Variateurs de fréquence (VFD) Les variateurs de fréquence (VFD) jouent un rôle essentiel dans l'automatisation industrielle moderne en contrôlant la vitesse des moteurs, en améliorant l'efficacité énergétique et en assurant une grande flexibilité d'utilisation. Parmi les différents types de VFD, les modèles à usage général se distinguent par leur polyvalence et leur capacité à fonctionner avec une large gamme de moteurs de petite et moyenne taille. Cet article présente la structure de base et le principe de fonctionnement d'un VFD à usage général, vous permettant ainsi de mieux comprendre son fonctionnement et ses composants.

1. Structure de base d'un variateur de fréquence à usage général

Un variateur de fréquence à usage général est un appareil polyvalent qui peut être utilisé avec la quasi-totalité des moteurs asynchrones à courant alternatif de petite et moyenne taille. Bien qu'il existe de nombreux variateurs de fréquence spécialisés, la plupart sont basés sur des variateurs de fréquence à usage général dotés de fonctionnalités supplémentaires. Comprendre le fonctionnement des variateurs de fréquence à usage général facilite la manipulation d'autres types de variateurs, car leur installation, leur utilisation et leur maintenance sont très similaires.

Un variateur de fréquence à usage général se compose de deux parties principales : le circuit de puissance et le circuit de commande. Les variateurs de petite et moyenne taille utilisent généralement une configuration AC-DC-AC, comme illustré dans le schéma (figure 1).

Figure 1. Schéma fonctionnel d'un variateur de fréquence AC-DC-AC

(1) Circuit d'alimentation

Le circuit de puissance d'un variateur de fréquence à usage général est illustré à la figure 2. Il comprend des composants électroniques de puissance qui gèrent la conversion de puissance, tels que le redresseur, le filtrage, la limitation de courant, l'onduleur, la roue libre et les circuits de freinage.

Figure 2. Circuit principal du variateur de fréquence AC-DC

• Circuit redresseur : Ce dispositif convertit le courant alternatif en courant continu. Un pont redresseur triphasé est couramment utilisé dans les variateurs de fréquence de petite et moyenne taille, avec des diodes (VD1 à VD6) ou des modules redresseurs. L'alimentation provient des bornes R, S, T (L1, L2, L3 ou A, B, C).
  Circuit de filtrage : Le circuit de filtrage lisse le courant continu grâce à des condensateurs. Les condensateurs CF1 et CF2 sont connectés pour augmenter la capacité totale, tandis que les résistances RC1 et RC2 équilibrent la tension.
• Circuit limiteur de courant : Ce circuit limite le courant pour éviter les surcharges. Il comprend une résistance (RS) et un interrupteur (S), avec un thyristor ou un relais utilisé dans les variateurs de fréquence de petite taille.
  Circuit de l'onduleur : L'onduleur, composé de dispositifs électroniques de puissance (VT1 à VT6), convertit le courant continu en courant alternatif triphasé. Ce courant alternatif est ensuite envoyé au moteur.
• Circuit de roue libre : Ce circuit (VD7 à VD12) permet de renvoyer le courant réactif du moteur vers le circuit CC. Lorsque le moteur ralentit, ce circuit permet à l'énergie régénérée par le moteur de retourner dans le circuit CC.
• Circuit de freinage : Lors de la décélération du moteur, le circuit de freinage absorbe l'énergie de récupération et la convertit en chaleur. Ceci permet un arrêt rapide et efficace du moteur. Le composant principal (RB) absorbe cette énergie, et un dispositif de puissance (VTB) active ou désactive le circuit de freinage.

(2) Circuit de commande

Le circuit de commande d'un variateur de fréquence est représenté sur la figure 3.

Figure 3. Schéma fonctionnel du circuit de commande du variateur de fréquence

Le circuit de commande comprend la carte d'alimentation, la carte de commande principale, le clavier et les bornes d'entrée/sortie.

• Carte d'alimentation : Il fournit l'énergie nécessaire à la carte de commande principale et alimente le circuit de puissance. Il fournit également du courant continu aux circuits de commande externes.
• Carte de commande principale : Il s'agit du « cerveau » du variateur de fréquence. Il traite les entrées provenant du clavier, des circuits de commande externes et des signaux internes (tels que la tension, le courant et la température). Il génère ensuite les signaux de commande (SPWM) pour l'onduleur. La carte de commande principale gère également les signaux d'affichage, les commandes de protection et transmet des signaux relatifs à l'état du variateur (par exemple, fonctionnement normal, fréquence atteinte, détection de défaut).
• Clavier: Le clavier permet à l'utilisateur de saisir des commandes ou des paramètres dans le panneau de commande principal.
• Bornes d'entrée/sortie : Ces bornes permettent de connecter le variateur de fréquence à des périphériques externes tels que des afficheurs, des commandes de réglage (boutons, interrupteurs, potentiomètres, etc.) et des interfaces de communication. L'interface de communication permet au variateur de fréquence d'interagir avec d'autres équipements, comme des automates programmables, et d'échanger des informations.

2. Principe de fonctionnement d'un variateur de fréquence (VFD)

Le principe de fonctionnement d'un Variateur de fréquence de type AC-DC-AC est expliqué en référence au schéma fonctionnel de la figure 1.

Le courant alternatif triphasé est d'abord converti en courant continu pulsé par le circuit redresseur. Ce courant continu est ensuite filtré par le circuit intermédiaire afin de garantir une alimentation stable à l'onduleur et au circuit de commande. Le courant continu filtré est envoyé à l'onduleur, tandis que le système de commande génère des impulsions de commande. Ces impulsions sont amplifiées par le circuit de commande et envoyées à l'onduleur. Sous l'effet de ces impulsions, l'onduleur convertit le courant continu en courant alternatif à fréquence variable, lequel est ensuite fourni au moteur pour l'entraîner. En ajustant la fréquence du courant alternatif de sortie de l'onduleur, la vitesse du moteur varie en conséquence.

Étant donné que le circuit principal fonctionne sous conditions de haute tension et de courant élevéLa protection est essentielle. Pour garantir la sécurité du circuit, les variateurs de fréquence sont équipés de circuits de détection de tension et de courant sur le circuit d'alimentation principal. En cas de tension trop élevée ou trop basse, le circuit de détection en informe le circuit de commande. Ce dernier prend alors les mesures appropriées conformément au programme défini, telles que l'arrêt du circuit principal et le déclenchement d'une alarme.

De même, si le courant de sortie dépasse les limites de sécurité (par exemple, en cas de surcharge du moteur), les éléments ou circuits de détection de courant génèrent un signal de surintensité. Après traitement par le circuit de détection de courant, ce signal est transmis au circuit de commande. Ce dernier prend alors les mesures nécessaires conformément au programme prédéfini.

En conclusion, comprendre la structure et le principe de fonctionnement d'un variateur de fréquence (VFD) est essentiel pour optimiser son efficacité et garantir sa longévité. L'association du circuit de puissance et du circuit de commande permet au VFD de convertir efficacement le courant alternatif en courant alternatif à fréquence variable pour la régulation de la vitesse du moteur, tandis que les protections intégrées assurent un fonctionnement sûr. Que vous cherchiez à optimiser les performances du moteur ou à réduire la consommation d'énergie, un variateur de fréquence est une solution flexible et fiable pour vos besoins industriels.