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4- La conversion de puissance 4-1- Les variateurs Commutateur de sortie a c b Le commutateur de sortie génère les tensions d’alimentation du servomoteur . La tension de sortie peut être continue, en créneaux ou une tension sinusoïdale. Les étages de sortie utilisent des semi-conducteurs qui fonctionnent en «tout ou rien» à des fréquences de découpage élevées (plusieurs kHz). Ce procédé connu sous de nom de MLI (Modulation de Largeur d’Impulsions) ou PWM en anglais permet de reconstituer toute forme de tension ou de courant en minimisant les pertes dans le variateur. Les servovariateurs modernes utilisent presque exclusivement des transistors IGBT, ou en français, transistor bipolaire à grille isolée. Ce composant, combinaison d’un transistor bipolaire et d’un transistor MOS, est commandé par une tension appliquée à une électrode appelée grille ou «gate» isolée du circuit de puissance, d’où son nom « Insulated Gate ». Ce composant nécessite des énergies infimes pour faire circuler des courants importants (plusieurs centaines d’ampères). Ses caractéristiques tension/courant sont similaires à celles des transistors bipolaires, mais ses performances en énergie de commande et fréquence de découpage sont très nettement supérieures à tous les autres semi-conducteurs. Les transistors IGBT peuvent fonctionner à des fréquences de quelques dizaines de kHz. Pour les variateurs délivrant des courants faibles (10 A max) et alimentés en basse tension (une centaine de volts), le commutateur utilise parfois des transistors MOS de puissance. L’étage de sortie aura les configurations suivantes : ■■ensembles de deux IGBT et leurs diodes de retour associées dans le cas où la charge est un moteur pas-à-pas unipolaire (montage a), ■■quatre IGBT et leurs diodes de retour associées dans le cas où la charge est constituée par un moteur à courant continu (montage b), ■■six IGBT et leurs diodes de retour associées, quand le moteur est de type triphasé (moteur pas-à-pas, servomoteur synchrone ou asynchrone ou moteur DC brushless) (montage c), ■■ensembles de huit IGBT et leurs diodes associées, quand la charge est un moteur pas-à-pas bipolaire (montage d). La figure 80 représente les quatre possibilités de configurations de l’étage de sortie. Les commutateurs sont équipés en règle générale de capteurs de courant qui reproduisent en temps réel la forme du courant. On utilise soit des shunts pour les courants faibles soit des capteurs à effet Hall pour les courants élevés. d Figure 80 Configurations du commutateur de sortie En complément de cette mesure, les semi-conducteurs sont protégés contre les courts-circuits par une protection instantanée qui assure un verrouillage immédiat. 54 Le présent document est la propriété des entreprises qui ont contribué à sa rédaction et du GIMELEC. Il est protégé par le droit d’auteur. Il ne peut être reproduit , modifié, diffusé, exploité sans l’autorisation écrite des propriétaires.
4- La conversion de puissance 4-1- Les variateurs Allure des courants de sortie du commutateur Fonctionnement de l’étage de sortie avec un moteur à courant continu. Le moteur doit être alimenté avec une tension continue dont la polarité sera fonction du sens de rotation. Le procédé utilisé consiste à hacher la tension continue fournie par l’étage d’entrée pour restituer un créneau de tension qui sera appliqué au moteur. Les transistors sont alternativement rendus conducteurs et bloqués. La valeur moyenne de ce créneau dépendra du rapport cyclique. On arrive ainsi aisément à produire une tension continue variable. L’inductance de l’induit du moteur qui, dans le cas d’un moteur à rotor plat, sera une inductance extérieure au moteur produira un courant de forme triangulaire dont l’ondulation sera d’autant faible, pour la même valeur de l’inductance, que la fréquence de découpage sera élevée. Figure 81 fonctionnement avec un moteur à courant continu Amplitude t 1 t 2 Figure 82 Tension et courant moteur (fonctionnement en moteur) Amplitude t 1 t 2 Figure 83 Tension et courant (fonctionnement en frein) Temps Temps Sur la figure 81, nous avons représenté le fonctionnement de l’étage de sortie pour une polarité donnée appliquée au moteur. Les composants qui assurent la circulation du courant, transistors IGBT et diodes sont représentés en trait plein. À la mise en conduction des transistors, la tension et le courant prennent l’allure représentée Figure 82. La tension est représentée en rouge et le courant en vert. Le courant est croissant pendant le temps t 1 qui correspond à la conduction des transistors et décroissant pendant le temps t 2 qui correspond au passage du courant par les diodes de retour, lors du blocage des transistors. La figure 83 représente un sens de rotation du moteur où la FEM est de polarité opposée à la tension appliquée par l’étage de sortie. Elle vient donc se soustraire à cette tension et la pente de la croissance du courant est , de ce fait, plus lente que la décroissance. Le produit de la tension moyenne par le courant moyen est positif et le variateur fournit de la puissance au moteur. Si à présent la tension appliquée au moteur est inversée, avec le même sens de rotation , la FEM s’ajoute à la tension fournie par le commutateur, en conséquence la pente de croissance est plus rapide que la décroissance, comme montré figure 80. La puissance est alors négative, ce qui correspond à un freinage ou, en d’autres termes, un fonctionnement régénératif. L’énergie est donc restituée à la source continue. L’étage d’entrée à diodes étant, par sa conception, incapable de la retourner à la source, les constructeurs incorporent à leurs servovariateurs une résistance destinée à dissiper cette énergie. En fonction de l’énergie restituée et du cycle de fonctionnement, il peut être nécessaire d’ajouter une résistance extérieure au servovariateur. Fonctionnement avec un moteur pas-à-pas. Le moteur peut être à alimentation bipolaire, unipolaire ou triphasée, ce qui ne change rien au mode de fonctionnement. Le présent document est la propriété des entreprises qui ont contribué à sa rédaction et du GIMELEC. Il est protégé par le droit d’auteur. Il ne peut être reproduit , modifié, diffusé, exploité sans l’autorisation écrite des propriétaires. 55
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Édition 2- 2012
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Sommaire 1- Préface1 2- Introducti
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1- Préface Le «Motion Control» o
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Édition novembre 2012
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