Il y a 15 ans, les convertisseurs de fréquence étaient des systèmes de démarrage très coûteux et rares. Pour la plupart, ils constituaient une sorte de « boîte noire » à laquelle devaient être connectés les câbles d'alimentation et de commande. Aujourd'hui, les convertisseurs de fréquence, souvent appelés onduleurs, constituent le moyen le plus courant de démarrage et de régulation de la vitesse de rotation des moteurs. Les besoins croissants en automatisation des processus industriels, l'augmentation des cadences de production et de leur efficacité sont les principaux facteurs qui ont influencé le développement du marché des onduleurs en Pologne et dans le monde.
L'avancée technologique des composants semi-conducteurs et la baisse de leur prix ont également joué un rôle majeur. Aujourd'hui, les convertisseurs de fréquence sont omniprésents : dans les installations industrielles, les cafés, les stations d'épuration, les restaurants, les grands magasins et les habitations. Les premiers systèmes de conversion ont été créés dans les années 1960, mais malgré les 50 ans qui se sont écoulés depuis leur apparition, les principes de fonctionnement et le schéma fonctionnel sont restés inchangés.
Dans cet article, vous en lirez :
- Pourquoi les convertisseurs de fréquence sont-ils devenus si populaires et si nécessaires dans divers secteurs industriels ?
- À quoi ressemblaient les systèmes de démarrage et de contrôle des moteurs asynchrones et à induction dans le passé et quelles étaient leurs imperfections ?
- Comment réguler le régime moteur et quelles sont les 4 méthodes pour le démarrer ?
- Vous apprendrez également comment fonctionne un onduleur.
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Contrôle du régime moteur
Méthodes de régulation de la vitesse :
- Modification du glissement due à l'intégration d'une résistance de régulation dans le circuit rotorique d'un moteur à bagues. Cette régulation présentait plusieurs inconvénients : absence de régulation de vitesse complète, pertes d'énergie élevées, taux de défaillance élevé et nombre important de résistances et d'éléments de contact, limitations importantes de puissance et du nombre de démarrages ;
- Modification du nombre de paires de pôles du moteur. Absence de régulation complète (changement de vitesse par paliers) et présence de systèmes de commutation.
- modification de la fréquence d'alimentation du moteur (difficile à mettre en œuvre).
Quatre méthodes pour démarrer le moteur
Méthodes de démarrage avec avantages et inconvénients :
- Démarrage direct. C'est l'une des méthodes de démarrage les plus courantes et l'une des plus indésirables, en raison de la surintensité très importante (généralement de 4 à 8 fois supérieure au courant nominal) et des problèmes qui y sont associés (contraintes mécaniques, coups de bélier au niveau des pompes, à-coups des convoyeurs, etc.).
- Démarrage étoile/triangle. Méthode de démarrage très répandue. Inconvénients : courant de démarrage toujours élevé, faible couple de démarrage, taux de défaillance des éléments de contact et deux fois plus de sorties de câbles. Avantages : limitation du courant de démarrage dans le temps, faible coût d'installation.
- Démarrage avec un démarreur progressif. Comme leur nom l'indique, les démarreurs progressifs permettent le démarrage et l'arrêt progressifs des moteurs électriques. Malheureusement, ils ne permettent pas de réguler le régime moteur. Le courant de démarrage, selon la méthode de démarrage (tension, régulation du couple en deux ou trois phases) et le nombre de phases contrôlables, est de 2 à 6 fois supérieur au courant nominal. Avantages : augmentation progressive du courant (absence de contraintes mécaniques, de surintensités), temps de démarrage réglable, couple de démarrage élevé. Inconvénients : manque de précision de contrôle pour les démarreurs progressifs à deux phases contrôlables, absence de régulation de vitesse.
- Démarrage avec un convertisseur de fréquence. La meilleure méthode de démarrage possible pour un moteur est la suivante : très faible courant de démarrage (avec un réglage approprié, le courant de démarrage ne dépasse pas le courant nominal), contrôle total de la vitesse du moteur, protection et surveillance complètes du fonctionnement du moteur, compensation de la puissance réactive, économie d'énergie électrique, réduction des coûts d'exploitation de la machine, minimisation des pannes, etc.
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Différents types de convertisseurs de fréquence
Les nombreux problèmes et difficultés liés aux méthodes de démarrage des moteurs électriques ont entraîné le développement rapide et dynamique, d'abord des démarreurs progressifs à thyristors, puis des convertisseurs de fréquence. C'est grâce à ces dispositifs que nous pouvons réguler, protéger et contrôler au mieux les moteurs électriques. Les convertisseurs de fréquence standard sont généralement utilisés pour faire fonctionner les moteurs asynchrones à induction.
Il existe cependant sur le marché des convertisseurs dotés de nombreux algorithmes de contrôle, conçus pour les moteurs synchrones (PMSM – moteurs synchrones à aimants permanents), les moteurs à réluctance ou les moteurs BLDC (moteurs à courant continu sans balais à aimants permanents). La grande majorité de l'industrie se concentre encore largement sur les moteurs à induction, en raison de leur faible coût. Comme vous pouvez le constater, l'utilisation de convertisseurs de fréquence présente de nombreux avantages. Il s'agit sans aucun doute de la meilleure méthode pour démarrer et réguler les moteurs. Compte tenu de la baisse continue du prix des convertisseurs et de l'augmentation linéaire de leurs capacités au fil du temps, la demande pour ces appareils continuera de croître dans les années à venir.
Principaux composants de l'onduleur
Dans chaque convertisseur de fréquence , on peut distinguer quatre blocs composants principaux (voir Fig. 1) :
- Redresseur, c'est-à-dire l'étage dit d'entrée ;
- Schéma de circuit intermédiaire ;
- L'élément onduleur proprement dit, étage de sortie ;
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Comment fonctionne un convertisseur de fréquence ?
La fonction principale de l'étage d'entrée du convertisseur est de redresser le courant alternatif provenant d'une source donnée. Il convient de distinguer ici plusieurs types de redresseurs : les redresseurs à diode non commandée avec un nombre d'impulsions variable (6, 12, 18, 24 et plus) ; les redresseurs semi-commandés (diode-thyristor) et les redresseurs entièrement commandés, basés sur des transistors IGBT.
Les conceptions les plus courantes sont celles basées sur des redresseurs à diodes. Ce sont bien sûr les plus économiques, mais elles ont aussi le plus grand impact sur le facteur de distorsion harmonique (THD). Un redresseur à diodes est une charge non linéaire qui a un impact très important sur la distorsion du courant. Pour réduire le facteur de distorsion harmonique (THD) à la valeur appropriée, il convient d'utiliser l'un des filtres THD disponibles : selfs d'entrée, selfs de circuit CC, filtres passifs LCL, filtres THD actifs. La tension pulsée redressée à la sortie du redresseur a une valeur d'environ 1,35 fois la valeur efficace de la tension composée du réseau.
Le signal est ensuite acheminé vers le circuit intermédiaire du convertisseur, généralement constitué d'un condensateur ou d'une batterie de condensateurs. Ce circuit intermédiaire a une double fonction : il lisse la tension pulsée reçue du redresseur et stocke simultanément l'énergie nécessaire à l'entraînement du moteur. Très souvent, les fabricants y intègrent également deux éléments importants : une self CC et un transistor de freinage (hacheur).
- Une self CC est un moyen de gérer les harmoniques. Elle améliore également considérablement le facteur de puissance.
- Un transistor de freinage est nécessaire lorsqu'un arrêt très rapide d'une inertie élevée sur l'arbre du moteur est requis.
Lors du freinage, le moteur passe en mode régénératif. Il devient alors un générateur qui fournit de l'énergie au convertisseur. Cette énergie est stockée dans le condensateur, de capacité finie. Lorsque la tension limite du condensateur est dépassée, le convertisseur se coupe du moteur, signalant une tension trop élevée. Dans ce cas, il est conseillé d'utiliser le module de freinage intégré (ou externe), auquel il faut ensuite connecter le module. Résistance de freinage . Après avoir dépassé la limite de charge, le transistor transfère l'énergie à la résistance de freinage externe. L'énergie est perdue dans la résistance sous forme de chaleur, et le convertisseur continue de contrôler le moteur.
Derrière le circuit intermédiaire du convertisseur se trouve l'élément propre de l'onduleur, qui transforme la tension continue redressée en tension alternative d'amplitude et de fréquence appropriées. Le moteur est directement connecté à l'élément onduleur. Les principaux éléments de l'onduleur sont des semi-conducteurs de puissance contrôlés. Auparavant, il s'agissait de thyristors, remplacés plus tard par des transistors IGBT (transistors bipolaires à grille isolée) grâce à leur temps de commutation plus rapide. Le fonctionnement des semi-conducteurs est à deux états, d'où le terme courant de « commutateur à transistor ».
La fréquence de commutation des transistors atteint 20 kHz (20 000 changements par seconde !). La commutation des semi-conducteurs s'effectue à l'aide de signaux de commande générés par le système de contrôle du convertisseur. Ces signaux peuvent être générés selon divers algorithmes et méthodes. Actuellement, la méthode la plus courante est la modulation de largeur d'impulsion (MLI).
Cette méthode consiste à déterminer, par le circuit de commande, la durée des périodes d'activation et de désactivation des paires de transistors correspondantes. Trois branches de l'onduleur (deux transistors par branche) génèrent huit combinaisons possibles d'ouverture/fermeture des tubes à semi-conducteurs. Huit vecteurs de tension différents sont ainsi créés aux sorties de l'onduleur (voir Fig. 2). Les vecteurs intermédiaires restants sont obtenus en sommant les vecteurs principaux sélectionnés pendant les durées appropriées.
Selon la fréquence de commutation des tubes à semi-conducteurs, une sinusoïde plus ou moins douce apparaît à la sortie de l'onduleur. L'utilisateur peut généralement régler la fréquence porteuse appropriée directement sur l'appareil. Une fréquence porteuse trop élevée génère une surchauffe des semi-conducteurs, ce qui entraîne une perte de puissance dans le convertisseur (les fabricants fournissent généralement des graphiques de l'évolution de la fréquence porteuse en fonction de la puissance dans leur notice d'utilisation). Une valeur trop basse peut provoquer des bruits de moteur.
Convertisseurs de fréquence - contrôle scalaire et vectoriel
Chaque convertisseur de fréquence actuellement produit offre la possibilité d'un contrôle scalaire et vectoriel. Le contrôle scalaire, souvent appelé contrôle V/f (lire U à f), est le mode le plus simple de contrôle moteur et est resté inchangé depuis les années 1970.
Le mode scalaire repose sur un rapport tension/fréquence constant. Sans entrer dans les détails ni les mathématiques avancées, un rapport tension/fréquence constant garantit la génération du flux magnétique nominal dans le moteur. Ainsi, le couple maximal peut être atteint. Malheureusement, la régulation scalaire présente des inconvénients. À basses fréquences, le couple est très faible et souvent trop faible pour fonctionner avec de fortes inerties. Par conséquent, la régulation scalaire est principalement utilisée pour les charges à couple variable, telles que les pompes ou les ventilateurs. Lorsqu'il est nécessaire de fonctionner avec des charges à couple constant ou de fortes inerties nécessitant un couple de démarrage élevé, la régulation vectorielle (décrite ci-dessus comme la modulation PWM avec régulation vectorielle de tension) doit être choisie.
Contrôle des vecteurs est plus sophistiqué. Souvent, pour utiliser cette méthode de contrôle, il faut d'abord fournir toutes les données nominales du moteur, telles que : courant, tension, puissance, nombre de tours, nombre de pôles, glissement, facteur de puissance. Le convertisseur effectue ensuite les opérations dites d'autoréglage du moteur, c'est-à-dire qu'il estime et calcule automatiquement les autres données du moteur, avec et sans rotation (résistance et inductance des enroulements, constante de temps du rotor, etc.).
En contrôle vectoriel, le convertisseur utilise un modèle mathématique du moteur, implémenté dans le processeur de signal. C'est pourquoi il est essentiel de toujours enregistrer toutes les données moteur dans le convertisseur (plus elles sont précises, meilleur est le contrôle moteur) et d'effectuer régulièrement des autoréglages (les paramètres du moteur évoluent au fil du temps et des conditions environnementales).