Variateurs de fréquence (VFD) Les variateurs de fréquence (VFD) sont des composants essentiels des systèmes de commande de moteurs, largement utilisés pour réguler la vitesse, le couple et le fonctionnement des moteurs électriques. Comprendre leur classification est important pour choisir le système adapté à vos besoins en termes de performances, d'efficacité et d'application. Dans cet article, nous détaillerons les différents types de VFD et leurs caractéristiques spécifiques, afin de vous aider à faire un choix éclairé pour la solution de commande de moteurs la plus appropriée.

1. Classification des variateurs de fréquence par méthode de conversion de fréquence

(1) Variateur de fréquence AC-DC-AC

Le Variateur de fréquence AC-DC-AC (également appelé variateur de fréquence indirect) Ce système fonctionne en convertissant le courant alternatif du réseau en courant continu à l'aide d'un redresseur. Cette tension continue est ensuite reconvertie en courant alternatif par un onduleur, permettant ainsi de contrôler la fréquence et la tension. Cette méthode est largement utilisée en raison de sa capacité à gérer une large gamme de vitesses de moteur et de niveaux de tension. Son principe de base est illustré à la figure 1-1.

Figure 1-1 Variateur de fréquence AC-DC-AC

(2) Variateur de fréquence CA-CA

Le Variateur de fréquence AC-AC (variateur de fréquence direct) Il est plus efficace dans certaines situations, car il convertit directement le courant alternatif en courant alternatif de sortie à fréquence et tension variables. Le principe de base du variateur de fréquence AC-AC est illustré à la figure 1-2. Le système se compose de deux groupes de redresseurs à thyristors connectés en parallèle inverse. Les groupes positif et inverse commutent périodiquement, fournissant une tension de sortie alternative uo aux bornes de la charge.

Figure 1-2 Variateur de fréquence CA-CA

Tableau 1-1 Comparaison des principales caractéristiques des variateurs de fréquence AC-AC et AC-DC-AC

2. Classification des variateurs de fréquence selon la conception du circuit principal

(1) Variateur de fréquence de type tension

Le circuit principal d'un variateur de fréquence à tension variable est représenté sur la figure 1-3. Dans ce type de variateur, Le circuit redresseur génère la tension continue nécessaire à l'inversion.Après filtrage par des condensateurs de grande capacité dans le bus CC intermédiaire, on obtient la tension de sortie. Grâce à ce filtrage, la forme d'onde de la tension continue est relativement plate et, dans le cas idéal, elle peut être considérée comme une source de tension de résistance interne nulle. La forme d'onde de la tension alternative de sortie d'un variateur de fréquence de type tension est généralement carrée ou en escalier. couramment utilisé dans les variateurs de fréquence généraux qui ne nécessitent pas de marche arrière ni d'accélération/décélération rapide.

Figure 1-3 Circuit principal d'un variateur de fréquence de type tension

(2) Variateur de fréquence de type courant

Le circuit principal d'un variateur de fréquence à courant est représenté sur la figure 1-4. Sa caractéristique est : l'utilisation de grandes inductances dans la liaison CC intermédiaire pour le filtrageLa forme d'onde du courant continu est relativement plate en raison de l'inductance. Par conséquent, l'impédance interne de la source de courant continu est élevée et peut être assimilée à une source de courant. La forme d'onde du courant alternatif de sortie est généralement carrée ou en escalier. Le principal avantage des variateurs de fréquence à courant est qu'ils permettent un fonctionnement dans les quatre quadrants, autorisant ainsi la récupération d'énergie vers la source d'alimentation. Ils sont également plus faciles à gérer en cas de court-circuit de la charge, ce qui les rend plus adaptés aux applications nécessitant une alimentation électrique stable. Adapté aux variateurs de fréquence fréquemment réversibles ou de grande capacité.

Figure 1-4 Circuit principal d'un variateur de fréquence à courant

Un tableau comparatif des principales caractéristiques des variateurs de fréquence de type courant et de type tension est présenté dans le tableau 1-2.

3. Classification des variateurs de fréquence selon la méthode de réglage de la tension

(1) PAM VFD (Modulation d'amplitude d'impulsion)

Modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) est une méthode qui ajuste la sortie en faisant varier l'amplitude de la tension U_d ou source actuelle I_d Dans cette méthode, l'onduleur ajuste uniquement la fréquence de sortie, tandis que le redresseur contrôle la tension ou le courant de sortie. Lorsque l'ajustement de tension est appliqué, la forme d'onde de la tension de sortie du variateur de fréquence est illustrée à la figure 1-5.
Le circuit principal d'un Variateur de fréquence à commande PAM est illustré dans la figure 1-5a.

La modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) est utilisée dans les variateurs de fréquence à tension intermédiaire variable. Lors du contrôle de fréquence, la fréquence de la tension de sortie est ajustée en modifiant le cycle de fonctionnement de l'onduleur. À chaque cycle, les dispositifs de commutation de puissance sont activés et désactivés plusieurs fois. La mise en œuvre du circuit PAM étant relativement complexe, car elle nécessite la commande simultanée du redresseur et de l'onduleur, et la tension continue moyenne après redressement par thyristors n'étant pas linéaire par rapport à l'angle de déphasage, la coordination du redressement et de l'inversion s'avère difficile. C'est pourquoi cette méthode de modulation est généralement peu utilisée.

(2) Variateur de fréquence PWM et SPWM (modulation de largeur d'impulsion et modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale)

Modulation de largeur d'impulsion (MLI) génère plusieurs impulsions au sein d'un cycle du signal de sortie, se rapprochant ainsi d'un signal sinusoïdal. Il en résulte Un signal de sortie plus régulier avec moins d'harmoniquesLe circuit principal d'un Variateur de fréquence à commande PWM est illustré dans la figure 1-5b. La modulation de largeur d'impulsion (PWM) peut être classée en deux catégories : la PWM à largeur d'impulsion fixe et la PWM à onde sinusoïdale (SPWM).

Figure 1-5 Circuit principal de commande PAM et PWM avec forme d'onde de la tension de sortie
a) Circuit principal de commande PAM b) Circuit principal de commande PWM

4. Classification des variateurs de fréquence selon leur méthode de contrôle

Lorsqu'un moteur à induction est régulé par un variateur de fréquence (VFD), ce dernier contrôle la tension, le courant et la fréquence d'alimentation en fonction des caractéristiques du moteur. Les performances, les caractéristiques et les applications des variateurs de fréquence varient selon le mode de régulation utilisé. Par conséquent, les variateurs de fréquence peuvent également être classés selon ce mode de régulation.

(1) Commande U/f VFD (Commande VVVF)

La méthode de contrôle U/f, également connue sous le nom de Commande VVVF (tension variable, fréquence variable), implique le contrôle La tension et la fréquence de sortie du variateur de fréquence sont toutes deux indiquées. maintenir un rapport U/f constantCette méthode permet d'obtenir un couple constant en dessous de la fréquence de base et une puissance constante au-dessus de cette fréquence. Le coût du circuit de commande des variateurs de fréquence à régulation U/f est relativement faible, ce qui les rend adaptés aux applications générales ne nécessitant pas une précision extrême.

(2) Variateur de fréquence à glissement

La régulation de la fréquence de glissement représente une amélioration par rapport à la régulation U/f. Dans les variateurs de fréquence utilisant cette méthode, le convertisseur forme un système de régulation en boucle fermée avec rétroaction de vitesse, en collaboration avec le moteur et un capteur de vitesse. La fréquence de sortie du convertisseur est automatiquement ajustée en fonction de la vitesse réelle du moteur et de la fréquence de glissement, ce qui permet de contrôler le couple de sortie tout en régulant la vitesse. Cette méthode de régulation étant en boucle fermée, elle permet, comparativement à la régulation U/f, de maintenir une plus grande précision de vitesse et de meilleures caractéristiques de couple, même en cas de variations de charge importantes. Cependant, la nécessité d'installer un capteur de vitesse sur le moteur et d'ajuster le glissement en fonction des caractéristiques de ce dernier limite sa polyvalence.

(3) Variateur de fréquence à commande vectorielle

Le principe de la commande vectorielle consiste à décomposer le courant statorique d'un moteur à induction en deux composantes : le courant de magnétisation (producteur de flux) et le courant de couple. Ces deux composantes sont commandées séparément. La commande vectorielle améliore considérablement les performances dynamiques et permet un contrôle plus précis du couple, la rendant comparable aux systèmes de régulation de vitesse des moteurs à courant continu. variateurs de fréquence à contrôle vectoriel sont largement utilisées dans les applications de contrôle de précision.

5. Classification des variateurs de fréquence par application

(1) Variateur de fréquence à usage général

Variateurs de fréquence à usage général permettent de régler la vitesse des moteurs à induction standard. On peut les classer en deux types : variateurs de fréquence simples et économiques à usage général et variateurs de fréquence multifonctionnels haute performance à usage général.

Les variateurs de fréquence simples sont conçus pour économiser l'énergie et sont principalement utilisés dans des applications telles que les pompes et les ventilateurs, où les exigences en matière de contrôle de la vitesse ne sont pas élevées. Ils offrent des avantages tels qu'une taille compacte et un coût réduit.

Les variateurs de fréquence multifonctionnels hautes performances sont conçus pour répondre à divers besoins, grâce à des fonctionnalités matérielles et logicielles plus avancées. Ils conviennent aux applications exigeant des performances et des fonctionnalités supérieures, telles que les convoyeurs, les palans, les machines-outils et les véhicules électriques.

(2) Variateur de fréquence dédié haute performance

Les variateurs de fréquence dédiés hautes performances utilisent la commande vectorielle pour offrir des performances égales, voire supérieures, à celles des systèmes de contrôle de vitesse des moteurs à courant continu. Ces variateurs sont généralement conçus pour des secteurs industriels spécifiques, tels que la métallurgie, les machines à commande numérique et les ascenseurs, où l'optimisation des performances et du rapport coût-efficacité est essentielle.

(3) Variateur de fréquence à haute fréquence

Les variateurs de fréquence haute fréquence sont utilisés pour contrôler les moteurs à grande vitesse dans des applications exigeant une ultra-précision, comme dans l'usinage de haute précision.

(4) Variateurs de fréquence monophasés et triphasés

Enfin, les variateurs de fréquence sont disponibles en versions monophasées et triphasées, selon le type de moteur qu'ils sont conçus pour commander. La principale différence réside dans la conception du circuit : les variateurs triphasés offrent un meilleur rendement pour les applications de forte puissance.

Pour connaître la structure du circuit et le principe de fonctionnement des variateurs de fréquence, veuillez vous référer à Principe de base des variateurs de fréquence à usage général : structure et principe de fonctionnement.

Conclusion:

Comprendre les différentes classifications et caractéristiques des variateurs de fréquence est essentiel pour choisir la solution de commande moteur adaptée. Que vous recherchiez un variateur économique pour une utilisation générale ou un variateur haute performance pour une commande de précision, il existe une large gamme de variateurs conçus pour répondre à des besoins spécifiques. En tenant compte de facteurs tels que les méthodes de conversion de fréquence, les techniques de réglage de la tension, les méthodes de commande et les exigences de l'application, vous pouvez faire un choix éclairé qui garantit des performances optimales et une efficacité énergétique maximale pour vos systèmes de moteurs.