Utilisation de PWM comme technique de commutation
La modulation de largeur d'impulsion (PWM) est une technique couramment utilisée pour contrôler généralement l'alimentation CC d'un appareil électrique, rendue pratique par les interrupteurs d'alimentation électroniques modernes. Cependant, il trouve également sa place dans les choppers AC. La valeur moyenne du courant fourni à la charge est contrôlée par la position du commutateur et la durée de son état. Si la période d'activation du commutateur est plus longue que sa période d'arrêt, la charge reçoit une puissance comparativement plus élevée. Ainsi, la fréquence de commutation PWM doit être plus rapide.
Typiquement, la commutation doit être effectuée plusieurs fois par minute dans une cuisinière électrique, 120 Hz dans un variateur de lampe, de quelques kilohertz (kHz) à des dizaines de kHz pour un entraînement par moteur. La fréquence de commutation des amplificateurs audio et des alimentations informatiques est d'environ dix à des centaines de kHz. Le rapport du temps ON à la période de temps de l'impulsion est appelé rapport cyclique. Si le cycle de service est faible, cela implique une faible puissance.
La perte de puissance dans le dispositif de commutation est très faible, en raison d'une quantité presque négligeable de courant circulant à l'état éteint de l'appareil et d'une quantité négligeable de chute de tension dans son état OFF. Les commandes numériques utilisent également la technique PWM.PWM a également été utilisé dans certains systèmes de communication où son cycle de service a été utilisé pour transmettre des informations sur un canal de communication.
PWM peut être utilisé pour ajuster la quantité totale de puissance fournie à une charge sans pertes normalement encourues lorsqu'un transfert de puissance est limité par des moyens résistifs. Les inconvénients sont les pulsations définies par le rapport cyclique, la fréquence de commutation et les propriétés de la charge. Avec une fréquence de commutation suffisamment élevée et, si nécessaire, en utilisant des filtres électroniques passifs supplémentaires, le train d'impulsions peut être lissé et la forme d'onde analogique moyenne récupérée. Les systèmes de contrôle PWM haute fréquence peuvent être facilement mis en œuvre à l'aide de commutateurs à semi-conducteurs.
Comme cela a déjà été indiqué ci-dessus, presque aucune puissance n'est dissipée par l'interrupteur à l'état marche ou arrêt. Cependant, pendant les transitions entre les états marche et arrêt, la tension et le courant sont tous deux non nuls et ainsi une puissance considérable est dissipée dans les commutateurs. Heureusement, le changement d'état entre complètement allumé et complètement éteint est assez rapide (généralement moins de 100 nanosecondes) par rapport aux temps de marche ou d'arrêt typiques, et donc la dissipation de puissance moyenne est assez faible par rapport à la puissance fournie même avec des fréquences de commutation élevées. sont utilisés.
Utilisation de PWM pour fournir une alimentation CC à la charge
La plupart des processus industriels nécessitent d'être exécutés sur certains paramètres concernant la vitesse du variateur. Les systèmes d'entraînement électrique utilisés dans de nombreuses applications industrielles nécessitent des performances, une fiabilité et une vitesse variables plus élevées en raison de leur facilité de contrôle. Le contrôle de la vitesse du moteur à courant continu est important dans les applications où la précision et la protection sont essentielles. Le but d'un contrôleur de vitesse de moteur est de prendre un signal représentant la vitesse requise et d'entraîner un moteur à cette vitesse.
La modulation de largeur d'impulsion (PWM), telle qu'elle s'applique à la commande de moteur, est un moyen de fournir de l'énergie par une succession d'impulsions plutôt que par un signal (analogique) à variation continue. En augmentant ou en diminuant la largeur d'impulsion, le contrôleur régule le flux d'énergie vers l'arbre du moteur. La propre inductance du moteur agit comme un filtre, stockant de l’énergie pendant le cycle «MARCHE» tout en la libérant à une vitesse correspondant au signal d’entrée ou de référence. En d'autres termes, l'énergie circule dans la charge non pas tant à la fréquence de découpage qu'à la fréquence de référence.
Le circuit est utilisé pour contrôler la vitesse de docteur moteur en utilisant la technique PWM. Le contrôleur de moteur CC à vitesse variable de la série 12V utilise un circuit intégré de minuterie 555 comme générateur d'impulsions PWM pour réguler la vitesse du moteur DC12 Volt. IC 555 est la puce de minuterie populaire utilisée pour fabriquer des circuits de minuterie. Il a été introduit en 1972 par la Signetics. Il est appelé 555 car il y a trois résistances de 5 K à l'intérieur. Le circuit intégré se compose de deux comparateurs, d'une chaîne de résistances, d'une bascule et d'un étage de sortie. Il fonctionne en 3 modes de base: Astable, Monostable (où il agit comme un générateur d'impulsions à un coup et un mode bistable. C'est-à-dire que lorsqu'il est déclenché, la sortie devient élevée pendant une période basée sur les valeurs de la résistance de synchronisation et du condensateur. Mode astable (AMV), l'IC fonctionne comme un multivibrateur à fonctionnement libre. La sortie tourne continuellement haut et bas pour donner une sortie pulsée en tant qu'oscillateur. En mode bistable également connu sous le nom de déclencheur de Schmitt, l'IC fonctionne comme une bascule avec ou faible sortie sur chaque déclencheur et réinitialisation.
Dans ce circuit, IRF540 MOSFET est utilisé. Il s'agit du MOSFET d'amélioration de canal N. Il s'agit d'un MOSFET de puissance avancé conçu, testé et garanti pour résister à un niveau d'énergie spécifié en mode de fonctionnement en avalanche de claquage. Ces MOSFET de puissance sont conçus pour des applications telles que les régulateurs de commutation, les convertisseurs de commutation, les pilotes de moteur, les pilotes de relais et les pilotes pour transistors de commutation bipolaires haute puissance nécessitant une puissance d'entraînement de grille haute vitesse et faible. Ces types peuvent être exploités directement à partir de circuits intégrés. La tension de fonctionnement de ce circuit peut être ajustée en fonction des besoins du moteur à courant continu entraîné. Ce circuit peut fonctionner de 5 à 18 VDC.
Au-dessus du circuit, c'est-à-dire Contrôle de la vitesse du moteur à courant continu par PWM La technique fait varier le cycle de service qui à son tour contrôle la vitesse du moteur. IC 555 est connecté en mode astable multi-vibrateur à fonctionnement libre. Le circuit se compose d'un arrangement d'un potentiomètre et de deux diodes, qui est utilisé pour changer le rapport cyclique et maintenir la fréquence constante. Au fur et à mesure que la résistance de la résistance variable ou du potentiomètre varie, le cycle de service des impulsions appliquées au MOSFET varie et en conséquence la puissance CC du moteur varie et donc sa vitesse augmente à mesure que le cycle de service augmente.
Utilisation de PWM pour fournir une alimentation CA à la charge
Les commutateurs à semi-conducteurs modernes tels que les MOSFET ou les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) sont des composants tout à fait idéaux. Ainsi, des contrôleurs à haut rendement peuvent être construits. En règle générale, les convertisseurs de fréquence utilisés pour contrôler les moteurs à courant alternatif ont un rendement supérieur à 98%. Les alimentations à découpage ont une efficacité inférieure en raison des faibles niveaux de tension de sortie (souvent même moins de 2 V pour les microprocesseurs sont nécessaires), mais une efficacité de plus de 70 à 80% peut être obtenue.
Ce type de commande pour le courant alternatif est une méthode connue pour l'angle de tir retardé. Il est moins cher et génère beaucoup de bruit électrique et d'harmoniques par rapport au contrôle PWM réel qui développe un bruit négligeable.
Dans de nombreuses applications, telles que le chauffage industriel, le contrôle de l'éclairage, les moteurs à induction à démarrage progressif et les régulateurs de vitesse pour ventilateurs et pompes nécessitent une tension alternative variable provenant d'une source alternative fixe. La commande d'angle de phase des régulateurs a été largement utilisée pour ces exigences. Il offre certains avantages tels que la simplicité et la capacité de contrôler économiquement une grande quantité d'énergie. Cependant, l'angle de tir retardé provoque une discontinuité et des harmoniques abondantes dans le courant de charge et un facteur de puissance en retard se produit du côté CA lorsque l'angle de tir augmente.
Ces problèmes peuvent être améliorés en utilisant un hacheur PWM AC. Ce hacheur PWM AC offre plusieurs avantages tels que le courant d'entrée sinusoïdal avec un facteur de puissance proche de l'unité. Cependant, pour réduire la taille du filtre et améliorer la qualité du régulateur de sortie, la fréquence de commutation doit être augmentée. Cela entraîne une perte de commutation élevée. Un autre problème est la commutation entre le commutateur de transfert S1 avec le commutateur de roue libre S2. Cela provoque la pointe de courant si les deux commutateurs sont allumés en même temps (court-circuit), et la pointe de tension si les deux commutateurs sont désactivés (pas de chemin de roue libre). Pour éviter ces problèmes, un amortisseur RC a été utilisé. Cependant, cela augmente la perte de puissance dans le circuit et est difficile, coûteux, encombrant et inefficace pour les applications à forte puissance. Le hacheur AC avec commutation de tension de courant nul (ZCS-ZVS) est proposé. Son régulateur de tension de sortie doit faire varier le temps de coupure contrôlé par le signal PWM. Ainsi, il est nécessaire d'utiliser une commande de fréquence pour réaliser la commutation douce et les systèmes de commande généraux utilisent les techniques PWM produisant un temps de commutation. Cette technique présente des avantages tels qu'une commande simple avec une modulation sigma-delta et continue le courant d'entrée. Les caractéristiques de la configuration de circuit proposée et des modèles hachés PWM sont présentées ci-dessous.
