Cet article explore la sélection, la conception et les calculs nécessaires pour comprendre la commutation haute tension à l’état solide dans la propulsion électromagnétique.
Connu principalement dans le domaine des transports, la propulsion électromagnétique a démontré des résultats positifs en exploitant les champs magnétiques pour offrir une alternative propre et durable aux moteurs à combustion conventionnels. Promettant un transport plus énergétiquement efficace, cette propulsion est le cœur battant des trains, des véhicules et des vaisseaux spatiaux. Le centre du système de propulsion électromagnétique est constitué de dispositifs de commutation à semi-conducteurs haute tension à l’état solide. Contrairement à la commutation mécanique classique, les dispositifs à semi-conducteurs à l’état solide tels que les antiparasites de porte (GTO), les thyristors et les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) offrent une précision en ce qui concerne la modulation du champ électromagnétique.
Cet article explore la sélection, la conception et les calculs nécessaires pour comprendre l’application de la propulsion électromagnétique.
Figure 1. Systèmes de propulsion électromagnétique, train Maglev et rail. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Pixabay
Sélection des dispositifs de commutation haute tension
Certains facteurs doivent être pris en compte lors de la sélection d’un dispositif de commutation haute tension pour s’assurer qu’il répond aux spécifications de commutation haute tension.
L’un des principaux facteurs à prendre en compte est la capacité de manipulation de tension du commutateur. Pendant le fonctionnement, la plage de tension utilisée dans le système de propulsion électromagnétique spécifique est évaluée pour déterminer cette capacité. Sur la base des résultats de l’évaluation, un dispositif de commutation de tension est sélectionné pour gérer les niveaux de tension sans compromettre la sécurité.
Des mesures telles que la protection contre les surtensions sont également essentielles pour prévenir les dommages et maintenir l’intégrité du système de propulsion. Le serrage de tension ou la suppression de surtensions peuvent gérer les surtensions qui affectent la commutation de tension.
Un autre facteur important lors de la sélection de dispositifs de commutation haute tension est la vitesse de commutation, qui doit prendre en compte les effets des transitoires de commutation et les spécifications de vitesse du système de propulsion. En raison des besoins de contrôle précis des systèmes de propulsion électromagnétique, le dispositif de commutation doit fonctionner rapidement. Cependant, ces vitesses rapides ont également des effets transitoires qui doivent être étroitement surveillés.
Le dernier élément à prendre en compte lors de la sélection d’un dispositif de commutation haute tension est sa fiabilité. Cela implique d’évaluer la longévité de l’interrupteur dans différentes conditions de fonctionnement au fil du temps en utilisant des mesures d’évaluation telles que le temps moyen entre les pannes (MTBF). Outre la durabilité, la tolérance aux pannes doit également être prise en compte pour garantir que les opérations du système de propulsion ne sont pas compromises par des défauts qui auraient pu être évités. La prise en compte de la tolérance en termes de température et d’humidité garantit également que le dispositif de commutation offre efficacité et cohérence même dans des environnements difficiles.
GTO dans la commutation haute tension de la propulsion électromagnétique
Pour moduler et contrôler précisément les champs électromagnétiques dans les systèmes de propulsion, les GTO offrent une commutation haute tension à l’état solide pour créer des champs magnétiques. En travaillant avec les onduleurs et les convertisseurs de puissance, les interrupteurs à semi-conducteurs modulent les niveaux de tension et les formes d’onde en courant alternatif pour ajuster l’amplitude et la fréquence selon les besoins du système de propulsion.
Lors de la conception d’un système de propulsion utilisant des GTO haute puissance, l’optimisation du signal de commande pour une coupure plus rapide et le calcul du temps d’arrêt doivent être mis en œuvre pour une modulation adaptative et une coupure dynamique. Pour mieux comprendre comment faire cela, examinons d’abord la conception des thyristors de déclenchement de grille.
Considérons la Figure 2, qui représente une section transversale d’un GTO, où A représente la connexion de l’anode, K désigne la cathode et G représente le signal de commande de commutation pour l’interrupteur haute tension à semi-conducteurs à l’état solide. Le GTO est composé de quatre couches de semi-conducteurs (N-P-N-P), dans lesquelles N et P permettent le passage du courant dans le thyristor GTO pour faciliter sa coupure de la grille.
Figure 2. Coupe transversale du thyristor de déclenchement de grille. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Lors de la modulation de la vitesse de commutation haute tension, le temps d’arrêt est calculé en reliant les signaux de commande de la grille, le moment où le GTO passe de l’état de marche à l’état d’arrêt et le courant collecteur dans le GTO. Cette relation de temps d’arrêt (Toff) est déterminée à l’aide de la formule :
\[t_{off}=t_{r}+t_{f}+t_{d}\]
où le temps de récupération inverse est tr, le temps de retard d’initiation de la coupure est td et tf est le temps de chute de la tension de grille.
La précision de ce temps d’arrêt est essentielle pour garantir que le processus de modulation est efficacement mis en œuvre de manière indépendante, sans aucun chevauchement des actions ou événements de démarrage et d’arrêt. C’est important lors de la commutation de haute tension qui alimente les champs magnétiques des systèmes de propulsion.
IGBT pour la modulation dynamique de la tension et de la fréquence
Les deux structures centrales formant la conception de l’IGBT haute tension sont le transistor à effet de champ à oxyde métal-semiconducteur (MOSFET) pour le contrôle de la tension et les versions hybrides du transistor bipolaire à jonction (BJT) qui gèrent la haute puissance. Disposées avec les bornes du collecteur, de l’émetteur et de la grille, les couches de semi-conducteurs dans l’IGBT offrent une précision en ce qui concerne le contrôle dynamique de la tension dans les circuits d’attaque de grille, garantissant que la fréquence de tension alimentant le champ magnétique est dans la plage spécifiée. Cependant, lors de la mise en œuvre du circuit, il est important de prendre en compte le temps mort, c’est-à-dire le temps pendant lequel les côtés bas et haut sont désactivés pour éviter les courants de court-circuit qui pourraient autrement résulter d’une conduction simultanée.
Le retard de propagation du signal de grille (tprop) est également un facteur qui affecte la mise en œuvre du circuit d’attaque de grille et peut être ajouté au temps de configuration (tsetup) pour obtenir le temps mort (tdead).
\[t_{dead}=t_{prop}+t_{setup}\]
Impact sur les champs électromagnétiques des systèmes de propulsion
Les commutateurs à semi-conducteurs permettent une interaction mutuelle ou répulsive des champs magnétiques à travers des fréquences variables et des tensions de commutation pour alimenter les champs et atteindre la propulsion électromagnétique. L’efficacité du système de propulsion est donc positivement affectée par les fréquences de commutation variables (fsw), empêchant la résonance harmonique avec les fréquences naturelles du système de propulsion électromagnétique. Cela peut être déterminé à l’aide de la formule :
\[f_{sw}\neq n\times f_{res}\]
où n est un nombre entier qui représente l’ordre harmonique, tandis que fres est la fréquence de résonance dans le système électromagnétique de propulsion, qui peut être déterminée à l’aide de :
\[f_{res}=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\]
où l’inductance du système électromagnétique est représentée par L tandis que C est la capacité du système.
Applications de suspension électromagnétique et électrodynamique
Dans les systèmes de propulsion électromagnétique, la lévitation due aux forces magnétiques générées, mieux connue sous le nom de suspension électromagnétique, nécessite un contrôle précis de la puissance fournie aux bobines magnétiques utilisées pour magnétiser les systèmes de lévitation tels que les trains Maglev. La modulation de tension maintient la force magnétique constante pour maintenir une hauteur souhaitée. Pour obtenir une propulsion efficace, les interrupteurs haute tension à semi-conducteurs contrôlent également la puissance fournie aux bobines, en augmentant ou en diminuant l’intensité des champs magnétiques pour tirer ou pousser les systèmes. La suspension électrodynamique est une autre méthode permettant d’obtenir une propulsion grâce à la lévitation et la poussée par l’excitation des bobines électromagnétiques. Ces deux méthodes sont souvent utilisées dans les systèmes de transport à grande vitesse, offrant des systèmes de lévitation électromagnétique et de propulsion stables et efficaces.
Commutation haute tension à semi-conducteurs dans la propulsion électromagnétique
Pour fournir au mieux un système de propulsion électromagnétique durable, les interrupteurs à semi-conducteurs tels que les IGBT et les GTO peuvent varier la tension et moduler la fréquence pour contrôler précisément les champs magnétiques et la commutation. Cette stratégie de modulation adaptative offre une flexibilité pour équilibrer la demande en puissance des systèmes de propulsion tout en ajoutant plus de réactivité au système.
Le passage des méthodes traditionnelles aux interrupteurs à semi-conducteurs haute tension à l’état solide a apporté précision et contrôle aux systèmes de propulsion électromagnétique tels que les trains Maglev et les vaisseaux spatiaux, entre autres applications. À mesure que la technologie évolue pour fournir des solutions propres avec des conceptions et des composants avancés, la propulsion électromagnétique continuera de s’améliorer pour offrir une solution de transport économe en énergie.