'extinction; de plus, la diode D se bloque
rapidement. (figure V.3.b)
Figure V.3.b .
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
43
Le condensateur C continue à se décharger sous une forme oscillatoire (circuit
Lc) jusqu'au changement de sa polarité (signe entre parenthèse figure V.3.c.)
Figure V.3.c.
C'est au tour de la diode Dc de passer à l'état bloqué pour éviter la décharge du
condensateur C dans le sens contraire, il ne circule plus qu'un courant de l'alimentation à
travers la charge et c'est la fin de l'enclenchement du contacteur statique.
Figure V.3.d.
Figur
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
44
V.3.2 Déclenchement :
L'allumage du thyristor auxiliaire provoque le déclenchement du contacteur
statique. Le condensateur va se décharger à travers le thyristor auxiliaire Ta et le
thyristor principal Tp. Ce qui provoque le blocage de ce dernier.
Figure V.4.a.
Le courant circule maintenant à travers le condensateur C et le thyristor Ta, ce
courant est maintenu constant par l'inductance de la charge. Le condensateur se
décharge et se recharge à la polarité inverse (signe entre parenthèse de la figure qui
suit).
Figure V.4.b.
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
45
La tension aux bornes de la charge diminue jusqu'à zéro où la diode D deviendra
de nouveau conductrice.
Figure V.4.c.
Enfin, la charge du condensateur C est arrêtée ce qui entraîne le blocage du
thyristor auxiliaire Ta, nous avons alors la même situation qu'à celle trouvée au début de
l'enclenchement du contacteur statique (figure V.3.a.); et le cycle peut recommencer de
nouveau…
Figure V.4.d.
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
46
-+
-
+
Ue
id
iDR
L
ui
D
uc
L
C
Dc Lc
Ta
Tp
uTpLie
RC
V.3.3 Remarque : charge initiale du condensateur d'extinction
Au premier enclenchement du contacteur statique, on doit avoir chargé le
condensateur d'extinction C à la polarité indiquée à la figure V.3.a, on peut citer 3
solutions:
On allume le thyristor auxiliaire Ta, le condensateur C se charge alors à travers
la charge à courant continu par la tension d'entrée Ue, quand la charge est terminée, le
courant s'annule et le thyristor Ta s'éteint.
Dans le cas d'un MCC dont la tension interne Ui est élevée, la méthode
précédente n'est pas suffisante pour la charge du condensateur C, ainsi, doit-on effectuer
la charge de C à travers une résistance Rc élevée comme l'indique la figure V.5.
La troisième solution consiste à modifier la structure du contacteur statique: on
dérive le circuit auxiliaire de commutation aux bornes de la charge au lieu de le dériver
aux bornes du thyristor principal, et on relie la borne du condensateur C à la borne (-) de
la source de tension Ue. Avec cette modification, il n'est plus nécessaire de pré charger
le condensateur C.
(Figure V.6)
Figure V.5. Charge du condensateur à travers une ré sistance R c.
V FONCTIONNEMENT DU HACHEUR A THYRISTORS
Mémoire de fin d’études
47
Ta
Db
Ue
R
L
D
u
C
L
UC
Dc
Lc
Tp
Ui
iC
Figure V.6. Modification de la structure du contact eur statique.
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
48
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE
PUISSANCE
VI.1 CALCULS DES TEMPS D'ENCLENCHEMENT ET DE
DECLENCHEMENT [4]
Pour le calcul des éléments du hacheur, il est nécessaire de connaître le temps
d'enclenchement minimal t''e et le temps de déclenchement minimal t"d du contacteur
statique.
VI.1.1 Le temps d'enclenchement: t"e:
Comme l'indique la figure V.3.c, à l'instant d'allumage du thyristor principal Tp,
le condensateur d'extinction C se décharge et se recharge au travers Tp ; de l'inductance
Lc et de la diode Dc sous forme d'une demi-oscillation dont la pulsation est donnée par:
CLc
c
1=ω (IV.01)
(Ici l'inductance de connexion Lσ2 peut être négligée devant Lc).
Cette demi-oscillation dure jusqu'à ωct = π d'où le temps d'enclenchement du
contacteur statique:
CLt cc
e πωπ ==" (VI.02)
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
49
FigureVI.1.b Allure des courant et
tension pendant le déclenchement du
contacteur statique
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
50
VI.1.2 Le temps de déclenchement: t"d
Le temps de descente: t'd
A l'allumage du thyristor auxiliaire Ta, le condensateur d'extinction C se
décharge à travers les deux thyristors Ta et Tp (figure V.4.a). Pour éviter le court-
circuit, l'inductance Lσ2 va entrer en action pour limiter la croissance du courant ic. En
négligeant la variation de la tension Uc causée par la décharge partielle du condensateur
C, on a:
02 Ccc UU
dt
diL =−=σ (VI.03)
Ce qui donne après avoir fait l'intégration l'expression du courant ic telle que:
tL
Ui cc ×=
2
0
σ
(VI.04)
Le temps de descente correspond au temps où le thyristor principal s'éteint,
c'est à dire que iTP = 0 et ic = Id.
D'où co
dd U
ILt
×= 2' σ (VI.05).
Le temps tc où la tension aux bornes de la charge s’annule (ud = 0) :
Au moment de blocage du thyristor principal Tp, le condensateur (s’est déchargé
partiellement. Désormais, appelons uc1 sa tension à ses bornes telle que :
22201 dCC I
C
LUu σ−−= (VI.06)
Cette expression était obtenue après avoir fait le bilan des variations d'énergie
entre td° et t'd: (voir figure VI.1.b).
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
51
21
20
22 2
1
2
1
2
1CCd CuCUIL −=σ (VI.07)
En général, le terme 22dI
C
Lσ est très petit devant U2C0.
Par conséquent, on a :
−−=
20
22
01 2
11
C
dcc
U
ILUu
τσ (VI.08).
(Développement en série d’ordre 2).
Juste après la descente ou 0=τ (figure VI.1.b), comme l’indiquait la figure
V.4.b, le courant Id traverse le condensateur d’extinction C et le thyristor auxiliaire Ta.
Sa valeur est constante et est égale à Ic.
C
Iuu d
cc
τ+= 1 (IV.09).
La tension aux bornes de la charge est alors égale à :
C
IuUuUu d
ccced
τ−−=−= 1 (VI.10)
Cette tension s'annule à l’instant où ι = tc, c’est à dire que :
d
cec I
uUCt
)( 1−= (VI.11)
A ce moment là, la diode D commence à conduire et impose ud = 0.
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
52
Le temps tσ où le thyristor auxiliaire s'éteint : Le courant ic = iTa circule à
travers le thyristor Ta et les inductances de connexion Lσ1 et Lσ2 telles
que :
Lσ = Lσ1 + Lσ2 (IV.12)
Ces inductances forment avec le condensateur d’extinction C un circuit oscillant
dont la pulsation propre est donnée par :
CLσσω 1= (IV.13).
Le thyristor auxiliaire Ta est bloqué (ic = iTa = 0) au quart de la période de
l’oscillation. Le temps tσ est donc :
CLt σσ
σπ
ωπ
22== (VI.14).
- Enfin, le temps total de déclenchement du contacteur statique est la somme :
σtttt cdd ++= '" (VI.15)
C’est le temps de déclenchement minimal pour que le condensateur d’extinction
C puisse se charger suffisamment.
VI.2 DIMENSIONNEMENT DU CIRCUIT DE BLOCAGE:
VI.2.1 Temps de protection:
Pour assurer le blocage du thyristor principal Tp, il faut que la tension entre ces
bornes (anode et cathode) soit négative pendant un laps de temps suffisant. On appelle
« temps de protection » tf ce temps, et on peu le déterminer à partir de l’équation
(VI.09) en posant uc = 0.
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
53
d
cf I
uCt
)( 1−= (VI.16)
Ce temps tf doit être plus long que «le temps de désamorçage tq » du thyristor
(tf >tq).
Ainsi, pour le hacheur, on doit utiliser des thyristors rapides en choisissant un
temps de protection tf : 20 à 50% plus élevé que le temps de désamorçage tq.
VI.2.2 L’expression de C:
D’après l’équation (VI.16) précédente, le temps de protection minimale tfmin est
inversement proportionnel au courant continu Idmax et l’on tire :
( )1
minmax
C
hd
u
tIC
−×
= (VI.17)
La chute de tension pendant l’extinction du thyristor principal Tp étant faible
( 20
22
2
1Cd UI
C
L<<σ ), on peut alors substituer uc1 par -UC0.
D’où deC IC
LUU σ+=0 (VI.18)
*
D’où l’équation quadratique pour C :
022
minmax
2
maxminmax2 =
+
+−
e
fd
e
d
e
fd
U
tICL
U
I
U
tIC σ (VI.19)
et l'on tire l'expression de C:
* on trouvera la démonstration de cette formule en annexe1
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
54
−+±−= 141
2 max
minmaxmin
max
σ
σ
LI
tU
U
ILt
U
IC
d
fe
e
df
e
d (VI.20)
en présence de la diode de blocage Db , on ne retient que le signe (-) de la racine
VI.2.3 L'expression de Lc
Au moment de l'enclenchement du contacteur statique, c'est l'inductance Lc qui
détermine le temps t''e de la demi-oscillation nécessaire au chargement de polarité de la
tension uc aux bornes du condensateur d'extinction C.
Pendant ce temps le courant ic atteint la valeur crête.
CCOc L
CUÎ ×= (VI.21)
(Cette équation est obtenue par le bilan d'énergie).
D'où l'expression de Lc, en prenant une valeur maximale admissible de Îc et une
valeur maximale (correspondant à Id = Idmax) de Uco:
2
max
=
admc
coc Î
UCL (VI.22)
VI.2.4 applications numériques: calcul de Lc et C
Données pratiques :
Idmax =25 [A]
Ue=50 [V] ;∆Ue=1%Ue
Udmin =5 [V]
Lσ=20µH où Lσ2 = σL3
1
Thyristors BTW 49-400 :
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
55
tq=20µs on a pris tfmin=27.5µs
on a trouvé tous calculs faits :
LC = 25 µΗ
C = 14.56 µF
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
56
VI.2.5. Dimensionnement de l'inductance Lc:
La valeur de Lc étant connue, il reste à savoir le nombre de spires N
nécessaires, on a:
L = N2 x AL x 10-6 [mH] (VI.23)
Avec: e
eL l
AA
××Π×=
µ4,0 [mH] pour 1000 enroulements (VI.24)
: perméabilité effective nu noyau
le: longueur effective du circuit magnétique[mm]
Ae: section effective du circuit magnétique.[mm2]
Ce qui nous donne :
610−=LA
LN (VI.25)
Cependant:
On doit tenir compte de la limite de saturation du noyau par la relation:
( )L
esatsat A
ABLI
4222 10−××
= (VI.26)
Pour des valeurs limites du courant I, on trouve la plage de variation de AL.
( )sat
esatL
LI
ABA
2
422 10−××= (VI.27)
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
57
Le nombre admissible de sphère devra correspondre à la largeur d'entrefer, à
savoir:
g
g
re
e
e
e
A
l
A
l
A
l
+×=
µ
µ1
(VI.28)
lg: largeur d'entrefer
Ag: section d'entrefer.
Nota: Les caractéristiques des noyaux et tous les calculs numériques sont donnés
en annexe 1
Choisissons le nombre de spire N à partir du tableau suivant dont on voit les
variations de AL et la largeur d’entrefer lg.
Imax est déduit de la relation : (VI. 27)
LA
AsatBI
L
e422
max
10* −
= (VI.29)
N AL µ lg[mm] Imax [A]
18 77.16 78.00 09.00 17.00
19 69.25 69.70 10.00 18.00
20 62.50 62.90 10.00 19.00
25 40.00 40.00 18.00 23.80
30 27.77 28.00 77.00 28.50
Tableau VI.1
d’où le choix : N= 25 spires
lg= 18.00 mm
VI DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE PUISSANCE
Mémoire de fin d’études
58
VI.3 DETERMINATION DE LA FREQUENCE D'OPERATION:
En générale, cette fréquence est comprise entre 500Hz et 1kHz,à partir de
laquelle les pertes de commutation sont accentuées.
- La fréquence maximale :fpmax
le temps nécessaire pour recharger la condensateur d’extinction lors
de l’enclenchement et du déclenchement du contacteur statique détermine la:
fréquence de pulsation maximale du hacheur.
Application numérique :
t"e=59.58µs
t"d=2.78 µs +61.94 µs +26.64 µs =91.36 µs
la somme Tpmin = t"e + t"d donne :
Tpmin =150.94 µs c’est à dire que :
La fréquence maximale est égale à fpmax=6.63kHz
- La fréquence d’opération :fp
A un fréquence fixe nous avons
p
ed
T
t
U
U
e
minmin = ces deux rapports doivent être supérieurs à p
e
T
t"
où et" c’est le « temps d’enclenchement minimal du
C.S ».(e
U
Ud min >p
e
T
t")
Application numérique : pT
610.58.59
50
5 −
>
→fp<1.63 kHz
d’où le choix: fp= 1KHz
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE
Mémoire de fin d’études
59
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE
Pour allumer un thyristor, on doit remplir les 2 conditions suivantes:
On doit avoir une tension positive entre anode et cathode
Le courant de gâchette doit être suffisant.
Ainsi, notre travail c'est de concevoir un circuit pouvant générer des
impulsions pour l'amorçage des deux thyristors Tp et Ta.
VII.1 PRINCIPE:
- En faisant varier la tension d'alimentation Vcc (de -15 à +15 Volt) à l'aide d'un
potentiomètre, on a un autre signal Ucm.
- Ce dernier est comparé avec un signal triangulaire Vr (ou en dent de scie) de
fréquence égale à 1kHz.
- A la sortie du comparateur, on obtient un signal rectangulaire d'amplitude
± Vcc.
- Le signal passe ensuite d'une part par le détecteur des flancs montants pour le
thyristor principal Tp ; et d'autre part, par le détecteur des flancs descendants pour le
thyristor auxiliaire Ta.
- Les dernières cellules consistent à amplifier et transformer les signaux en
impulsions pour amorcer par la suite les thyristors.
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE
Mémoire de fin d’études
60
RC
RC
Ucm a
b c d e
f g hVr
VII.2. SCHEMA FONCTIONNEL :
FigureVII.1. Schéma bloc d'un circuit de commande d 'un hacheur à thyristors.
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE
Mémoire de fin d’études
61
a
t
+ V c c
0
0
b
t
0
d
0
c
t
t
h
0
g
0
f
0
e
t
t
t
t
U c m
0t
- V c c
+ V c c
- V c c
V 1V 2
S e u i l d u T r ig g e r d e S c m i t t
V 1
V 2
VII.3 CHRONOGRAMMES:
Figure.VII.2. Diagrammes de fonctionnement pour le circuit de commande d’un
hacheur à thyristors
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE
Mémoire de fin d’études
62
7
44
667
3 3
22
LM 741LM 741
VrR14
R15R13
R12
R11
R10
a
RESISTOR
+V
LM339LM339
P3
RESISTORRESISTORRESISTORRESISTORRESISTOR
triggers de Schmittfiltre dérivateur RC
b1/4 MC 40931/4 MC 4093
R18
R16
dcC3
RESISTORRESISTOR1uF
Figure.VII.4
VII.4 ETUDE DE CHAQUE CELLULE
VII.4.1 Obtention du signal rectangulaire: (a)
Schéma :
Figure VII.3
Les résistances R10 et R11 servent à limiter la tension de consigne Ucm entre les
valeurs maximale et minimale du signal triangulaire Vr. Le basculement se fait entre
+Vcc et -Vcc tel que:
Ucm > Vr on aura a = +Vcc
Ucm < Vr on aura a = -Vcc
NB: le générateur de fonction (signal triangulaire) sera donné en annexe 4.
VII.4.2 Le détecteur de flancs montants:
Schéma:
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE
Mémoire de fin d’études
63
g
2
a C4
R17
1/4 MC 4093
+V
A la mise sous tension, la capacité C3 se comportant comme un court-circuit, la
tension d'entrée du trigger est nulle, la sortie est alors au niveau haut. La capacité C3 se
charge à travers R16 sous la tension +Vcc et lorsque le niveau V2 est atteint lorsque la
sortie retombe à zéro.
VII.4.3 Détecteur des flancs descendants:
Schéma:
Figure.VII.5
Le front descendant qui se produit à l'entrée du circuit RC est couplé au point 2
par le biais de condensateur C4 et que le trigger de Schmitt bascule au niveau zéro et un
lorsque les tensions de seuil sont franchises.
VII LE CIRCUIT DE COMMANDE
Mémoire de fin d’études
64
R20
Dz
D1
D3
R18T1
R22 Tp
d
RESISTOR
+V
SCRRESISTORRESISTORRESISTORNPNZENERDIODEDIODE
10TO1
VII.4.4 Amplification par les transformations d'imp ulsions:
Schéma:
Figure VII.6
Le signal logique d est injecté à la base du transistor T1, quand le signal est au
niveau haut (d = 1), le transistor T1 est saturé, il est bloqué dans le cas contraire (d = 0).
Les diodes D1 et Dz limitent la surtension lors du blocage de T1 et la diode D3
empêche les impulsions négatives.
La résistance R22 a pour rôle de limiter le courant de gâchette.
Il est important de noter que la séparation entre faible puissance et la partie
puissance (isolation galvanique) est assurée par les transformateurs d'impulsions.
CONCLUSION
Mémoire de fin d’études
65
VIII CONCLUSION
Au terme de cette étude, nous pouvons conclure que :
La variation de la vitesse d’un moteur à courant continu par résistance présente
beaucoup d’inconvénients tels, le déplacement des caractéristiques parallèlement à la
caractéristique d’origine et la grande consommation d’énergie au niveau du rhéostat. De
même, pour la variation par le flux : la puissance dissipée dans l’inducteur est faible
mais avec ce procédé, on ne peut qu’augmenter la vitesse de rotation du moteur par
rapport à sa vitesse nominale (Nn). Ces inconvénients qui nous poussent à choisir le
mode de variation par tension car il présente sur le système mécanique de nombreux
avantages : moins coûteux, moins bruyant, meilleur rendement, …
D’autre part, pour obtenir les différents montages de hacheurs, nous n’avons
qu’à mettre le(s) contacteur(s) statique(s) en parallèle et/ou en série avec la charge à
courant continu c’est à dire que les principes peuvent se résumer être semblable à ceux
du hacheur série ou ceux du hacheur parallèle.
Plus particulièrement, nous voulons des thyristors comme semi-conducteurs de
base car en dépit de ces inconvénients (difficulté de l’extinction) ils sont faciles à
commander et peuvent être utiles en puissance élevée.
Enfin, vu la nécessité des grandes usines même des P.M.E./P.M.I. à Madagascar,
ce dispositif est un des équipements très utiles au fonctionnement des différentes
machines.
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
66
ANNEXES
ANNEXE 1 DEMONSTRATION DE LA FORMULE (VI.18) .................................... 67
ANNEXE 2 CARACTERISTIQUES DES NOYAUX .................................................. 68
ANNEXE 3 SCHEMA DE L’AMPLIFICATION ......................................................... 70
ANNEXE 4 LE GENERATEUR DES FONCTION : ICL 8038 ................................... 72
ANNEXE 5 CONCEPTION D’UN BOITIER DIDACTIQUE...................................... 73
ANNEXE 6 LISTES DES COMPOSANTS ................................................................... 75
ESSAIS ET MESURES .................................................................................................. 79
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
67
ANNEXE 1
DEMONSTRATION DE LA FORMULE (VI.18) :[4]
dec IC
LUU σ+=
0
- D’après la figure V.7, à partir de l’instant où la tension Ud =0 ;le courant ic
circulant dans l’inductance Lσ diminue de Id à zéro. Ceci correspond à une
diminution de l’énergie magnétique de 2
2
1dILσ . Cette énergie est emmagasinée
dans le condensateur C.
- Au début où la diode D commence à conduire, on avait uc=Ue ,et l’énergie
capacitive initiale est donc égale à 2
2
1eCU
- Pendant u laps de temps t σ , l’alimentation fournit par la tension Ue une énergie
supplémentaire, augmente aussi la charge Q du condensateur :
)('0
0
ecee
t
ce UUCUQUdiU −=∆=∫σ
τ
- Le bilan d’énergie nous donne la relation
)(222
222
0
0
eecdec UUUC
IL
UC
UC −++= σ
Ce qui donne finalement :
dec IC
LUU σ+=
0
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
68
ANNEXE 2
CARACTERISTIQUES DES NOYAUX
• µr = 2000 +- 25% à B = 3500 Gauss
• Ae = 80mm2
• Le = 86 mm
NB : Les calculs ont été programmés.
1) Valeur limite de AL
I max = 25 A
La relation (VI.27) donne A L min
HAL 25.3625*10.25
10*68.0*350023
422
min== −
−
2) Processus de calculs pour compléter le tableau V I.1
• On se donne le nombre de spire N
• La relation (VI.23) donne AL
2
3
62
3 10.25
10.
10.25
NNAL == −
−
• µ se calcule à partir de (VI.24)
LL AA 55.8
6.88.0
4.0
1 ==π
µ
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
69
• La longueur d’entrefer :
(VI.28) ]11
[re
egg A
lAl
µµ−=
Comme Ag = Ae
]11
[r
eg llµµ
−= avec µr = 2500
]2500
11[86 −=µgl [ mm ]
La relation (VI.29) donne I max :
LL AAI
177
*10*25
10*8.0*35003
422
max == −
−
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
70
ANNEXE 3
- Schéma de l’amplification :
- Caractéristiques des thyristors : BTW 49-400
IG=40 à75 mA IH=35 à 40mA
tm max=2µs I=25A
teff=15 à 35µs U<400V
- Choix de l’IT
Un transformateur d’impulsion est caractérisé par :
R19 (ou R18)
R21 (ou R20)
R23 (ou R22)
NPN
R
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
71
• Le rapport de transformation
• Le produit Vs x τo en [ V . µS ]
τo = durée de l’impulsion
VS = tension d’alimentation
- Le courant maximal admissible : I max
− La durée minimale de l’impulsion : cette durée dépend de l’inductance du
circuit.
dt
diLU L =
Ldt
Udi L= t
L
Ui L ∆=∆
D’où LU
iLt
∆=∆
∆i = i accrochage = 35 mA
L = 1mH
UL = Ue
∆t devient la durée minimale de l’impulsion.
Si on utilise l’IT 245
12
1 =N
N
Imax = 100mA > IG
Dans notre cas VS = 15 V , VSx τo = 500 µS
Donc sVs µτ 3315
5000 ===
L’IT 245 convient pour allumer les thyristors.
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
72
ANNEXE 4
1°)Générateur de fonctions : ICL 8038
Oscillateur variable de 20Hz à 20kHz :
2°)Amplification et adaptation ‘impédance : LM 741
-15v
+15v1N457
2
12
Fréquency
Duty cycle
Distorsion
8
10 11
3
2
9645
P1100k 1k1k
1k
C23n4
C1
1uF
P2
2kR5
15k
R118k
R218k
Rv2100k
Rv12M
R34k7
R44k7
Vs
77 6 6
4 433
22
R7
1k
R282k
Rv3
100k
R6
56k
R8
4k7
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
73
IN 1 2 3 5 OUT
+
- -
+
4 6
Gp
Ga
Kp
Ka
ANNEXE 5
CONCEPTION D'UN BOITIER DIDACTIQUE
Deux montages sont possibles avec ce boîtier:
Montage abaisseur (hacheur série)
Montage élévateur (ou hacheur parallèle)
- Notice d'utilisation du boîtier
Pour le montage série, on n'a qu'à relier les bornes
+IN et 1
-2 et 3
4 ; 5 et + out
6 et - OUT en - IN
Pour le montage parallèle, il suffit de relier les bornes
+IN et 5
-IN ou -OUT et 2
1 et 4
3 ; 6 et +OUT
- Les 4 bornes Gp ;Kp ;Ga et Ka servent à vérifier les courants de gâchette issus
de la « carte commande »
Schémas:
Montage série
Rapport cyclique α
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
74
Montage série
Montage parallèle
NB: - Les tensions d'alimentation (+15,0 ; -15 Volt) du circuit de commande
seront branchées en face arrière du boîtier
- La tension continue à varier sera branchée à l’entrée ±IN tandis que la charge à
courant continu sera branchée à la sortie du hacheur (±OUT).
Face arrière
IN
+
-
1 2 3 5 OUT
4 6 Ka
Ga
Gp
Kp +
-
Le rapport
cyclique α
+15v
-15v
GND
Commande extérieure
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
75
ANNEXE 6
LISTE DES COMPOSANTS
I. Circuit de commande
A.1. Résistance
Résistance Valeurs Couleurs
R1 = R2 18 K Marron Gris Orange
R3= R4=R8 = R15 = R18 = R19 4 K7 Jaune Violet Rouge
R5 15 K Marron Vert Orange
R6 56 K Vert Bleu Orange
R7 1 K Marron Noir Rouge
R9 82 K Gris Rouge Orange
R10 = R11 = R20= R21 10 K Marron Noir Orange
R13 = R14 12 K Marron Rouge Orange
R16 = R17 39 K Orange Blanc Orange
R22 = R23 100 K Marron Noir Noir.
RV1 = 2 M RV2 = 100 K = RV3 (Résistances ajustables)
A.2. Potentiomètres
P1 = 100 K
P2 = 2 K
P3 = 10K
A.3. Diodes
D: 1NH00S = D1 = D2 = D3 = D4
A.4. Condensateurs
C1 = 1µF C2 = 3nF C3 = C4 = 0,0013 nF
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
76
A.5. Transistors
T1 = T2 : BC547
A.6. Transformateurs d'impulsions
IT: 245 (nombre: 2)
A.7. Circuits intégrés
Générateur des fonctions: ICL 8038
Comparateurs et adaptation d'impédance: LM741
Triggers de SCHMITT: 4093
II. Circuit de puissance (Hacheur) :
- 2 Thyristors BTW 49-400
- 3 diodes de puissance BYX 98
- condensateur C=15µH
- Inductance Lc=25µF
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
77
Annexe 7 : ETUDE D’IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
1.Introduction :
« La protection et le respect de l’environnement sont d’intérêt général.
Il est du devoir de chacun de protéger ; et de conserver et de valoriser son
environnement.
A cet effet, le présent Mémoire doit tenir compte les impacts environnementaux
afin de pouvoir donner des sérieuses solutions, pour assurer la protection de
l’environnement.
Dans notre cas : « ALIMENTATION A VITESSE VARIABLE D’UN
MOTEUR A COURANT CONTINU PAR HACHEUR A THYRISTORS », nous
devrons faire l’étude d’impacts environnementaux avec les deus convertisseurs.
Les MCC qui est un convertisseur électromagnétique
Le Hacheur, Un convertisseur statique
2.Etude d’impacts environnementaux :
Le Moteur à Courant Continu. :
Le M C C est l’un des plus utilisés dans les industries ; les transports (trains
électriques ; tapis roulants ; ascenseurs…) ; ainsi que dans les petits ateliers et dans les
équipements électroménagères …dans ses différents domaines, il est nécessaire de bien
maîtriser ce type de moteur, pour éviter les accidents. Par exemple, un mauvais réglage
de vitesse d’un train électrique pourrait provoquer un grand accident et de circulation ;
et risque d’endommager par la suite l’environnement. Ainsi, un autre dispositif
électrique et\ou électronique de réglage est nécessaire pour assurer la sécurité des
utilisateurs.
En outre, le courant électrique dans l’installation renvoie des ondes
électromagnétiques dans l’espace : Ces ondes perturbent les ondes F M (Modulation de
fréquence) ; B L U(Bande latérale Unique) U H F, les réseaux téléphonique ; et même
les humains…
Le hacheur
Le hacheur est un dispositif permettant de gérer l’alimentation et la vitesse de
rotation du M C C.Le seul effet néfaste à l’environnement que nous avions trouvé est,
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
78
l’irradiation des ondes électromagnétiques comme précédemment. Ces ondes sont
proportionnelles à la puissance disponible d’installation. Cependant, la perturbation
qu’elles provoquent n’est pas assez importante.
3.Conclusion : PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT :
Nous pouvons conclure que, les risques des pollutions ou des destructions de
l’environnement sont minimes avec l’emploie d’un « variateur de courant continu. En
effet, par rapport aux courants alternatifs, l’utilisation de courant continu diminue
beaucoup la consommation d’énergie électrique ; ainsi que les risques d’accidents
éventuels des utilisateurs et leurs entourages
Enfin, nos solutions sont les suivantes :
Pour atténuer ou éliminer les effets de l’irradiation des ondes
électromagnétiques, les constructeurs doivent bien dimensionner les moteurs
conformément aux normes. Pour les cas du hacheur, tous les circuits et les composants
électroniques sont renfermés dans un boîtier en bois ou en tôle d’acier.
En ce qui concerne la source d’énergie pour alimenter le M C C, l’emploi de
l’énergie solaire est l’une des meilleures solutions pour préserver la nature contre les
pollutions de l’air ; et pour la gestion d’énergie.
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
79
ESSAIS ET MESURES
Charges
Tensio
n
d’entré
e
Ue
[Volt]
Ucma
x
[Volt]
Tension
de charge
Ud
[Volt]
Courant
de charge
Id
[Ampère]
te"mi
n
[ms]
te"mi
n
[ms]
Période
T
[ms]
Rapport
Cyclique
α
Résistance pure
R=22Ω
10
14
5 à 9
0.40
2
3.60
4
0.50 à 0.90
R, L
R=22Ω
L=1.85mH
10
12
4.5 à 7.50
0.40
1.80
3
4
0.45 à 0.75
M.C.C :
Un=12V
Imax=15A
nmax=25000UPM
ra=0.3Ω
(résistance d’induit)
La=92µH
(inductance interne)
R=22Ω
L=1.875mH
16
20
4 à 12
0.40
1
3
4
0.25 à 0.75
Circuit d’extinction :
Lσ1 =333µH Lσ =1mH
Lσ2 =666µH Lc=1.85mH
C=10 µF
REMARQUE :
Nous tenons à remarquer que faute de moyen lors de la réalisation, nous n’avons
pas pu trouver l’inductance d’extinction Lc prévue dans le calcul. De plus, à cause de
l’imperfection des matériels de soudage, la valeur de l’inductance Lσ de connexion
s’élève à 1mH (50 fois plus grand que sa valeur normale prévue)
Par conséquent, nous étions obligés de réduire la « fréquence d’opération » au
quart de sa valeur théorique (f =250Hz), pour assurer les charges et les décharges du
condensateur d’extinction.
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
80
Tension
courant
Tension
courant
GRAPHIQUES :
Charge R :
Charge R,L :
* CALIBRE :
Tension ⇔ 5 Volts / division
Courant ⇔ 200mA / division
Temps ⇔ 1ms/division
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
81
Tension
Charge :MCC+R+L
* CALIBRE :
Tension ⇔ 10 Volts / division
Courant ⇔ 200mA / division
Temps ⇔ 1ms/division
ANNEXES
Mémoire de fin d’études
82
INTERPRETATION DES GRAPHIQUES :
On voit clairement sur la première courbe des trois graphiques, les deux états,
enclenchement et déclenchement du contacteur statique. L’allure de la tension ud aux
bornes de la charge est parfaitement identique à celle trouvée dans l’étude théorique.
Pour le déclenchement, on voit que la tension de charge à courant continu
présente une grande pointe. Cette « surtension » est due à la « commutation forcée »,
d’où la valeur de ud augmente de Ue + Uco. La tension de charge ud diminue ensuite
presque linéairement en fonction du temps. Puis, on constate que ud a tendance à
devenir négative mais, la présence de la « diode de roue libre » D empêche et impose
ud=0.
Enfin, dans la deuxième courbe, on a remarqué des ondulations en courant
continu. On constate aussi une légère surintensité due à commutation forcée. La
présence de l’inductance dans la charge (charge R, L) a atténué la grande pointe de la
tension de charge ; la surintensité ; et surtout l’ondulation en courant.
CONCLUSION :
Dans la réalisation de ce dispositif, nous avons rencontré beaucoup de problèmes
dont la majeure partie est du au point de vu composants et matériels. Heureusement que
cela n’entraînait aucun changement ou modification de montage, ni dans la partie
commande ; ni dans le circuit de puissance. En plus, on constate lors de l’essai et des
mesures que les résultats obtenus correspondent bien aux études théoriques…
D’autre part, pour le montage parallèle. Il nous faudra un gros M.C.C d’un engin
de traction pour l’essai…,et il se peut que nous devions recalculer et régler la fréquence
de l’opération.
Enfin, ce dispositif est très utile pour les travaux pratique et à l’enseignement,
grâce à sa facilité d’emploi( il suffit de voir la notice d’utilisation du boîtier didactique
en annexe 5) et aussi pour les Industries.
BIBLIOGRAPHIE
Mémoire de fin d’études
83
BIBLIOGRAPHIE [1]. Merat, Moreau, Dubois Génie Electronique
Lafargue, Le Goff Nathan Paris 1995-432 p
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DUNOD 1989-322 p
[5].C.Cimelli et R. Bougeron Guide de techniciens en électronique
Hachette 1995
[6].J.C.Chauveau, G.Chevalier Memotech électronique
B.Chevalier CASTEILLA PARIS 1989-548 P
[7].Ph.Walrave TERGANE « Etude des cartes
commande »
Edition : Mentor janvier 1988-98 p
[8].H.Bühler Traité d’électricité Volume XVI
Electronique de réglage et de
commande
[9].R.V Honorat Thyristors, Triacs, et GTO
Edition RADIO
[10].Rajaonarivelo jean André Cours d’Electronique de puissance I
4ème Année
[11].Andrianaharison Yvon Cours d’Electrotechnique :MCC
3ème Année
Cours d’Electronique analogique
4ème Année
[12].Andriatsihoarana Harlin S. Cours d’Electronique de puissance II
5ème Année
Nom : RAKOTOARIVONY
Prénom : Herisoa
Titre : « ALIMENTATION A VITESSE VARIABLE D’UN
MOTEUR A COURANT CONTINU PAR HACHEUR A
THYRISTORS »
Encadreur : ANDRIATSIHOARANA Harlin Samuel
Nombre de pages : 90
Nombre de figures : 55
Nombre de formules : 80
Nombre de tableaux : 03
Résumé :
Mots clés : Electronique de puissance ; Electronique de commande ; Hacheurs ;
Thyristor ; Commutation forcée ; Moteur à courant continu ;…
Adresse de l’auteur : cité de 67 Ha sud, logement 127 Antananarivo (101)
Téléphone : 22.298.37
Grâce à l’apparition de l’Electronique de puissance, la
conception et la réalisation d’un « variateur de vitesse des
moteurs à courant continu ne pose plus de problèmes
d’encombrement mécanique, bien que les calculs soient assez
compliqués…
A l’aide d’un potentiomètre, un opérateur peut varier le
« rapport cyclique du Hacheur qui règle à son tour, à une
fréquence fixe « f », la tension d’alimentation de la machine.
Cette plage de variation de la tension d’induit est gérée
par un système électronique.
Pour une utilisation future, la conception du circuit de
commande permet l’introduction d’un circuit de réglage.