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.
- 17méthodes
- 32exercices corrigés
- 2problèmes
- 16pièges
- 96figures
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 :
- reconnaître la nature des sources reliées à un convertisseur et appliquer les règles d'interconnexion ;
- choisir la nature des interrupteurs d'après les signes des tensions et des courants ;
- tracer les chronogrammes d'un hacheur série, parallèle, réversible en courant ou en pont, et calculer la valeur moyenne de la tension de sortie ;
- établir l'équation différentielle et l'expression du courant sur charge L-E, puis l'ondulation ;
- calculer le courant moyen sur charge R-L-E et la vitesse d'une machine à courant continu ;
- choisir la structure d'après les quadrants de fonctionnement demandés ;
- dimensionner la bobine de lissage, la fréquence de hachage et les interrupteurs ;
- simuler en Python le courant d'un hacheur.
L’essentiel du chapitre Extrait gratuit
- 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 : , , spontanée. Transistor : , , commandé. Transistor et diode en antiparallèle : des deux signes.
- = aire sur une période divisée par ; = fraction de période où l'interrupteur désigné est fermé.
- Régime périodique établi : , .
- Tension constante sur une inductance : courant en rampes, pente .
- (crête à crête).
| Hacheur | Tension | Ondulation | Maximum | Quadrants |
|---|---|---|---|---|
| série | 1 du plan | |||
| parallèle | à fixée | un seul sens de transfert, de l'entrée vers la sortie | ||
| réversible en courant | 1 et 4 | |||
| pont, commande bipolaire | 1 à 4 |
Hacheur parallèle : entrée de type source de courant (source et inductance), sortie de type source de tension (condensateur ou batterie).
- , donc (exact) ; courant affine si .
- , : pour le hacheur série. Le rapport cyclique fixe la vitesse, la charge fixe le courant.
- Quadrants dans le plan , sens trigonométrique, même numérotation dans le plan : 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.
- Série, ondulation négligée : , , efficaces et ; tensions maximales ; courant maximal .
- Hacheur parfait : ; courant moyen pris à la source .
- (série), (pont) ; dimensionner au cas le plus défavorable de la plage de .
- MLI : dent de scie de à comparée à , .
Une méthode du chapitre Extrait gratuit
On demande l'expression de , la valeur de qui la rend maximale, ou l'inductance (ou la fréquence) minimale pour respecter une ondulation imposée.
Série : , maximum en . Pont bipolaire : , maximum . Parallèle : (cours, 4.4, 5.2, 7.1).
- Obtenir par la méthode 7.
- Dériver, ou reconnaître la parabole : maximum en .
- Vérifier que appartient à la plage de fonctionnement ; sinon prendre la borne la plus proche de .
- Écrire exigence et isoler (ou ) ; conclure par rapport au cahier des charges.
« est maximale pour , qui appartient à la plage utilisée. L'exigence impose ; l'inductance de la charge valant , il faut ajouter une bobine de lissage d'au moins . »
Le hacheur de traction d'un chariot élévateur sur bus de , , ondulation limitée à : .
- Écrire la fréquence en kilohertz dans la formule.
- Prendre l'ondulation comme la moitié de : les sujets du CNC définissent .
- Dimensionner au de fonctionnement nominal au lieu du cas le plus défavorable.
Exercices 5, 6, 10, 16, 17, 19, 21, 22, 24, 25 et 28.
Un exercice corrigé Extrait gratuit
Un hacheur série alimente un moteur à courant continu en série avec une inductance de lissage. L'inductance totale vaut ; la résistance de l'induit est négligée. Pour , la force électromotrice du moteur vaut . La fréquence de hachage est et le courant moyen dans la charge . Régime permanent.
- Tracer l'allure de sur une période. Calculer la tension de la source.
- Écrire l'équation du courant pendant chaque phase et tracer .
- Calculer l'ondulation , puis et .
- Quelle serait l'ondulation maximale, et pour quel rapport cyclique ?
Méthodes 5, 7 et 8. en régime établi, donc .
1. pendant ( fermé), ensuite ( conduit). , donc .
2. De à : , le courant monte de . De à : , il descend de . Le courant est affine par morceaux, en dents de scie autour de (figure du cours, section 4.4).
3. et :
Contrôle par la descente :
Les segments sont symétriques autour de la moyenne : , .
4. est maximal en :
On calcule l'ondulation sur une phase et on la contrôle sur l'autre : les deux doivent donner la même valeur.
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.
Ouvrir l'essai gratuitUne question ? WhatsAppPlan du cours
- 1. Pourquoi hacher
- 1.1 Régler la tension d'un moteur sans gaspiller
- 1.2 Principe : le rapport cyclique
- 1.3 Le hacheur dans la chaîne de puissance
- 2. Sources et interrupteurs
- 2.1 Sources de tension et sources de courant à l'échelle d'une période
- 2.2 Règles d'interconnexion des sources
- 2.3 Interrupteurs électroniques parfaits
- 2.4 Cellule de commutation
- 3. Outils de calcul
- 3.1 Valeur moyenne d'un signal périodique
- 3.2 Bobine et condensateur en régime périodique établi
- 3.3 Courant affine par morceaux
- 4. Hacheur série (abaisseur)
- 4.1 Structure et phases
- 4.2 Chronogrammes
- 4.3 Valeur moyenne de la tension de sortie
- 4.4 Courant sur charge L-E
- 4.5 Charge R-L-E et machine à courant continu
- 4.6 Courants dans les interrupteurs et bilan de puissance
- 4.7 Conduction continue et quadrant de fonctionnement
- 5. Hacheur parallèle (élévateur)
- 5.1 Structure
- 5.2 Relation entre les tensions
- 5.3 Courants, puissance, limites
- 6. Réversibilité
- 6.1 Les quatre quadrants
- 6.2 Ce que la charge demande au convertisseur
- 6.3 Hacheur réversible en courant
- 6.4 Quand la source n'est pas réversible
- 7. Hacheur en pont (quatre quadrants)
- 7.1 Structure et commande bipolaire
- 7.2 Les quatre quadrants
- 8. Commande du rapport cyclique
- 8.1 Modulation de largeur d'impulsion
- 8.2 Commande numérique
- 8.3 Le hacheur dans une boucle de vitesse
- 9. Dimensionner et choisir
- 9.1 Bobine de lissage et fréquence de hachage
- 9.2 Contraintes des interrupteurs et documentation
- 9.3 Compromis
- 9.4 Approfondissement : les pertes par conduction
- 10. Application : extraire la puissance maximale d'un panneau
- 10.1 Le rapport cyclique choisit le point de fonctionnement
- 10.2 La recherche du maximum
- 11. Simuler le courant d'un hacheur en Python
- 12. Répondre sur un document réponse
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.
- Reconnaître la nature des sources et appliquer les règles d'interconnexion
- Choisir la nature des interrupteurs
- Identifier les quadrants demandés et choisir la structure du hacheur
- Établir les séquences de conduction et tracer les chronogrammes
- Calculer une valeur moyenne par l'aire
- Obtenir la relation entre tensions moyennes par la tension moyenne de l'inductance
- Établir le courant phase par phase sur charge L-E
- Calculer l'ondulation, trouver son maximum et dimensionner L ou f
- Calculer le courant moyen sur charge R-L-E et la vitesse d'une machine à courant continu
- Calculer les courants dans les interrupteurs et en déduire les contraintes de choix
- Faire le bilan de puissance d'un hacheur parfait
- Reconnaître marche motrice, arrêt ou freinage sur des chronogrammes
- Commander un pont en bipolaire : tension moyenne, ondulation, sens de rotation
- Exploiter un oscillogramme de hacheur
- Placer le point de fonctionnement d'un panneau par le rapport cyclique
- Simuler en Python le courant d'un hacheur
- 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)
- Rhéostat ou hacheur : où part l'énergie
- Les règles d'interconnexion
- Caractéristiques de la diode, du transistor et de l'interrupteur bidirectionnel
- Valeurs moyennes de tensions hachées
- Le hacheur série d'un moteur
- Le hacheur parallèle
- Lire un oscillogramme de hacheur
- Vitesse d'un moteur commandé par hacheur série
- Quels quadrants pour quelle machine
- Le vélo tout-terrain électrique
- Courant d'entrée et courants des interrupteurs
- Le rapport cyclique codé sur 8 bits
- Compléter les chronogrammes d'un hacheur série
Entraînement (14)
- La bouée de signalisation maritime
- Le pont du robot d'assistance à la marche
- Le convertisseur réversible du bus électrique
- Le convertisseur réversible du véhicule hybride
- Les contraintes en courant des interrupteurs du véhicule hybride
- Le karting électrique
- L'ascenseur en quatre quadrants
- Le moteur de vélo à assistance
- Le modulateur d'un transpalette
- Le robot tondeur
- Le chariot filoguidé
- Effet de la fréquence et de l'inductance
- Le courant du hacheur simulé en Python
- Choisir le module d'interrupteurs sur une documentation
Approfondissement (5)
- La rééducation à la marche : MLI et pont bipolaire
- Le calcul exact avec la résistance
- Jusqu'où la conduction reste continue
- Les pertes par conduction d'un convertisseur de véhicule hybride
- Freiner sur une résistance quand la source n'est pas réversible
Les problèmes de concours
Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.
- Le pompage photovoltaïque : charger les batteries à courant constant
- Le hacheur élévateur d'un micro-réseau photovoltaïque
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 . Pour le hacheur série, pendant , quand l'interrupteur commandé est fermé, et ensuite, quand la diode de roue libre conduit : . En régime périodique établi, la tension moyenne aux bornes d'une inductance est nulle ; sur une charge L-E, . Un moteur de force électromotrice 100 V alimenté avec demande donc une source de 125 V. Pour un pont en commande bipolaire, .
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 pendant et descend de pente ensuite. L'ondulation, comptée d'une crête à l'autre, , vaut pour le hacheur série . La parabole est maximale en : . Avec 125 V, 20 mH, 2,5 kHz et , 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, , de maximum .
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 : si elle y figure, sinon la borne la plus proche. Pour le hacheur série, , 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 suivie d'une inductance, et la sortie une source de tension, un condensateur ou une batterie . Pendant , l'interrupteur commandé est fermé et l'inductance se charge sous ; ensuite, la diode renvoie son courant vers la sortie. La tension moyenne de l'inductance étant nulle, : le hacheur est élévateur. Pour qu'un module de 30 V débite dans une batterie de 48 V, il faut . Près de , 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 : 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 : le rapport cyclique place le panneau où l'on veut sur sa caractéristique. Pour le module de 250 W au maximum sous 30 V, donne ce maximum ; 0,30 et 0,50 donnent moins. La méthode « perturber et observer » modifie légèrement 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 ; la conduction discontinue et les pertes en commutation ne sont pas calculées.
Comment y accéder
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