Convertisseurs de fréquence

Depuis la fin des années 1960, les convertisseurs de fréquence ont radicalement changé, en grande partie en raison du développement des technologies des microprocesseurs et des semi-conducteurs et de la baisse de leurs coûts.

Cependant, les principes fondamentaux inhérents aux variateurs de fréquence restent les mêmes.

Les convertisseurs de fréquence comprennent quatre éléments principaux :

Riz. 1. Schéma fonctionnel du convertisseur de fréquence

1. Le redresseur génère une tension pulsée courant continu lorsqu'il est connecté à une alimentation CA monophasée/triphasée. Il existe deux principaux types de redresseurs : contrôlés et non contrôlés.

2.Un circuit intermédiaire de l'un des trois types suivants :

a) convertir la tension du redresseur en courant continu.

b) stabiliser ou lisser la tension continue pulsée et la fournir à l'onduleur.

c) convertir la tension continue constante du redresseur en une tension alternative changeante.

3. Un onduleur qui génère la fréquence de tension du moteur électrique. Certains onduleurs peuvent également convertir une tension continue constante en tension alternative variable.

4. Circuit électrique commande, qui envoie des signaux au redresseur, au circuit intermédiaire et à l'onduleur et reçoit les signaux de ces éléments. La construction des éléments contrôlés dépend de la conception du variateur de fréquence spécifique (voir Fig. 2.02).

Le point commun à tous les variateurs de fréquence est que tous les circuits de commande contrôlent éléments semi-conducteurs onduleur. Les convertisseurs de fréquence diffèrent par le mode de commutation utilisé pour réguler la tension d'alimentation du moteur.

En figue. Sur la figure 2, qui montre les différents principes de construction/commande du convertisseur, les notations suivantes sont utilisées :

1- redresseur contrôlé,

2- redresseur incontrôlé,

3- circuit intermédiaire à courant continu variable,

4- circuit intermédiaire tension constante DC

5- circuit intermédiaire à courant continu variable,

6- onduleur avec modulation d'amplitude d'impulsion (PAM)

7- onduleur avec modulation de largeur d'impulsion (PWM)

Onduleur de courant (IT) (1+3+6)

Convertisseur avec modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) (1+4+7) (2+5+7)

Convertisseur de modulation de largeur d'impulsion (PWM/VVCplus) (2+4+7)

Riz. 2. Divers principes de construction/contrôle des variateurs de fréquence

Pour être complet, il convient de mentionner les convertisseurs directs ne disposant pas de circuit intermédiaire. De tels convertisseurs sont utilisés dans la plage de puissance du mégawatt pour générer une tension d'alimentation basse fréquence directement à partir d'un réseau de 50 Hz, avec une fréquence de sortie maximale d'environ 30 Hz.

Redresseur

La tension d'alimentation secteur est une tension alternative triphasée ou monophasée avec une fréquence fixe (par exemple 3x400 V/50 Hz ou 1 x 240 V/50 Hz) ; Les caractéristiques de ces tensions sont illustrées dans la figure ci-dessous.

Riz. 3. Tension alternative monophasée et triphasée

Sur la figure, les trois phases sont décalées dans le temps, la tension de phase change constamment de direction et la fréquence indique le nombre de périodes par seconde. Une fréquence de 50 Hz signifie qu'il y a 50 périodes par seconde (50 x T), soit une période dure 20 millisecondes.

Le redresseur du convertisseur de fréquence est construit soit sur des diodes, soit sur des thyristors, soit sur une combinaison des deux. Un redresseur construit sur des diodes n'est pas contrôlé, tandis qu'un redresseur construit sur des thyristors est contrôlé. Si des diodes et des thyristors sont utilisés, le redresseur est semi-contrôlé.

Redresseurs incontrôlés

Riz. 4. Mode de fonctionnement des diodes.

Les diodes permettent au courant de circuler dans une seule direction : de l'anode (A) vers la cathode (K). Comme pour certains autres dispositifs semi-conducteurs, le courant de la diode ne peut pas être ajusté. La tension alternative est convertie par la diode en une tension continue pulsée. Si un redresseur triphasé non contrôlé est alimenté par une tension alternative triphasée, dans ce cas, la tension continue pulsera.

Riz. 5. Redresseur incontrôlé

En figue. La figure 5 montre un redresseur triphasé non contrôlé contenant deux groupes de diodes. Un groupe est constitué des diodes D1, D3 et D5. L'autre groupe est constitué des diodes D2, D4 et D6. Chaque diode conduit le courant pendant un tiers de la période (120°). Dans les deux groupes, les diodes conduisent le courant dans un certain ordre. Les périodes pendant lesquelles les deux groupes travaillent sont décalées l'une de l'autre de 1/6 du temps de la période T (60°).

Les diodes D1,3,5 sont ouvertes (conductrices) lorsqu'une tension positive leur est appliquée. Si la tension de la phase L atteint une valeur crête positive, alors la diode D est ouverte et la borne A reçoit la tension de la phase L1. Les deux autres diodes seront affectées par des tensions inverses d'amplitude U L1-2 et U L1-3.

La même chose se produit dans le groupe de diodes D2,4,6. Dans ce cas, la borne B reçoit une tension de phase négative. Si dans ce moment la phase L3 atteint la valeur négative maximale, la diode D6 est ouverte (conductrice). Les deux autres diodes sont affectées par des tensions inverses d'amplitude U L3-1 et U L3-2

La tension de sortie du redresseur non contrôlé est égale à la différence de tensions de ces deux groupes de diodes. La valeur moyenne de la tension continue d'ondulation est de 1,35 x la tension du secteur.

Riz. 6. Tension de sortie du redresseur triphasé non contrôlé

Redresseurs contrôlés

Dans les redresseurs commandés, les diodes sont remplacées par des thyristors. Comme une diode, un thyristor laisse passer le courant dans un seul sens : de l'anode (A) à la cathode (K). Cependant, contrairement à la diode, le thyristor possède une troisième électrode appelée « grille » (G). Pour que le thyristor s'ouvre, un signal doit être appliqué à la gâchette. S'il y a du courant qui traverse le thyristor, celui-ci le laissera passer jusqu'à ce que le courant devienne nul.

Le courant ne peut pas être interrompu en appliquant un signal à la porte. Les thyristors sont utilisés à la fois dans les redresseurs et les onduleurs.

Un signal de commande a est fourni à la gâchette du thyristor, qui se caractérise par un retard exprimé en degrés. Ces degrés provoquent un délai entre le moment où la tension passe par zéro et le moment où le thyristor est ouvert.

Riz. 7. Mode de fonctionnement des thyristors

Si l'angle a est compris entre 0° et 90°, alors circuit à thyristors utilisé comme redresseur, et si dans la plage de 90° à 300°, alors comme onduleur.

Riz. 8. Redresseur triphasé contrôlé

Un redresseur commandé n'est fondamentalement pas différent d'un redresseur non commandé, sauf que le thyristor est commandé par le signal a et commence à conduire à partir du moment où une diode conventionnelle commence à conduire jusqu'au moment qui est 30° plus tard que le point où la tension passe zéro.

Le réglage de la valeur de a vous permet de modifier l'amplitude de la tension redressée. Le redresseur commandé génère une tension constante dont la valeur moyenne est de 1,35 x tension secteur x cos α

Riz. 9. Tension de sortie du redresseur triphasé contrôlé

Par rapport à un redresseur non contrôlé, un redresseur contrôlé présente des pertes plus importantes et introduit un bruit plus élevé dans le réseau d'alimentation, car avec un temps de transmission plus court des thyristors, le redresseur prélève plus de courant réactif du réseau.

L'avantage des redresseurs contrôlés est leur capacité à restituer l'énergie au réseau d'alimentation.

Chaîne intermédiaire

Le circuit intermédiaire peut être considéré comme une installation de stockage à partir de laquelle le moteur électrique peut puiser de l'énergie via un onduleur. Selon le redresseur et l'onduleur, trois principes de construction d'un circuit intermédiaire sont possibles.

Onduleurs - sources de courant (1-convertisseurs)

Riz. 10. Circuit intermédiaire CC variable

Dans le cas des onduleurs - sources de courant, le circuit intermédiaire contient une grande bobine d'inductance et est interfacé uniquement avec un redresseur commandé. L'inductance convertit la tension variable du redresseur en un courant continu variable. La tension du moteur électrique est déterminée par la charge.

Onduleurs - sources de tension (convertisseurs U)

Riz. 11. Circuit intermédiaire de tension continue

Dans le cas des onduleurs - sources de tension, le circuit intermédiaire est un filtre contenant un condensateur, et peut être interfacé avec un redresseur de deux types. Le filtre lisse la tension continue pulsée (U21) du redresseur.

Dans un redresseur contrôlé, la tension à une fréquence donnée est constante et est fournie à l'onduleur sous la forme d'une véritable tension continue (U22) avec une amplitude variable.

Dans les redresseurs non contrôlés, la tension à l'entrée de l'onduleur est une tension constante avec une amplitude constante.

Circuit intermédiaire à tension continue variable

Riz. 12. Circuit intermédiaire à tension variable

Dans les circuits intermédiaires de tension continue variable, vous pouvez activer un disjoncteur devant le filtre, comme indiqué sur la Fig. 12.

Le hacheur contient un transistor qui agit comme un interrupteur, activant et désactivant la tension du redresseur. Le système de contrôle contrôle le hacheur en comparant la tension changeante après le filtre (U v) avec le signal d'entrée. S'il y a une différence, le rapport est ajusté en modifiant le temps pendant lequel le transistor est passant et le temps pendant lequel il est bloqué. Cela change valeur effective et l'amplitude de la tension constante, qui peut être exprimée par la formule

U v = U x t activé / (t activé + t désactivé)

Lorsque le transistor hacheur ouvre le circuit de courant, l'inductance du filtre rend la tension aux bornes du transistor infiniment grande. Pour éviter cela, le disjoncteur est protégé par une diode à commutation rapide. Lorsque le transistor s'ouvre et se ferme comme le montre la Fig. 13, la tension sera la plus élevée en mode 2.

Riz. 13. Le transistor hacheur contrôle la tension du circuit intermédiaire

Le filtre du circuit intermédiaire lisse la tension carrée après le hacheur. Le condensateur et l'inductance du filtre maintiennent une tension constante à une fréquence donnée.

Selon la conception, le circuit intermédiaire peut également effectuer fonctions supplémentaires, qui inclut:

Isolation du redresseur de l'onduleur

Réduction harmonique

Stockage d’énergie pour limiter les surtensions intermittentes.

Onduleur

L'onduleur est le dernier maillon du variateur de fréquence avant le moteur électrique et le lieu où s'effectue l'adaptation finale de la tension de sortie.

Le variateur de fréquence fournit des conditions de fonctionnement normales sur toute la plage de contrôle en adaptant la tension de sortie aux conditions de charge. Cela vous permet de maintenir une magnétisation optimale du moteur.

Du circuit intermédiaire, l'onduleur reçoit

Courant continu variable,

Tension continue variable ou

Tension continue constante.

Grâce à l'onduleur, dans chacun de ces cas, une quantité variable est fournie au moteur électrique. En d’autres termes, l’onduleur crée toujours la fréquence souhaitée de la tension fournie au moteur électrique. Si le courant ou la tension est variable, l'onduleur produit uniquement la fréquence souhaitée. Si la tension est constante, l'onduleur crée à la fois la fréquence souhaitée et la tension souhaitée pour le moteur.

Même si les onduleurs fonctionnent de différentes manières, leur structure de base est toujours la même. Les principaux éléments des onduleurs sont des dispositifs semi-conducteurs contrôlés, connectés par paires sur trois branches.

Actuellement, les thyristors sont dans la plupart des cas remplacés par des transistors haute fréquence, capables de s'ouvrir et de se fermer très rapidement. La fréquence de commutation varie généralement de 300 Hz à 20 kHz et dépend des dispositifs semi-conducteurs utilisés.

Les dispositifs semi-conducteurs de l'onduleur sont ouverts et fermés par des signaux générés par le circuit de commande. Les signaux peuvent être générés de plusieurs manières différentes.

Riz. 14. Onduleur de courant de circuit intermédiaire à tension variable conventionnel.

Onduleurs conventionnels, commutant principalement le courant du circuit intermédiaire de tension variable, contiennent six thyristors et six condensateurs.

Les condensateurs permettent aux thyristors de s'ouvrir et de se fermer de telle manière que le courant dans les enroulements de phase soit décalé de 120 degrés et doit être adapté à la taille du moteur électrique. Lorsque le courant est appliqué périodiquement aux bornes du moteur Séquences U-V, V-W, W-U, U-V..., un champ magnétique tournant intermittent de la fréquence requise apparaît. Même si le courant du moteur a une forme presque rectangulaire, la tension du moteur sera presque sinusoïdale. Cependant, lorsque le courant est activé ou désactivé, des surtensions se produisent toujours.

Les condensateurs sont séparés du courant de charge du moteur électrique par des diodes.

Riz. 15. Onduleur pour tension variable ou constante du circuit intermédiaire et dépendance du courant de sortie sur la fréquence de commutation de l'onduleur

Les onduleurs à tension de circuit intermédiaire variable ou constante contiennent six éléments de commutation et, quel que soit le type de dispositifs semi-conducteurs utilisés, fonctionnent presque de la même manière. Le circuit de commande ouvre et ferme les dispositifs semi-conducteurs à l'aide de plusieurs de diverses façons Modulation, modifiant ainsi la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence.

La première méthode consiste à faire varier la tension ou le courant dans le circuit intermédiaire.

Les intervalles pendant lesquels les dispositifs semi-conducteurs individuels sont ouverts sont disposés dans une séquence utilisée pour obtenir la fréquence de sortie requise.

Cette séquence de commutation de semi-conducteur est contrôlée par l'amplitude de la tension ou du courant variable du circuit intermédiaire. En utilisant un oscillateur contrôlé en tension, la fréquence suit toujours l'amplitude de la tension. Ce type de contrôle d'onduleur est appelé modulation d'amplitude d'impulsion (PAM).

Pour une tension de circuit intermédiaire fixe, une méthode de base différente est utilisée. La tension du moteur devient variable en appliquant une tension de circuit intermédiaire aux enroulements du moteur pendant des périodes plus ou moins longues.

Riz. 16 Modulation de l'amplitude et de la durée des impulsions

La fréquence est modifiée en modifiant les impulsions de tension le long de l'axe du temps - positivement pendant un demi-cycle et négativement pendant l'autre.

Étant donné que cette méthode modifie la durée (largeur) des impulsions de tension, elle est appelée modulation de largeur d'impulsion (PWM). La modulation PWM (et les méthodes associées telles que la PWM contrôlée par onde sinusoïdale) est la méthode la plus courante de contrôle de l'onduleur.

En modulation PWM, le circuit de commande détermine le moment où les dispositifs à semi-conducteurs commutent à l'intersection d'une tension en rampe et d'une tension de référence sinusoïdale superposée (PWM à commande sinusoïdale). D'autres méthodes de modulation PWM prometteuses sont les méthodes modifiées de modulation de largeur d'impulsion telles que WC et WC plus, développées par Danfoss Corporation.

Transistors

Étant donné que les transistors peuvent commuter à des vitesses élevées, les interférences électromagnétiques qui se produisent lorsque le moteur est « pulsé » (magnétisé) sont réduites.

Un autre avantage de la fréquence de commutation élevée est la flexibilité de moduler la tension de sortie du convertisseur de fréquence, ce qui vous permet de générer courant sinusoïdal moteur électrique, tandis que le circuit de commande doit simplement ouvrir et fermer les transistors de l'onduleur.

La fréquence de commutation de l'onduleur est une « arme à double tranchant » car hautes fréquences peut entraîner un échauffement du moteur électrique et l'apparition de tensions de crête importantes. Plus la fréquence de commutation est élevée, plus les pertes sont importantes.

D’un autre côté, une faible fréquence de commutation peut entraîner un bruit acoustique élevé.

Transistors haute fréquence peut être divisé en trois groupes principaux :

Transistors bipolaires(LTR)

MOSFET unipolaires (MOS-FET)

Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT)

Actuellement, les IGBT sont les transistors les plus utilisés car ils combinent les propriétés de contrôle des transistors MOS-FET avec les propriétés de sortie des transistors LTR ; De plus, ils disposent d'une plage de puissance, d'une conductivité et d'une fréquence de commutation appropriées, ce qui facilite grandement le contrôle des convertisseurs de fréquence modernes.

Avec les IGBT, les éléments de l'onduleur et les commandes de l'onduleur sont placés dans un module moulé appelé « module de puissance intelligent » (IPM).

Modulation d'amplitude d'impulsion (PAM)

La modulation d'amplitude d'impulsion est utilisée pour les variateurs de fréquence à tension de circuit intermédiaire variable.

Dans les convertisseurs de fréquence avec redresseurs non contrôlés, l'amplitude de la tension de sortie est générée par le disjoncteur intermédiaire, et si le redresseur est contrôlé, l'amplitude est obtenue directement.

Riz. 20. Formation de tension dans les convertisseurs de fréquence avec un disjoncteur dans le circuit intermédiaire

Transistor (hachoir) sur la Fig. 20 est déverrouillé ou verrouillé par un circuit de commande et de régulation. Les temps de commutation dépendent de la valeur nominale (signal d'entrée) et du signal de tension mesuré (valeur réelle). La valeur réelle est mesurée au niveau du condensateur.

L'inductance et le condensateur agissent comme un filtre qui atténue les ondulations de tension. Le pic de tension dépend du moment où le transistor est allumé, et si les valeurs nominales et réelles diffèrent les unes des autres, le hacheur fonctionne jusqu'à ce que le niveau de tension requis soit atteint.

Régulation de fréquence

La fréquence de la tension de sortie varie par l'onduleur pendant une période donnée, et les dispositifs de commutation à semi-conducteurs fonctionnent plusieurs fois pendant une période donnée.

La durée de la période peut être modulée de deux manières :

1.directement par signal d'entrée ou

2. en utilisant une tension continue variable proportionnelle au signal d'entrée.

Riz. 21a. Contrôle de fréquence par tension de circuit intermédiaire

La modulation de largeur d'impulsion est la méthode la plus courante pour générer une tension triphasée avec la fréquence appropriée.

Avec la modulation de largeur d'impulsion, la formation de la tension totale du circuit intermédiaire (≈ √2 x U réseau) est déterminée par la durée et la fréquence de commutation des éléments de puissance. Le taux de répétition des impulsions PWM entre les moments marche et arrêt est variable et permet la régulation de la tension.

Il existe trois options principales pour définir les modes de commutation dans un onduleur contrôlé par modulation de largeur d'impulsion.

1. PWM contrôlé sinusoïdal

2. PWM synchrone

3. PWM asynchrone

Chaque branche d'un onduleur PWM triphasé peut avoir deux états différents (activé et désactivé).

Les trois commutateurs forment huit combinaisons de commutation possibles (2 3), et donc huit vecteurs de tension numériques à la sortie de l'onduleur ou au niveau de l'enroulement statorique du moteur électrique connecté. Comme le montre la fig. Sur la figure 21b, ces vecteurs 100, 110, 010, 011, 001, 101 sont situés aux coins de l'hexagone circonscrit, en utilisant les vecteurs 000 et 111 comme vecteurs nuls.

Dans le cas des combinaisons de commutation 000 et 111, le même potentiel est créé aux trois bornes de sortie de l'onduleur - soit positif, soit négatif par rapport au circuit intermédiaire (voir Fig. 21c). Pour un moteur électrique, cela signifie un effet proche de court-circuit terminaux; la tension O V est également appliquée aux enroulements du moteur électrique.

PWM contrôlé par onde sinusoïdale

Le PWM contrôlé par onde sinusoïdale utilise une tension de référence sinusoïdale (Us) pour contrôler chaque sortie de l'onduleur. La durée de la période de tension sinusoïdale correspond à la fréquence fondamentale souhaitée de la tension de sortie. Une tension en dents de scie (UD) est appliquée aux trois tensions de référence, voir fig. 22.

Riz. 22. Principe de fonctionnement du PWM à commande sinusoïdale (avec deux tensions de référence)

Lorsque la tension de rampe et les tensions de référence sinusoïdales se croisent, les semi-conducteurs de l'onduleur s'ouvrent ou se ferment.

Les intersections sont déterminées éléments électroniques tableaux de contrôle. Si la tension de rampe est supérieure à la tension sinusoïdale, alors à mesure que la tension de rampe diminue, les impulsions de sortie passent du positif au négatif (ou du négatif au positif), de sorte que la tension de sortie du variateur de fréquence est déterminée par la tension du circuit intermédiaire. .

La tension de sortie varie en fonction du rapport entre la durée des états ouvert et fermé, et ce rapport peut être modifié pour obtenir la tension requise. Ainsi, l'amplitude des impulsions de tension négatives et positives correspond toujours à la moitié de la tension du circuit intermédiaire.

Riz. 23. Tension de sortie du PWM à commande sinusoïdale

À basses fréquences stator, le temps à l'état fermé augmente et peut s'avérer si long qu'il sera impossible de maintenir la fréquence de la tension en dents de scie.

Cela augmente la période sans tension et le moteur fonctionnera de manière inégale. Pour éviter cela, aux basses fréquences, vous pouvez doubler la fréquence de la tension de rampe.

La tension de phase aux bornes de sortie du variateur de fréquence correspond à la moitié de la tension du circuit intermédiaire divisée par √ 2, soit égale à la moitié de la tension d'alimentation. La tension de ligne aux bornes de sortie est √ 3 fois la tension de phase, c'est-à-dire égale à la tension d'alimentation multipliée par 0,866.

Un onduleur contrôlé par PWM qui fonctionne uniquement en modulant la tension de référence sinusoïdale peut fournir une tension égale à 86,6 % de la tension nominale (voir Figure 23).

Lors de l'utilisation d'une modulation sinusoïdale pure, la tension de sortie du variateur de fréquence ne peut pas atteindre la tension du moteur car la tension de sortie sera également inférieure de 13 %.

Cependant, la tension supplémentaire requise peut être obtenue en réduisant le nombre d'impulsions lorsque la fréquence dépasse environ 45 Hz, mais cette méthode présente certains inconvénients. En particulier, cela provoque un changement progressif de tension, ce qui conduit à un fonctionnement instable du moteur électrique. Si le nombre d'impulsions diminue, les harmoniques les plus élevées à la sortie du variateur de fréquence augmentent, ce qui augmente les pertes dans le moteur électrique.

Une autre façon de résoudre ce problème consiste à utiliser d’autres tensions de référence au lieu de trois tensions sinusoïdales. Ces contraintes peuvent avoir n'importe quelle forme (par exemple trapézoïdale ou étagée).

Par exemple, une référence de tension commune utilise la troisième harmonique d'une tension de référence sinusoïdale. Il est possible d'obtenir un tel mode de commutation pour les dispositifs semi-conducteurs de l'onduleur, qui augmentera la tension de sortie du convertisseur de fréquence, en augmentant l'amplitude de la tension sinusoïdale de référence de 15,5 % et en y ajoutant une troisième harmonique.

PWM synchrone

La principale difficulté liée à l’utilisation de la méthode PWM à commande sinusoïdale est la nécessité de déterminer valeurs optimales temps de commutation et angle de tension pendant une période donnée. Ces temps de commutation doivent être réglés de manière à n'autoriser qu'un minimum d'harmoniques supérieures. Ce mode de commutation n'est maintenu que pour une plage de fréquences donnée (limitée). Le fonctionnement en dehors de cette plage nécessite l'utilisation d'une méthode de commutation différente.

PWM asynchrone

Le besoin d'orientation sur le terrain et de réactivité du système en termes de contrôle du couple et de la vitesse des variateurs CA triphasés (y compris les servos) nécessite des changements progressifs dans l'amplitude et l'angle de la tension de l'onduleur. L'utilisation du mode de commutation PWM « normal » ou synchrone ne permet pas de changements progressifs dans l'amplitude et l'angle de la tension de l'onduleur.

Une façon de répondre à cette exigence est le PWM asynchrone, qui, au lieu de synchroniser la modulation de la tension de sortie avec la fréquence de sortie, comme cela se fait habituellement pour réduire les harmoniques dans un moteur électrique, module la boucle de contrôle de tension vectorielle, ce qui entraîne un couplage synchrone avec la fréquence de sortie.

Il existe deux options principales pour le PWM asynchrone :

SFAVM (Stator Flow-Oriented Asynchronous Vector Modulation = (modulation vectorielle synchrone orientée vers le flux magnétique du stator)

60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = modulation vectorielle asynchrone).

SFAVM est une méthode de modulation vectorielle spatiale qui permet des changements aléatoires mais progressifs de la tension, de l'amplitude et de l'angle de l'onduleur pendant le temps de commutation. Cela permet d'obtenir des propriétés dynamiques accrues.

L'objectif principal de l'utilisation d'une telle modulation est d'optimiser le flux magnétique du stator en utilisant la tension du stator tout en réduisant l'ondulation du couple, puisque l'écart angulaire dépend de la séquence de commutation et peut provoquer une augmentation de l'ondulation du couple. Par conséquent, la séquence de commutation doit être calculée de manière à minimiser l’écart angulaire vectoriel. La commutation entre les vecteurs de tension est basée sur le calcul du trajet du flux magnétique souhaité dans le stator du moteur, qui à son tour détermine le couple.

L'inconvénient des systèmes d'alimentation PWM conventionnels précédents résidait dans les écarts dans l'amplitude du vecteur de flux magnétique du stator et dans l'angle du flux magnétique. Ces écarts ont eu un effet négatif sur le champ tournant (couple) dans l'entrefer du moteur électrique et ont provoqué des pulsations de couple. L'influence de l'écart d'amplitude U est négligeable et peut être encore réduite en augmentant la fréquence de commutation.

Génération de tension moteur

Travail stable correspond à la régulation du vecteur tension machine U wt pour qu'il décrive un cercle (voir Fig. 24).

Le vecteur tension est caractérisé par l'amplitude de la tension du moteur électrique et la vitesse de rotation, qui correspondent à la fréquence de fonctionnement à l'instant considéré. La tension du moteur est générée en créant des valeurs moyennes à l'aide d'impulsions courtes provenant de vecteurs adjacents.

La méthode SFAVM, développée par Danfoss Corporation, possède entre autres les propriétés suivantes :

Le vecteur de tension peut être ajusté en amplitude et en phase sans s'écarter du réglage défini.

La séquence de commutation commence toujours par 000 ou 111. Cela permet au vecteur de tension d'avoir trois modes de commutation.

La valeur moyenne du vecteur tension est obtenue à l'aide d'impulsions courtes de vecteurs voisins, ainsi que des vecteurs zéro 000 et 111.

Circuit de contrôle

Le circuit de commande, ou carte de commande, est le quatrième élément principal du variateur de fréquence, conçu pour résoudre quatre tâches importantes :

Contrôle des éléments semi-conducteurs d'un variateur de fréquence.

Échange de données entre les variateurs de fréquence et périphériques.

Collecte de données et génération de messages d'erreur.

Effectuer des fonctions de protection pour le convertisseur de fréquence et le moteur électrique.

Les microprocesseurs ont augmenté la vitesse du circuit de contrôle, élargi considérablement la gamme d'applications des entraînements et réduit le nombre de calculs nécessaires.

Le microprocesseur est intégré au variateur de fréquence et est toujours capable de déterminer la combinaison d'impulsions optimale pour chaque condition de fonctionnement.

Circuit de commande pour convertisseur de fréquence AIM

Riz. 25 Principe de fonctionnement d'un circuit de commande pour un circuit intermédiaire commandé par un disjoncteur.

En figue. La figure 25 montre un variateur de fréquence avec commande AIM et un disjoncteur intermédiaire. Le circuit de commande contrôle le convertisseur (2) et l'onduleur (3).

Le contrôle est effectué sur la base de la valeur instantanée de la tension du circuit intermédiaire.

La tension du circuit intermédiaire pilote un circuit qui agit comme un compteur d'adresses dans la mémoire de stockage de données. La mémoire stocke les séquences de sortie pour le modèle d'impulsion de l'onduleur. Lorsque la tension du circuit intermédiaire augmente, le comptage est plus rapide, la séquence se termine plus tôt et la fréquence de sortie augmente.

Pour le contrôle du hacheur, la tension du circuit intermédiaire est d'abord comparée à la valeur nominale du signal de tension de référence. Ce signal de tension est censé donner la tension et la fréquence de sortie correctes. Si le signal de référence et le signal du circuit intermédiaire sont modifiés, le contrôleur PI informe le circuit que le temps de cycle doit être modifié. Cela provoque l'ajustement de la tension du circuit intermédiaire en fonction du signal de référence.

Une méthode de modulation courante pour contrôler un convertisseur de puissance est la modulation d'amplitude d'impulsion (PAM). La modulation de largeur d'impulsion (PWM) est plus méthode moderne.

Contrôle de terrain (contrôle vectoriel)

La lutte anti vectorielle peut être organisée de plusieurs manières. La principale différence entre les méthodes réside dans les critères utilisés lors du calcul des valeurs. courant actif, courant magnétisant (flux magnétique) et couple.

La comparaison des moteurs à courant continu et des moteurs asynchrones triphasés (Fig. 26) révèle certains problèmes. En courant continu, les paramètres importants pour produire le couple - flux magnétique (F) et courant d'induit - sont fixes par rapport à la taille et à l'emplacement de la phase et sont déterminés par l'orientation des enroulements de champ et la position du carbone. brosses (Fig. 26a).

Dans un moteur à courant continu, le courant d'induit et le courant créant le flux magnétique sont situés à angle droit l'un par rapport à l'autre et leurs valeurs ne sont pas très grandes. Dans un moteur électrique asynchrone, la position du flux magnétique (F) et du courant rotorique (I,) dépend de la charge. De plus, contrairement à un moteur à courant continu, les angles de phase et le courant ne peuvent pas être directement déterminés à partir de la taille du stator.

Riz. 26. Comparaison de la machine à courant continu et de la machine asynchrone à courant alternatif

Cependant, à l'aide d'un modèle mathématique, il est possible de calculer le couple à partir de la relation entre le flux magnétique et le courant statorique.

Du courant statorique mesuré (l s), une composante (l w) est extraite, qui crée un couple avec un flux magnétique (Ф) à angle droit entre ces deux variables (l in). Cela crée le flux magnétique du moteur électrique (Fig. 27).

Riz. 27. Calcul des composants actuels pour la régulation du champ

Avec ces deux composantes de courant, le couple et le flux magnétique peuvent être influencés indépendamment. Cependant, en raison de la certaine complexité des calculs basés sur le modèle dynamique d'un moteur électrique, ces calculs ne sont rentables que dans les entraînements numériques.

Comme le contrôle de l'excitation, indépendant de la charge, est séparé du contrôle du couple dans cette méthode, il est possible de contrôler dynamiquement un moteur à induction de la même manière qu'un moteur à courant continu - à condition que le signal soit disponible. retour. Cette méthode de contrôle d'un moteur triphasé présente les avantages suivants :

Bonne réponse aux changements de charge

Contrôle précis de la puissance

Plein couple à vitesse nulle

Les caractéristiques de performance sont comparables à celles des variateurs DC.

Ajustement des caractéristiques V/f et du vecteur flux magnétique

Ces dernières années, des systèmes de contrôle de vitesse ont été développés moteurs triphasés AC basé sur deux différents principes contrôles:

contrôle V/f normal, ou contrôle SCALAIRE, et contrôle vectoriel de flux magnétique.

Les deux méthodes ont leurs propres avantages, en fonction des exigences spécifiques en matière de performances (dynamique) et de précision de l'entraînement.

Le contrôle V/f a une plage de contrôle de vitesse limitée (environ 1:20) et à basse vitesse, un principe de contrôle différent (compensation) est requis. Grâce à cette méthode, il est relativement facile d'adapter le variateur de fréquence au moteur et la commande est insensible aux changements instantanés de charge sur toute la plage de vitesse.

Dans les variateurs à flux contrôlé, le variateur de fréquence doit être configuré avec précision pour le moteur, ce qui nécessite une connaissance détaillée de ses paramètres. Également requis composants supplémentaires pour recevoir un signal de retour.

Quelques avantages de ce type de contrôle :

Réponse rapide aux changements de vitesse et large plage de vitesse

Meilleure réponse dynamique aux changements de direction

Un principe de régulation uniforme est assuré sur toute la plage de vitesse.

Pour l’utilisateur, la solution optimale serait de combiner les meilleures propriétés des deux principes. Évidemment, la propriété de résistance aux charges/déchargements échelonnés sur toute la plage de vitesse, qui est généralement un point fort du contrôle V/f, et une réponse rapide aux changements de la référence de vitesse (comme dans le contrôle sur site) sont toutes deux requises.

Le variateur de fréquence (variable requency drive, VFD) est un système permettant de contrôler la vitesse du rotor d'un moteur électrique asynchrone (synchrone). Il se compose du moteur électrique lui-même et d'un convertisseur de fréquence.

Un convertisseur de fréquence (convertisseur de fréquence) est un dispositif composé d'un redresseur (pont CC) qui convertit le courant alternatif de fréquence industrielle en courant continu et d'un onduleur (convertisseur) (parfois avec PWM) qui convertit le courant continu en courant alternatif de la fréquence requise. et l'amplitude. Les thyristors de sortie (GTO) ou IGBT fournissent le courant nécessaire pour alimenter le moteur. Pour éviter de surcharger le convertisseur lorsque le départ est long, des selfs sont installées entre le convertisseur et le départ, et pour réduire les interférences électromagnétiques, un filtre CEM est installé. Avec le contrôle scalaire, des courants harmoniques des phases du moteur sont formés. Le contrôle vectoriel est une méthode de contrôle des moteurs synchrones et asynchrones, qui génère non seulement des courants harmoniques (tensions) des phases, mais permet également de contrôler le flux magnétique du rotor (couple sur l'arbre du moteur).

Application du variateur de fréquence

Les convertisseurs de fréquence sont utilisés dans :

• entraînement électrique marin haute puissance
• laminoirs ( travail synchrone cages)
• entraînement à grande vitesse des pompes turbomoléculaires à vide (jusqu'à 100 000 tr/min)
• systèmes de convoyeurs
• machines à découper
• Machines CNC - synchronisation du mouvement de plusieurs axes à la fois (jusqu'à 32 - par exemple dans les équipements d'impression ou d'emballage) (servomoteurs)
• portes à ouverture automatique
• mélangeurs, pompes, ventilateurs, compresseurs
• climatiseurs domestiques
• machines à laver
• transports électriques urbains, notamment les trolleybus.

Le plus grand effet économique provient de l’utilisation des VFD dans les systèmes de ventilation, de climatisation et d’approvisionnement en eau, où l’utilisation des VFD est devenue pratiquement une norme.

Avantages de l'utilisation du VFD

• Haute précision de contrôle
• Économies d'énergie en cas de charge variable (c'est-à-dire fonctionnement du moteur électrique à charge partielle).
• Égal au couple de démarrage maximum.
• Possibilité de diagnostic à distance du variateur via un réseau industriel
  • détection de défaillance de phase pour les circuits d'entrée et de sortie
  • enregistrement des heures moteur
  • vieillissement des condensateurs du circuit principal
  • dysfonctionnement du ventilateur
• Durée de vie accrue de l'équipement
• Résistance hydraulique réduite de la canalisation en raison de l'absence de vanne de régulation
• Démarrage du moteur en douceur, ce qui réduit considérablement l'usure du moteur
• Un VFD contient généralement un contrôleur PID et peut être connecté directement à un capteur de la variable contrôlée (par exemple, la pression).
• Freinage contrôlé et redémarrage automatique en cas de panne de courant
• Récupérer un moteur électrique en rotation
• Stabilisation de la vitesse de rotation lorsque la charge change
• Réduction significative du bruit acoustique du moteur électrique (grâce à la fonction Soft PWM)
• Économies d’énergie supplémentaires grâce à l’optimisation de l’excitation électrique. moteur
• Permet de remplacer un disjoncteur

Inconvénients de l'utilisation d'un variateur de fréquence

• La plupart des modèles VFD sont une source de bruit (nécessite l'installation de filtres d'interférence haute fréquence)
• Relativement prix élevé pour les VFD haute puissance (retour sur investissement minimum de 1 à 2 ans)

Application des convertisseurs de fréquence aux stations de pompage

La méthode classique de contrôle de l'alimentation des unités de pompage consiste à étrangler les conduites de pression et à réguler le nombre d'unités de fonctionnement en fonction d'un paramètre technique (par exemple, la pression dans la canalisation). Dans ce cas, les unités de pompage sont sélectionnées en fonction de certaines caractéristiques de conception (généralement avec une réserve de performance) et fonctionnent constamment à vitesse constante, sans tenir compte des changements de coûts provoqués par une consommation d'eau variable. Au débit minimum, les pompes continuent de fonctionner à vitesse constante, créant une surpression dans le réseau (cause d'accidents), tandis qu'une quantité importante d'électricité est gaspillée. Cela se produit par exemple la nuit, lorsque la consommation d'eau diminue fortement. L'effet principal n'est pas obtenu en économisant de l'énergie, mais en réduisant considérablement le coût de réparation des réseaux d'approvisionnement en eau.

L'avènement d'un entraînement électrique réglable a permis de maintenir une pression constante directement chez le consommateur. Les entraînements électriques à fréquence variable avec moteurs électriques asynchrones destinés à un usage industriel général sont largement utilisés dans la pratique mondiale. À la suite de l'adaptation des moteurs asynchrones industriels généraux à leurs conditions de fonctionnement dans des entraînements électriques contrôlés, des moteurs asynchrones réglables spéciaux sont créés avec des indicateurs de coût d'énergie et de poids plus élevés par rapport aux moteurs non adaptés. Le contrôle de fréquence de la vitesse de rotation de l'arbre d'un moteur asynchrone est effectué à l'aide d'un dispositif électronique, communément appelé convertisseur de fréquence. L'effet ci-dessus est obtenu en modifiant la fréquence et l'amplitude de la tension triphasée fournie au moteur électrique. Ainsi, en modifiant les paramètres de la tension d'alimentation (contrôle de fréquence), vous pouvez rendre la vitesse de rotation du moteur à la fois inférieure et supérieure à la vitesse nominale. Dans la deuxième zone (fréquence supérieure à la nominale), le couple maximum sur l'arbre est inversement proportionnel à la vitesse de rotation.

La méthode de conversion de fréquence est basée sur le principe suivant. Typiquement, la fréquence du réseau industriel est de 50 Hz. Par exemple, prenons une pompe avec un moteur électrique bipolaire. Compte tenu du glissement, la vitesse de rotation du moteur est d'environ 2800 (selon la puissance) tours par minute et donne à la sortie de l'unité de pompage la pression et les performances nominales (puisque ce sont ses paramètres nominaux, selon le passeport). Si vous utilisez un convertisseur de fréquence pour réduire la fréquence et l'amplitude de la tension alternative qui lui est fournie, la vitesse de rotation du moteur diminuera en conséquence et, par conséquent, les performances de l'unité de pompage changeront. Les informations sur la pression dans le réseau pénètrent dans le convertisseur de fréquence à partir d'un capteur de pression spécial installé chez le consommateur ; sur la base de ces données, le convertisseur modifie en conséquence la fréquence fournie au moteur.

Le variateur de fréquence moderne présente une conception compacte, un boîtier étanche à la poussière et à l'humidité et une interface conviviale, ce qui lui permet d'être utilisé dans les conditions les plus difficiles et les environnements problématiques. La plage de puissance est très large et s'étend de 0,18 à 630 kW ou plus avec une alimentation standard de 220/380 V et 50-60 Hz. La pratique montre que l'utilisation de convertisseurs de fréquence dans les stations de pompage permet :

• économiser de l'énergie (avec des changements de consommation importants) en ajustant la puissance de l'entraînement électrique en fonction de la consommation réelle d'eau (effet d'économie de 20 à 50 %) ;
• réduire la consommation d'eau en réduisant les fuites lorsque la pression dans la conduite principale est dépassée, alors que la consommation d'eau est effectivement faible (de 5 % en moyenne) ;
• réduire les coûts (principal effet économique) des réparations d'urgence des équipements (l'ensemble de l'infrastructure d'approvisionnement en eau en raison d'une forte réduction du nombre de situations d'urgence causées notamment par les coups de bélier, ce qui arrive souvent lorsqu'un entraînement électrique non régulé est utilisé ( il a été prouvé que la durée de vie de l'équipement augmente d'au moins 1,5 fois) ;
• réaliser certaines économies de chaleur dans les systèmes d'alimentation en eau chaude en réduisant les pertes d'eau caloporteuse ;
• augmenter la pression au-dessus de la normale si nécessaire ;
• automatiser complètement le système d'approvisionnement en eau, réduisant ainsi les salaires du personnel de service et de service, et éliminant l'influence du « facteur humain » sur le fonctionnement du système, ce qui est également important.

Selon les données disponibles, le délai de récupération d'un projet d'introduction de convertisseurs de fréquence varie de 3 mois à 2 ans.

Perte de puissance lors du freinage d'un moteur électrique

Dans de nombreuses installations, un entraînement électrique réglable est chargé non seulement de réguler en douceur le couple et la vitesse de rotation du moteur électrique, mais également de ralentir et de freiner les éléments de l'installation. La solution classique à ce problème est un système d'entraînement avec un moteur asynchrone avec un convertisseur de fréquence équipé d'un interrupteur de frein avec une résistance de freinage.

Dans le même temps, en mode décélération/freinage, le moteur électrique fonctionne comme un générateur, convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique, qui est finalement dissipée par la résistance de freinage. Installations typiques, dans lesquels les cycles d'accélération alternent avec les cycles de décélération, sont les entraînements de traction des véhicules électriques, des palans, des ascenseurs, des centrifugeuses, des bobineuses, etc. La fonction de freinage électrique est apparue pour la première fois sur un entraînement à courant continu (par exemple, un trolleybus). À la fin du XXe siècle, apparaissent des convertisseurs de fréquence avec récupérateur intégré, qui permettent de restituer l'énergie reçue du moteur fonctionnant en mode freinage au réseau. Dans ce cas, l'installation commence à « gagner de l'argent » presque immédiatement après la mise en service.

Principe de fonctionnement du convertisseur de fréquence

Créé à la fin du XIXème siècle, le moteur asynchrone triphasé est devenu un élément indispensable de la production industrielle moderne.

Pour démarrer et arrêter en douceur un tel équipement, un dispositif spécial est nécessaire : un convertisseur de fréquence. La présence d'un convertisseur pour les gros moteurs à haute puissance est particulièrement importante. Grâce à ce dispositif supplémentaire, vous pouvez réguler les courants de démarrage, c'est-à-dire contrôler et limiter leur valeur.

Si vous réglez le courant de démarrage exclusivement mécaniquement, vous ne pourrez pas éviter les pertes d'énergie et réduire la durée de vie de l'équipement. Ce courant est cinq à sept fois supérieur à la tension nominale, ce qui est inacceptable pour fonctionnement normaléquipement.

Le principe de fonctionnement d'un convertisseur de fréquence moderne implique l'utilisation d'une commande électronique. Ils assurent non seulement un démarrage progressif, mais régulent également en douceur le fonctionnement du variateur, en respectant strictement la relation entre tension et fréquence selon une formule donnée.

Le principal avantage de l'appareil est l'économie de consommation d'énergie, en moyenne de 50 %. Et aussi la possibilité d'ajustement en tenant compte des besoins de production spécifiques.

L'appareil fonctionne sur le principe de la double conversion de tension.

1. redressée et filtrée par un système de condensateurs.
2. Puis vient le travail contrôle électronique– un courant est généré avec la fréquence spécifiée (programmée).

La sortie produit des impulsions rectangulaires qui, sous l'influence de l'enroulement du stator du moteur (son inductance), se rapprochent d'une sinusoïde.

Que rechercher lors du choix ?

Les fabricants se concentrent sur le coût du convertisseur. Par conséquent, de nombreuses options ne sont disponibles que sur des modèles coûteux. Lors du choix d'un appareil, vous devez déterminer les exigences de base pour une utilisation spécifique.

• Le contrôle peut être vectoriel ou scalaire. Le premier permet un réglage précis. Le second ne prend en charge qu'une seule relation spécifiée entre la fréquence et la tension de sortie et ne convient qu'aux appareils simples, tels qu'un ventilateur.
• Plus la puissance spécifiée est élevée, plus l'appareil sera universel - l'interchangeabilité sera assurée et la maintenance des équipements sera simplifiée.
• La plage de tension du réseau doit être aussi large que possible, ce qui protégera contre les modifications de ses normes. La rétrogradation n'est pas aussi dangereuse pour l'appareil que la mise à niveau. Avec ce dernier, les condensateurs du réseau pourraient bien exploser.
• La fréquence doit répondre pleinement aux besoins de production. La limite inférieure indique la plage de contrôle de vitesse du variateur. Si une zone plus large est nécessaire, une lutte anti- vectorielle sera nécessaire. En pratique, des fréquences de 10 à 60 Hz sont utilisées, moins souvent jusqu'à 100 Hz.
• La gestion s'effectue à travers diverses entrées et sort. Plus il y en a, mieux c'est. Mais grande quantité Les connecteurs augmentent considérablement le coût de l'appareil et complique sa configuration.

Les entrées (sorties) discrètes sont utilisées pour entrer des commandes de contrôle et émettre des messages d'événement (par exemple, surchauffe), numériques - pour entrer des signaux numériques (haute fréquence), analogiques - pour entrer des signaux de retour.

• Le bus de commande de l'équipement connecté doit correspondre aux capacités du circuit convertisseur de fréquence en termes de nombre d'entrées et de sorties. Il vaut mieux avoir une petite réserve pour la modernisation.
• Capacités de surcharge. Le choix optimal est un appareil d'une puissance 15 % supérieure à la puissance du moteur utilisé. Dans tous les cas, vous devez lire la documentation. Les constructeurs indiquent tous les principaux paramètres du moteur. Si les charges de pointe sont importantes, sélectionnez un variateur avec un courant de crête 10 % supérieur à celui spécifié.

Ensemble convertisseur de fréquence DIY pour un moteur asynchrone

Vous pouvez assembler vous-même l'onduleur ou le convertisseur. Actuellement, il existe de nombreuses instructions et schémas pour un tel montage sur Internet.

La tâche principale est d'obtenir un modèle « folk ». Bon marché, fiable et conçu pour un usage domestique. Pour faire fonctionner des équipements à l’échelle industrielle, mieux vaut bien entendu privilégier les appareils vendus en magasin.
Procédure d'assemblage d'un circuit convertisseur de fréquence pour un moteur électrique

Pour travailler avec le câblage domestique, avec une tension de 220 V et monophasé. Puissance moteur approximative jusqu'à 1 kW.

Sur une note. Les fils longs doivent être équipés d'anneaux antibruit.

Le réglage de la rotation du rotor du moteur s'inscrit dans la plage de fréquence de 1:40. Pour les basses fréquences, une tension fixe (compensation IR) est requise.

Connexion d'un convertisseur de fréquence à un moteur électrique

Pour un câblage monophasé en 220V (usage domestique), le raccordement se fait selon le schéma « triangle ». Le courant de sortie ne doit pas dépasser 50 % du courant nominal !

Pour un câblage triphasé à 380 V (usage industriel), le moteur est connecté au variateur de fréquence en étoile.

Le convertisseur (ou ) a des bornes correspondantes marquées de lettres.

• R, S, T – les fils du réseau sont connectés ici, l'ordre n'a pas d'importance ;
• U, V, W - pour allumer le moteur asynchrone (si le moteur tourne dans le sens opposé, vous devez échanger l'un des deux fils à ces bornes).
• Une borne de mise à la terre séparée est fournie.

Pour prolonger la durée de vie du convertisseur, les règles suivantes doivent être respectées :

1. Nettoyez régulièrement l'intérieur de l'appareil de la poussière (il est préférable de le souffler avec un petit compresseur, car un aspirateur ne peut pas toujours faire face à la saleté - la poussière se tasse).
2. Remplacez les composants en temps opportun. Les condensateurs électrolytiques sont conçus pour cinq ans, les fusibles pour dix ans de fonctionnement. Et les ventilateurs de refroidissement durent deux à trois ans d’utilisation. Les câbles internes doivent être remplacés tous les six ans.
3. Surveillez la température interne et la tension du bus CC.

L'augmentation des températures entraîne le séchage de la pâte thermoconductrice et la destruction des condensateurs. Sur les composants d'entraînement de puissance, il doit être remplacé au moins une fois tous les trois ans.

4. Respecter les conditions d'exploitation. La température ambiante ne doit pas dépasser +40 degrés. Des niveaux élevés d’humidité et de poussière dans l’air sont inacceptables.

Contrôler un moteur asynchrone (par exemple) est un processus assez complexe. Les convertisseurs faits maison sont moins chers que leurs homologues industriels et conviennent parfaitement à une utilisation domestique. Toutefois, pour un usage industriel, il est préférable d’installer des onduleurs assemblés en usine. Seuls des techniciens bien formés peuvent entretenir des modèles aussi coûteux.

Un entraînement électrique réglable est conçu pour contrôler le moteur en surveillant les paramètres. La vitesse est directement proportionnelle à la fréquence. Ainsi, en faisant varier la fréquence, il est possible de maintenir la vitesse de rotation de l'arbre du moteur spécifiée en fonction de la technologie. Description étape par étape Le flux de travail pour un variateur de fréquence (VFD) ressemble à ceci.

1. La première étape. Conversion du courant d'entrée monophasé ou triphasé en courant continu par un redresseur de puissance à diode.
2. Deuxième étape. Contrôle par convertisseur de fréquence du couple et de la vitesse de rotation de l'arbre du moteur électrique.
3. Troisième étape. Contrôle de la tension de sortie, maintenant un rapport U/f constant.

Un appareil qui fonctionne à la sortie du système fonction inverse La génération de courant continu en courant alternatif s'appelle un onduleur. La suppression de l'ondulation du bus est obtenue en ajoutant une self et un condensateur de filtrage.

Comment choisir un variateur de fréquence

La plupart des variateurs de fréquence sont fabriqués avec un filtre de compatibilité électromagnétique (CEM) intégré.

Il existe différents types de contrôle, tels que le contrôle sans capteur et le contrôle vectoriel, etc. Selon les priorités données dans la prise de décisions de gestion, les entraînements sont sélectionnés en fonction de :

• type de charge ;
• tension et puissance nominale du moteur ;
• mode de contrôle;
• ajustements;
• CEM, etc.

Si le VFD est conçu pour un moteur asynchrone avec pendant longtemps fonctionnement, il est recommandé de choisir un convertisseur de fréquence avec un courant de sortie accru. À l'aide de convertisseurs de fréquence modernes, il est possible de contrôler à partir d'une télécommande, via une interface ou une méthode combinée.

Caractéristiques techniques de l'utilisation d'un variateur de fréquence

1. Pour garantir des performances élevées, vous pouvez librement basculer vers n'importe quel mode dans les paramètres.
2. Presque tous les appareils disposent de fonctions de diagnostic qui vous permettent de résoudre rapidement le problème. Cependant, il est recommandé de vérifier d'abord les paramètres afin d'éliminer la possibilité d'actions involontaires de la part des employés.
3. Un entraînement réglable peut synchroniser les processus du convoyeur ou définir un certain rapport de quantités interdépendantes. La réduction des équipements conduit à l’optimisation de la technologie.
4. En état de réglage automatique, les paramètres du moteur sont automatiquement stockés dans la mémoire du variateur de fréquence. Cela augmente la précision des calculs de couple et améliore la compensation du glissement.

Champ d'application

Les fabricants proposent une large gamme de variateurs utilisés dans les domaines où les moteurs électriques sont impliqués. La solution parfaite pour tous types de charges et de ventilateurs. Les systèmes de milieu de gamme sont utilisés dans les centrales électriques au charbon, les mines, les usines de transformation, les services publics, etc. La plage nominale est la suivante : 3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV, 6 kV, 6,6 kV, 10 kV et 11 kV.

Avec l'avènement d'un entraînement électrique réglable, le contrôle de la pression de l'eau ne pose plus de problèmes à l'utilisateur final. L'interface avec une structure de script bien pensée est idéale pour contrôler les équipements de pompage. Grâce à sa conception compacte, le variateur peut être installé dans une variété de modèles d'armoires. Les produits de nouvelle génération ont les propriétés d’une technologie avancée :

• haute vitesse et précision de contrôle en mode vectoriel ;
• d'importantes économies d'énergie;
• caractéristiques dynamiques rapides ;
• grand couple basse fréquence;
• double freinage, etc.

Objectif et indicateurs techniques

Les VFD complets avec des tensions allant jusqu'à 1 kV et supérieures (conçus pour recevoir et convertir de l'énergie, protéger les équipements électriques des courants de court-circuit, des surcharges) permettent :

• démarrer le moteur en douceur et donc réduire son usure ;
• arrêter, maintenir le régime moteur.

Les VFD complets montés en armoire jusqu'à 1 kV effectuent les mêmes tâches par rapport aux moteurs d'une puissance de 0,55 à 800 kW. Le variateur fonctionne normalement lorsque la tension secteur est comprise entre -15 % et +10 %. Pendant un fonctionnement non-stop, une réduction de puissance se produit si la tension est comprise entre 85 % et 65 %. Facteur de puissance global cosj = 0,99. La tension de sortie est automatiquement régulée par un commutateur de transfert automatique (ATS).

Avantages d'utilisation

Du point de vue de l'optimisation, les bénéfices potentiels offrent la possibilité de :

• réguler le processus avec une grande précision ;
• diagnostiquer à distance le lecteur ;
• prendre en compte les heures moteur ;
• surveiller les dysfonctionnements et les mécanismes de vieillissement ;
• augmenter la durée de vie des machines ;
• réduire considérablement le bruit acoustique du moteur électrique.

Conclusion

Qu'est-ce qu'un VFD ? Il s'agit d'un contrôleur de moteur qui contrôle le moteur électrique en ajustant la fréquence du réseau d'entrée, tout en protégeant l'unité de divers défauts (surcharge de courant, courants de court-circuit).

Les entraînements électriques (effectuant les trois fonctions de vitesse, de contrôle et de freinage) sont un dispositif indispensable pour faire fonctionner les moteurs électriques et autres machines tournantes. Les systèmes sont activement utilisés dans de nombreux domaines de production : dans l'industrie pétrolière et gazière, l'énergie nucléaire, le travail du bois, etc.

Le contrôle de fréquence de la vitesse angulaire de rotation d'un entraînement électrique avec un moteur asynchrone est actuellement largement utilisé, car il permet de modifier en douceur la vitesse du rotor sur une large plage, à la fois au-dessus et en dessous des valeurs nominales.

Les convertisseurs de fréquence sont des appareils modernes et de haute technologie dotés d'une large plage de commande et d'une vaste gamme de fonctions pour la commande de moteurs asynchrones. La plus haute qualité et leur fiabilité permettent de les utiliser dans diverses industries pour contrôler les entraînements de pompes, de ventilateurs, de convoyeurs, etc.

Selon la tension d'alimentation, les convertisseurs de fréquence sont divisés en monophasés et triphasés, et selon leur conception, en machines électriques tournantes et statiques. Dans les convertisseurs de machines électriques, la fréquence variable est obtenue grâce à l'utilisation de machines électriques conventionnelles ou spéciales. La modification de la fréquence du courant d'alimentation est obtenue grâce à l'utilisation d'éléments électriques qui ne bougent pas.

Les convertisseurs de fréquence pour réseaux monophasés permettent d'assurer l'entraînement électrique d'équipements de production d'une puissance allant jusqu'à 7,5 kW. Une caractéristique de conception des convertisseurs monophasés modernes est qu'il y a une phase avec une tension de 220 V à l'entrée et trois phases avec la même valeur de tension à la sortie, ce qui vous permet de vous connecter à l'appareil. moteurs électriques triphasés sans utilisation de condensateurs.

Les convertisseurs de fréquence alimentés par un réseau triphasé de 380 V sont produits dans la plage de puissance de 0,75 à 630 kW. Selon le niveau de puissance, les appareils sont fabriqués dans des boîtiers combinés en polymère et en métal.

La stratégie de contrôle la plus populaire pour les moteurs électriques asynchrones est le contrôle vectoriel. Actuellement, la plupart des variateurs de fréquence mettent en œuvre un contrôle vectoriel ou même un contrôle vectoriel sans capteur (cette tendance se retrouve dans les variateurs de fréquence qui mettent initialement en œuvre un contrôle scalaire et ne disposent pas de bornes pour connecter un capteur de vitesse).

En fonction du type de charge en sortie, les variateurs de fréquence sont divisés par type de conception :

pour les entraînements de pompes et de ventilateurs ;

pour entraînement électrique industriel général ;

utilisé dans le cadre de moteurs électriques fonctionnant en surcharge.

Les convertisseurs de fréquence modernes proposent une gamme variée de caractéristiques fonctionnelles, par exemple, avoir un manuel et contrôle automatique vitesse et sens de rotation du moteur, ainsi que sur le panneau de commande. Equipé de la possibilité de réguler la plage de fréquence de sortie de 0 à 800 Hz.

Les convertisseurs sont capables de contrôler automatiquement un moteur asynchrone à l'aide de signaux provenant de capteurs périphériques et d'actionner l'entraînement électrique selon un algorithme de synchronisation spécifié. Fonctions d'assistance récupération automatique mode de fonctionnement lors d'une interruption de courant de courte durée. Contrôlez les processus transitoires à partir d’une télécommande et protégez les moteurs électriques des surcharges.

La relation entre la vitesse angulaire de rotation et la fréquence du courant d'alimentation découle de l'équation

ωo = 2πf 1 /p

Lorsque la tension de l'alimentation U1 reste constante et que la fréquence change, le flux magnétique du moteur asynchrone change. Dans le même temps, pour une meilleure utilisation du système magnétique, lorsque la fréquence d'alimentation diminue, il est nécessaire de réduire proportionnellement la tension, sinon le courant magnétisant et les pertes dans l'acier augmenteront considérablement.

De même, à mesure que la fréquence d'alimentation augmente, la tension doit être augmentée proportionnellement pour maintenir le flux magnétique constant, car sinon(à couple constant sur l'arbre), cela entraînera une augmentation du courant du rotor, une surcharge de ses enroulements en courant et une diminution du couple maximum.

La loi rationnelle de régulation de tension dépend de la nature du moment de résistance.

A couple de charge statique constant (Mс = const), la tension doit être régulée proportionnellement à sa fréquence U1/f1 = const. Pour la nature du ventilateur de la charge, le rapport prend la forme U1/f 2 1 = const.

A un couple résistant inversement proportionnel à la vitesse U1/ √f1= const.

Les figures ci-dessous présentent un schéma de raccordement simplifié et les caractéristiques mécaniques d'un moteur asynchrone avec contrôle de fréquence de vitesse angulaire.

Le contrôle de fréquence de la vitesse d'un moteur asynchrone vous permet de modifier la vitesse angulaire de rotation dans la plage - 20...30 à 1. Contrôle de vitesse moteur asynchrone la descente du principal s'effectue jusqu'à presque zéro.

Lorsque la fréquence du réseau d'alimentation change, la limite supérieure de la vitesse de rotation d'un moteur asynchrone dépend de ses propriétés mécaniques, d'autant plus qu'à des fréquences supérieures à la fréquence nominale, le moteur asynchrone fonctionne avec de meilleures performances énergétiques qu'à des fréquences plus basses. Par conséquent, si un réducteur est utilisé dans le système d'entraînement, ce contrôle de fréquence du moteur doit être effectué non seulement vers le bas, mais également vers le haut à partir du point nominal, jusqu'à fréquence maximale rotation, admissible dans les conditions de résistance mécanique du rotor.

Lorsque le régime du moteur augmente au-dessus de la valeur spécifiée dans son passeport, la fréquence de la source d'alimentation ne doit pas dépasser la fréquence nominale de 1,5 à 2 fois maximum.

La méthode fréquentielle est la plus prometteuse pour réguler un moteur asynchrone à rotor à cage d'écureuil. Les pertes de puissance dans ce mode de régulation sont faibles, puisqu'elles ne s'accompagnent pas d'une augmentation. Les caractéristiques mécaniques qui en résultent sont d'une grande rigidité.