15 points essentiels sur les variateurs de fréquence (VFD) pour les ingénieurs électriciens
1. Qu'est-ce qu'un convertisseur de fréquence ?
Un convertisseur de fréquence est un dispositif de commande qui utilise la commutation de semi-conducteurs de puissance pour convertir un courant électrique de fréquence industrielle en énergie électrique d'une autre fréquence. Il permet notamment le démarrage progressif des moteurs asynchrones à courant alternatif, la régulation de vitesse à fréquence variable, une meilleure précision de fonctionnement, la correction du facteur de puissance et la protection contre les surintensités, les surtensions et les surcharges.
2. Différences entre PWM et PAM
La modulation de largeur d'impulsion (PWM) est une méthode de modulation qui ajuste la quantité et la forme d'onde du signal de sortie en modifiant la largeur d'une série d'impulsions selon une règle définie. La modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) est une méthode de modulation qui ajuste la valeur et la forme d'onde du signal de sortie en modifiant l'amplitude d'une série d'impulsions selon une règle définie.
3. Pourquoi la tension d'un convertisseur de fréquence varie-t-elle proportionnellement à la fréquence ?
Le couple électromagnétique d'un moteur résulte de l'interaction entre le courant et le flux magnétique. Le courant ne doit pas dépasser sa valeur nominale, sous peine de surchauffe du moteur. Par conséquent, une diminution du flux magnétique entraîne une diminution du couple électromagnétique et, par conséquent, une réduction de la capacité de charge.
La formule E=4,44*K*F*N*Φ montre que, lors d'une variation de vitesse à fréquence variable, le circuit magnétique du moteur subit des variations importantes en fonction de la fréquence de fonctionnement fX. Ceci peut facilement entraîner une saturation importante du circuit magnétique du moteur, provoquant une forte distorsion de la forme d'onde du courant d'excitation et la génération de pics de courant de très haute amplitude.
Par conséquent, la fréquence et la tension doivent être modifiées proportionnellement. Autrement dit, lors du changement de fréquence, la tension de sortie du convertisseur de fréquence est régulée afin de maintenir le flux magnétique du moteur constant et d'éviter l'apparition d'un champ magnétique faible et d'une saturation magnétique. Cette méthode de régulation est principalement utilisée dans les convertisseurs de fréquence à économie d'énergie pour ventilateurs et pompes.
4. Comment le couple moteur change-t-il lorsque V et f sont modifiés proportionnellement ?
Lorsque la fréquence diminue, la tension diminue proportionnellement. L'impédance en courant alternatif diminuant tandis que la résistance en courant continu reste inchangée, le couple produit à basse vitesse tend à diminuer. Par conséquent, à basse fréquence, pour un rapport tension/fréquence donné, il est nécessaire d'augmenter légèrement la tension de sortie afin d'obtenir un couple de démarrage suffisant. Cette compensation est appelée assistance au démarrage. Différentes méthodes peuvent être utilisées, notamment les méthodes automatiques, la sélection du mode de fonctionnement (rapport tension/fréquence) ou le réglage du potentiomètre.
5. Le manuel indique une plage de vitesses de 60 à 6 Hz (rapport 10:1). Cela signifie-t-il qu'il n'y a pas de puissance de sortie en dessous de 6 Hz ?
La puissance peut être fournie en dessous de 6 Hz, mais compte tenu de facteurs tels que l'échauffement du moteur et le couple de démarrage, la fréquence de fonctionnement minimale est d'environ 6 Hz. À cette fréquence, le moteur peut fournir son couple nominal sans risque de surchauffe importante. La fréquence de sortie réelle (fréquence de démarrage) de l'onduleur varie de 0,5 à 3 Hz selon le modèle.
6. Que signifie "open loop" ?
Un système de commande en boucle fermée utilise un détecteur de vitesse (DV) pour transmettre la vitesse réelle à l'unité de commande. Un système fonctionnant sans DV est appelé système en boucle ouverte. La plupart des convertisseurs de fréquence à usage général sont en boucle ouverte, bien que certains modèles proposent un retour d'information par DV en option. La commande en boucle fermée sans capteur calcule la vitesse réelle du moteur à partir d'un modèle mathématique et du flux magnétique, utilisant ainsi un capteur de vitesse virtuel pour établir une commande en boucle fermée.
7. Que se passe-t-il si la vitesse réelle diffère de la vitesse donnée ?
En fonctionnement en boucle ouverte, même si l'onduleur délivre une fréquence donnée, la vitesse du moteur variera dans la plage de glissement nominale (1 % à 5 %) lorsque le moteur est en charge. Pour les applications exigeant une grande précision de régulation de vitesse, où le fonctionnement doit rester proche de la vitesse de consigne malgré les variations de charge, un onduleur avec fonction de rétroaction PG (en option) peut être utilisé.
8. Si un moteur avec PG est utilisé, la précision de la vitesse s'améliorera-t-elle après le retour d'information ?
Les onduleurs dotés d'une fonction de rétroaction PG améliorent la précision. Cependant, la précision de la vitesse dépend de la précision du PG lui-même et de la résolution de la fréquence de sortie de l'onduleur.
9. Que signifie la fonction de prévention du calage ?
Si le temps d'accélération est trop court, la variation de la fréquence de sortie de l'onduleur dépassera largement la variation de vitesse (fréquence angulaire électrique), ce qui entraînera le déclenchement de l'onduleur pour cause de surintensité et l'arrêt du moteur. Ce phénomène est appelé calage. Pour éviter le calage et permettre au moteur de continuer à fonctionner, l'amplitude du courant doit être mesurée pour la régulation de fréquence. Lorsque le courant d'accélération est trop important, le taux d'accélération doit être réduit en conséquence. Il en va de même lors de la décélération. La combinaison de ces deux mécanismes constitue la fonction anti-calage.
10. Quelle est la signification des modèles où les temps d'accélération et de décélération peuvent être définis séparément, et des modèles où les temps d'accélération et de décélération peuvent être définis ensemble ?
Les modèles permettant de régler séparément l'accélération et la décélération conviennent aux applications nécessitant une accélération brève et une décélération lente, ou aux petites machines-outils où le respect strict des temps de cycle de production est impératif. En revanche, pour des applications telles que les entraînements de ventilateurs, où les temps d'accélération et de décélération sont plus longs, il est possible de les régler simultanément.
11. Quelles sont les fonctions de protection d'un convertisseur de fréquence ?
Les fonctions de protection peuvent être divisées en deux catégories :
(1) Correction automatique des conditions anormales, telles que la prévention du décrochage par surintensité et la prévention du décrochage par surtension régénérative.
(2) Blocage du signal de commande PWM du dispositif semi-conducteur de puissance après détection d'une anomalie, entraînant l'arrêt automatique du moteur. Exemples : coupure en cas de surintensité, coupure en cas de surtension régénérative, surchauffe du ventilateur de refroidissement du semi-conducteur et protection contre les coupures de courant instantanées.
12. Pourquoi les fonctions de protection du convertisseur de fréquence s'activent-elles lorsque la charge est connectée à l'aide d'un embrayage ?
Lorsqu'un embrayage est utilisé pour connecter une charge, au moment de la connexion, le moteur passe brutalement d'un état à vide à une zone de glissement important. Le courant élevé qui le traverse provoque le déclenchement de l'onduleur par surintensité, l'empêchant ainsi de fonctionner.
13. Pourquoi l'onduleur s'arrête-t-il de fonctionner lorsque de gros moteurs de la même usine démarrent ensemble ?
Lors du démarrage d'un moteur, un courant de démarrage proportionnel à sa puissance circule. Ceci provoque une chute de tension dans le transformateur côté stator. Cette chute de tension est d'autant plus importante que la puissance du moteur est élevée. Les variateurs de fréquence connectés à ce même transformateur détectent une sous-tension ou un arrêt momentané, déclenchant ainsi parfois la protection intégrée (IPE) et provoquant l'arrêt du moteur.
14. Est-il possible de connecter directement un moteur à un onduleur à fréquence fixe sans utiliser de démarrage progressif ?
Cela est possible à très basse fréquence. Cependant, si la fréquence est élevée, les conditions sont similaires à un démarrage direct sur le réseau électrique. Un courant de démarrage important (6 à 7 fois le courant nominal) circule alors, et comme l'onduleur coupe l'alimentation en cas de surintensité, le moteur ne peut pas démarrer.
15. Un convertisseur de fréquence peut-il être utilisé pour alimenter un moteur monophasé ? Peut-il être alimenté par une source d’alimentation monophasée ?
En général, non. Pour les moteurs monophasés à démarrage par interrupteur et variateur de vitesse, l'enroulement auxiliaire grille en cas de fonctionnement en dessous du point de fonctionnement ; pour les moteurs à condensateur de démarrage ou de fonctionnement, cela provoque l'explosion du condensateur. Les convertisseurs de fréquence sont généralement triphasés, mais certains modèles de faible puissance peuvent fonctionner sur une alimentation monophasée.
