Le rôle crucial des VFD moyenne tension dans l’efficacité industrielle et le contrôle des processus
Variateurs de fréquence moyenne tension (MV VFD) sont des dispositifs électroniques de puissance essentiels utilisés pour contrôler la vitesse de rotation, le couple et la direction des moteurs à courant alternatif fonctionnant à des tensions allant généralement de 1 kV à 15 kV. Contrairement aux VFD basse tension, les variateurs MT répondent à des besoins en énergie nettement plus élevés, allant souvent de centaines de kilowatts à plus de 100 mégawatts, ce qui en fait des composants essentiels dans les applications industrielles et utilitaires à grande échelle.
Le principal avantage du déploiement des VFD MT réside dans les économies d'énergie considérables réalisées en adaptant précisément la vitesse du moteur à la charge requise, en particulier dans les applications à couple variable telles que les pompes et les ventilateurs. De plus, ils offrent un contrôle supérieur des processus, réduisent les contraintes mécaniques lors du démarrage du moteur et fournissent des fonctionnalités précieuses de qualité d'énergie telles que la correction du facteur de puissance et l'atténuation des harmoniques.
Topologies avancées et conception architecturale des VFD MT
L'architecture interne des VFD MT est nettement plus diversifiée et complexe que celle de leurs homologues basse tension en raison de la nécessité de gérer des tensions élevées et d'atténuer la distorsion harmonique. Les variateurs MT utilisent généralement une conception à trois étages : un convertisseur (redresseur) pour transformer le courant alternatif en courant continu, une liaison CC pour le stockage et le lissage de l'énergie, et un onduleur pour reconvertir le courant continu en courant alternatif à fréquence variable pour le moteur.
Topologies d'onduleurs à plusieurs niveaux pour une qualité de sortie améliorée
Pour produire une forme d'onde de sortie plus sinusoïdale et « respectueuse du moteur » et limiter le temps de montée de tension ( ) qui peut endommager l'isolation du moteur, les VFD MT utilisent généralement des topologies d'onduleurs à plusieurs niveaux. Ces conceptions synthétisent la tension de sortie CA en plusieurs étapes (niveaux) au lieu de deux, ce qui est courant dans les variateurs basse tension. Deux topologies multiniveaux importantes incluent :
- Pont en H en cascade (CHB) : cette topologie de source de tension populaire utilise plusieurs cellules de pont en H basse tension connectées en série par phase. Chaque cellule possède son propre redresseur d'entrée et la sortie combinée fournit une forme d'onde à plusieurs échelons de haute qualité. Le CHB nécessite souvent un transformateur d'entrée déphaseur multi-enroulements complexe, qui est généralement intégré au package de variateur.
- Point neutre bloqué (NPC) : la topologie NPC à 3 niveaux est bien établie et utilise des diodes ou des commutateurs actifs pour fixer la tension de sortie à un point neutre, créant trois niveaux de tension. Il offre une conception compacte et convient à des tensions allant jusqu'à environ 4,16 kV. Des variantes avancées telles que l'Active Neutral Point Clamped (ANPC) ou le NPC de niveau supérieur sont également utilisées.
Architectures d'onduleur à source de courant (CSI) et d'onduleur à source de tension (VSI)
Les VFD MT peuvent également être largement classés en fonction de leur composant de liaison CC :
- Onduleur de source de tension (VSI) : Il s'agit de l'approche la plus moderne et la plus largement utilisée, utilisant des condensateurs dans la liaison CC pour stocker et réguler une tension CC constante. Les variateurs VSI utilisent des IGBT dans la section onduleur et sont connus pour leurs bonnes performances dynamiques. Les topologies multiniveaux comme CHB et NPC sont des variantes VSI.
- Onduleur à source de courant (CSI) : une technologie mature qui utilise un grand inducteur dans la liaison CC pour maintenir un courant CC constant. Les variateurs CSI utilisent souvent des thyristors Gate Turn-Off (GTO) ou des dispositifs plus modernes tels que les SGCT (Symmetric Gate Commutated Thyristors) dans l'onduleur. Ils sont robustes et fréquemment utilisés dans des applications de très grande puissance ou avec des moteurs synchrones.
Applications critiques dans les secteurs clés
La robustesse, la capacité de puissance élevée et le contrôle précis offerts par les VFD MT les rendent indispensables dans plusieurs secteurs exigeants.
Le tableau suivant résume les applications MV VFD courantes et les avantages qu'elles offrent en matière de contrôle de processus :
| Industrie | Application typique | Avantage opérationnel clé |
| Pétrole et gaz | Compresseurs (à pistons et centrifuges), pompes | Régulation précise du débit et de la pression, démarrage en douceur et efficacité énergétique. |
| Mines et ciment | Concasseurs, convoyeurs, broyeurs (à boulets et à affaissement) | Couple de démarrage élevé, contrôle de la vitesse pour un concassage/broyage optimisé et contraintes mécaniques réduites. |
| Services publics (eau/eaux usées) | Pompes à grande levée, soufflantes | Contrôle optimisé du débit et du niveau de fluide, économies d'énergie significatives grâce aux charges de couple variables. |
| Production d'énergie | Pompes d'alimentation de chaudière, ventilateurs ID/FD | Amélioration de l’efficacité de la chaudière, contrôle de la combustion et réduction de la consommation d’énergie auxiliaire. |
Considérations sur l’atténuation des harmoniques et la qualité de l’énergie
Une considération technique importante pour les VFD MT est la gestion de la distorsion harmonique, qui peut avoir un impact négatif sur le réseau électrique et les autres équipements connectés. Les conceptions MV VFD répondent intrinsèquement à ce problème grâce à leurs configurations multi-impulsions et multi-niveaux.
La section d'entrée d'un VFD MV utilise généralement un redresseur à diode multi-impulsions (par exemple, 18 ou 24 impulsions) couplé à un transformateur déphaseur. L'augmentation du nombre d'impulsions minimise l'ampleur des harmoniques de rang inférieur réinjectées dans la ligne de service public. De plus, certains variateurs modernes utilisent des Active Front Ends (AFE), qui remplacent les redresseurs passifs par des commutateurs actifs (IGBT). Les AFE sont essentiellement un deuxième onduleur qui peut :
- Contrôlez et éliminez activement la distorsion harmonique, obtenant un facteur de puissance d'entrée proche de l'unité (proche de 1,0).
- Permet un freinage par récupération, où l'énergie cinétique du moteur est réinjectée dans la ligne électrique, une caractéristique essentielle pour les charges telles que les grues et les convoyeurs descendants.
La mise en œuvre de VFD MV nécessite une conception et une coordination minutieuses au niveau du système pour garantir la conformité aux normes des services publics (telles que IEEE 519) et pour maximiser la fiabilité du système et les avantages opérationnels.
