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Les variateurs de fréquence, également connus sous le nom de VFD, sont des contrôleurs abordables et fiables qui permettent d’ajuster la vitesse des moteurs à induction pour des performances optimales. Les VFD deviennent des équipements standard pour alimenter des moteurs de petite à grande taille dans les ventilateurs, les pompes, les compresseurs, les perceuses et de nombreuses autres applications. Contrairement aux contrôleurs de vitesse fixe, qui allument instantanément un moteur à pleine vitesse, les VFD peuvent démarrer un moteur en douceur en augmentant progressivement la vitesse jusqu’au niveau souhaité. Les démarrages progressifs éliminent les couples de démarrage élevés et les courants de surtension, réduisent les contraintes mécaniques et augmentent la durée de vie et la fiabilité de l’équipement. De plus, étant donné que le couple et la puissance des charges varient respectivement avec le carré et le cube de la vitesse, l’ajustement de la vitesse du moteur, même d’une petite quantité, permet d’économiser beaucoup d’énergie. Cette vidéo montre la configuration d’un variateur de fréquence et son utilisation dans le contrôle d’un moteur à induction triphasé à courant alternatif.
Un moteur à induction à courant alternatif n’a que deux parties principales, le stator et le rotor, et utilise le plus souvent une alimentation CA triphasée. Le courant triphasé à travers les bobines du stator génère un champ magnétique du stator, qui tourne avec une vitesse angulaire proportionnelle à la fréquence alternative. Ce champ magnétique du stator fait tourner le rotor. Par conséquent, la vitesse du moteur est proportionnelle à la fréquence de puissance d’entrée. Pour plus d’informations sur le fonctionnement du moteur à induction, veuillez regarder la vidéo JoVE Science Education : Moteurs à induction à courant alternatif. Si le moteur est directement connecté au secteur triphasé, il fonctionne à une vitesse fixe qui est déterminée par la fréquence constante de ligne de 60 hertz. Pour une vitesse réglable, un variateur de fréquence, ou VFD, doit fournir la puissance. Les VFD ajustent la vitesse du moteur en réglant la fréquence et la tension de sortie. Tout d’abord, un redresseur convertit l’entrée CA de 60 hertz en alimentation CC. Ensuite, un onduleur DC vers AC utilise la modulation de largeur d’impulsion pour allumer et éteindre cette alimentation DC selon un schéma particulier. Enfin, un filtre passe-bas transforme le flux d’impulsions en une forme d’onde grossièrement sinusoïdale et génère une puissance de sortie CA à la fréquence choisie, qui régit la vitesse du moteur. Une forme d’onde sinusoïdale est nécessaire car la plupart des moteurs à induction sont conçus pour utiliser l’alimentation du secteur CA. Les moteurs monophasés utilisent des VFD avec des redresseurs et des onduleurs monophasés, et les moteurs triphasés utilisent des VFD avec des redresseurs et des onduleurs triphasés. Pour plus d’informations sur les redresseurs et les onduleurs, veuillez regarder les vidéos JoVE Science Education : Redresseurs monophasés et onduleurs monophasés. Les VFD avancés utilisaient la boucle fermée, ou contrôle vectoriel, pour une bonne régulation de la vitesse ou du couple. Un microprocesseur reçoit des informations sur le champ magnétique et le couple du moteur, et ajuste en permanence la puissance du VFD en fonction d’un algorithme de contrôle. Lorsqu’un moteur fonctionne à une tension nominale égale ou inférieure, la plupart des VFD utilisent le contrôle en boucle ouverte pour produire simplement une puissance d’entraînement constante sans rétroaction ni ajustement. Avec le contrôle en boucle ouverte, les VFD maintiennent un rapport tension/fréquence choisi, qui est approximativement proportionnel au champ magnétique du stator, et donc également proportionnel à la vitesse du moteur. Par exemple, si un moteur est évalué à 208 volts et 60 hertz, le rapport tension/fréquence est d’environ 3,5 volts par hertz. Pour réduire la vitesse du moteur, le VFD réduit la fréquence, mais doit également réduire la tension pour maintenir un rapport tension/fréquence constant. Par conséquent, si le VFD entraîne le moteur à 30 hertz au lieu de 60 hertz, il diminue proportionnellement la tension de 208 à 104 volts, et le rapport tension/fréquence reste de 3,5 volts par hertz. Lors du fonctionnement d’un moteur au-dessus de sa fréquence nominale, les VFD limitent généralement la sortie à la tension nominale. Cette précaution permet d’éviter le dépassement des limites de tension ou de courant de l’isolation et des bobines. Par exemple, le moteur évalué à 208 volts et 60 hertz a un rapport tension/fréquence de 3,5 volts par hertz. Un VFD qui augmente la vitesse de ce moteur en augmentant la fréquence à 120 hertz n’augmenterait pas la sortie à 460 volts comme requis pour un rapport tension/fréquence constant. Au lieu de cela, le VFD limiterait sa sortie à la puissance nominale de 208 volts pour éviter d’endommager le moteur. Maintenant que les bases des VFD ont été expliquées, examinons un VFD connecté à un moteur à induction triphasé à courant alternatif. Dans cette expérience, le VFD fonctionne avec un contrôle en boucle ouverte de la vitesse du moteur et un rapport tension/fréquence constant.
Avec l’alimentation triphasée coupée et le Variac réglé sur 0 %, connectez les bornes du stator des moteurs à induction à la sortie du variateur VFD. Vu de l’avant du VFD, les connecteurs de sortie du variateur se trouvent sur le côté droit. Connectez l’entrée Variac à la prise triphasée sur le banc. Réglez le bouton de commande du Variac à 75 % et allumez l’alimentation triphasée. Avec ce réglage Variac, la tension ligne à ligne est d’environ 210 volts. Maintenant, l’écran principal du VFD devrait s’allumer et afficher F 000. Le bouton de la télécommande locale permet à l’utilisateur de sélectionner la méthode de sélection de fréquence. La commande locale permet d’utiliser le clavier pour faire fonctionner le VFD. Bien que la télécommande nécessite des communications analogiques ou numériques, appuyez une fois sur le bouton de la télécommande locale pour mettre le lecteur en mode local. Définissez les périmètres VFD sur ceux indiqués dans le tableau. Pour ce faire, réglez la vitesse du moteur à l’aide des touches fléchées pour accéder au menu de fréquences, lettre F sur l’écran principal. Réglez ensuite la fréquence sur 10 hertz. Pour mesurer la tension d’entrée du moteur, sélectionnez le menu avec l’affichage de 0,0 v. Pour mesurer le courant qui entraîne le moteur, faites défiler jusqu’à l’écran qui indique 0,00 A. Pour mesurer la fréquence VFD, faites défiler jusqu’à l’écran de mesure de fréquence. Appuyez sur le bouton vert pour démarrer le moteur. Le variateur émet automatiquement la tension nécessaire pour maintenir un rapport tension/fréquence constant, qui est préréglé sur 3,47. Faites défiler jusqu’aux affichages de la tension, du courant et de la fréquence, et enregistrez leurs valeurs. En cas de surcharge ou de défaillance du disque, appuyez sur le bouton d’arrêt rouge, puis sur le bouton de réinitialisation. Utilisez une lumière stroboscopique pour mesurer la vitesse de rotation du moteur. Ajustez le bouton de fréquence de course jusqu’à ce que l’arbre semble presque stationnaire, puis ajustez le bouton de fréquence fine jusqu’à ce que l’arbre semble immobile. Répétez cette procédure pour les fréquences 25, 45, 60 et 70 hertz. Tracez la vitesse du moteur en fonction de la fréquence pour obtenir un graphique du comportement du moteur sous le contrôle du variateur de fréquence.
Les variateurs de fréquence contrôlent la vitesse des moteurs à induction à courant alternatif et peuvent réduire les contraintes mécaniques, augmenter la fiabilité et diminuer les coûts de maintenance. De plus, les VFD permettent de faire fonctionner les moteurs à une vitesse optimale pour améliorer l’efficacité énergétique. En raison de ces avantages, les VFD sont utiles dans de nombreuses applications, telles que le réglage de la vitesse d’un ventilateur. Lorsqu’ils sont intégrés dans un système de ventilation, ces ventilateurs peuvent répondre à des commandes manuelles ou automatiques qui augmentent la vitesse du ventilateur et la circulation de l’air lorsque les températures sont élevées, ou diminuent la vitesse du ventilateur lorsque les températures sont basses. Les perceuses à colonne, les posées, les fraiseuses et les équipements similaires utilisent des VFD pour contrôler leurs moteurs. Les plastiques nécessitent un usinage à basse vitesse pour éviter la carbonisation ou la fusion, tandis que les métaux durs comme l’acier tolèrent un usinage à grande vitesse pour un travail plus rapide. Avec les VFD, l’équipement d’usinage est plus polyvalent et mieux à même de gérer un large éventail de situations.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux variateurs de fréquence pour les moteurs à induction à courant alternatif. Vous devriez maintenant comprendre comment fonctionnent les VFD et comment la fréquence de puissance d’entrée détermine la vitesse du moteur. Merci d’avoir regardé !
