Bobine

La bobine est un composant central de l’électronique de puissance. Il est judicieux de comprendre son comportement avant de l’utiliser dans presque tous les circuits d’électronique de puissance.

Inertie

Considérons d’abord le phénomène d’inertie : l’inertie décrit la propriété des corps en mouvement de continuer à se déplacer bien qu’ils ne soient plus entraînés. Qu’est-ce que cela signifie ? Lorsque vous frappez une balle de tennis avec une raquette, elle se déplace à grande vitesse. La balle est propulsée par le coup au début du mouvement. Mais pourquoi la balle continue-t-elle à se déplacer juste après le coup, alors que plus personne ne la frappe ?

La balle est inerte. Dès qu’elle a une vitesse et qu’aucune force n’agit sur elle, elle conserve sa vitesse. On dit d’une personne qu’elle est « inerte » lorsqu’elle reste allongée sur le canapé et conserve son état de paresse. L’inertie a beaucoup à voir avec « conserver l’état actuel ». Pour les corps en mouvement, la vitesse reste inchangée.

En réalité, tout mouvement ralentit. Cela vient du fait qu’il y a toujours des frottements qui freinent le mouvement. La balle de tennis ralentit parce que l’air frotte contre elle. De plus, la pesanteur l’attire vers la terre. Ce sont deux forces extérieures. Si la balle de tennis volait dans l’espace, sans pesanteur ni frottement de l’air, sa vitesse resterait effectivement constante – en raison de son inertie.

Un système de grande inertie a la propriété que sa vitesse est difficile à modifier. Il faut longtemps pour le mettre en mouvement, et il est ensuite difficile de le freiner. En général, les objets lourds sont plus inertes que les objets légers. Essayez d’accélérer ou de freiner un camion. Et comparez maintenant avec une petite voiture. L’inertie joue un rôle important pour la bobine – ou pour son analogie dans le modèle hydraulique.

Dans le modèle hydraulique, une bobine correspond à une roue à aubes de grande masse et de grande inertie. L’inertie d’un mouvement de rotation est aussi appelée « élan ». La roue à aubes se comporte comme un volant d’inertie. Il faut donc beaucoup de force pour la mettre en mouvement. Et une fois qu’elle tourne, elle continue à tourner à vitesse constante si elle n’est ni entraînée ni freinée.

Le volant d’inertie est un accumulateur d’énergie. Il faut lui fournir de l’énergie pour qu’il tourne. Dès qu’il tourne, l’énergie est stockée dans le volant sous forme d’énergie cinétique.

Pour mettre la roue à aubes en mouvement, nous laissons l’eau s’écouler d’un bassin situé en hauteur, par-dessus la roue, vers un bassin situé plus bas. Dans ce modèle de pensée, la vitesse d’écoulement de l’eau n’est pas limitée par un tuyau. La vitesse d’écoulement de l’eau est imposée uniquement par la roue à aubes. L’eau ne peut pas contourner le volant ; elle ne peut que faire tourner la roue. L’eau s’écoule toujours exactement aussi vite que la roue tourne.

Au début, la roue ne tourne pas. En raison de la pente de l’eau, une pression (force) agit sur la roue et elle commence à tourner lentement. Dès que la roue tourne, l’eau s’écoule à la vitesse imposée par la roue. L’eau ne peut en effet pas contourner le volant. La roue tourne de plus en plus vite au cours du temps. La vitesse de rotation de la roue est proportionnelle à la vitesse d’écoulement de l’eau au niveau de la roue. De cette façon, nous « chargeons » la roue en énergie.

La pente de l’eau crée la pression sur la roue. Plus la pente est forte, plus la roue accélère. Avec une accélération plus grande, la vitesse augmente plus vite. Vous pouvez comparer cela à la différence d’accélération entre une petite voiture et une voiture de sport.

Plaçons maintenant la roue à aubes dans un circuit d’eau. Une pompe remonte l’eau depuis un raccord inférieur. Pour cela, de l’énergie est fournie au système depuis l’extérieur. L’eau descend une rampe puis arrive à la roue à aubes. La roue commence à tourner dès que la pression de l’eau pompée atteint la roue.

L’eau descend une pente. Ce faisant, de l’énergie potentielle est convertie en énergie cinétique. L’énergie potentielle due à la différence de hauteur est stockée dans le volant d’inertie. Comme de l’énergie est constamment injectée dans le système, l’énergie du volant ne cesse d’augmenter. Le volant tourne donc de plus en plus vite. Dans un système réel, il atteint une vitesse maximale. Dans un système idéal, la vitesse augmente sans limite. L’eau ne circule d’abord que dans la première partie, en haut du système.

Le dispositif est étendu dans la figure suivante. Il est divisé en deux zones par des clapets réglables (gris foncé). Dès que le volant a atteint une certaine vitesse de rotation, nous basculons les clapets et ouvrons à l’eau la deuxième partie du dispositif, jusque-là à sec (voir la figure ci-dessous). Le volant est maintenant séparé de la pompe. En raison de son inertie ou de son élan, il continue à tourner et pousse maintenant l’eau en cercle dans la deuxième partie du dispositif.

Comme il n’y a pas de pente pour l’eau dans la deuxième partie du système, aucune énergie n’est convertie. Dans un système réel avec frottements, la roue ralentit et finit par s’arrêter. Dans un système idéal sans frottements, l’eau continue à circuler en cercle et la roue continue à tourner à vitesse constante.

Le volant d’inertie découple donc deux sous-systèmes. Dans l’exemple suivant, l’eau de la deuxième partie du dispositif est refoulée par une rampe vers un réservoir. Le réservoir se trouve à une autre hauteur que le raccord supérieur de la pompe. Dans l’exemple, la hauteur de sortie du réservoir est supérieure à la hauteur d’entrée de la pompe.

Considérons à nouveau le cas où le volant a été préalablement accéléré jusqu’à une certaine vitesse par le circuit de la pompe. Nous basculons ensuite vers la deuxième zone. Tant que la roue a encore assez d’élan, elle pousse l’eau vers le haut de la rampe, dans le réservoir. Ce faisant, l’énergie cinétique de la rotation de la roue est convertie en énergie potentielle, car le réservoir est situé plus haut que le volant.

La roue tourne maintenant de plus en plus lentement, même dans un système idéal, et finit par s’arrêter. Ensuite, l’eau du réservoir redescend la rampe « à l’envers ». Le volant commence alors à tourner dans l’autre sens. Il accélère dans l’autre sens jusqu’à ce que le réservoir soit vide. C’est évidemment ce que nous voulons éviter si le réservoir doit être rempli.

Dans les deux circuits d’eau, on a : la variation dans le temps de la vitesse de rotation de la roue est proportionnelle à la pente de l’eau. La vitesse reste constante lorsque la pente est nulle. La vitesse augmente tant que l’eau descend dans le sens de l’écoulement, et elle diminue tant que l’eau monte dans le sens de l’écoulement.

Avec le volant d’inertie, nous disposons d’un moyen d’amener l’eau à n’importe quelle hauteur. Pour un fonctionnement continu, nous devons basculer sans cesse entre les deux zones. Si le volant devient trop lent, nous enclenchons le circuit de la pompe. Le volant accélère alors de nouveau. Une fois qu’il est de nouveau assez rapide, nous le laissons pousser l’eau pendant un certain temps vers le réservoir situé plus haut.

Plus le réservoir est haut, plus les phases de charge du volant par la pompe doivent être longues et plus les phases de remplissage du réservoir peuvent être courtes.