Variateur de fréquence

Un variateur de fréquence ( VFD , ou variateur de fréquence , variateur de vitesse , variateur de vitesse , variateur de fréquence , variateur de fréquence , micro variateur , variateur à onduleur ou variateur ) est un type de variateur de moteur à courant alternatif (système incorporant un moteur) qui contrôle la vitesse et le couple en faisant varier la fréquence de l'électricité d'entrée. Selon sa topologie , il contrôle la variation de tension ou de courant associée.

Les variateurs de fréquence sont utilisés dans des applications allant des petits appareils aux gros compresseurs. Les systèmes utilisant des variateurs de fréquence peuvent être plus efficaces que les systèmes hydrauliques , comme dans les systèmes avec pompes et contrôle de registre pour les ventilateurs.

Depuis les années 1980, la technologie de l'électronique de puissance a réduit le coût et la taille des variateurs de fréquence et a amélioré les performances grâce aux progrès des dispositifs de commutation à semi-conducteurs, des topologies d'entraînement, des techniques de simulation et de contrôle, ainsi que du matériel et des logiciels de contrôle.

Les VFD incluent des topologies CA–CA et CC–CA basse et moyenne tension .

Les projets de variateurs de fréquence à modulation de largeur d'impulsion (PWM) ont débuté dans les années 1960 chez Strömberg en Finlande. Martti Harmoinen est considéré comme l'inventeur de cette technologie. Strömberg a réussi à vendre l'idée du variateur PWM au métro d'Helsinki en 1973 et en 1982, le premier variateur PWM SAMI10 était opérationnel.

Un variateur de fréquence est un dispositif utilisé dans un système d'entraînement composé des trois sous-systèmes principaux suivants : moteur à courant alternatif, ensemble de contrôleur d'entraînement principal et interface entraînement/opérateur.

Le moteur électrique à courant alternatif utilisé dans un système VFD est généralement un moteur à induction triphasé . Certains types de moteurs monophasés ou de moteurs synchrones peuvent être avantageux dans certaines situations, mais en général, les moteurs à induction triphasés sont préférés car ils sont les plus économiques. On utilise souvent des moteurs conçus pour un fonctionnement à vitesse fixe. Les contraintes de tension élevées imposées aux moteurs à induction alimentés par des VFD exigent que ces moteurs soient conçus pour un fonctionnement à onduleur à usage défini, conformément aux exigences de la partie 31 de la norme NEMA MG-1.

Le contrôleur VFD est un système de conversion électronique de puissance à semi-conducteurs composé de trois sous-systèmes distincts : un convertisseur à pont redresseur , une liaison à courant continu (CC) et un onduleur. Les variateurs à onduleur à source de tension (VSI) (voir la sous-section « Topologies génériques » ci-dessous) sont de loin le type de variateur le plus courant. La plupart des variateurs sont des variateurs CA-CA dans la mesure où ils convertissent l'entrée de ligne CA en sortie d'onduleur CA. Cependant, dans certaines applications telles que les applications de bus CC courantes ou solaires , les variateurs sont configurés comme des variateurs CC-CA. Le convertisseur redresseur le plus basique pour le variateur VSI est configuré comme un pont de diodes triphasé à six impulsions et à onde complète . Dans un variateur VSI, la liaison CC se compose d'un condensateur qui lisse l' ondulation de sortie CC du convertisseur et fournit une entrée rigide à l'onduleur. Cette tension CC filtrée est convertie en sortie de tension CA quasi sinusoïdale à l'aide des éléments de commutation actifs de l'onduleur. Les variateurs VSI offrent un facteur de puissance plus élevé et une distorsion harmonique plus faible que les variateurs à source de courant à commande de phase (CSI) et les variateurs à commutation de charge (LCI) (voir la sous-section « Topologies génériques » ci-dessous). Le contrôleur de variateur peut également être configuré comme un convertisseur de phase ayant une entrée de convertisseur monophasé et une sortie d'onduleur triphasé.

Les progrès réalisés dans le domaine des contrôleurs ont permis d'exploiter les augmentations spectaculaires des tensions et des courants nominaux et de la fréquence de commutation des dispositifs d'alimentation à semi-conducteurs au cours des six dernières décennies. Introduit en 1983, le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) est devenu au cours des deux dernières décennies le dispositif de commutation dominant des variateurs de fréquence.

Dans les applications à couple variable adaptées au contrôle de l'entraînement en volts par hertz (V/Hz), les caractéristiques du moteur à courant alternatif nécessitent que l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur vers le moteur soit ajustée pour correspondre au couple de charge requis dans une relation V/Hz linéaire . Par exemple, pour les moteurs 460 V, 60 Hz, cette relation V/Hz linéaire est 460/60 = 7,67 V/Hz. Bien qu'il soit adapté à de nombreuses applications, le contrôle V/Hz n'est pas optimal dans les applications hautes performances impliquant une faible vitesse ou des exigences exigeantes en matière de régulation de vitesse dynamique, de positionnement et d'inversion de charge. Certains entraînements de contrôle V/Hz peuvent également fonctionner en mode V/Hz quadratique ou peuvent même être programmés pour s'adapter à des chemins V/Hz multipoints spéciaux.

Les deux autres plates-formes de contrôle d'entraînement, le contrôle vectoriel et le contrôle direct du couple (DTC), ajustent l'amplitude de la tension du moteur, l'angle par rapport à la référence et la fréquence afin de contrôler avec précision le flux magnétique et le couple mécanique du moteur.

Bien que la modulation de largeur d'impulsion à vecteur spatial (SVPWM) devienne de plus en plus populaire, la modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM) est la méthode la plus simple utilisée pour faire varier la tension (ou le courant) et la fréquence du moteur d'entraînement. Avec la commande SPWM (voir la figure 1), une sortie quasi-sinusoïdale à largeur d'impulsion variable est construite à partir des intersections d'un signal porteur en dents de scie avec un signal sinusoïdal modulant qui est variable en fréquence de fonctionnement ainsi qu'en tension (ou en courant).

Le fonctionnement des moteurs au-dessus de la vitesse nominale de la plaque signalétique (vitesse de base) est possible, mais est limité aux conditions qui ne nécessitent pas plus de puissance que la puissance nominale du moteur. On parle parfois d'« affaiblissement du champ » et, pour les moteurs à courant alternatif, cela signifie un fonctionnement à une vitesse inférieure à la vitesse nominale en V/Hz et supérieure à la vitesse nominale de la plaque signalétique. Les moteurs synchrones à aimants permanents ont une plage de vitesses d'affaiblissement du champ assez limitée en raison de la liaison à flux magnétique constant . Les moteurs synchrones à rotor bobiné et les moteurs à induction ont une plage de vitesses beaucoup plus large. Par exemple, un moteur à induction de 100 CV, 460 V, 60 Hz, 1775 tr/min (4 pôles) alimenté en 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz), serait limité à 60/75 = 80 % de couple à 125 % de vitesse (2218,75 tr/min) = 100 % de puissance. À des vitesses plus élevées, le couple du moteur à induction doit être encore plus limité en raison de la diminution du couple de démarrage du moteur. Ainsi, la puissance nominale ne peut généralement être produite que jusqu'à 130-150 % de la vitesse nominale indiquée sur la plaque signalétique. Les moteurs synchrones à rotor bobiné peuvent fonctionner à des vitesses encore plus élevées. Dans les entraînements de laminoirs, on utilise souvent 200 à 300 % de la vitesse de base. La résistance mécanique du rotor limite la vitesse maximale du moteur.

Un microprocesseur intégré contrôle le fonctionnement global du contrôleur VFD. La programmation de base du microprocesseur est fournie sous forme de micrologiciel inaccessible à l'utilisateur . La programmation utilisateur des paramètres d'affichage , de variable et de bloc de fonction est fournie pour contrôler, protéger et surveiller le VFD, le moteur et l'équipement entraîné.

Le contrôleur d'entraînement de base peut être configuré pour inclure de manière sélective les composants d'alimentation et accessoires en option suivants :

• Connecté en amont du convertisseur – disjoncteur ou fusibles , contacteur d'isolement , filtre CEM , réacteur de ligne , filtre passif
• Connecté au circuit intermédiaire CC – hacheur de freinage , résistance de freinage
• Connecté en aval de l'onduleur : réacteur de sortie, filtre sinusoïdal, filtre dV/dt.

L'interface opérateur permet à un opérateur de démarrer et d'arrêter le moteur et de régler la vitesse de fonctionnement. Le VFD peut également être contrôlé par un contrôleur logique programmable via Modbus ou une autre interface similaire. Les fonctions de contrôle opérateur supplémentaires peuvent inclure l'inversion et la commutation entre le réglage manuel de la vitesse et le contrôle automatique à partir d'un signal de contrôle de processus externe. L'interface opérateur comprend souvent un affichage alphanumérique ou des voyants et des compteurs d'indication pour fournir des informations sur le fonctionnement du variateur. Un clavier d'interface opérateur et une unité d'affichage sont souvent fournis à l'avant du contrôleur VFD, comme illustré sur la photo ci-dessus. L'affichage du clavier peut souvent être connecté par câble et monté à une courte distance du contrôleur VFD. La plupart sont également équipés de bornes d'entrée et de sortie (E/S) pour connecter des boutons-poussoirs, des commutateurs et d'autres dispositifs d'interface opérateur ou signaux de commande. Un port de communication série est également souvent disponible pour permettre au VFD d'être configuré, réglé, surveillé et contrôlé à l'aide d'un ordinateur.

Il existe deux principales façons de contrôler la vitesse d'un variateur de fréquence : en réseau ou câblé. Le mode réseau implique la transmission de la vitesse souhaitée via un protocole de communication tel que Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP ou via un clavier à l'aide d'une interface série d'affichage, tandis que le mode câblé implique un moyen de communication purement électrique. Les moyens de communication câblés typiques sont : 4-20 mA , 0-10 V CC ou l'utilisation de l'alimentation interne 24 V CC avec un potentiomètre . La vitesse peut également être contrôlée à distance et localement. La commande à distance demande au variateur de fréquence d'ignorer les commandes de vitesse du clavier, tandis que la commande locale demande au variateur de fréquence d'ignorer la commande externe et de se conformer uniquement au clavier.

Selon le modèle, les paramètres de fonctionnement d'un variateur de fréquence peuvent être programmés via : un logiciel de programmation dédié, un clavier interne, un clavier externe ou une carte SD. Les variateurs de fréquence bloquent souvent la plupart des modifications de programmation pendant leur fonctionnement. Les paramètres typiques qui doivent être définis comprennent : les informations de la plaque signalétique du moteur, la source de référence de vitesse, la source de commande marche/arrêt et la commande de freinage. Il est également courant que les variateurs de fréquence fournissent des informations de débogage telles que les codes d'erreur et les états des signaux d'entrée.

La plupart des variateurs de fréquence permettent d'activer le démarrage automatique. Ce qui amènera la sortie à une fréquence désignée après un cycle d'alimentation, ou après qu'un défaut a été résolu, ou après que le signal d'arrêt d'urgence a été rétabli (généralement les arrêts d'urgence sont une logique basse active). Une façon courante de contrôler un variateur de fréquence est d'activer le démarrage automatique et de placer L1, L2 et L3 dans un contacteur. La mise sous tension du contacteur met ainsi le variateur sous tension et le fait passer à une vitesse désignée. Selon la sophistication du variateur, plusieurs comportements de démarrage automatique peuvent être développés, par exemple le variateur démarre automatiquement à la mise sous tension mais ne démarre pas automatiquement après avoir résolu un arrêt d'urgence jusqu'à ce qu'une réinitialisation ait été effectuée.

En se référant au tableau ci-joint, les applications d'entraînement peuvent être classées comme à un quadrant, à deux quadrants ou à quatre quadrants ; les quatre quadrants du tableau sont définis comme suit :

• Quadrant I – Conduite ou déplacement en véhicule automobile, d'accélération vers l'avant avec vitesse et couple positifs
• Quadrant II – Génération ou freinage, freinage avant- quadrant décélération avec vitesse positive et couple négatif
• Quadrant III – Conduite ou déplacement en véhicule motorisé, quadrant d'accélération en marche arrière avec vitesse et couple négatifs
• Quadrant IV – Génération ou freinage, quadrant de freinage-décélération inverse avec vitesse négative et couple positif.

La plupart des applications impliquent des charges à quadrant unique fonctionnant dans le quadrant I, comme dans les charges à couple variable (par exemple les pompes centrifuges ou les ventilateurs) et certaines charges à couple constant (par exemple les extrudeuses).

Certaines applications impliquent des charges à deux quadrants fonctionnant dans les quadrants I et II où la vitesse est positive mais le couple change de polarité comme dans le cas d'un ventilateur qui décélère plus vite que les pertes mécaniques naturelles. Certaines sources définissent les entraînements à deux quadrants comme des charges fonctionnant dans les quadrants I et III où la vitesse et le couple ont la même polarité (positive ou négative) dans les deux sens.

Certaines applications hautes performances impliquent des charges à quatre quadrants (quadrants I à IV) où la vitesse et le couple peuvent être dans n'importe quelle direction, comme dans les monte-charges, les ascenseurs et les convoyeurs à pente. La régénération ne peut se produire que dans le bus de liaison CC du variateur lorsque la tension de l'onduleur est inférieure à la force contre- électromotrice du moteur et que la tension de l'onduleur et la force contre-électromotrice ont la même polarité.

Lors du démarrage d'un moteur, un variateur de fréquence applique initialement une faible fréquence et une faible tension, évitant ainsi le courant d'appel élevé associé au démarrage direct . Après le démarrage du variateur de fréquence, la fréquence et la tension appliquées sont augmentées à un rythme contrôlé ou augmentées pour accélérer la charge. Cette méthode de démarrage permet généralement à un moteur de développer 150 % de son couple nominal tandis que le variateur de fréquence consomme moins de 50 % de son courant nominal du secteur dans la plage de basse vitesse. Un variateur de fréquence peut être réglé pour produire un couple de démarrage stable de 150 % depuis l'arrêt jusqu'à la pleine vitesse. Cependant, le refroidissement du moteur se détériore et peut entraîner une surchauffe lorsque la vitesse diminue, de sorte qu'un fonctionnement prolongé à basse vitesse avec un couple important n'est généralement pas possible sans ventilation par ventilateur motorisé séparé.

Avec un variateur de fréquence, la séquence d'arrêt est exactement l'inverse de la séquence de démarrage. La fréquence et la tension appliquées au moteur sont réduites à un rythme contrôlé. Lorsque la fréquence approche zéro, le moteur est arrêté. Un petit couple de freinage est disponible pour aider à décélérer la charge un peu plus rapidement qu'elle ne s'arrêterait si le moteur était simplement éteint et laissé en roue libre. Un couple de freinage supplémentaire peut être obtenu en ajoutant un circuit de freinage (résistance contrôlée par un transistor) pour dissiper l'énergie de freinage. Avec un redresseur à quatre quadrants (front-end actif), le variateur de fréquence est capable de freiner la charge en appliquant un couple inverse et en réinjectant l'énergie dans la ligne CA.

De nombreuses applications de charge de moteur à vitesse fixe alimentées directement par le réseau électrique alternatif peuvent économiser de l'énergie lorsqu'elles fonctionnent à vitesse variable au moyen d'un variateur de fréquence. Ces économies d'énergie sont particulièrement prononcées dans les applications de ventilateurs et de pompes centrifuges à couple variable, où le couple et la puissance de la charge varient respectivement avec le carré et le cube de la vitesse. Ce changement entraîne une réduction de puissance importante par rapport au fonctionnement à vitesse fixe pour une réduction de vitesse relativement faible. Par exemple, à 63 % de la vitesse, une charge de moteur ne consomme que 25 % de sa puissance à pleine vitesse. Cette réduction est conforme aux lois d'affinité qui définissent la relation entre diverses variables de charge centrifuge.

Aux États-Unis, on estime que 60 à 65 % de l’énergie électrique est utilisée pour alimenter les moteurs, dont 75 % sont des ventilateurs, des pompes et des compresseurs à couple variable. Dix-huit pour cent de l’énergie utilisée dans les 40 millions de moteurs aux États-Unis pourraient être économisés grâce à des technologies d’amélioration de l’efficacité énergétique telles que les variateurs de fréquence.

Seulement 3 % environ du parc total de moteurs à courant alternatif installés sont équipés de variateurs de vitesse. Cependant, on estime que la technologie de variateur est adoptée dans 30 à 40 % de tous les moteurs nouvellement installés.

La répartition de la consommation énergétique de la population mondiale d'installations de moteurs à courant alternatif est présentée dans le tableau suivant :

Les variateurs de vitesse sont utilisés pour améliorer les processus et la qualité dans les applications industrielles et commerciales d'accélération, de débit, de surveillance, de pression, de vitesse, de température, de tension et de couple.

Les charges à vitesse fixe soumettent le moteur à un couple de démarrage élevé et à des surintensités pouvant atteindre huit fois le courant à pleine charge. Les variateurs de vitesse CA accélèrent progressivement le moteur jusqu'à sa vitesse de fonctionnement pour réduire les contraintes mécaniques et électriques, réduire les coûts de maintenance et de réparation et prolonger la durée de vie du moteur et de l'équipement entraîné.

Les variateurs de vitesse peuvent également faire fonctionner un moteur selon des schémas spécialisés pour minimiser davantage les contraintes mécaniques et électriques. Par exemple, un schéma en S peut être appliqué à une application de convoyeur pour un contrôle plus fluide de la décélération et de l'accélération, ce qui réduit le jeu qui peut se produire lorsqu'un convoyeur accélère ou décélère.

Les facteurs de performance qui tendent à favoriser l'utilisation de variateurs CC par rapport aux variateurs CA comprennent des exigences telles que le fonctionnement continu à faible vitesse, le fonctionnement à quatre quadrants avec régénération, les routines d'accélération et de décélération fréquentes et la nécessité de protéger le moteur pour une zone dangereuse. Le tableau suivant compare les variateurs CA et CC en fonction de certains paramètres clés :

^ Injection haute fréquence

Les variateurs de vitesse peuvent être classés selon les topologies génériques suivantes :

• Topologies de variateurs à source de tension (VSI) (voir image) : dans un variateur VSI, la sortie CC du convertisseur à pont de diodes stocke l'énergie dans le bus de condensateur pour fournir une entrée de tension rigide à l'onduleur. La grande majorité des variateurs sont de type VSI avec sortie de tension PWM.
• Topologies de variateurs à source de courant (CSI) (voir image) : Dans un variateur CSI, la sortie CC du convertisseur à pont SCR stocke l'énergie dans une connexion série- inductance pour fournir une entrée de courant rigide à l'onduleur. Les variateurs CSI peuvent fonctionner avec une sortie PWM ou à forme d'onde à six étapes.
• Topologies d'entraînement à onduleur à six étapes (voir image) : Désormais largement obsolètes, les entraînements à six étapes peuvent être de type VSI ou CSI et sont également appelés entraînements à onduleur à tension variable, entraînements à modulation d'amplitude d'impulsion (PAM), à onde carrée ou entraînements à onduleur à hacheur CC . Dans un entraînement à six étapes, la sortie CC du convertisseur à pont SCR est lissée via un bus de condensateur et une connexion de réacteur série pour alimenter via une paire Darlington ou un onduleur IGBT une entrée de tension ou de courant quasi-sinusoïdale à six étapes vers un moteur à induction.
• Topologies de variateurs à commutation de charge (LCI) : dans un variateur LCI (un cas particulier de CSI), la sortie CC du convertisseur à pont SCR stocke l'énergie via un circuit d'inductance de liaison CC pour alimenter une sortie de courant quasi sinusoïdale rigide à six étapes d'un deuxième onduleur à pont SCR et d'une machine synchrone surexcitée. Les variateurs de moteur synchrones alimentés par LCI à base de thyristors SCR à faible coût sont souvent utilisés dans les applications de ventilateurs, de pompes et de compresseurs à haute puissance et à faible performance dynamique, évaluées jusqu'à 100 MW.
• Topologies de cycloconvertisseurs ou de convertisseurs matriciels (MC) (voir image) : les cycloconvertisseurs et les MC sont des convertisseurs CA-CA qui n'ont pas de liaison CC intermédiaire pour le stockage d'énergie. Un cycloconvertisseur fonctionne comme une source de courant triphasé via trois ponts SCR connectés en antiparallèle dans une configuration à six impulsions, chaque phase du cycloconvertisseur agissant de manière sélective pour convertir une tension CA à fréquence de ligne fixe en une tension alternative à une fréquence de charge variable. Les variateurs MC sont basés sur des IGBT.
• Topologies de systèmes de récupération de glissement à double alimentation : Un système de récupération de glissement à double alimentation alimente en puissance de glissement redressée un réacteur de lissage pour alimenter le réseau d'alimentation CA via un onduleur, la vitesse du moteur étant contrôlée en ajustant le courant CC.

La plupart des variateurs utilisent une ou plusieurs des plates-formes de contrôle suivantes :

• Contrôle scalaire
• Contrôle vectoriel (VC)
  • Contrôle orienté champ (FOC)
• Contrôle direct du couple (DTC)

Les variateurs de fréquence sont également classés selon les caractéristiques de couple de charge et de puissance suivantes :

• Couple variable, comme dans les applications de ventilateurs centrifuges, de pompes et de soufflantes
• Couple constant, comme dans les applications de convoyeurs et de pompes volumétriques
• Puissance constante, comme dans les applications de machines-outils et de traction.

Les variateurs de fréquence sont disponibles avec des tensions et des courants nominaux couvrant une large gamme de moteurs à courant alternatif monophasés et multiphasés. Les variateurs basse tension (BT) sont conçus pour fonctionner à des tensions de sortie égales ou inférieures à 690 V. Alors que les variateurs BT pour applications moteurs sont disponibles dans des puissances nominales allant jusqu'à l'ordre de 5 ou 6 MW, les considérations économiques favorisent généralement les variateurs moyenne tension (MT) avec des puissances nominales beaucoup plus faibles. Différentes topologies de variateur MT (voir tableau 2) sont configurées conformément aux valeurs nominales de combinaison tension/courant utilisées dans les dispositifs de commutation de différents contrôleurs de variateur de telle sorte que toute tension nominale donnée soit supérieure ou égale à l'une des valeurs nominales standard de tension moteur suivantes : généralement soit 2+3 ⁄ 4 .16 kV (60 Hz) ou 3+3 ⁄ 6,6 kV (50 Hz), avec un fabricant de thyristors prévu pour une commutation jusqu'à 12 kV. Dans certaines applications, un transformateur élévateur est placé entre un variateur BT et une charge de moteur MT. Les variateurs MT sont généralement conçus pour des applications de moteur supérieures à environ 375 à 750 kW (503 et 1 006 ch). Les variateurs MT ont historiquement nécessité beaucoup plus d'efforts de conception d'application que les applications de variateur BT. La puissance nominale des variateurs MT peut atteindre 100 MW (130 000 ch), une gamme de topologies de variateur différentes étant impliquée pour différentes exigences de puissance nominale, de performances, de qualité de puissance et de fiabilité.

Il est enfin utile de relier les VFD en termes des deux classifications suivantes :

• En termes de diverses machines à courant alternatif comme indiqué dans le tableau 1 ci-dessous
• En termes de différentes topologies détaillées de convertisseurs CA-CA présentées dans les tableaux 2 et 3 ci-dessous.