Presque tous les ingénieurs industriels connaissent les variateurs de fréquence. Mais comment fonctionnent-ils et pourquoi sont-ils le choix privilégié pour le contrôle des moteurs de charges lourdes ?
Les variateurs de fréquence (VFD) résolvent les défis de la commande des moteurs triphasés avec un contrôle de vitesse précis et une efficacité sans être excessivement coûteux dans la plupart des cas. Ils peuvent être configurés pour fonctionner dans des applications allant de petits centres d’usinage autonomes à d’immenses réseaux de machines. Les paramètres internes permettent à l’utilisateur un excellent contrôle du moteur.
Pourquoi avez-vous besoin d’un variateur de fréquence ?
Lorsqu’il s’agit de déplacer les lourdes charges exigées pour les opérations industrielles, le moteur triphasé est généralement celui qui a le plus de responsabilités. Il consomme moins de courant que ses homologues monophasés, de moindre tension. De plus, les moteurs monophasés sont beaucoup plus difficiles à démarrer et à faire fonctionner dans une direction contrôlée. En comparaison, les moteurs à courant continu fonctionnent moins efficacement en raison de l’usure des balais en carbone, qui réalisent la rotation du champ magnétique dans le rotor.
Bien que ces moteurs triphasés aient d’énormes avantages, il existe quelques difficultés supplémentaires à leur exploitation. Des circuits de démarrage simples permettent de connecter deux de ces démarreurs, interverrouillés, qui peuvent démarrer et faire fonctionner le moteur dans les deux sens en inversant deux des lignes de phase. Cependant, les commandes tout / rien comme les démarreurs sont limitées, étant soit complètement allumées, soit complètement éteintes. Lorsqu’ils sont activés brusquement, les moteurs peuvent consommer d’énormes quantités de courant, augmentant ainsi les coûts énergétiques.
Un autre inconvénient dans les grandes applications découle de petites fluctuations de la tension principale, telles que celles causées par d’autres appareils dans l’installation qui s’allument. Dans un circuit de démarreur analogique, ces fluctuations sont transmises directement aux bobines du moteur, provoquant de petits déséquilibres dans une rotation autrement fluide.
Figure 1. VFD libéré d’un équipement de fitness. Image utilisée avec l’autorisation de l’auteur
Ce modèle ne possède pas de boutons ni d’écran, donc la programmation doit être effectuée via un port de communication.
Avantages du variateur de fréquence
Pour lutter contre les inconvénients listés précédemment, un dispositif de contrôle numérique permet un meilleur contrôle. Le VFD régule soigneusement le courant envoyé au moteur par impulsions, dont la fréquence peut être réduite par rapport à l’alimentation normale de 50/60 Hz. Ainsi, le nom ‘variable fréquence’ nous offre l’avantage évident de ces variateurs.
Une chose à noter concernant les VFD pendant le processus d’application est qu’ils peuvent facilement faire fonctionner un moteur à une fréquence (et donc, des RPM) inférieure à sa valeur nominale. Cependant, vous devez être très prudent lorsque vous essayez de le faire fonctionner plus rapidement. Bien que cela soit théoriquement possible, le moteur est conçu pour ne fonctionner qu’à un régime maximum. Faire fonctionner le moteur à une vitesse supérieure peut provoquer de la chaleur, réduire l’efficacité et raccourcir sa durée de vie. Il existe quelques autres avantages intégrés fournis par un VFD.
Tout d’abord, vous pouvez accéder à des retours d’informations de base sur votre système, même sans capteurs. Il surveille le courant fourni aux moteurs et peut afficher des défauts si le courant dépasse des niveaux acceptables.
Il est également possible d’ajuster de nombreux paramètres de fonctionnement qui contrôlent la manière dont le moteur fonctionne. Vous pouvez régler l’accélération au démarrage et les temps de décélération (taux de rampe), la vitesse maximale dans les cas où le régime plein requis est trop rapide et de nombreuses autres options.
Un dernier avantage surprenant est le faible coût de ces dispositifs. Une paire de petits démarreurs, accompagnée des boutons nécessaires pour le contrôle manuel, peut coûter plusieurs centaines de dollars ou plus. Un VFD comparable pour un moteur de petite puissance, avec les boutons intégrés directement à l’avant, peut coûter à peine un peu plus d’une centaine de dollars. Les coûts peuvent rapidement augmenter pour des applications plus grandes, mais la complexité du dispositif ne signifie pas nécessairement qu’il soit prohibitivement cher.
Qu’est-ce qu’un variateur de fréquence ?
La tension d’entrée des VFD peut être monophasée 120-240 VAC, 208-480 VAC, ou parfois même plus élevée. Les modèles d’entrée monophasés pour petits moteurs offrent un grand avantage, car vous n’avez pas besoin d’une alimentation triphasée pour faire fonctionner le moteur.
Figure 2. Bornes d’entrée du VFD. Image utilisée avec l’autorisation de l’auteur
Notez seulement deux bornes à vis plus la terre—cela indique une entrée monophasée. De plus, le petit port réseau est pour la communication RS-232, pas le contrôle Ethernet dans ce cas.
La puissance AC est convertie en DC à travers un redresseur et un condensateur de filtrage. Cela fournit une tension constante en courant continu correspondant au niveau de tension nominal du moteur.
Pour faire fonctionner le moteur, la tension DC est pulsée de manière très rapide, généralement dans les milliers de hertz. Le rapport entre le temps de pulsation allumé versus éteint de chaque impulsion permettra au courant d’augmenter ou de diminuer. Par exemple, si l’impulsion est allumée 90 % du temps et éteinte pour les 10 % restants, le courant sera presque au maximum.
Cette série rapide d’impulsions varie en pourcentage entre 100 % éteint et 100 % positif, puis revient à 100 % éteint, puis à 100 % négatif, et se répète.
La vitesse à laquelle ces pourcentages complètent un cycle complet peut être réglée entre 0 et 60 Hz. Ou, elle peut être commandée pour augmenter vers 60 Hz à un taux défini lorsqu’elle est allumée. À ce stade, il existe une large variété d’options de contrôle.
Comment fonctionne un variateur de fréquence ?
Selon l’application, vous pouvez trouver des VFD qui peuvent être contrôlés à partir de diverses sources. Parfois, ils peuvent être chargés de faire fonctionner une machine autonome avec très peu d’interaction humaine. D’autres fois, un réseau informatique complexe peut gérer la communication dans toute l’installation. Il existe un VFD pour tout.
La plupart des VFD possèdent un petit écran à l’avant, qui peut afficher des chiffres d’informations, ou être parfois aussi sophistiqué qu’un écran tactile couleur. Il y aura également probablement un bouton de démarrage et d’arrêt, ainsi qu’un potentiomètre rotatif pour le contrôle de la vitesse. Ceci est appelé une interface homme-machine, ou HMI, et il existe une grande variété selon le fabricant. Le contrôle à partir de cette interface est appelé contrôle “Local”.
Il existe une autre méthode très courante pour contrôler les VFD sur des machines autonomes. La plupart des variateurs de fréquence disposeront d’une rangée de petites bornes à vis ou d’un petit connecteur multi-fils situé sous le couvercle. Ces points de connexion permettent des entrées numériques, en d’autres termes, des boutons-poussoirs pour démarrer, arrêter et contrôler la direction. Il existe aussi une entrée analogique pour un potentiomètre externe. Toutes ces entrées permettent au VFD d’être en toute sécurité installé dans un boîtier de contrôle, avec des boutons bien étiquetés à l’extérieur, gardant l’opérateur isolé de la puissance triphasée à l’intérieur du cabinet.
Figure 3. Bornes de sortie du VFD et deux rangées de connecteurs pour le contrôle numérique. Image utilisée avec l’autorisation de l’auteur
Le connecteur à vis vert donne accès à un relais afin que vous puissiez contrôler d’autres sorties lorsque le moteur s’active ou atteint sa vitesse maximale.
Parfois, ces entrées numériques et analogiques peuvent être fournies par un contrôleur numérique comme un PLC, permettant un contrôle encore plus grande.
Pour une mise en œuvre à grande échelle, il est extrêmement courant d’avoir toutes les opérations du VFD contrôlées via un réseau. Ethernet, PROFINET, DeviceNet et d’autres peuvent communiquer avec de nombreux VFD. Parfois, cette fonction est intégrée par défaut (notamment pour Ethernet). Toutefois, dans de nombreux cas, la connexion réseau est un module additionnel connecté par un câble ruban ou un en-tête de broches. Dans ces cas, un seul câble réseau se connecte à l’unité de commande, et immédiatement tous les mouvements peuvent être contrôlés et modifiés à distance.
Une chose à noter : soyez prudent lorsque vous connectez les câbles Ethernet pour établir une connexion. Souvent, un connecteur RS-232 peut également utiliser la même prise RJ45 à 8 broches, qui ressemble à un port Ethernet. Le protocole RS-232 est utilisé pour la programmation, pas pour l’exploitation. Vous ne pouvez pas simplement connecter un câble Ethernet. Assurez-vous de vérifier qu’il dispose du protocole réseau approprié.
Il ne fait aucun doute que les variateurs de fréquence continueront à gagner en popularité et en cas d’application, et comprendre leur fonctionnement est un atout précieux.
Toutes les images utilisées avec l’autorisation de David Peterson.