Les fournisseurs de dispositifs de récupération d'énergie pour onduleurs rappellent qu'avec le développement constant des sciences et des technologies, la conservation de l'énergie électrique est devenue une priorité. Les faiblesses des entraînements à courant continu traditionnels montrent progressivement leurs limites. Le collecteur, notamment, restreint la maintenance et l'utilisation des moteurs à courant continu. C'est pourquoi l'application de la technologie de régulation de vitesse en courant alternatif a été étudiée. Ce n'est que dans les années 1970 que le développement rapide de l'électronique, en particulier des technologies de contrôle et de la microélectronique, a permis de remplacer progressivement la régulation de vitesse en courant continu par celle en courant alternatif. Ainsi sont nés les convertisseurs de fréquence.
1. Concernant le convertisseur de fréquence
Initialement, les convertisseurs de fréquence servaient à réguler la vitesse, mais avec le développement technologique, leur application actuelle en Chine se concentre principalement sur les économies d'énergie, notamment dans le secteur électrique. Notre pays souffre d'une pénurie d'énergie et, en raison de problèmes technologiques, le taux d'utilisation de l'énergie reste faible. L'électricité, en particulier, est une source d'énergie propre extrêmement rare. Dans le contexte d'une forte consommation d'électricité, l'énergie consommée en mode économie d'énergie ne représente qu'une faible part de la consommation totale. Or, la Chine compte un grand nombre de moteurs à fort potentiel d'économie d'énergie, et les applications économes en énergie offrent de vastes perspectives et constituent une tendance essentielle, favorisant ainsi le développement de la technologie des variateurs de fréquence.
2. Concernant les harmoniques
Les ondes de fréquence constituent le principal problème lors du fonctionnement des convertisseurs de fréquence. Grâce aux progrès de l'électronique, les convertisseurs de fréquence classiques intègrent des fonctions de filtrage via une conception logicielle et matérielle optimisée. Après traitement, la grande majorité des harmoniques d'ordre élevé sont efficacement éliminées, garantissant ainsi la compatibilité électromagnétique (CEM) des produits électriques. Cependant, certains équipements électroniques et instruments, relativement anciens, sont particulièrement sensibles à certaines harmoniques d'ordre élevé et peuvent dysfonctionner avec les convertisseurs de fréquence. Ce problème est principalement dû aux variations de l'alimentation électrique induites par les composants non linéaires des redresseurs et onduleurs, générant des interférences harmoniques et affectant la conversion de fréquence. La principale solution consiste à utiliser des câbles blindés en sortie, la mise à la terre unipolaire permettant de prévenir efficacement ces interférences. L'ajout de filtres en entrée et en sortie réduit significativement l'amplitude des harmoniques de bas ordre et permet des économies d'énergie grâce au filtrage des harmoniques. Pour la commande de signaux, notamment analogiques, on utilise généralement des paires torsadées blindées avec mise à la terre unipolaire, ce qui permet de prévenir efficacement les interférences externes. La méthode de commande SPWM actuellement utilisée dans les convertisseurs de fréquence a un effet positif sur la régulation des composantes harmoniques et le contrôle des facteurs de distorsion. Par conséquent, la capacité des convertisseurs de fréquence PWM à réduire les interférences harmoniques est nettement inférieure à celle des convertisseurs de fréquence à commande SPWM.
3. Application des convertisseurs de fréquence dans la production industrielle
3.1 Application du convertisseur de fréquence aux charges des pompes des machines et équipements industriels
L'utilisation généralisée des convertisseurs de fréquence dans les pompes des machines et équipements industriels s'explique par leur technologie performante de régulation de vitesse. Celle-ci exploite la fréquence du stator du moteur pour ajuster sa vitesse en conséquence, modifiant ainsi les conditions de fonctionnement des pompes et permettant aux équipements d'origine de mieux répondre aux exigences de production. En cas de variation importante de la charge des équipements mécaniques et des pompes en production industrielle, le recours à un convertisseur de fréquence pour contrôler sa sortie permet d'adapter la charge de la pompe aux conditions du processus de production, d'optimiser les économies d'énergie, d'améliorer la productivité, d'accélérer l'automatisation industrielle, de prolonger la durée de vie des équipements, d'améliorer la qualité des produits, d'accroître l'efficacité de la production et de générer des bénéfices économiques plus importants pour les entreprises.
3.2 Application du convertisseur de fréquence à la charge des ventilateurs des machines de production industrielle
Les ventilateurs sont principalement utilisés dans les systèmes de refroidissement, les chaudières, les systèmes de séchage et les systèmes d'extraction des fumées dans la production industrielle. Lors du processus de production, il est essentiel de contrôler des facteurs tels que le débit et la température de l'air afin d'optimiser les conditions de production et de travail. Auparavant, la méthode de contrôle consistait souvent à ajuster l'ouverture et la fermeture de la sortie d'air et du clapet. Cette méthode présente l'inconvénient d'imposer une vitesse constante au ventilateur, quelles que soient les conditions de production et de fonctionnement. Il en résulte un gaspillage d'énergie, une usure prématurée des équipements et des matériaux, une baisse de la rentabilité et une réduction de la durée de vie des machines. Par exemple, les usines de fibres chimiques, les aciéries et les cimenteries utilisent toutes des ventilateurs. Si l'on se contente de régler le débit d'air à la sortie, le moteur fonctionnera toujours à pleine charge, alors que l'ouverture du clapet n'est que de 50 % à 80 %, ce qui représente un gaspillage d'énergie. La technologie du convertisseur de fréquence est utilisée dans la charge du ventilateur, et ses performances de régulation de vitesse en continu permettent d'élargir la plage de vitesse du ventilateur, le rendant plus fiable, plus facile à programmer et permettant d'atteindre des conditions optimales pour les processus de production et les conditions de travail.
3.3 Application des convertisseurs de fréquence à la conservation de l'énergie et à la réduction de la consommation
Dans les sites où la charge du moteur est généralement constante, comme les usines textiles et les aciéries, le moteur fonctionne habituellement à une puissance fixe. Les performances du convertisseur de fréquence, notamment son accélération et sa décélération progressives, son contrôle précis du couple et sa grande stabilité de fonctionnement, sont alors difficiles à remplacer. Dans ces usines, les convertisseurs de fréquence non seulement ne permettent pas de réaliser des économies d'énergie, mais au contraire, leur coût élevé et leur forte consommation énergétique alourdissent le système et augmentent sa consommation. À l'inverse, dans des applications telles que les ventilateurs et les pompes, les économies d'énergie et la réduction de la consommation sont essentielles. Dans ces applications, la charge du courant est variable. L'utilisation de plusieurs moteurs en parallèle engendre inévitablement une hausse des coûts d'équipement. De plus, les méthodes de régulation de vitesse classiques ne permettent pas d'atteindre l'objectif d'automatisation de la production. C'est pourquoi certains fabricants ont développé des convertisseurs de fréquence spécialisés. Ces convertisseurs, dépourvus des caractéristiques de régulation de vitesse et de contrôle de couple de haute précision, présentent un coût de production très faible.
4. Sélection du convertisseur de fréquence
Grâce au développement de la technologie de conversion de fréquence, de nombreuses marques et données de convertisseurs de fréquence sont actuellement disponibles sur le marché. Les principales méthodes de contrôle comprennent : le contrôle de pression constante (technologie U/F=K), le contrôle vectoriel (technologie VECTOR) et le contrôle direct du couple (DTC). Les entreprises peuvent choisir le convertisseur de fréquence le plus adapté à leurs besoins spécifiques, notamment pour les équipements mécaniques soumis à des charges de couple variables, permettant ainsi des économies d'énergie significatives. Le choix de la capacité du convertisseur doit être effectué en fonction du courant réel de la charge. Il est également possible d'opter pour un convertisseur avec régulateur PID intégré, pour une configuration personnalisée. De nombreux convertisseurs de fréquence sont désormais équipés d'interfaces bus. Lors de la production, ils servent de nœuds de réseau pour se connecter à d'autres dispositifs de communication, améliorant ainsi l'efficacité et la consommation d'énergie, et favorisant une plus grande précision et intelligence du contrôle. La technologie de bus de terrain est une technologie d'automatisation avancée qui intègre le contrôle informatique, la communication et les principes de contrôle automatique. Par conséquent, il permet la transmission multifonctionnelle de plusieurs paramètres de signal sur une paire de fils et l'alimentation de plusieurs appareils, ce qui permet non seulement d'économiser de l'électricité, mais aussi de réduire les coûts.
Les caractéristiques d'économie d'énergie des convertisseurs de fréquence ont suscité un vif intérêt et ont trouvé des applications dans de nombreux domaines. Le convertisseur de fréquence commercialisé est principalement utilisé pour réguler la vitesse des moteurs à courant alternatif et représente actuellement la solution de contrôle de vitesse la plus performante et prometteuse. Plus important encore, les convertisseurs de fréquence permettent de réaliser des économies d'énergie, un enjeu crucial pour le développement industriel et la maîtrise de la consommation énergétique, et une garantie indispensable à la pérennité des entreprises. Grâce à leurs performances énergétiques et à leur technologie de contrôle de vitesse, les convertisseurs de fréquence sont devenus des équipements d'automatisation très répandus, ce qui explique leur développement et leur utilisation rapides. Leurs perspectives d'avenir sont très prometteuses : ils pourraient être utilisés dans un plus large éventail de domaines, contribuant ainsi davantage à la réduction de la consommation d'énergie et à l'amélioration de l'efficacité des entreprises. L'application des convertisseurs de fréquence présente donc un potentiel de développement considérable.