Le fournisseur de l'unité de retour d'information rappelle que depuis l'apparition des moteurs à induction automatiques, les générateurs de courant alternatif fonctionnent déjà à fréquence variable. On modifie la vitesse du générateur et on ajuste sa fréquence de sortie. Avant l'avènement des transistors à haute vitesse, c'était l'un des principaux moyens de faire varier la vitesse du moteur, mais comme la vitesse du générateur diminuait la fréquence de sortie plutôt que la tension, la variation de fréquence était limitée.
Examinons donc les composants du convertisseur de fréquence et voyons comment ils fonctionnent ensemble pour modifier la fréquence et la vitesse du moteur.
Composants de l'onduleur - redresseur
En raison de la difficulté à modifier la fréquence des ondes sinusoïdales alternatives en mode alternatif, la première tâche d'un convertisseur de fréquence est de convertir la forme d'onde en courant continu. Pour obtenir un signal d'apparence alternative, il est relativement simple de le convertir en courant continu. Le premier composant de tout convertisseur de fréquence est un dispositif appelé redresseur ou convertisseur. Le circuit redresseur du convertisseur de fréquence convertit le courant alternatif en courant continu, et son mode de fonctionnement est similaire à celui d'un chargeur de batterie ou d'un poste à souder à l'arc. Il utilise un pont de diodes pour empêcher la propagation de l'onde sinusoïdale alternative dans une seule direction. Ainsi, la forme d'onde alternative redressée est interprétée par le circuit continu comme une forme d'onde continue locale. Un convertisseur de fréquence triphasé accepte trois phases d'entrée alternatives indépendantes et les convertit en une seule sortie continue.
La plupart des convertisseurs de fréquence triphasés peuvent également accepter une alimentation monophasée (230 V ou 460 V), mais, du fait de leurs deux seules entrées, leur puissance de sortie (en chevaux) doit être réduite car le courant continu généré est proportionnellement diminué. En revanche, un véritable onduleur monophasé (un onduleur monophasé commandant un moteur monophasé) utilise une entrée monophasée et génère un courant continu de sortie proportionnel à l'entrée.
Il existe deux raisons pour lesquelles les moteurs triphasés sont plus fréquemment utilisés que les moteurs monophasés pour la variation de vitesse. Premièrement, ils offrent une plage de puissance plus étendue. Deuxièmement, les moteurs monophasés nécessitent généralement une intervention extérieure pour démarrer.
Composants de l'onduleur - Bus CC
Le second composant du bus CC est invisible dans les convertisseurs de fréquence, car il n'affecte pas directement leur fonctionnement. Il est cependant toujours présent dans les convertisseurs de fréquence haut de gamme. Ce bus utilise des condensateurs et des inductances pour filtrer l'ondulation de la tension alternative dans le courant continu converti, avant d'alimenter l'onduleur. Il intègre également un filtre pour éviter la distorsion harmonique, qui peut être réinjectée dans l'alimentation de l'onduleur. Les convertisseurs de fréquence plus anciens nécessitent des filtres de ligne externes pour réaliser ce traitement.
Composants de l'onduleur - Onduleur
À droite de l'illustration figurent les composants internes du convertisseur de fréquence. L'onduleur utilise trois groupes de transistors de commutation à haute vitesse pour générer les impulsions triphasées continues qui simulent des ondes sinusoïdales alternatives. Ces impulsions déterminent non seulement la tension, mais aussi la fréquence du signal. Le terme « onduleur » signifie « inversion », ce qui correspond simplement à l'alternance de montée et de descente du signal généré. Les convertisseurs de fréquence modernes utilisent une technique appelée « modulation de largeur d'impulsion » (MLI) pour réguler la tension et la fréquence.
Parlons maintenant des IGBT. IGBT signifie « transistor bipolaire à grille isolée », l'élément de commutation (ou d'impulsion) de l'onduleur. Les transistors (qui ont remplacé les tubes à vide) jouent deux rôles en électronique : ils peuvent amplifier le signal ou l'activer et le désactiver. L'IGBT est une version moderne offrant des vitesses de commutation plus élevées (3 000 à 16 000 Hz) et une dissipation thermique réduite. Une vitesse de commutation plus élevée améliore la précision de la simulation du courant alternatif et réduit le bruit du moteur. La réduction de la chaleur générée permet de réduire la taille du dissipateur thermique et, par conséquent, l'encombrement du convertisseur de fréquence.
Forme d'onde PWM de l'onduleur
La forme d'onde générée par l'onduleur d'un onduleur PWM est comparée à une véritable onde sinusoïdale alternative. La sortie de l'onduleur est constituée d'une série d'impulsions rectangulaires de hauteur fixe et de largeur ajustable.
Dans ce cas précis, il y a trois séries d'impulsions : une série large au milieu et une série étroite au début et à la fin des parties positive et négative du cycle alternatif.
La somme des aires des impulsions est égale à la tension efficace du signal alternatif réel. Si l'on supprime les parties de l'impulsion situées au-dessus (ou en dessous) du signal de communication réel et qu'on les remplace par la partie manquante sous la courbe, on constate qu'elles correspondent presque parfaitement. C'est précisément ainsi que le convertisseur de fréquence peut contrôler la tension du moteur. La somme de la largeur de l'impulsion et de la largeur de la partie manquante détermine la fréquence du signal perçu par le moteur (d'où le terme PWM ou modulation de largeur d'impulsion). Si l'impulsion est continue (c'est-à-dire sans interruption), la fréquence sera correcte, mais la tension sera beaucoup plus élevée que celle d'une sinusoïde.
En fonction de la tension et de la fréquence requises, le convertisseur de fréquence modifie l'amplitude et la largeur de l'impulsion, ainsi que l'intervalle entre les deux. Certains pourraient se demander comment ce « faux courant alternatif » (en réalité courant continu) peut alimenter un moteur à induction.
Après tout, un courant alternatif a-t-il besoin d'« induire » le courant et le champ magnétique correspondant dans le rotor du moteur ? Ainsi, le courant alternatif provoque naturellement une induction car son sens change constamment, tandis que le courant continu ne fonctionne pas normalement une fois le circuit activé.
Cependant, si le courant continu est activé et désactivé, il peut détecter un courant. Pour les plus anciens, le système d'allumage automobile (avant l'avènement de l'allumage électronique) comportait un ensemble de rupteurs dans le distributeur. Ces rupteurs convertissent les impulsions de la batterie en impulsions pour alimenter des bobines (transformateurs). Cela induit une charge dans la bobine, puis élève la tension à un niveau permettant l'allumage par la bougie. La large impulsion de courant continu visible sur la figure ci-dessus est en réalité composée de centaines d'impulsions individuelles, et le mouvement d'ouverture et de fermeture de la sortie de l'onduleur permet l'induction du courant continu.
Tension efficace
L'un des facteurs qui rendent le courant alternatif complexe est la variation constante de sa tension : de zéro à une tension positive maximale, puis de nouveau à zéro, puis à une tension négative maximale, et enfin de nouveau à zéro. Comment déterminer la tension réelle appliquée au circuit ? L'illustration ci-dessous représente une onde sinusoïdale de 60 Hz et de 120 V. Or, il convient de noter que sa tension de crête est de 170 V. Si sa tension réelle est de 170 V, comment peut-on la qualifier d'onde de 120 V ?
L'un des facteurs qui rendent le courant alternatif complexe est la variation constante de sa tension : de zéro à une tension positive maximale, puis retour à zéro, puis à une tension négative maximale, et enfin retour à zéro. Comment déterminer la tension réelle appliquée au circuit ?
Il convient de noter qu'une onde sinusoïdale de 60 Hz et 120 V a une tension de crête de 170 V. Si sa tension réelle est de 170 V, comment peut-on la qualifier d'onde de 120 V ?
Au cours d'un cycle, la tension part de 0 V, monte à 170 V, puis retombe à 0. Elle continue de redescendre jusqu'à -170 V, puis remonte à 0. L'aire du rectangle vert dont la limite supérieure est de 120 V est égale à la somme des aires des parties positives et négatives de la courbe.
Donc 120 V est le niveau moyen ? Si l'on faisait la moyenne de toutes les valeurs de tension à chaque point du cycle complet, on obtiendrait environ 108 V, ce qui ne peut donc pas être la réponse. Alors pourquoi le multimètre mesure-t-il 120 V ? Cela est lié à ce que l'on appelle la « tension efficace ».
Si vous souhaitez mesurer la chaleur générée par un courant continu traversant une résistance, vous constaterez qu'elle est supérieure à celle générée par un courant alternatif équivalent. Ceci s'explique par le fait que la tension du courant alternatif n'est pas constante tout au long du cycle. En laboratoire, dans des conditions contrôlées, on observe qu'un courant continu donné produit une augmentation de température de 100 degrés, ce qui correspond à une augmentation de 70,7 degrés par rapport à la valeur équivalente en courant alternatif, soit 70,7 % de la valeur en courant continu.
La valeur efficace du courant alternatif (CA) représente donc 70,7 % de celle du courant continu (CC). On constate également que la valeur efficace de la tension alternative est égale à la racine carrée de la somme des carrés des tensions sur la première moitié de la courbe. Si la tension de crête est de 1 V et que l'on souhaite mesurer différentes tensions entre 0° et 180°, la tension efficace sera la tension de crête entre 0° et 180°. 0,707 fois la tension de crête à 170° (représentée sur la figure) est égal à 120 V. Cette tension efficace est également appelée tension efficace (ou RMS).
Par conséquent, la tension de crête est toujours égale à 1,414 fois la tension efficace. Un courant alternatif de 230 V présente une tension de crête de 325 V, tandis qu'un courant de 460 V présente une tension de crête de 650 V. Outre la variation de fréquence, même si la tension est indépendante de la vitesse de fonctionnement du moteur à courant alternatif, le convertisseur de fréquence doit également la modifier. Prenons l'exemple de deux signaux sinusoïdaux alternatifs de 460 V. La courbe rouge correspond à 60 Hz et la courbe bleue à 50 Hz. Toutes deux présentent une tension de crête de 650 V, mais la courbe à 50 Hz est beaucoup plus large. On constate aisément que la surface sous la courbe à 50 Hz (0-10 ms) est plus importante que celle à 60 Hz (0-8,3 ms). De plus, comme la surface sous la courbe est directement proportionnelle à la tension efficace, cette dernière est plus élevée. Plus la fréquence diminue, plus l'augmentation de la tension efficace est importante.
Si des moteurs de 460 V fonctionnent à des tensions plus élevées, leur durée de vie peut être considérablement réduite. Par conséquent, le convertisseur de fréquence doit constamment ajuster la tension de crête en fonction de la fréquence afin de maintenir une tension efficace constante. Plus la fréquence de fonctionnement est basse, plus la tension de crête est faible, et inversement. Vous devriez maintenant bien comprendre le principe de fonctionnement du convertisseur de fréquence et comment contrôler la vitesse du moteur. La plupart des convertisseurs de fréquence permettent à l'utilisateur de régler manuellement la vitesse du moteur à l'aide de commutateurs multipositions ou d'un clavier, ou d'utiliser des capteurs (pression, débit, température, niveau de liquide, etc.) pour automatiser le processus.