01/04/2018.

La modulation de largeur d’impulsion (MLI) ?

Il s’agit ici de faire varier la vitesse d’un moteur en agissant sur les paramètres électriques de son alimentation.

La préhistoire : le rhéostat

Aussi bien pour les petits trains que pour les grands (électriques), le réglage de la vitesse s’est effectué pendant très longtemps (jusqu’aux des années soixante, voire soixante-dix) grâce à un rhéostat, résistance variable de puissance intercalée dans le circuit des moteurs. Le gros inconvénient de ce système, très simple par ailleurs, était que toute l’énergie qui ne parvenait pas aux moteurs était dissipée dans l’environne­ment, en pure perte.

D’accord, cette dissipation de puissance n’était pas trop gênante pour les trains miniatures. Mais cela ne permettait pas d’ajuster finement la vitesse, d’où une marche souvent saccadée et des ralentis déplorables.

Le découpage de la tension : le hacheur

On a donc inventé un système où, au lieu d’appliquer une tension ajustable en faisant chuter la tension d’alimentation par une résistance, on applique la pleine tension d’alimentation, mais en pointillé, en tout-ou-rien, comme si on manœuvrait rapidement un interrupteur (jour, nuit, jour, nuit…). J’ai nommé le hacheur.

On est amené ici à la notion de tension moyenne : si le temps de conduction tON (« jour ») est petit devant le temps de non-conduction tOFF (« nuit »), la tension moyenne sera faible, et à la limite nulle si tON est nul. À l’inverse, si tON est grand devant tOFF , la tension moyenne sera grande, et tendra vers la tension d’alimenta­tion si tOFF tend vers zéro.

Un moteur étudié pour le courant continu « pur » n’aime pas ce genre de tension découpée. Heureusement, l’inductance de ses bobinages fait que le courant (par opposition à la tension) qui le parcourt ne sera pas impulsionnel, mais seulement fait de montées et de descentes. D’ailleurs, si le courant, lorsqu’il décroît, tend à s’annuler, ce qui est nuisible, on augmente l’inductance du moteur en ajoutant une bobine extérieure dite « self de lissage ».

Voici une capture d’écran d’oscilloscope montrant la tension appliquée (en rouge) et le courant résultant (en vert) dans un moteur à courant continu.

On voit bien que, lorsque la tension est appliquée, le courant monte, et qu’il descend dans le cas contraire.

Les plus perspicaces se seront demandés comment le courant, même décroissant, peut continuer à circuler lorsque l’alimentation est coupée. C’est grâce à un circuit auxiliaire dit de « roue libre » à diodes qui court-circuite alors le moteur.

Oscillogramme 1

Dans la capture suivante, on a appliqué une consigne de vitesse double. On voit que le temps de conduction a doublé. En revanche, la période du signal (mesurée entre deux montées successives du signal), est restée la même.

On constate aussi que le courant, bien que sa forme ait évolué, a la même valeur moyenne que précédemment. C’est parce que l’effort demandé au moteur n’a pas changé entre les deux essais. C’est une illustration de ce que l’on a vu à la page précédente : vites­se correspond à tension et courant à force.

Oscillogramme 2

Ce type de fonctionnement, dans lequel on fait varier le temps de conduction tout en conservant une période et donc une fréquence constantes, s’appelle rapport cyclique variable.

Fonctionnement à rapport cyclique variable

Dans ce fonctionnement, on appelle rapport cyclique le rapport entre le temps de conduction et la période :

RCY = tON / T

Il est clair que, du moins en théorie, le rapport cyclique peut varier entre zéro (tON = 0) et un, ou 100%, si tON= T.

C’est exactement ce principe qui est utilisé dans les décodeurs de locomotive pour faire varier la vitesse et la réguler.

Alors, me direz-vous, pourquoi parle-t-on de modulation de largeur d’impulsion ? Nous y voilà !

La modulation de largeur d’impulsion (MLI)

On vient de voir que la variation de vitesse s’obtient en faisant varier le rapport cyclique de la tension appliquée au moteur. On dit bien « varier » et non « moduler ». En fait, une « modulation », c’est bien une « variation », mais plus spécifique, le but étant d’obtenir un résultat d’une forme précise. Le plus souvent, cette variation suit une loi sinusoïdale — on parle alors de MLI sinus — bien qu’elle puisse être d’une autre forme.

La MLI sinus est utilisé dans les convertisseurs de fréquence, ceux qui servent à piloter des moteurs à courant alternatif, en particulier les moteurs asynchrones.

Ces moteurs, alimentés en courant alternatif « normal », à la fréquence de 50 Hz, ont une vitesse pratiquement fixe qui ne dépend que de la charge qu’on leur applique. Tels quels, ils ne sont donc pas du tout adaptés à la traction électrique qui nécessite une forte variation de vitesse.

On montre que leur vitesse est proportionnelle à la fréquence du courant qui les alimente. Mais alors, il faut créer ce courant, le réseau classique ayant une fréquence invariable. Voici le principe du convertisseur de fréquence utilisé, au moins pour les puissances moyennes.

Principe du convertisseur de fréquence

Question : comment créer une tension sinusoïdale à partir d’une tension continue ? Réponse : on ne crée pas une tension sinusoïdale, mais un courant (presque) sinusoïdal à l’aide d’une tension découpée dont le rapport cyclique variable est modulé.

Comme précédemment, la tension est en rouge et le courant en vert. On voit que les impulsions de tension varient en largeur ; d’abord très petites, elles s’élargissent puis rétrécissent, pour ensuite s’inverser de façon à obtenir l’alternance négative du courant. Celui-ci, bien que très bruité, a une forme sinusoïdale.

On a bien affaire ici à une véritable modulation de largeur d’impulsion.

Oscillogramme d’une alimentation MLI

Conclusion

Les moteurs de nos locomotives modèles sont-ils asynchrones ? Non bien sûr. Ce sont des moteurs à courant continu. Alors, faut-il nommer leur commande MLI ? Non plus ! Rapport cyclique variable conviendra le mieux à ce fonctionnement.

Mais MLI est un terme plus mystérieux, surtout dans sa version anglaise de PWM (Pulse Width Modulation), et donc bien plus valorisant en termes de snobisme !

Note : les oscillogrammes présentés dans cet article ont été relevés sur des systèmes électrotechniques d’une puissance de quelques kilowatts, existant dans les Lycées Techniques, avec un oscilloscope numérique Tektronix.