01. Qu'est-ce qu'un convertisseur de fréquence ? Un convertisseur de fréquence est un dispositif électrique qui ajuste la fréquence d'une alimentation électrique en utilisant des dispositifs semi-conducteurs de puissance pour la mise en marche et l'arrêt. Il peut remplir plusieurs fonctions, notamment le démarrage progressif, la régulation de la vitesse de conversion de la fréquence, l'augmentation de la précision opérationnelle, le réglage du facteur de puissance et la protection contre les surintensités, les surtensions, [...]
Un convertisseur de fréquence est un dispositif électrique qui ajuste la fréquence d'une alimentation électrique en utilisant des dispositifs semi-conducteurs de puissance pour allumer et éteindre. Il peut remplir plusieurs fonctions, notamment le démarrage progressif, la régulation de la vitesse de conversion de la fréquence, l'augmentation de la précision opérationnelle, le réglage du facteur de puissance et la protection contre les surintensités, les surtensions et les surcharges.
PWM signifie Pulse Width Modulation (modulation de largeur d'impulsion) et est une technique permettant d'ajuster la sortie et la forme d'onde en modifiant la largeur des impulsions dans un train d'impulsions.
PAM signifie Pulse Amplitude Modulation (modulation d'amplitude d'impulsion) et est une méthode d'ajustement de la valeur de sortie et de la forme d'onde en modifiant l'amplitude des impulsions dans un train d'impulsions selon une loi spécifique.
Le circuit principal d'un convertisseur de fréquence peut être classé en deux catégories :
Le convertisseur de fréquence de type tension convertit la source de tension continue en courant alternatif. Le filtre du circuit CC dans ce type de convertisseur de fréquence est un condensateur.
Le convertisseur de fréquence en mode courant, quant à lui, convertit la source de courant continu en courant alternatif. Le filtre à boucle de courant continu dans ce type de convertisseur de fréquence est une inductance.
Le couple électromagnétique d'un moteur est généré par l'interaction entre le courant et le flux magnétique. Il est essentiel de maintenir le courant dans les limites de la valeur nominale pour éviter la surchauffe du moteur.
Si le flux magnétique diminue, le couple électromagnétique diminue également, ce qui entraîne une réduction de la capacité de charge du moteur.
Comme le montre la formule E=4,44KFNΦ, pendant la régulation de la vitesse à fréquence variable, le circuit magnétique du moteur change de manière significative avec la fréquence de fonctionnement fX, ce qui peut facilement provoquer une saturation du circuit magnétique, entraînant une grave distorsion de la forme d'onde du courant d'excitation et un courant de crête élevé.
Pour éviter un champ magnétique faible et une saturation magnétique, il est important de modifier la fréquence et la tension en proportion, c'est-à-dire de contrôler la tension de sortie du convertisseur de fréquence tout en modifiant la fréquence pour maintenir un certain niveau de flux magnétique dans le moteur.
Ce mode de contrôle est couramment utilisé dans les convertisseurs de fréquence à économie d'énergie pour les ventilateurs et les pompes.
Lorsque la fréquence diminue (à faible vitesse), si la même puissance de sortie est maintenue (puissance constante), le courant augmente. Cependant, si la condition d'un certain couple est maintenue (couple constant), le courant reste pratiquement inchangé.
Le convertisseur de fréquence est utilisé pendant le fonctionnement en augmentant progressivement la fréquence et la tension du moteur. Le courant de démarrage est limité à moins de 150% du courant nominal (de 125% à 200% selon les modèles).
En revanche, lors d'un démarrage direct avec une alimentation à fréquence industrielle, le courant de démarrage peut atteindre 6 à 7 fois le courant nominal, ce qui entraîne des conséquences mécaniques et électriques.
L'utilisation d'un convertisseur de fréquence permet un démarrage en douceur, avec un courant de démarrage de 1,2 à 1,5 fois le courant nominal, et un couple de démarrage de 70% à 120% du couple nominal.
Pour les convertisseurs de fréquence dotés d'une fonction d'augmentation automatique du couple, le couple de démarrage est supérieur à 100% et permet un démarrage à pleine charge.
Lorsque la fréquence diminue, la tension (V) diminue également de façon proportionnelle. Cette relation entre V et f a été expliquée précédemment dans la réponse 4.
La relation proportionnelle entre V et f est prédéterminée en fonction des caractéristiques du moteur. En général, plusieurs options de caractéristiques sont stockées dans le dispositif de mémoire (ROM) du contrôleur et peuvent être sélectionnées à l'aide d'un commutateur ou d'un cadran.
Lorsque la tension est réduite proportionnellement à la diminution de la fréquence, le couple au sol généré à faible vitesse tend à diminuer car l'impédance CA devient plus petite et la résistance CC reste inchangée.
Pour obtenir un certain couple de démarrage à basse fréquence, la tension de sortie doit être augmentée. Cette compensation est connue sous le nom de démarrage amélioré.
Elle peut être obtenue par différentes méthodes, notamment une méthode automatique, la sélection d'un mode V/f ou le réglage d'un potentiomètre.
Bien qu'il soit encore possible de produire de l'énergie en dessous de 6 Hz, la fréquence minimale utilisable est d'environ 6 Hz, compte tenu de facteurs tels que augmentation de la température du moteurLe moteur peut alors produire le couple nominal, le couple de démarrage et d'autres conditions. À cette fréquence, le moteur peut produire le couple nominal sans causer de problèmes de chauffage importants.
La fréquence de sortie réelle (fréquence de démarrage) du convertisseur de fréquence varie de 0,5 à 3 Hz selon le modèle.
Généralement, non. Lorsque la tension est supérieure à 60 Hz (il existe également des modes supérieurs à 50 Hz), elle présente une caractéristique de puissance constante, exigeant le même couple à grande vitesse.
Le dispositif moteur utilisé est équipé d'un détecteur de vitesse (PG) qui renvoie la vitesse réelle au dispositif de commande pour contrôle, appelé "boucle fermée". Inversement, un dispositif moteur sans PG est appelé "boucle ouverte".
La plupart des convertisseurs de fréquence fonctionnent en boucle ouverte, bien que certaines machines offrent l'option de rétroaction PG.
Le mode de contrôle en boucle fermée sans capteur de vitesse calcule la vitesse réelle du moteur à l'aide d'un modèle mathématique prédéterminé et du flux magnétique, formant ainsi un contrôle en boucle fermée avec un capteur de vitesse virtuel.
Dans un système en boucle ouverte, même si le convertisseur de fréquence émet une fréquence spécifique, la vitesse du moteur peut varier dans la plage du taux de glissement nominal (1% à 5%) lorsqu'il fonctionne avec une charge.
Pour les applications nécessitant une grande précision de régulation de la vitesse et exigeant que le moteur fonctionne à une vitesse proche de la vitesse spécifiée même si la charge change, un convertisseur de fréquence avec fonction de retour PG peut être utilisé (en option).
Le convertisseur de fréquence avec fonction de rétroaction PG améliore la précision. Cependant, la précision de la vitesse dépend à la fois de la précision de la PG et de la résolution de la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence.
Si le temps d'accélération spécifié est trop court et que la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence varie beaucoup plus rapidement que le changement de vitesse (fréquence angulaire électrique), le convertisseur de fréquence peut se déclencher et cesser de fonctionner en raison d'une surintensité, appelée décrochage.
Pour éviter le décrochage et s'assurer que le moteur continue à tourner, il est nécessaire de surveiller le courant et de contrôler la fréquence.
Si le courant d'accélération devient trop élevé, le taux d'accélération doit être ralenti en conséquence. Il en va de même pour la décélération.
La combinaison de ces actions est connue sous le nom de fonction de décrochage.
L'accélération et la décélération peuvent être spécifiées séparément. Cela convient pour les accélérations de courte durée et les décélérations lentes, ou pour les petites machines-outils où le temps de production doit être strictement défini.
Cependant, pour les transmissions par ventilateur et autres applications avec des temps d'accélération et de décélération longs, les temps d'accélération et de décélération peuvent être spécifiés ensemble.
Si la fréquence de commande du moteur est diminuée en cours de fonctionnement, le moteur devient un générateur asynchrone et agit comme un frein, connu sous le nom de freinage régénératif (électrique).
L'énergie générée par le moteur pendant le freinage par récupération est stockée dans le condensateur de filtrage du convertisseur de fréquence.
Cependant, la force de freinage régénérative d'un convertisseur de fréquence général est limitée à environ 10% à 20% du couple nominal en raison de la relation entre la capacité du condensateur et la tension de résistance.
En utilisant une unité de freinage optionnelle, la force de freinage régénérative peut être augmentée de 50% à 100%.
Les fonctions de protection peuvent être divisées en deux catégories :
(1) Effectue automatiquement des actions correctives après avoir détecté un état anormal, telles que la prévention du blocage de la surintensité et la prévention du blocage de la surtension de régénération.
(2) Bloque le signal de commande PWM du dispositif semi-conducteur de puissance après avoir détecté une anomalie, ce qui entraîne l'arrêt automatique du moteur. Les exemples incluent la coupure pour surintensité, la coupure pour surtension de régénération, la surchauffe du ventilateur de refroidissement du semi-conducteur et la protection contre les pannes de courant instantanées.
Lorsqu'un embrayage est utilisé pour connecter la charge, le moteur passe soudainement d'un état sans charge à une zone avec un taux de glissement élevé au moment de la connexion. Le flux de courant important qui en résulte provoque le déclenchement du convertisseur de fréquence pour cause de surintensité, ce qui empêche le fonctionnement.
Lorsque le moteur démarre, un courant de démarrage proportionnel à sa capacité circule, provoquant une chute de tension dans le transformateur du côté du stator du moteur. Si le moteur a une grande capacité, cette chute de tension peut avoir un impact significatif.
Un convertisseur de fréquence connecté au même transformateur peut détecter une sous-tension ou déclencher un arrêt instantané. En conséquence, la fonction de protection (IPE) peut s'activer, entraînant l'arrêt de l'opération.
Pour les convertisseurs de fréquence à commande numérique, même si la commande de fréquence est un signal analogique, la fréquence de sortie est réglée par incréments. La plus petite unité de cet incrément est appelée résolution de conversion de fréquence, qui est généralement comprise entre 0,015 et 0,5 Hz.
Par exemple, si la résolution est de 0,5 Hz, la fréquence peut être modifiée par incréments de 0,5 Hz, par exemple de 23 Hz à 23,5 Hz et 24,0 Hz, ce qui fait que le moteur fonctionne également par incréments.
Cela peut poser des problèmes pour les applications qui nécessitent un contrôle continu de l'enroulement. Dans ce cas, une résolution d'environ 0,015 Hz est recommandée. Avec cette résolution, une différence d'un étage dans un moteur à 4 étages est inférieure à 1R/min, ce qui offre une précision suffisante. Notez que la résolution spécifiée pour certains modèles peut ne pas correspondre à la résolution de sortie réelle.
L'effet de refroidissement du convertisseur de fréquence est pris en compte dans la conception de sa structure interne et arrière. Une ventilation adéquate dépend également de l'orientation de l'unité.
C'est pourquoi il est recommandé d'installer verticalement, dans la mesure du possible, les unités de type panneau et les unités montées au mur.
Le démarrage d'un moteur à très basse fréquence est possible, mais si la fréquence spécifiée est élevée, cela revient à démarrer directement avec une alimentation à fréquence industrielle. Il en résultera un courant de démarrage important (6 à 7 fois le courant nominal), entraînant le déclenchement du convertisseur de fréquence pour cause de surintensité et empêchant le démarrage du moteur.
Les éléments suivants doivent être pris en compte lorsque l'appareil fonctionne à une fréquence supérieure à 60 Hz :
(1) S'assurer que les machines et les dispositifs sont capables de fonctionner à cette vitesse, en tenant compte de facteurs tels que la résistance mécanique, le bruit et les vibrations.
(2) Lorsque le moteur atteint la plage de puissance de sortie constante, son couple de sortie doit être suffisant pour maintenir le fonctionnement. Notez que la puissance de sortie du ventilateur, de la pompe et d'autres arbres augmente proportionnellement au cube de la vitesse ; soyez donc prudent lorsque la vitesse augmente.
(3) Tenir compte de l'impact sur la durée de vie des roulements.
(4) Pour les moteurs de capacité moyenne ou supérieure, en particulier les moteurs bipolaires, il est important de consulter le fabricant avant de les faire fonctionner au-dessus de 60 Hz.
Lors de l'utilisation d'un réducteur, il convient de tenir compte de plusieurs aspects, en fonction de sa structure et de ses caractéristiques. méthode de lubrification.
Dans les structures à engrenages, une limite maximale de 70 à 80 Hz devrait être envisagée.
En cas de lubrification à l'huile, un fonctionnement continu à faible vitesse peut endommager l'engrenage.
En principe, non. Pour les moteurs monophasés avec un type de démarrage par interrupteur du régulateur, l'enroulement auxiliaire peut griller dans la plage de régulation de la vitesse en dessous du point de fonctionnement.
En mode de démarrage ou de fonctionnement par condensateur, des explosions de condensateur peuvent se produire.
L'alimentation des convertisseurs de fréquence est généralement triphasée, mais pour les petites capacités, une alimentation monophasée peut également être utilisée.
L'efficacité d'un convertisseur de fréquence dépend de plusieurs facteurs, notamment du modèle, de l'état de fonctionnement et de la fréquence d'utilisation. Il est difficile de fournir une réponse définitive.
Toutefois, on estime que le rendement des convertisseurs de fréquence fonctionnant en dessous de 60 Hz est d'environ 94% à 96%. Ce chiffre peut servir de base au calcul des pertes.
Il est important de noter que la consommation d'énergie peut être plus élevée si l'on tient compte de la perte pendant le freinage.
La conception d'un panneau d'opération efficace est également cruciale et doit faire l'objet d'une attention particulière.
En général, le moteur est refroidi par un ventilateur externe installé sur l'arbre ou par des pales sur la bague d'extrémité du rotor.
Si la vitesse est réduite, l'effet de refroidissement diminuera également, ce qui l'empêchera de supporter le même niveau de chaleur que lors d'un fonctionnement à grande vitesse.
Pour éviter cela, il est nécessaire de réduire le couple de charge à faible vitesse, d'utiliser un convertisseur de fréquence de grande capacité en combinaison avec le moteur, ou de choisir un moteur spécial conçu pour fonctionner à faible vitesse.
La source d'alimentation du circuit d'excitation du frein doit provenir de l'entrée du convertisseur de fréquence.
Si le frein s'enclenche alors que le convertisseur de fréquence est encore en train de produire de l'énergie, il peut en résulter une coupure par surintensité.
Pour éviter cela, il est important de s'assurer que le frein ne s'enclenche qu'après que le convertisseur de fréquence a cessé de produire de l'énergie.
En ce qui concerne l'impact du condensateur du convertisseur de fréquence sur le facteur de puissance effectif après le retrait du convertisseur de fréquence, des mesures doivent être prises pour améliorer le facteur de puissance causé par le courant circulant dans le condensateur du convertisseur de fréquence.
Bien que le convertisseur de fréquence soit un dispositif statique, il comprend également des composants consommables tels que des condensateurs de filtrage et des ventilateurs de refroidissement.
Avec un entretien adéquat, on peut s'attendre à ce que ces composants aient une durée de vie de plus de 10 ans.
Pour les modèles de petite capacité avec ou sans ventilateur de refroidissement :
Pour les modèles équipés de ventilateurs, l'air circule de bas en haut, il est donc important de ne pas placer d'équipement mécanique qui pourrait obstruer l'aspiration et l'évacuation dans les parties supérieures et inférieures de l'endroit où le convertisseur de fréquence est installé.
En outre, il est important d'éviter de placer des composants sensibles à la chaleur au-dessus du convertisseur de fréquence.
En cas de défaillance du ventilateur, le convertisseur de fréquence est protégé soit par la détection d'arrêt du ventilateur électrique, soit par la détection de surchauffe du ventilateur de refroidissement.
Pour le condensateur utilisé comme condensateur de filtrage, sa capacité électrostatique diminue progressivement avec le temps.
Il est recommandé de mesurer régulièrement la capacité électrostatique et d'évaluer sa durée de vie en fonction de l'atteinte de 85% de la capacité nominale du produit.
En règle générale, le condensateur doit être stocké dans un conteneur en forme de disque.
Cependant, les conteneurs entièrement fermés en forme de disque peuvent être assez grands, occuper un espace important et sont relativement coûteux.
Pour résoudre ces problèmes, les mesures suivantes peuvent être prises :
(1) La conception du disque doit tenir compte des exigences de dissipation thermique du dispositif ;
(2) Des ailettes en aluminium et un liquide de refroidissement à ailettes peuvent être utilisés pour augmenter la surface de refroidissement.
Réduire les interférences harmoniques d'ordre élevé dans le courant d'entrée et améliorer le facteur de puissance de l'alimentation d'entrée.
Le filtre sinusoïdal permet au convertisseur de fréquence de fonctionner avec un long câble moteur et convient également aux circuits qui comprennent un transformateur intermédiaire entre le convertisseur de fréquence et le moteur.
La valeur de résistance du potentiomètre fourni avec le convertisseur de fréquence est généralement comprise entre 1K Ω et 10K Ω.
(1) Interférence avec les radiations ;
(2) Interférence par conduction.
Les signaux d'interférence transmis par rayonnement peuvent être réduits efficacement en acheminant et en protégeant correctement la source du rayonnement et la ligne perturbée.
Les signaux d'interférence transmis par la ligne peuvent être traités en ajoutant des filtres, des réacteurs ou des anneaux magnétiques à l'entrée et à la sortie du convertisseur de fréquence.
Les méthodes et précautions spécifiques pour réduire les interférences sont les suivantes :
(1) Les lignes de signalisation et d'alimentation doivent être croisées ou regroupées verticalement.
(2) Éviter de connecter des fils en différents métaux l'un à l'autre.
(3) La couche de blindage doit être correctement mise à la terre et la mise à la terre doit être continue et fiable sur toute sa longueur.
(4) Un câble blindé à paires torsadées doit être utilisé dans les circuits de signaux.
(5) Le point de mise à la terre de la couche de blindage doit être aussi éloigné que possible du convertisseur de fréquence et séparé du point de mise à la terre du convertisseur de fréquence.
(6) Un anneau magnétique peut être utilisé sur la ligne d'alimentation d'entrée et la ligne de sortie du convertisseur de fréquence.
La méthode spécifique d'utilisation d'un anneau magnétique est la suivante : La ligne d'entrée peut être enroulée quatre fois dans le même sens, tandis que la ligne de sortie peut être enroulée trois fois dans le même sens.
Il est important de maintenir l'anneau magnétique aussi près que possible du convertisseur de fréquence lors du bobinage.
(7) En outre, pour éviter les interférences, un blindage et d'autres mesures anti-interférences peuvent être mis en œuvre pour les équipements et instruments perturbés.
La puissance consommée par la bande transporteuse est directement proportionnelle à sa vitesse.
Par conséquent, si vous souhaitez fonctionner à 80 Hz, la puissance du convertisseur de fréquence et du moteur doit être augmentée proportionnellement, ce qui signifie une augmentation de 60% par rapport à la capacité de 50 Hz. Cela signifie que la capacité du convertisseur de fréquence et du moteur doit être augmentée de 60%.
Dans la commande VVC (tension et fréquence variables), le circuit de commande utilise un modèle mathématique pour calculer l'excitation optimale du moteur en réponse aux variations de la charge du moteur et compense la charge en conséquence.
En outre, le circuit de commande intègre une méthode PWM synchrone à 60° mise en œuvre sur un ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) qui détermine le temps de commutation optimal pour les dispositifs semi-conducteurs de l'onduleur (IGBT).
Le circuit global d'une alimentation à fréquence variable comprend des composants tels que le courant constant CA et les filtres CA, ce qui permet d'obtenir des formes d'ondes sinusoïdales pures de tension et de courant de sortie qui ressemblent étroitement à une alimentation CA idéale.
Il est capable de générer la tension et la fréquence du réseau pour n'importe quel pays du monde.
D'autre part, le convertisseur de fréquence est constitué de composants tels que le courant alternatif constant (onde de modulation) et d'autres circuits. Le nom standard de ce dispositif est un régulateur de fréquence variable.
Cependant, la forme d'onde de la tension de sortie du convertisseur de fréquence est une onde carrée pulsée avec de nombreuses composantes harmoniques. La tension et la fréquence changent proportionnellement en même temps et ne peuvent pas être réglées indépendamment, ce qui rend le convertisseur inadapté à une utilisation en tant qu'alimentation électrique.
Il n'est généralement utilisé que pour réguler la vitesse d'un moteur asynchrone triphasé.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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