Maximiser l'efficacité : un guide pratique sur les entraînements à fréquence variable (VFD) basse tension

Principe de base : comment les VFD basse tension régulent la vitesse et la puissance du moteur

Un Entraînement à fréquence variable basse tension (VFD), souvent appelé variateur de vitesse (ASD), est un composant essentiel pour contrôler la vitesse de rotation d'un moteur à courant alternatif (AC) en gérant la puissance électrique qui lui est fournie. La désignation « basse tension » s'applique généralement aux VFD fonctionnant sur des tensions industrielles standard jusqu'à 690 V. Le fonctionnement fondamental est basé sur la variation simultanée de la fréquence et de la tension, en maintenant un rapport tension/fréquence (V/f) constant pour garantir que le flux magnétique du moteur reste constant et qu'il peut fournir le couple requis.

Le VFD convertit en interne le courant alternatif entrant en courant continu (CC) à l'aide d'une section redresseur, généralement un pont de diodes. Cette puissance CC est ensuite filtrée par une batterie de condensateurs du circuit intermédiaire, qui lisse la puissance. Enfin, une section onduleur, généralement constituée de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), reconvertit le courant continu en une forme d'onde CA précise à fréquence variable et à tension variable à l'aide d'une technique appelée modulation de largeur d'impulsion (PWM).

Avantages pratiques et économies immédiates de la mise en œuvre du VFD

Les avantages pratiques de l’intégration des VFD dans les systèmes industriels et commerciaux vont au-delà du simple contrôle de la vitesse, impactant directement les coûts opérationnels, la durée de vie des équipements et la qualité des processus. Ces avantages permettent un retour sur investissement rapide, en particulier dans les applications de manipulation de fluides.

Réduction significative de l'énergie grâce aux lois d'affinité

Pour les charges centrifuges telles que les pompes et les ventilateurs, la consommation électrique du moteur suit le cube de la vitesse (loi d'affinité). Cela signifie qu’une petite réduction de la vitesse entraîne une réduction massive de la puissance consommée. Par exemple, réduire la vitesse de seulement 20 % (fonctionner à une vitesse de 80 %) réduit la consommation d'énergie de près de 50 % (0,8 $^3 = 0,512 $). Cette relation proportionnelle est le principal moteur d’économies d’énergie massives dans les installations de CVC et de traitement de l’eau.

Contrôle amélioré des processus et protection des équipements

Les VFD offrent une capacité de « démarrage progressif » en augmentant lentement le moteur de la vitesse nulle à la vitesse de fonctionnement. Cela élimine le courant d'appel massif et les chocs mécaniques associés au démarrage « Across-the-Line », où le moteur reçoit instantanément la pleine tension. En atténuant les contraintes électriques et l'usure mécanique des composants tels que les engrenages, les courroies et les accouplements, le VFD prolonge les intervalles de maintenance et la durée de vie opérationnelle globale de l'équipement entraîné. De plus, un contrôle précis de la vitesse permet une régulation précise du débit, de la pression ou de la température, améliorant ainsi la qualité des produits dans les processus de fabrication.

Profils d'application courants VFD basse tension

Les VFD basse tension sont polyvalents et sont déployés dans presque tous les secteurs industriels. Leur application est généralement classée selon le type de charge : couple variable, couple constant ou puissance constante.

Le tableau ci-dessous résume les applications courantes et leurs caractéristiques :

Considérations pratiques pour la sélection et l'installation du VFD

Une sélection et une installation appropriées sont cruciales pour bénéficier de tous les avantages d’un VFD. Les principales considérations incluent les conditions environnementales, la compatibilité des moteurs et l'atténuation des problèmes potentiels de qualité de l'énergie.

Dimensionnement, boîtiers et facteurs environnementaux

Le VFD doit être correctement dimensionné en fonction du courant nominal à pleine charge (FLA) du moteur, et souvent légèrement surdimensionné pour les applications avec des cycles de service exigeants ou des exigences de couple de démarrage élevées. Le type de boîtier doit être adapté à l'environnement, allant de NEMA 1 (usage général, intérieur) à NEMA 4X (résistant à la corrosion, extérieur/lavage). Le VFD génère de la chaleur, un espace de refroidissement adéquat et un contrôle de la température ambiante sont donc obligatoires pour un fonctionnement fiable.

Atténuation des problèmes de qualité de l’énergie et d’harmoniques

La section redresseur du VFD consomme du courant sous forme d'impulsions courtes et de haute amplitude, ce qui peut introduire une distorsion harmonique dans la ligne d'alimentation électrique. Cela peut affecter négativement d’autres équipements sensibles. Les stratégies d’atténuation pratiques comprennent :

• Undding AC Line Reactors on the input side to smooth the incoming current and reduce harmonic content.
• Installation de selfs de liaison CC entre le redresseur et la batterie de condensateurs pour réduire les harmoniques et améliorer la stabilité du bus CC.
• Utilisation de VFD Active Front End (AFE) ou de redresseurs à 18 impulsions pour les applications où une très faible distorsion harmonique totale (THD) est essentielle, bien que ces options augmentent le coût d'investissement initial.

Undditionally, the high-speed switching of the IGBTs can generate voltage spikes, which may damage the motor windings over time. For longer motor lead lengths (typically over 50 feet), the installation of load reactors or output filters is highly recommended to protect the motor insulation.