Le convertisseur de fréquence est une technologie qu'il est essentiel de maîtriser pour réaliser des travaux électriques. L'utilisation d'un convertisseur de fréquence pour contrôler un moteur est une méthode courante en contrôle électrique ; certains nécessitent même une certaine maîtrise de leur utilisation.
1. Tout d’abord, pourquoi utiliser un convertisseur de fréquence pour contrôler un moteur ?
Le moteur est une charge inductive, ce qui entrave le changement de courant et produira un changement important de courant au démarrage.
L'onduleur est un dispositif de contrôle de l'énergie électrique qui utilise la fonction marche/arrêt des semi-conducteurs de puissance pour convertir l'alimentation électrique à fréquence industrielle en une autre fréquence. Il est principalement composé de deux circuits : le circuit principal (module redresseur, condensateur électrolytique et module onduleur), et le circuit de commande (carte d'alimentation à découpage, carte de commande).
Afin de réduire le courant de démarrage du moteur, notamment pour les moteurs de forte puissance, plus la puissance est élevée, plus le courant de démarrage est important. Un courant de démarrage excessif sollicite davantage le réseau d'alimentation et de distribution. Le convertisseur de fréquence peut résoudre ce problème de démarrage et permettre au moteur de démarrer en douceur sans provoquer de courant de démarrage excessif.
Un autre objectif d'un convertisseur de fréquence est de réguler la vitesse du moteur. Dans de nombreux cas, il est nécessaire de contrôler la vitesse du moteur pour optimiser le rendement de production, et la régulation de la vitesse par convertisseur de fréquence a toujours été son principal atout. Le convertisseur de fréquence contrôle la vitesse du moteur en modifiant la fréquence de l'alimentation électrique.
2. Quelles sont les méthodes de contrôle de l'onduleur ?
Les cinq méthodes les plus couramment utilisées pour contrôler les moteurs à onduleur sont les suivantes :
A. Méthode de contrôle par modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM)
Ses caractéristiques sont une structure de circuit de commande simple, un faible coût, une bonne dureté mécanique et la capacité à répondre aux exigences de régulation de vitesse des transmissions classiques. Il est largement utilisé dans divers secteurs industriels.
Cependant, à basse fréquence, en raison de la faible tension de sortie, le couple est considérablement affecté par la chute de tension de la résistance du stator, ce qui réduit le couple de sortie maximal.
De plus, ses caractéristiques mécaniques sont inférieures à celles des moteurs à courant continu, et sa capacité de couple dynamique et ses performances de régulation de vitesse statique sont insuffisantes. De plus, les performances du système sont faibles, la courbe de régulation varie avec la charge, la réponse du couple est lente, le taux d'utilisation du couple moteur est faible et les performances diminuent à basse vitesse en raison de la résistance statorique et de l'effet de zone morte de l'onduleur, ce qui dégrade la stabilité. C'est pourquoi des études ont été menées sur la régulation de vitesse à fréquence variable par contrôle vectoriel.
B. Méthode de contrôle vectoriel spatial de tension (SVPWM)
Il est basé sur l'effet de génération global de la forme d'onde triphasée, dans le but d'approcher la trajectoire idéale du champ magnétique rotatif circulaire de l'entrefer du moteur, de générer une forme d'onde de modulation triphasée à la fois et de la contrôler de manière à ce que le polygone inscrit se rapproche du cercle.
Après une utilisation pratique, des améliorations ont été apportées : compensation de fréquence pour éliminer l'erreur de régulation de vitesse ; estimation de l'amplitude du flux par rétroaction pour éliminer l'influence de la résistance statorique à basse vitesse ; fermeture de la boucle de tension et de courant de sortie pour améliorer la précision et la stabilité dynamiques. Cependant, la multitude de circuits de commande et l'absence de réglage du couple n'ont pas permis d'améliorer fondamentalement les performances du système.
C. Méthode de lutte antivectorielle (LC)
L'objectif est de rendre le moteur à courant alternatif équivalent à un moteur à courant continu et de contrôler indépendamment la vitesse et le champ magnétique. En contrôlant le flux rotorique, le courant statorique est décomposé pour obtenir les composantes du couple et du champ magnétique, et la transformation de coordonnées permet d'obtenir une commande orthogonale ou découplée. L'introduction de la méthode de commande vectorielle est d'une importance capitale. Cependant, dans la pratique, le flux rotorique étant difficile à observer avec précision, les caractéristiques du système sont fortement influencées par les paramètres du moteur. De plus, la transformation de rotation vectorielle utilisée dans le processus de commande équivalent du moteur à courant continu est relativement complexe, ce qui rend difficile l'obtention d'un résultat d'analyse optimal pour la commande réelle.
D. Méthode de contrôle direct du couple (DTC)
En 1985, le professeur DePenbrock de l'Université de la Ruhr en Allemagne a proposé pour la première fois la technologie de conversion de fréquence à commande directe du couple. Cette technologie a largement résolu les lacunes de la commande vectorielle mentionnée ci-dessus et a été rapidement développée grâce à des concepts de commande novateurs, une structure système concise et claire, et d'excellentes performances dynamiques et statiques.
Actuellement, cette technologie est appliquée avec succès à la traction à courant alternatif haute puissance des locomotives électriques. La commande directe du couple analyse directement le modèle mathématique des moteurs à courant alternatif dans le système de coordonnées statoriques et contrôle le flux magnétique et le couple du moteur. Elle ne nécessite pas d'assimiler les moteurs à courant alternatif aux moteurs à courant continu, éliminant ainsi de nombreux calculs complexes de transformation vectorielle de rotation ; elle n'a pas besoin d'imiter la commande des moteurs à courant continu, ni de simplifier le modèle mathématique des moteurs à courant alternatif pour le découplage.
E. Méthode de contrôle AC-AC matricielle
La conversion de fréquence VVVF, la conversion de fréquence à contrôle vectoriel et la conversion de fréquence à contrôle direct du couple sont toutes des types de conversion de fréquence CA-CC-CA. Leurs inconvénients communs sont un faible facteur de puissance d'entrée, un courant harmonique important, un condensateur de stockage d'énergie important requis pour le circuit CC, et l'impossibilité de réinjecter l'énergie régénératrice dans le réseau électrique, c'est-à-dire de fonctionner dans les quatre quadrants.
C'est pourquoi la conversion de fréquence AC-AC matricielle a vu le jour. Comme elle élimine la liaison CC intermédiaire, elle se passe du condensateur électrolytique volumineux et coûteux. Elle permet d'atteindre un facteur de puissance de 1, un courant d'entrée sinusoïdal et un fonctionnement dans quatre quadrants, et le système présente une densité de puissance élevée. Bien que cette technologie ne soit pas encore mature, elle attire encore de nombreux chercheurs pour des recherches approfondies. Son objectif n'est pas de contrôler indirectement le courant, le flux magnétique et d'autres grandeurs, mais d'utiliser directement le couple comme grandeur de contrôle pour y parvenir.
3. Comment un convertisseur de fréquence contrôle-t-il un moteur ? Comment les deux sont-ils câblés ensemble ?
Le câblage de l'onduleur pour contrôler le moteur est relativement simple, similaire au câblage du contacteur, avec trois lignes d'alimentation principales entrant puis sortant vers le moteur, mais les réglages sont plus compliqués et les manières de contrôler l'onduleur sont également différentes.
Tout d'abord, concernant le bornier de l'onduleur, bien qu'il existe de nombreuses marques et méthodes de câblage différentes, les bornes de la plupart des onduleurs ne diffèrent guère. Elles sont généralement divisées en entrées de commutation avant et arrière, utilisées pour contrôler le démarrage avant et arrière du moteur. Les bornes de rétroaction permettent de signaler l'état de fonctionnement du moteur.y compris la fréquence de fonctionnement, la vitesse, l'état de défaut, etc.
Pour le réglage de la vitesse, certains variateurs de fréquence utilisent des potentiomètres, d'autres des boutons directement, tous contrôlés par câblage. Une autre solution consiste à utiliser un réseau de communication. De nombreux variateurs de fréquence prennent désormais en charge le contrôle par communication. Cette ligne de communication permet de contrôler le démarrage et l'arrêt, la rotation avant et arrière, le réglage de la vitesse, etc. Du même coup, des informations de retour sont transmises par communication.
4.Qu'arrive-t-il au couple de sortie d'un moteur lorsque sa vitesse de rotation (fréquence) change ?
Le couple de démarrage et le couple maximal lorsqu'ils sont entraînés par un convertisseur de fréquence sont plus faibles que lorsqu'ils sont entraînés directement par une alimentation électrique.
Le moteur a un impact important au démarrage et à l'accélération lorsqu'il est alimenté par une source d'alimentation, mais cet impact est plus faible lorsqu'il est alimenté par un convertisseur de fréquence. Un démarrage direct avec une source d'alimentation génère un courant de démarrage important. Avec un convertisseur de fréquence, la tension et la fréquence de sortie du convertisseur sont progressivement ajoutées au moteur, réduisant ainsi le courant de démarrage et l'impact. Généralement, le couple généré par le moteur diminue lorsque la fréquence (la vitesse) diminue. Les données précises de cette réduction sont expliquées dans certains manuels de convertisseurs de fréquence.
Un moteur classique est conçu et fabriqué pour une tension de 50 Hz, et son couple nominal est également donné dans cette plage de tension. Par conséquent, la régulation de vitesse en dessous de la fréquence nominale est appelée régulation de vitesse à couple constant. (T = Te, P < Pe)
Lorsque la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence est supérieure à 50 Hz, le couple généré par le moteur diminue selon une relation linéaire inversement proportionnelle à la fréquence.
Lorsque le moteur fonctionne à une fréquence supérieure à 50 Hz, la taille de la charge du moteur doit être prise en compte pour éviter un couple de sortie du moteur insuffisant.
Par exemple, le couple généré par le moteur à 100 Hz est réduit à environ la moitié du couple généré à 50 Hz.
Par conséquent, la régulation de vitesse au-dessus de la fréquence nominale est appelée régulation de vitesse à puissance constante. (P=Ue*Ie).
5.Application du convertisseur de fréquence au-dessus de 50 Hz
Pour un moteur spécifique, sa tension nominale et son courant nominal sont constants.
Par exemple, si les valeurs nominales de l'onduleur et du moteur sont toutes deux : 15 kW/380 V/30 A, le moteur peut fonctionner au-dessus de 50 Hz.
À une vitesse de 50 Hz, la tension de sortie de l'onduleur est de 380 V et le courant de 30 A. À ce moment, si la fréquence de sortie est augmentée à 60 Hz, la tension et le courant de sortie maximum de l'onduleur ne peuvent être que de 380 V/30 A. Bien entendu, la puissance de sortie reste inchangée ; on parle alors de régulation à puissance constante.
Quel est le couple à ce moment-là ?
Étant donné que P=wT(w; vitesse angulaire, T: couple), puisque P reste inchangé et w augmente, le couple diminuera en conséquence.
Nous pouvons également l’envisager sous un autre angle :
La tension du stator du moteur est U=E+I*R (I est le courant, R est la résistance électronique et E est le potentiel induit).
On peut voir que lorsque U et I ne changent pas, E ne change pas non plus.
Et E=k*f*X (k : constante ; f : fréquence ; X : flux magnétique), donc lorsque f change de 50 à 60 Hz, X diminuera en conséquence.
Pour le moteur, T=K*I*X (K : constante ; I : courant ; X : flux magnétique), donc le couple T diminuera à mesure que le flux magnétique X diminuera.
En même temps, lorsque la fréquence est inférieure à 50 Hz, comme I*R est très faible, lorsque U/f = E/f ne varie pas, le flux magnétique (X) est constant. Le couple T est proportionnel au courant. C'est pourquoi la capacité de surintensité de l'onduleur est généralement utilisée pour décrire sa capacité de surcharge (couple), et on parle alors de régulation de vitesse à couple constant (le courant nominal reste inchangé, le couple maximal reste inchangé).
Conclusion : lorsque la fréquence de sortie de l'onduleur augmente au-dessus de 50 Hz, le couple de sortie du moteur diminue.
6. Autres facteurs liés au couple de sortie
La capacité de génération et de dissipation de chaleur détermine la capacité de courant de sortie de l'onduleur, affectant ainsi la capacité de couple de sortie de l'onduleur.
1. Fréquence porteuse : Le courant nominal indiqué sur le variateur est généralement la valeur permettant d'assurer une sortie continue à la fréquence porteuse la plus élevée et à la température ambiante la plus élevée. Une réduction de la fréquence porteuse n'affecte pas le courant du moteur. Cependant, elle réduit la production de chaleur des composants.
2. Température ambiante : Tout comme la valeur du courant de protection de l'onduleur n'augmentera pas lorsque la température ambiante est détectée comme étant relativement basse.
3. Altitude : L'augmentation de l'altitude a un impact sur la dissipation thermique et les performances d'isolation. En général, elle peut être ignorée en dessous de 1 000 m, et la capacité peut être réduite de 5 % par tranche de 1 000 mètres au-dessus.
7. Quelle est la fréquence appropriée pour qu'un convertisseur de fréquence contrôle un moteur ?
Dans le résumé ci-dessus, nous avons expliqué pourquoi l'onduleur est utilisé pour contrôler le moteur et comment il le contrôle. Le principe de contrôle du moteur est le suivant :
Tout d’abord, l’onduleur contrôle la tension et la fréquence de démarrage du moteur pour obtenir un démarrage et un arrêt en douceur ;
Deuxièmement, l'onduleur est utilisé pour régler la vitesse du moteur, et la vitesse du moteur est ajustée en modifiant la fréquence.
Moteur à aimant permanent d'Anhui MingtengLes produits sont contrôlés par l'onduleur. Dans une plage de charge de 25 à 120 %, ils offrent un rendement supérieur et une plage de fonctionnement plus large que les moteurs asynchrones de mêmes spécifications, tout en permettant des économies d'énergie significatives.
Nos techniciens professionnels sélectionneront le variateur le mieux adapté aux conditions d'utilisation et aux besoins réels des clients afin d'optimiser le contrôle du moteur et ses performances. De plus, notre service technique peut accompagner les clients à distance pour l'installation et le dépannage du variateur, et assurer un suivi et un service complets avant et après-vente.
Copyright : Cet article est une réimpression du numéro public WeChat « Formation technique », le lien original https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Cet article ne reflète pas le point de vue de notre entreprise. Si vous avez un avis différent, n'hésitez pas à nous le signaler !
Date de publication : 09/09/2024