Mécanismes d'entraînement à fréquence variable
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Mécanismes d'entraînement à fréquence variable (EFV)

Introduction

Qu'est-ce qu'un mécanisme d'entraînement à fréquence variable?

L'ajout d'un mécanisme d'entraînement à fréquence variable à un équipement entraîné par moteur peut offrir d'éventuelles économies d'énergie dans un système où les charges varient dans le temps. Ce mécanisme appartient à un groupe d'appareils appelés variateurs de vitesse. (Les variateurs de vitesse peuvent être électriques ou mécaniques, alors que les mécanismes d'entraînement à fréquence variable sont électriques.) On fait varier la vitesse de fonctionnement d'un moteur relié à un mécanisme d'entraînement à fréquence variable en modifiant la fréquence de la tension d'alimentation du moteur, ce qui permet une régulation continue de la vitesse de rotation de l'équipement entraîné.

Les équipements entraînés par moteur sont souvent conçus pour supporter des charges de pointe comportant un coefficient de sécurité. Une telle solution entraîne souvent une perte d'efficacité énergétique sur des systèmes qui fonctionnent à charge réduite pendant des périodes prolongées. La possibilité de régler la vitesse du moteur permet de faire correspondre étroitement la puissance du moteur à la charge, ce qui permet souvent des économies d'énergie.

Comment fonctionne un mécanisme d'entraînement à fréquence variable?

Les moteurs à induction, chevaux de bataille de l'industrie, tournent à une vitesse fixe qui est déterminée par la fréquence de la tension d'alimentation. Le courant alternatif envoyé aux enroulements du stator produit un champ magnétique tournant à la vitesse synchrone. Cette vitesse peut être calculée en divisant la fréquence d'alimentation par le nombre de paires de pôles magnétiques que contient l'enroulement du moteur. Par exemple, un moteur quadripôle comporte deux paires de pôles et, par conséquent, le champ magnétique tourne à une vitesse de 60 Hz / 2 = 30 tours par seconde, soit 1 800 tr/min. Le rotor d'un moteur à induction tente de suivre ce champ magnétique tournant et, sous charge, la vitesse du rotor « glisse » légèrement par rapport à celle du champ tournant. Cette petite vitesse de « glissement » génère un courant induit et le champ magnétique qui en résulte dans le rotor produit un couple.

Comme un moteur à induction tourne pratiquement à la vitesse synchrone, la façon la plus efficace et la plus économique en énergie de modifier la vitesse du moteur est de faire varier la fréquence de la tension appliquée. Les mécanismes d'entraînement à fréquence variable convertissent la tension d'alimentation à fréquence fixe en une tension variable en continu, ce qui permet donc de régler la vitesse du moteur.

Prenons par exemple un mécanisme qui convertit une tension de 60 Hz en une nouvelle fréquence en deux étapes : le redressement et l'ondulation. Le processus de conversion comporte trois éléments :

• Étape de redressement : Un redresseur transistorisé à deux alternances convertit la tension standard triphasée du réseau, de 208, 460, 575 V ou plus, 60 Hz, en une tension CC fixe ou réglable. Le système peut comprendre des transformateurs si des tensions d'alimentation plus élevées sont utilisées.
  
  
• Étape d'ondulation : Des commutateurs électroniques - des transistors de puissance ou des thyristors - établissent et coupent le courant continu redressé et produisent une forme d'onde de courant ou de tension à la nouvelle fréquence désirée. Le niveau de distorsion dépend de la conception de l'onduleur et du filtre.
  
  
• Dispositif de commande : Un circuit électronique reçoit des données rétroactives du moteur commandé et règle la tension ou la fréquence de sortie aux valeurs choisies. En général, la régulation de la tension de sortie est telle que le rapport tension/fréquence (V/Hz) soit constant. Ces contrôleurs peuvent comporter plusieurs fonctions de commande complexes.

La conversion d'un courant continu en un courant alternatif à fréquence variable est accomplie à l'aide d'un onduleur. La plupart des onduleurs actuels ont recours à la modulation d'impulsions en durée (MID) parce que la forme d'onde du courant de sortie ressemble de près à une onde sinusoïdale. Les semiconducteurs de puissance commutent la tension CC à haute vitesse, ce qui produit une série d'impulsions de courte durée et à amplitude constante. La modification de la largeur et de la polarité des impulsions commutées permet de faire varier la tension de sortie. La fréquence de sortie est réglée en modifiant la période du cycle de commutation. Le courant qui en résulte dans un moteur à induction simule une onde sinusoïdale à la fréquence de sortie désirée (voir la figure 1). La commutation à haute vitesse d'un onduleur à MID se traduit par une distorsion réduite de la forme d'onde et, par conséquent, par des pertes harmoniques réduites.

L'existence de transistors de puissance à commutation de tension à haute vitesse a permis de faire des onduleurs à MID le type d'onduleurs le plus répandu.

Figure 1. Signal de sortie de la modulation d'impulsions en durée d'un onduleur

Utilisation

Les mécanismes d'entraînement à vitesse variable sont utilisés pour deux raisons principales :

• Améliorer le rendement d'un équipement entraîné par un moteur en adaptant sa vitesse à la charge toujours changeante;
• Permettre un contrôle précis et constant du processus sur une vaste plage de vitesses.

Les pompes centrifuges, les ventilateurs et les soufflantes entraînés par un moteur sont les exemples les plus remarquables d'économies d'énergie possibles. La plupart de ces appareils fonctionnent pendant des périodes prolongées à une charge réduite, à un débit restreint ou réduit par étranglement. Dans ces machines du type centrifuge, la consommation d'énergie est proportionnelle au cube du débit. Des réductions, même petites, de la vitesse et du débit peuvent se traduire par des économies d'énergie importantes. Nombre de pompes, de ventilateurs et de soufflantes fonctionnent à une charge réduite pendant des périodes prolongées, à un débit restreint ou réduit par étranglement. Dans ces appareils, des économies importantes d'énergie et de coûts peuvent être réalisées en réduisant la vitesse de fonctionnement lorsque le débit nécessaire au procédé diminue.

Sur certains appareils comme les convoyeurs, les machines-outils et d'autres équipements d'une chaîne de production, les avantages d'une régulation précise de la vitesse constituent le facteur principal. Les mécanismes d'entraînement à fréquence variable peuvent accroître la productivité, améliorer la qualité du produit et le contrôle du processus, tout en réduisant l'entretien et le temps d'indisponibilité. La réduction des coûts et une meilleure fiabilité de l'électronique à semiconducteurs de puissance sont des raisons pour lesquelles ces mécanismes sont de plus en plus préférés aux moteurs à courant continu ou à d'autres variateurs de vitesse pour la régulation de vitesse d'un processus.

Les moteurs et les mécanismes d'entraînement à vitesse variable doivent être compatibles. Consulter les fabricants du mécanisme d'entraînement et du moteur pour s'assurer qu'ils fonctionneront ensemble de façon efficace. Les mécanismes d'entraînement à fréquence variable sont fréquemment utilisés avec des moteurs à induction à cage d'écureuil de conception B du type à onduleur de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA). (Les moteurs de conception B comportent à la fois un couple et un courant à rotor bloqué qui sont normaux.) Une reclassification peut être nécessaire pour les autres types de moteur. En général, les mécanismes d'entraînement à fréquence variable ne sont pas recommandés pour les moteurs NEMA de conception D en raison des pertes potentielles dues aux harmoniques de courant de rang élevé. (Les moteurs de conception D sont ceux dont le couple à rotor bloqué et le glissement sont élevés.)

Autres avantages des mécanismes d'entraînement à fréquence variable

En plus des économies d'énergie et du meilleur contrôle du processus, ces mécanismes peuvent aussi avoir d'autres avantages :

• Un mécanisme d'entraînement à fréquence variable peut servir à contrôler la température du processus, sa pression ou le débit sans avoir à utiliser d'autre contrôleur. Des capteurs et une électronique convenables servent à assurer l'interface entre l'équipement commandé et le mécanisme d'entraînement.
• Les coûts d'entretien peuvent être réduits puisque la vitesse de fonctionnement plus faible se traduit par une vie utile plus élevée pour les roulements et les moteurs.
• L'élimination et des robinets d'étranglement et des registres, ainsi que des commandes connexes, a également pour effet d'éliminer tout entretien de ces appareils.
• Le moteur n'a plus à être muni d'un démarreur progressif.
• Une accélération contrôlée de la vitesse dans un circuit à liquide peut éliminer les problèmes de coups de bélier.
• La capacité d'un mécanisme d'entraînement à fréquence variable à limiter le couple à un niveau choisi par l'exploitant peut protéger un équipement entraîné non conçu pour un couple excessif.

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