Contrôle par chopper d'un moteur DC à excitation séparée

Un chopper est un dispositif qui convertit une tension continue (CC) fixe en une tension CC variable. Les dispositifs auto-commutés, tels que les transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET), les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), les transistors de puissance, les thyristors à extinction par grille (GTO) et les thyristors à commutation intégrée par grille (IGCT), sont couramment utilisés dans la construction des choppers. Ces dispositifs peuvent être allumés ou éteints directement via un signal de commande de grille en utilisant des entrées de faible puissance et n'ont pas besoin d'un circuit de commutation supplémentaire, ce qui les rend très efficaces et pratiques pour les applications de chopper.

Les choppers sont généralement opérés à haute fréquence. Cette opération à haute fréquence améliore considérablement la performance du moteur en réduisant les ondulations de tension et de courant et en éliminant la conduction discontinue. L'un des avantages les plus notables de la commande par chopper est sa capacité à permettre le freinage régénératif même à des vitesses de rotation très basses. Cette caractéristique est particulièrement précieuse lorsque le système de propulsion est alimenté par une source de tension CC fixe à basse, permettant une récupération efficace de l'énergie pendant les opérations de freinage.

Commande de Moteur

La figure ci-dessous illustre un moteur DC à excitation séparée commandé par un chopper à transistor. Le transistor Tr est commuté périodiquement avec une période Tr, restant dans l'état de conduite pendant une durée Ton. Les formes d'onde correspondantes de la tension aux bornes du moteur et du courant d'armature sont également représentées dans la figure. Lorsque le transistor est allumé, la tension aux bornes du moteur est V, et le fonctionnement du moteur peut être décrit comme suit :

Pendant cet intervalle de temps spécifique, le courant d'armature augmente de ia1 à ia2. Cette phase est appelée intervalle de travail, car le moteur est directement connecté à la source d'alimentation pendant cette période. La connexion directe permet le transfert d'énergie électrique de la source au moteur, lui permettant de générer un couple mécanique et de tourner.

Lorsque t = ton, le transistor Tr est désactivé. Par la suite, le courant du moteur commence à circuler librement à travers le diode Df. En conséquence, la tension aux bornes du moteur tombe à zéro dans l'intervalle de temps ton≤t≤T. Cet intervalle est connu sous le nom d'intervalle de circulation libre. Pendant cette phase de circulation libre, l'énergie stockée dans le champ magnétique du moteur et l'inductance est dissipée à travers le diode de circulation libre, maintenant le flux de courant en boucle fermée. Le fonctionnement du moteur pendant cet intervalle peut être analysé et décrit en examinant les interactions électriques et magnétiques au sein des composants du circuit.

Le courant du moteur diminue de ia2 à ia1 pendant cet intervalle. Le rapport entre l'intervalle de travail ton et la période du chopper T est appelé cycle de travail.

Freinage Régénératif

La figure ci-dessous illustre un chopper configuré pour une opération de freinage régénératif. Le transistor Tr est commuté cycliquement avec une période T et une durée d'allumage ton. La forme d'onde de la tension aux bornes du moteur va et du courant d'armature ia sous conditions de conduction continue est également représentée. Pour augmenter la valeur de l'inductance La, un inducteur externe est incorporé dans le circuit.

Lorsque le transistor Tr est allumé, le courant d'armature ia augmente de ia1 à ia2. Cette augmentation du courant se produit alors que l'énergie électrique est temporairement stockée dans l'inducteur et le champ magnétique du moteur, préparant le terrain pour le processus de conversion d'énergie qui est caractéristique du freinage régénératif.

Lorsque le moteur fonctionne en mode de freinage régénératif, il agit comme un générateur, convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique. Une partie de cette énergie électrique contribue à augmenter l'énergie magnétique stockée dans l'inductance du circuit d'armature. Pendant ce temps, le reste de l'énergie électrique est dissipée sous forme de chaleur dans les enroulements d'armature et les transistors, en raison de la résistance inhérente de ces composants.

Lorsque le transistor est éteint, le courant d'armature traverse le diode D et la source d'alimentation V, diminuant de ia2 à ia1. Dans ce processus, l'énergie électromagnétique stockée dans le circuit et l'énergie générée par la machine sont réinjectées dans la source d'alimentation. L'intervalle de temps de 0 à ton est défini comme l'intervalle de stockage d'énergie, pendant lequel l'énergie s'accumule dans le système. Inversement, l'intervalle de ton à T est appelé intervalle de travail, lors duquel le transfert d'énergie et le fonctionnement du système se produisent.

Commande de Fonctionnement en Moteur et en Freinage

Pendant le fonctionnement en moteur, le transistor Tr1 est régulé pour alimenter le moteur, lui permettant de tourner en avant. À l'inverse, pour le fonctionnement en freinage, le transistor Tr2 prend le contrôle. La transition de contrôle de Tr1 à Tr2 change de manière fluide l'opération du système de moteur à freinage, et l'inversion de ce transfert de contrôle le ramène à l'état de moteur. Ce mécanisme de contrôle précis assure un fonctionnement efficace et fiable du système de propulsion électrique dans différentes conditions de travail.

Contrôle Dynamique

Le circuit de freinage dynamique, ainsi que sa forme d'onde correspondante, sont illustrés dans la figure ci-dessous. Dans l'intervalle de temps de 0 à Ton, le courant d'armature ia augmente progressivement de ia1 à ia2. Pendant cette phase, une partie de l'énergie électrique est stockée dans l'inductance, servant de réservoir pour les opérations ultérieures. Simultanément, le reste de l'énergie est dissipé sous forme de chaleur dans la résistance d'armature Ra et le transistor TR, une conséquence nécessaire de la résistance électrique présente dans ces composants.

Dans l'intervalle de temps Ton ≤ t ≤ T, le courant d'armature ia diminue de ia2 à ia1. Pendant cette phase, l'énergie générée par le moteur et l'énergie stockée dans les inductances sont dissipées à travers la résistance de freinage RB, la résistance d'armature Ra et le diode D. Le transistor Tr joue un rôle pivot dans la régulation de la quantité d'énergie dissipée dans RB. En contrôlant précisément le fonctionnement de Tr, on peut moduler efficacement la puissance dissipée dans RB, influençant ainsi la performance globale de freinage et la valeur effective de l'énergie dissipée. Ce mécanisme de contrôle permet un ajustement fin du processus de freinage dynamique, assurant une gestion optimale de l'énergie et la stabilité du système.