Convertisseur de fréquence pour moteur électrique

Aspects techniques de l'utilisation des convertisseurs de fréquence

De nos jours, le moteur à induction est devenu le dispositif principal de la plupart des entraînements électriques. De plus en plus, un convertisseur de fréquence est utilisé pour le contrôle - un onduleur avec régulation PWM. Un tel contrôle présente de nombreux avantages, mais pose également quelques problèmes lors du choix de certaines solutions techniques. Essayons de les comprendre plus en détail.

Le dispositif des convertisseurs de fréquence

Le développement et la production d'une large gamme de puissants modules IGBT à transistors haute tension ont permis de mettre en œuvre des interrupteurs de puissance multiphasés contrôlés directement par des signaux numériques. Des installations informatiques programmables ont permis de générer des séquences numériques aux entrées du commutateur qui ont fourni des signaux contrôle de fréquence des moteurs électriques asynchrones… Le développement et la production en série de microcontrôleurs à puce unique avec de grandes ressources de calcul ont rendu possible la transition vers des servocommandes avec des contrôleurs numériques.

Les convertisseurs de fréquence de puissance, en règle générale, sont mis en œuvre selon un schéma contenant un redresseur basé sur des diodes puissantes ou des transistors de puissance et un onduleur (commutateur commandé) basé sur des transistors IGBT shuntés par des diodes (Fig. 1).

Riz. 1. Circuit convertisseur de fréquence

L'étage d'entrée redresse la tension de réseau sinusoïdale fournie, qui, après lissage avec un filtre inductif-capacitif, sert de source d'alimentation pour l'onduleur commandé, qui génère un signal avec modulation d'impulsions, qui génère des courants sinusoïdaux dans les enroulements du stator avec des paramètres qui fournissent le mode de fonctionnement nécessaire du moteur électrique.

Le contrôle numérique du convertisseur de puissance est effectué à l'aide d'un matériel et d'un logiciel à microprocesseur correspondant aux tâches à accomplir. L'unité de calcul génère des signaux de contrôle pour 52 modules en temps réel et traite également les signaux des systèmes de mesure qui contrôlent le fonctionnement du variateur.

Les alimentations électriques et les ordinateurs de contrôle sont combinés dans un produit industriel de conception structurelle appelé convertisseur de fréquence.

Il existe deux principaux types de convertisseurs de fréquence utilisés dans les équipements industriels :

• convertisseurs propriétaires pour des types d'équipements spécifiques.

• Les convertisseurs de fréquence universels sont conçus pour le contrôle multifonctionnel du fonctionnement AM dans des modes définis par l'utilisateur.

Le réglage et la gestion des modes de fonctionnement du variateur de fréquence peuvent être effectués à l'aide du panneau de commande équipé d'un écran pour indiquer les informations saisies.Pour un contrôle de fréquence scalaire simple, vous pouvez utiliser un ensemble de fonctions logiques simples disponibles dans les réglages d'usine du contrôleur et le contrôleur PID intégré.

Pour mettre en œuvre des modes de contrôle plus complexes utilisant des signaux de capteur de rétroaction, il est nécessaire de développer une structure ACS et un algorithme à programmer à l'aide d'un ordinateur externe connecté.

La plupart des fabricants produisent une gamme de convertisseurs de fréquence qui diffèrent par les caractéristiques électriques d'entrée et de sortie, la puissance, la conception et d'autres paramètres. Des éléments externes supplémentaires peuvent être utilisés pour se connecter à des équipements externes (réseau, moteur) : démarreurs magnétiques, transformateurs, inductances.

Types de signaux de commande

Il est nécessaire de distinguer les différents types de signaux et d'utiliser un câble séparé pour chacun. Différents types de signaux peuvent s'influencer mutuellement. En pratique, cette séparation est courante, par exemple un câble de capteur de pression peut être connecté directement au variateur de fréquence.

En figue. 2 montre la manière recommandée de connecter le convertisseur de fréquence en présence de divers circuits et signaux de commande.

Riz. 2. Un exemple de connexion des circuits de puissance et des circuits de commande du variateur de fréquence

Les types de signaux suivants peuvent être distingués :

• analogique - signaux de tension ou de courant (0 … 10 V, 0/4 … 20 mA), dont la valeur change lentement ou rarement, il s'agit généralement de signaux de contrôle ou de mesure;

• des signaux discrets de tension ou de courant (0 … 10 V, 0/4 … 20 mA), qui ne peuvent prendre que deux valeurs rarement changeantes (haute ou basse) ;

• numérique (données) - signaux de tension (0 … 5 V, 0 … 10 V) qui changent rapidement et à haute fréquence, il s'agit généralement de signaux provenant des ports RS232, RS485, etc. ;

• relais — les contacts de relais (0 … 220 V AC) peuvent inclure des courants inductifs en fonction de la charge connectée (relais externes, lampes, vannes, freins, etc.).

Sélection de la puissance du convertisseur de fréquence

Lors du choix de la puissance du convertisseur de fréquence, il est nécessaire de se fier non seulement à la puissance du moteur électrique, mais également aux courants et tensions nominaux du convertisseur et du moteur. Le fait est que la puissance spécifiée du convertisseur de fréquence se réfère uniquement à son fonctionnement avec un moteur asynchrone standard à 4 pôles dans les applications standard.

Les appareils réels présentent de nombreux aspects qui peuvent entraîner une augmentation de la charge actuelle sur l'appareil, par exemple lors du démarrage. En principe, l'utilisation d'un variateur de fréquence permet de réduire les charges électriques et mécaniques dues au démarrage progressif. Par exemple, le courant de démarrage est réduit de 600% à 100-150% du courant nominal.

Rouler à vitesse réduite

Il ne faut pas oublier que bien que le variateur de fréquence fournisse facilement une régulation de vitesse 10: 1 lorsque le moteur tourne à basse vitesse, la puissance de son propre ventilateur peut ne pas être suffisante. Surveiller la température du moteur et assurer une ventilation forcée.

Compatibilité électromagnétique

Étant donné que le variateur de fréquence est une puissante source d'harmoniques haute fréquence, un câble blindé d'une longueur minimale doit être utilisé pour connecter les moteurs. Un tel câble doit être posé à une distance d'au moins 100 mm des autres câbles.Cela minimise le contre-interrogatoire. Si des câbles doivent être croisés, le croisement se fait à un angle de 90 degrés.

Il est alimenté par un générateur de secours

Le démarrage progressif fourni par le convertisseur de fréquence permet de réduire la puissance requise du générateur. Étant donné qu'avec un tel démarrage, le courant diminue de 4 à 6 fois, la puissance du générateur peut être réduite d'un nombre similaire de fois. Mais un contacteur doit toujours être installé entre le générateur et le variateur, commandé par la sortie relais du variateur de fréquence. Cela protège le variateur de fréquence des surtensions dangereuses.

Alimentation d'un convertisseur triphasé à partir d'un réseau monophasé

Les convertisseurs de fréquence triphasés peuvent être alimentés à partir d'un réseau monophasé, mais leur courant de sortie ne doit pas dépasser 50 % du courant nominal.

Économisez de l'énergie et de l'argent

Les économies proviennent de plusieurs raisons. Premièrement, en raison de la croissance cosinus phi à des valeurs de 0,98, c'est-à-dire le maximum de puissance est utilisé pour faire un travail utile, le minimum est gaspillé. Deuxièmement, un coefficient proche de celui-ci est obtenu dans tous les modes de fonctionnement du moteur.

Sans convertisseur de fréquence, les moteurs asynchrones à faible charge ont un cosinus phi de 0,3-0,4. Troisièmement, aucun réglage mécanique supplémentaire n'est nécessaire (amortisseurs, papillons, soupapes, freins, etc.), tout se fait électroniquement. Avec un tel dispositif de contrôle, les économies peuvent atteindre jusqu'à 50 %.

Synchroniser plusieurs appareils

Grâce aux entrées supplémentaires pour contrôler le variateur de fréquence, il est possible de synchroniser les processus de convoyage ou de définir les rapports de modification de certaines valeurs, en fonction d'autres.Par exemple, pour rendre la vitesse de broche de la machine dépendante de la vitesse d'avance de la fraise. Le processus sera optimisé car à mesure que la charge de la fraise augmente, l'avance sera réduite et vice versa.

Protection du réseau contre les harmoniques supérieures

Pour une protection supplémentaire, en plus des câbles blindés courts, des inductances de ligne et des condensateurs de dérivation sont utilisés. Manette de Gazde plus, il limite le courant d'appel à la mise sous tension.

Choisir la bonne classe de protection

Une dissipation thermique fiable est essentielle pour le bon fonctionnement du variateur de fréquence. Si des classes de protection élevées sont utilisées, par exemple IP 54 et plus, il est difficile ou coûteux d'obtenir une telle dissipation thermique. Par conséquent, il est possible d'utiliser une armoire séparée avec un degré de protection élevé, où des modules d'une classe inférieure peuvent être installés et une ventilation et un refroidissement généraux peuvent être effectués.

Connexion en parallèle de moteurs électriques à un convertisseur de fréquence

Pour réduire les coûts, un convertisseur de fréquence peut être utilisé pour contrôler plusieurs moteurs électriques. Sa puissance doit être sélectionnée avec une marge de 10 à 15% de la puissance totale de tous les moteurs électriques. Ce faisant, il est nécessaire de minimiser la longueur des câbles moteur et il est fortement souhaitable d'installer une inductance moteur.

La plupart des convertisseurs de fréquence ne permettent pas d'arrêter les moteurs ou de les connecter via des contacteurs lorsque le variateur de fréquence est en marche. Cela se fait uniquement via la commande d'arrêt sur l'appareil.

Réglage de la fonction de contrôle

Afin d'obtenir les performances maximales de l'entraînement électrique, telles que: facteur de puissance, efficacité, capacité de surcharge, douceur de régulation, durabilité, il est nécessaire de choisir correctement le rapport entre le changement de la fréquence de fonctionnement et la tension de sortie de la fréquence convertisseur.

La fonction de changement de tension dépend du caractère de couple de la charge. A couple constant, la tension statorique du moteur doit être contrôlée proportionnellement à la fréquence (commande scalaire U/F = const). Pour un ventilateur, par exemple, un autre rapport est U / F * F = const. Si nous augmentons la fréquence de 2 fois, alors la tension devrait augmenter de 4 (contrôle vectoriel). Il existe des appareils avec des fonctions de contrôle plus complexes.

Avantages d'utiliser un variateur de vitesse avec un convertisseur de fréquence

En plus d'augmenter l'efficacité et d'économiser de l'énergie, un tel entraînement électrique vous permet d'obtenir de nouvelles qualités de conduite. Cela se traduit par le rejet de dispositifs mécaniques supplémentaires qui créent des pertes et réduisent la fiabilité des systèmes : freins, amortisseurs, papillons, soupapes, vannes de régulation, etc. Le freinage, par exemple, peut se faire en inversant le champ électromagnétique dans le stator du moteur. En changeant uniquement la relation fonctionnelle entre fréquence et tension, on obtient un variateur différent sans rien changer à la mécanique.

Lire la documentation

Il convient de noter que bien que les convertisseurs de fréquence soient similaires les uns aux autres et en ayant maîtrisé l'un, il est facile de traiter avec l'autre, cependant, il est nécessaire de lire attentivement la documentation. Certains fabricants imposent des restrictions sur l'utilisation de leurs produits et si celles-ci sont violées, ils retirent le produit de la garantie.

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