Hacheurs et Onduleurs Autonomes — Cours (Bac STE)

Objectifs d'apprentissage

Décrire le principe d'un hacheur série (dévolteur, buck) : commutation périodique d'un interrupteur électronique, rapport cyclique α
Établir et exploiter la relation Us = α·Ue pour un hacheur série idéal
Décrire le principe d'un hacheur parallèle (survolteur, boost) et établir Us = Ue/(1-α)
Décrire le rôle de la bobine de lissage dans un hacheur : limiter l'ondulation du courant et stocker temporairement de l'énergie
Décrire le principe d'un onduleur autonome : conversion continu-alternatif par commutation d'interrupteurs de puissance
Décrire le principe de la commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) pour approcher une sinusoïde en sortie d'un onduleur
Identifier les applications typiques : hacheurs pour l'alimentation à découpage, onduleurs pour la variation de vitesse des moteurs asynchrones

Formules et résultats clés

Hacheur série (dévolteur, buck)

Un interrupteur électronique (transistor) commute périodiquement, connectant ou non la source à la charge. Le rapport cyclique α est la fraction de la période pendant laquelle l'interrupteur est fermé.

U_s = \alpha\,U_e \qquad 0 \leq \alpha \leq 1

La tension de sortie est toujours inférieure ou égale à la tension d'entrée : c'est pourquoi ce montage est qualifié de dévolteur.

Hacheur parallèle (survolteur, boost)

U_s = \dfrac{U_e}{1-\alpha}

La tension de sortie est toujours supérieure ou égale à la tension d'entrée. Dans les deux types de hacheurs, une bobine de lissagestocke temporairement de l'énergie et limite l'ondulation du courant.

Onduleur autonome

Un onduleur autonome convertit une tension continue en tension alternative de fréquence réglable, en commutant des interrupteurs de puissance selon une séquence adaptée. Sa principale application au programme est la variation de vitesse des moteurs asynchrones triphasés, dont la vitesse dépend directement de la fréquence d'alimentation.

Commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion)

La commande MLI fait varier la durée de conduction des interrupteurs à chaque période de découpage, si bien que la valeur moyenne locale de la tension en sortie suit une allure sinusoïdale. L'onduleur ne délivre donc pas directement une sinusoïde parfaite, mais une tension en créneaux dont la composante fondamentale s'en rapproche, généralement filtrée par l'inductance propre de la charge (bobinages du moteur).

Erreurs fréquentes

Confondre hacheur (conversion continu-continu, DC-DC) et onduleur (conversion continu-alternatif, DC-AC) — deux fonctions bien distinctes de l'électronique de puissance.

Confondre hacheur série/dévolteur (Us toujours inférieure ou égale à Ue, Us = α·Ue) et hacheur parallèle/survolteur (Us toujours supérieure ou égale à Ue, Us = Ue/(1-α)).

Oublier que le rapport cyclique α est toujours compris entre 0 et 1 (jamais négatif, jamais supérieur à 1) : c'est une fraction du temps de conduction sur une période de découpage.

Croire qu'un onduleur produit directement une sinusoïde parfaite en sortie — il produit en réalité une tension découpée (créneaux MLI) dont la valeur moyenne locale suit une allure sinusoïdale, nécessitant un filtrage réel pour lisser le signal.

Oublier le rôle de la bobine de lissage dans un hacheur : elle limite l'ondulation du courant et emmagasine temporairement de l'énergie pendant les phases de commutation.

Exemple corrigé — Dimensionnement d'un hacheur série

Énoncé

Un hacheur série alimente une charge sous une tension réglable $U_s$ à partir d'une batterie $U_e = 48\ \text{V}$ . 1) Calculer le rapport cyclique α nécessaire pour obtenir $U_s = 30\ \text{V}$ . 2) Que devient $U_s$ si α passe à $0{,}9$ ? 3) Le rapport cyclique peut-il valoir $1{,}2$ ? Justifier.

Correction

1) $U_s = \alpha U_e \Rightarrow \alpha = \dfrac{U_s}{U_e} = \dfrac{30}{48} = 0{,}625$ .

2) $U_s = 0{,}9 \times 48 = 43{,}2\ \text{V}$ .

**3)** Non : le rapport cyclique représente une fraction de la période de commutation pendant laquelle l'interrupteur est fermé, il est donc physiquement borné entre 0 et 1. Une valeur de 1,2 n'a aucun sens physique dans ce montage.

3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Un hacheur série (dévolteur) est alimenté sous $U_e = 24\ \text{V}$ , avec un rapport cyclique $\alpha = 0{,}4$ . Calculer la tension de sortie $U_s$ .

Voir la correction

$U_s = \alpha\,U_e = 0{,}4 \times 24 = 9{,}6\ \text{V}$ .

Exercice 2

Moyen

Un hacheur parallèle (survolteur) doit fournir $U_s = 60\ \text{V}$ à partir d'une source $U_e = 12\ \text{V}$ . Calculer le rapport cyclique α nécessaire.

Voir la correction

$U_s = \dfrac{U_e}{1-\alpha}$ , donc $1-\alpha = \dfrac{U_e}{U_s} = \dfrac{12}{60} = 0{,}2$ , soit $\alpha = 1-0{,}2 = 0{,}8$ .

Exercice 3

Difficile

Un moteur asynchrone triphasé doit fonctionner à vitesse variable. Justifier pourquoi on l'alimente par un onduleur autonome plutôt que directement sur le réseau triphasé à fréquence fixe (50 Hz), et préciser le rôle de la commande MLI dans ce contexte.

Voir la correction

La vitesse de rotation d'un moteur asynchrone dépend directement de la fréquence de la tension qui l'alimente. Le réseau triphasé standard impose une fréquence fixe (50 Hz), ce qui fige la vitesse du moteur à une valeur proche de sa vitesse de synchronisme. Un onduleur autonome permet de générer une tension alternative de fréquence réglable à volonté, ce qui permet de faire varier continûment la vitesse du moteur. La commande MLI, en modulant la durée de conduction des interrupteurs de puissance à chaque période de découpage, permet de façonner une tension dont la valeur moyenne locale suit une sinusoïde de fréquence et d'amplitude réglables — c'est cette fréquence réglable qui pilote directement la vitesse du moteur.

3 exercices, c'est un début.

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Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un hacheur et un onduleur ?

Un hacheur est un convertisseur continu-continu (DC-DC) : il transforme une tension continue en une autre tension continue, généralement de valeur différente, par découpage périodique. Un onduleur autonome est un convertisseur continu-alternatif (DC-AC) : il transforme une tension continue en une tension alternative de fréquence réglable, en commutant des interrupteurs de puissance pour reconstituer, en moyenne, une forme d'onde proche d'une sinusoïde. Ce sont deux fonctions bien distinctes de l'électronique de puissance.

Quelle est la différence entre hacheur série et hacheur parallèle ?

Un hacheur série (dévolteur, ou buck) délivre toujours une tension de sortie inférieure ou égale à la tension d'entrée, selon la relation Us = α·Ue avec α le rapport cyclique compris entre 0 et 1. Un hacheur parallèle (survolteur, ou boost) délivre au contraire une tension de sortie toujours supérieure ou égale à la tension d'entrée, selon la relation Us = Ue/(1-α). Le choix entre les deux dépend donc uniquement du besoin : abaisser ou élever la tension continue disponible.

Comment un onduleur produit-il une tension proche d'une sinusoïde à partir d'une tension continue ?

Un onduleur ne produit pas directement une sinusoïde parfaite : il commute rapidement des interrupteurs de puissance selon une commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion), qui fait varier la durée de conduction de chaque interrupteur à chaque période de découpage. La valeur moyenne locale de cette tension découpée, calculée sur une fenêtre glissante, suit une allure sinusoïdale — un filtrage (souvent assuré par l'inductance du moteur alimenté) lisse ensuite ce signal pour obtenir un courant proche d'une sinusoïde réelle.