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Conversion continu-continu en génie électrique TSI1 : hacheurs série, parallèle, réversible en courant et en pont (cours et exercices corrigés)

Sources et règles d'interconnexion, interrupteurs électroniques parfaits, hacheur série, hacheur parallèle, hacheur réversible en courant et hacheur en pont quatre quadrants : rapport cyclique, valeurs moyennes, courant et ondulation sur charge L-E, chronogrammes, association avec la machine à courant continu, dimensionnement de la bobine de lissage et choix des interrupteurs ; recherche du point de puissance maximale d'un panneau en application.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Une batterie donne une tension fixe, un moteur à courant continu demande une tension réglable : une résistance en série la règle en chauffant, le hacheur la règle sans rien gaspiller, en ouvrant et en fermant très vite un interrupteur électronique. Ce chapitre de génie électrique apprend à reconnaître la nature des sources et à appliquer les règles d'interconnexion, à choisir les interrupteurs d'après les signes des tensions et des courants, à tracer les chronogrammes et à calculer la valeur moyenne de la tension de sortie par le rapport cyclique, à établir le courant sur charge L-E et son ondulation, à calculer la vitesse d'une machine à courant continu, à choisir entre hacheur série, hacheur parallèle, hacheur réversible en courant et hacheur en pont d'après les quadrants demandés, puis à dimensionner la bobine de lissage et les interrupteurs. Il suit la partie B.3 « Conversion continu-continu : les hacheurs » du programme de génie électrique de la TSI1 au Maroc, avec une application au point de puissance maximale d'un panneau photovoltaïque, une simulation en Python, des exercices corrigés et des problèmes tirés des sujets du CNC de TSI.

Ce que tu sauras faire

L'élévateur de caisses de l'huilerie est entraîné par un moteur à courant continu alimenté par une batterie de 48 V. Il doit monter lentement les caisses pleines, plus vite à vide, retenir les caisses qui descendent et, un jour, reculer. Brancher le moteur directement sur la batterie ne donne qu'une vitesse ; une résistance en série la règle, mais en chauffant. Le hacheur règle la tension moyenne du moteur sans rien gaspiller, en ouvrant et en fermant très vite un interrupteur électronique. À la fin du chapitre, tu dois savoir :

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Sources et interrupteurs
  • À l'échelle de la période : batterie, condensateur = source de tension ; inductance, induit avec bobine = source de courant.
  • Jamais de court-circuit d'une source de tension, jamais d'ouverture d'une source de courant, jamais deux tensions en parallèle ni deux courants en série.
  • Cellule de commutation : deux interrupteurs en commande complémentaire ; diode de roue libre pour la charge inductive.
  • Diode : i>0i > 0, v<0v < 0, spontanée. Transistor : i>0i > 0, v>0v > 0, commandé. Transistor et diode en antiparallèle : ii des deux signes.
À retenir Outils
  • ⟨s⟩\langle s\rangle = aire sur une période divisée par TT ; α\alpha = fraction de période où l'interrupteur désigné est fermé.
  • Régime périodique établi : ⟨uL⟩=0\langle u_L\rangle = 0, ⟨iC⟩=0\langle i_C\rangle = 0.
  • Tension constante sur une inductance : courant en rampes, pente u−EL\frac{u - E}{L}.
  • Δi=Imax⁡−Imin⁡\Delta i = I_{\max} - I_{\min} (crête à crête).
À retenir Les structures
Hacheur Tension Ondulation Maximum Quadrants
série ⟨u⟩=αV\langle u\rangle = \alpha V α(1−α)VLf\frac{\alpha(1 - \alpha)V}{Lf} V4Lf\frac{V}{4Lf} 1 du plan (u,i)(u, i)
parallèle Vs=Ve1−αV_s = \frac{V_e}{1 - \alpha} αVeLf\frac{\alpha V_e}{Lf} Vs4Lf\frac{V_s}{4Lf} à VsV_s fixée un seul sens de transfert, de l'entrée vers la sortie
réversible en courant ⟨u⟩=αV\langle u\rangle = \alpha V α(1−α)VLf\frac{\alpha(1 - \alpha)V}{Lf} V4Lf\frac{V}{4Lf} 1 et 4
pont, commande bipolaire ⟨u⟩=(2α−1)V\langle u\rangle = (2\alpha - 1)V 2α(1−α)VLf\frac{2\alpha(1 - \alpha)V}{Lf} V2Lf\frac{V}{2Lf} 1 à 4

Hacheur parallèle : entrée de type source de courant (source et inductance), sortie de type source de tension (condensateur ou batterie).

À retenir Charge R-L-E et machine à courant continu
  • ⟨u⟩=R⟨i⟩+E\langle u\rangle = R\langle i\rangle + E, donc ⟨i⟩=⟨u⟩−ER\langle i\rangle = \frac{\langle u\rangle - E}{R} (exact) ; courant affine si LR≫T\frac{L}{R} \gg T.
  • E=KΩE = K\Omega, Cem=K⟨i⟩C_{em} = K\langle i\rangle : Ω=αV−R⟨i⟩K\Omega = \frac{\alpha V - R\langle i\rangle}{K} pour le hacheur série. Le rapport cyclique fixe la vitesse, la charge fixe le courant.
  • Quadrants dans le plan (Ω,Cem)(\Omega, C_{em}), sens trigonométrique, même numérotation dans le plan (u,i)(u, i) : Q2 pour une charge levée qui descend, Q4 pour un véhicule qui freine en avançant.
  • Récupérer l'énergie : hacheur réversible et source réversible ; sinon hacheur de freinage sur résistance.
À retenir Courants et dimensionnement
  • Série, ondulation négligée : ⟨iT⟩=αI\langle i_T\rangle = \alpha I, ⟨iD⟩=(1−α)I\langle i_D\rangle = (1 - \alpha)I, efficaces α I\sqrt\alpha\,I et 1−α I\sqrt{1 - \alpha}\,I ; tensions maximales VV ; courant maximal I+Δi2I + \frac{\Delta i}{2}.
  • Hacheur parfait : V⟨ie⟩=⟨u⟩IV\langle i_e\rangle = \langle u\rangle I ; courant moyen pris à la source αI\alpha I.
  • L≥V4f Δimax⁡L \geq \frac{V}{4f\,\Delta i_{\max}} (série), V2f Δimax⁡\frac{V}{2f\,\Delta i_{\max}} (pont) ; dimensionner au cas le plus défavorable de la plage de α\alpha.
  • MLI : dent de scie de 00 à VmV_m comparée à vcv_c, α=vcVm\alpha = \frac{v_c}{V_m}.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 17 méthodes, 16 pièges corrigés, la carte mentale, 32 exercices corrigés, 2 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Les trois premiers chapitres de chaque matière sont offerts avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

  1. Reconnaître la nature des sources et appliquer les règles d'interconnexion
  2. Choisir la nature des interrupteurs
  3. Identifier les quadrants demandés et choisir la structure du hacheur
  4. Établir les séquences de conduction et tracer les chronogrammes
  5. Calculer une valeur moyenne par l'aire
  6. Obtenir la relation entre tensions moyennes par la tension moyenne de l'inductance
  7. Établir le courant phase par phase sur charge L-E
  8. Calculer l'ondulation, trouver son maximum et dimensionner L ou f
  9. Calculer le courant moyen sur charge R-L-E et la vitesse d'une machine à courant continu
  10. Calculer les courants dans les interrupteurs et en déduire les contraintes de choix
  11. Faire le bilan de puissance d'un hacheur parfait
  12. Reconnaître marche motrice, arrêt ou freinage sur des chronogrammes
  13. Commander un pont en bipolaire : tension moyenne, ondulation, sens de rotation
  14. Exploiter un oscillogramme de hacheur
  15. Placer le point de fonctionnement d'un panneau par le rapport cyclique
  16. Simuler en Python le courant d'un hacheur
  17. Répondre sur un document réponse : chronogrammes et composants passants

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (13)

Entraînement (14)

Approfondissement (5)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Questions fréquentes

Comment calculer la valeur moyenne de la tension de sortie d'un hacheur série ?

La valeur moyenne est l'aire sous la courbe sur une période, divisée par la période TT. Pour le hacheur série, u=Vu = V pendant αT\alpha T, quand l'interrupteur commandé est fermé, et u=0u = 0 ensuite, quand la diode de roue libre conduit : ⟨u⟩=αV\langle u\rangle = \alpha V. En régime périodique établi, la tension moyenne aux bornes d'une inductance est nulle ; sur une charge L-E, ⟨u⟩=E\langle u\rangle = E. Un moteur de force électromotrice 100 V alimenté avec α=0,8\alpha = 0{,}8 demande donc une source de 125 V. Pour un pont en commande bipolaire, ⟨u⟩=(2α−1)V\langle u\rangle = (2\alpha - 1)V.

Comment calculer l'ondulation du courant et pour quel rapport cyclique est-elle maximale ?

Sur charge L-E, le courant monte en rampe de pente V−EL\frac{V - E}{L} pendant αT\alpha T et descend de pente EL\frac{E}{L} ensuite. L'ondulation, comptée d'une crête à l'autre, Δi=Imax⁡−Imin⁡\Delta i = I_{\max} - I_{\min}, vaut pour le hacheur série Δi=α(1−α)VLf\Delta i = \frac{\alpha(1 - \alpha)V}{Lf}. La parabole α(1−α)\alpha(1 - \alpha) est maximale en α=12\alpha = \frac12 : Δimax⁡=V4Lf\Delta i_{\max} = \frac{V}{4Lf}. Avec 125 V, 20 mH, 2,5 kHz et α=0,8\alpha = 0{,}8, on trouve 0,40 A, entre 5,8 et 6,2 A autour d'un courant moyen de 6 A ; le maximum serait 0,625 A. Pour le pont en commande bipolaire, Δi=2α(1−α)VLf\Delta i = \frac{2\alpha(1 - \alpha)V}{Lf}, de maximum V2Lf\frac{V}{2Lf}.

Comment choisir l'inductance de la bobine de lissage ?

On écrit que l'ondulation maximale respecte l'exigence du cahier des charges, au cas le plus défavorable de la plage de rapport cyclique utilisée : α=12\alpha = \frac12 si elle y figure, sinon la borne la plus proche. Pour le hacheur série, L≥V4f Δimax⁡L \geq \frac{V}{4f\,\Delta i_{\max}}, avec la fréquence en hertz. Sous 48 V à 20 kHz, une ondulation de 0,6 A au plus impose 1 mH ; si l'induit n'en apporte que 0,5 mH, on ajoute une bobine de 0,5 mH qui supporte le courant maximal sans saturer. Doubler la fréquence aurait le même effet, au prix de pertes en commutation doublées.

Comment fonctionne le hacheur parallèle et que vaut sa tension de sortie ?

L'entrée est une source de courant, une source VeV_e suivie d'une inductance, et la sortie une source de tension, un condensateur ou une batterie VsV_s. Pendant αT\alpha T, l'interrupteur commandé est fermé et l'inductance se charge sous VeV_e ; ensuite, la diode renvoie son courant vers la sortie. La tension moyenne de l'inductance étant nulle, Vs=Ve1−αV_s = \frac{V_e}{1 - \alpha} : le hacheur est élévateur. Pour qu'un module de 30 V débite dans une batterie de 48 V, il faut α=0,375\alpha = 0{,}375. Près de α=1\alpha = 1, les résistances réelles limitent le gain et le rendement s'effondre.

Qu'est-ce qu'un hacheur réversible en courant et quand faut-il un pont ?

C'est un bras de deux transistors munis chacun d'une diode en antiparallèle, en commande complémentaire. Courant positif, un transistor et la diode de l'autre conduisent : c'est le hacheur série, la machine est motrice. Courant négatif, la machine freine et renvoie l'énergie vers la batterie, comme à travers un hacheur parallèle. Dans les deux cas ⟨u⟩=αV\langle u\rangle = \alpha V : tension positive, courant des deux signes, quadrants 1 et 4, pour un véhicule qui freine en avançant. Pour avancer, reculer et freiner, il faut les quatre quadrants, donc le pont. La récupération demande aussi une source réversible ; sinon, un hacheur de freinage dissipe l'énergie dans une résistance.

À quoi sert un hacheur dans la recherche du point de puissance maximale d'un panneau ?

Branché directement sur une batterie de 48 V, un panneau de tension à vide plus faible ne débiterait rien. À travers un hacheur parallèle dont la batterie tient la sortie, la tension du panneau vaut Ve=(1−α)VsV_e = (1 - \alpha)V_s : le rapport cyclique place le panneau où l'on veut sur sa caractéristique. Pour le module de 250 W au maximum sous 30 V, α=0,375\alpha = 0{,}375 donne ce maximum ; 0,30 et 0,50 donnent moins. La méthode « perturber et observer » modifie légèrement α\alpha et garde le sens de la modification si la puissance augmente. Cette recherche est une application, non exigible ; les sujets ne demandent que les calculs du hacheur.

Que demandent les sujets du CNC de TSI sur les hacheurs ?

Les sujets de génie électrique de TSI étudient le hacheur dans un système complet : pompage photovoltaïque, véhicule hybride, karting électrique, micro-réseau photovoltaïque, bouée de signalisation, robot d'assistance à la marche, bus électrique. Ils donnent le schéma, les hypothèses (interrupteurs parfaits, conduction continue, force électromotrice constante sur une période) et souvent la commande sur un document réponse. Il faut savoir sans aide les règles d'interconnexion, la nature des interrupteurs, les valeurs moyennes, les deux phases du courant, l'ondulation et son maximum, les quadrants, puis conclure sur le cahier des charges. L'ondulation y est toujours Imax⁡−Imin⁡I_{\max} - I_{\min} ; la conduction discontinue et les pertes en commutation ne sont pas calculées.

Comment y accéder

Ce chapitre fait partie de l'accès complet. Les trois premiers chapitres de chaque matière (deux par bloc en économie et droit, en management et gestion) sont offerts avec un compte d'essai gratuit. Créer un compte d'essai ou se connecter. Pour l'accès complet, les tarifs ou une question, écris-nous sur WhatsApp.

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