Principe du variateur de vitesse pour un moteur à CC

Il y a plusieurs façons ou précédés pour varier la vitesse d’un moteur CC. On peut la faire modifier en variant la tension d’alimentation à ses bornes mais dans ce cas une partie importante de l’énergie est consommée par le dispositif d’alimentation. Pour cette raison, on préfère l’alimenter de façon discontinue avec un hacheur et faire ainsi varier la tension moyenne à ses bornes. On parle alors de Modulation par Largeur d’Impulsions (MLI), très utilisé dans le domaine de la régulation de vitesse de rotation d’un moteur à CC [MN09].

Hacheurs

Définition
Les hacheurs sont des convertisseurs statiques continu-continu  permettant de fabriquer une source de tension continue variable à partir d’une source de tension continue constante.

Pour varier la tension, il suffit de varier la valeur moyenne de la tension de sortie en découpant la tension de source. Cela est possible en commandant l’ouverture et la fermeture des interrupteurs électroniques [MEL09].

Structures d’hacheurs non réversibles
Nous allons nous intéresser, dans un premier temps aux structures les plus simples des hacheurs. Il s’agit de celles qui n’assurent pas la réversibilité, ni en tension, ni en courant. L’énergie ne peut donc aller que de la source vers la charge [MN09].

a) Hacheur série ou dévolteur
Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie est inférieure à celle de l’entrée. Il comporte un interrupteur à amorçage et blocage commandable ‘transistor bipolaire, transistor MOS ou IGBT…’ et un interrupteur à blocage et amorçage spontanés ‘diode’.

La charge est constituée par un moteur. Pour améliorer la qualité du courant c’està dire limiter l’ondulation résultant du découpage sur le courant de sortie, on insère une inductance en série avec le moteur. On néglige l’ondulation résiduelle.

Fonctionnement : Le cycle de fonctionnement, de période de hachage T = 1/f, comporte deux Etapes. Lors de la première étape, on rend le transistor passant et la diode, polarisée en inverse, est bloquée. Cette phase dure de 0 < t <α T, avec α compris entre 0 ± 1, α est appelle rapport cyclique. Lors de la seconde étape, on bloque le transistor, la diode devient passante, cette phase dure de αT< t <T [MN09].

Structures d’hacheurs réversibles
Les structures que nous venons de voir ne sont pas réversibles, ni en tension, ni en courant. L’énergie va donc toujours de la source vers la charge. Il est possible de modifier ces dispositifs pour inverser le sens de parcours de l’énergie. Ainsi, une source peut devenir une charge et inversement. Ce type de comportement se rencontre usuellement dans les systèmes électriques. Ainsi, un moteur en sortie d’un hacheur représente une charge. Cependant, si on veut réaliser un freinage, le moteur va devenir une génératrice, ce qui va entrainer un renvoi d’énergie à la source qui est plus astucieux qu’un simple freinage mécanique [MN09].

a) Hacheur série réversible en courant
Dans ce système, le changement du sens de parcours de l’énergie est liée au changement de signe du courant alors que la tension reste de signe constant. Cette fois, l’interrupteur, réversible en courant, est formé de deux composants. Le premier est un composant commandable à l’amorçage et au blocage transistor, IGBT, GTO…, alors que le second est une diode. Ils sont montés en antiparallèle.

Cette fois, IK peut être positif ou négatif. Il n’y aura plus de phénomène de conduction discontinue et de l’impossibilité pour le courant de changer de signe. Simplement, suivant le sens du courant, l’un ou l’autre des composants assurera la conduction [MN09].

b) Hacheur réversible en tension
La tension appliquée à la charge peut prendre les valeurs +Vs ou −Vs, ce qui permet, suivant la valeur du rapport cyclique, de donner une valeur moyenne de tension de sortie positive ou négative. En revanche, le courant doit rester de signe constant dans la charge, car les interrupteurs ne sont pas réversibles .

Technique de commande à MLI 

La qualité de la tension de sortie d’un hacheur dépend largement de la technique de commande utilisée pour commander les interrupteurs de ce hacheur [CR75]. Il existe plusieurs techniques de commande et le choix d’une technique parmi toutes les possibilités dépend essentiellement du type d’application auquel l’appareil est désigné. La technique la plus utilisée dans les variateurs de vitesse pour MCC est la commande par modulation de la largeur d’impulsion MLI.

Les techniques de modulation de largeur d’impulsions sont multiples. Cependant, 04 catégories de MLI ont été développées [CHA75] :
• Les modulations sinus-triangle effectuant la comparaison d’un signal de référence à une porteuse, en général, triangulaire ;
• Les modulations pré-calculées pour lesquelles les angles de commutation sont calculés hors ligne pour annuler certaines composantes du spectre ;
• Les modulations post-calculées encore appelées MLI régulières symétriques ou MLI vectorielles dans lesquelles les angles de commutation sont calculés en ligne ;
• Les modulations stochastiques pour lesquelles l’objectif fixé est le blanchiment du spectre (bruit constant et minimal sur l’ensemble du spectre). Les largeurs des impulsions sont réparties suivant une densité de probabilité représentant la loi de commande.

Le développement considérable de la technique de modulation en largeur d’impulsion ouvre une large étendue d’application dans les systèmes de commande et beaucoup d’autres fonctions. Elle permet une réalisation souple et rentable des circuits de commande des hacheurs [CHA75].