Les fournisseurs d'unités de rétroaction énergétique rappellent que l'utilisation des convertisseurs de fréquence en Chine remonte à plus de 30 ans. Grâce aux progrès technologiques constants, leur champ d'application s'est étendu à de nombreux domaines et le marché est en constante expansion. On compte aujourd'hui plus de 140 marques de convertisseurs de fréquence, nationales et étrangères, et de nouveaux fabricants et distributeurs se développent sur l'ensemble du territoire. Malgré un écart de performance persistant entre les convertisseurs de fréquence chinois et importés, le développement rapide des sciences et technologies en Chine permet de le réduire considérablement. Par ailleurs, la solidité de la chaîne industrielle nationale offre un fort potentiel d'amélioration de l'efficacité et de réduction des coûts de production des convertisseurs de fréquence fabriqués en Chine.
Le système d'entraînement à fréquence variable est composé d'un convertisseur de fréquence dont les performances égalent, voire surpassent, celles d'un système de régulation de vitesse à courant continu. Ce convertisseur présente les avantages des moteurs asynchrones : compacité, faible niveau sonore, coût réduit et maintenance aisée. Il simplifie considérablement le processus de production et réduit les coûts d'investissement initiaux. De manière générale, une utilisation judicieuse des convertisseurs de fréquence permet d'améliorer la productivité du travail, la qualité des produits et l'automatisation des équipements, tout en réalisant des économies d'énergie et en réduisant les coûts de production.
1. Classification, principe de fonctionnement et structure des convertisseurs de fréquence basse tension
1. Classification des convertisseurs de fréquence basse tension
Il existe différentes normes pour classer les variateurs de fréquence. On distingue deux grandes catégories de variateurs de fréquence : les variateurs de fréquence classiques et les variateurs de fréquence spéciaux. Selon leur principe de fonctionnement, les convertisseurs de fréquence se divisent en convertisseurs AC-AC et AC-DC-AC. Parmi ces derniers, on peut citer les convertisseurs de fréquence à courant et les convertisseurs de fréquence à tension, selon le mode de fonctionnement du circuit principal. Enfin, du point de vue de l’évolution technologique des convertisseurs de fréquence, on trouve notamment les convertisseurs VVVF, les convertisseurs de fréquence vectoriels et les convertisseurs de fréquence à commande directe du couple.
2. Convertisseur de fréquence fonctionnant à basse tension
De manière générale, les convertisseurs de fréquence fonctionnent selon un mode de croisement direct. Les convertisseurs de fréquence basse tension sont relativement répandus en raison de leur technologie éprouvée, de leur faible coût et de leur facilité d'entretien. Le principe de fonctionnement d'un convertisseur de fréquence est simple : il convertit le courant alternatif en un courant à fréquence variable. Selon la formule de la vitesse de synchronisme N = 60f/p pour les moteurs à courant alternatif (où N est la vitesse de synchronisme du moteur, f la fréquence du réseau et p le nombre de pôles du moteur), la vitesse du moteur peut être modifiée en faisant varier la fréquence. Le convertisseur de fréquence est conçu sur ce principe.
3. Structure du convertisseur de fréquence basse tension
Composition du circuit principal du convertisseur de fréquence :
Type de tension : La tension d’alimentation est convertie de courant continu en courant alternatif par un convertisseur de fréquence, et le filtre du circuit est un condensateur.
Type de courant : L'alimentation électrique actuelle passe d'un convertisseur de fréquence CC à un convertisseur de fréquence CA, et le filtre du circuit est une inductance.
Le convertisseur de fréquence se compose principalement des quatre parties suivantes :
(1) Redresseurs : Actuellement, les convertisseurs à diodes sont largement utilisés. Ils peuvent convertir le courant alternatif en courant continu et peuvent également servir de convertisseurs réversibles. Grâce à la réversibilité du sens de polarisation, ils peuvent se régénérer et fonctionner à nouveau.
(2) Circuit à onde plate : La tension continue redressée par le redresseur présente une tension pulsée, à une fréquence six fois supérieure à celle de l’alimentation. Pour atténuer les fluctuations de tension, des condensateurs et des inductances sont nécessaires pour absorber cette tension pulsée (donc le courant). Lorsque la capacité du dispositif est faible, et s’il existe une capacité excédentaire, un circuit de lissage peut être utilisé directement.
(3) Onduleur : L'onduleur convertit la puissance CC en puissance CA, obtenant ainsi une sortie triphasée dans un délai fixe.
(4) Circuit de commande : Fournit un circuit de commande de signal pour le circuit principal de l’alimentation du moteur asynchrone. Comprend un circuit de fonctionnement en tension et fréquence, un circuit de détection du courant et de la tension du circuit principal, un circuit de détection de la vitesse du moteur, un circuit de commande capable d’amplifier les signaux de commande, ainsi qu’un circuit de protection du moteur et de l’onduleur.
2. Sélection des types d'onduleurs basse tension
1. Aperçu de la sélection du type d'onduleur basse tension
Actuellement, la plupart des utilisateurs choisissent leur convertisseur de fréquence en se basant sur les instructions ou le manuel de sélection fournis par le fabricant. Généralement, ce dernier indique le courant nominal du convertisseur, compatible avec la puissance et la capacité nominales du moteur. Les caractéristiques des moteurs disponibles sont fournies par le fabricant selon ses propres normes ou des normes nationales, et ne reflètent pas nécessairement la capacité réelle du convertisseur. Par conséquent, lors du choix d'un convertisseur de fréquence, il est essentiel de respecter le principe selon lequel le courant nominal du moteur ne doit pas dépasser celui du convertisseur. De plus, il est important de bien comprendre les conditions de fonctionnement et les paramètres pertinents du moteur, ainsi que son type et ses caractéristiques de fonctionnement.
(1) Choix du courant nominal du convertisseur de fréquence. Conformément aux spécifications de conception, afin de garantir le fonctionnement sûr et fiable du convertisseur de fréquence, son courant nominal doit être supérieur au courant nominal de la charge (moteur), notamment pour les moteurs dont les caractéristiques de charge varient fréquemment. L'expérience montre que le courant nominal d'un convertisseur de fréquence est supérieur à 1,05 fois le courant nominal d'un moteur.
(2) Sélection de la tension nominale des convertisseurs de fréquence. La tension nominale du convertisseur de fréquence est sélectionnée en fonction de la tension de son bus d'entrée. En principe, la tension nominale du convertisseur de fréquence doit correspondre à la tension d'entrée. Si cette dernière est trop élevée, le convertisseur de fréquence [3] risque d'être endommagé.
2. Précautions à prendre lors du choix des convertisseurs de fréquence basse tension
(1) Faites correspondre le type de charge au convertisseur de fréquence.
La charge de l'industrie pétrochimique est principalement constituée de pompes et de ventilateurs. Les pompes se divisent en pompes à eau, pompes à huile, pompes d'additifs, pompes doseuses, pompes de relevage, pompes de mélange et pompes de lavage. Parmi celles-ci, les pompes de relevage, de mélange et de lavage sont généralement des charges lourdes, tandis que les autres constituent des charges conventionnelles. Les ventilateurs se répartissent en ventilateurs refroidis par air, ventilateurs de tirage induit par chaudière, ventilateurs axiaux, compresseurs d'air, etc. Le démarrage des ventilateurs de refroidissement par air et des ventilateurs de tirage induit par chaudière représente une charge lourde, généralement considérée comme telle, tandis que les autres sont des charges conventionnelles. Le choix d'un variateur de fréquence doit se baser sur les caractéristiques de la charge. Si le type de charge est incertain ou susceptible de varier selon les conditions de fonctionnement, il est recommandé de choisir un variateur de fréquence adapté aux charges lourdes afin d'éviter tout problème de compatibilité.
(2) Les conditions environnementales affectent le convertisseur de fréquence.
Les convertisseurs de fréquence nécessitent généralement des températures et une humidité ambiantes élevées. Lorsque la température ambiante est inférieure à 30 °C, l'humidité relative inférieure à 80 % et l'altitude inférieure à 100 mètres, le convertisseur fonctionne en toute sécurité à son courant nominal. Si la température ambiante dépasse 40 °C, la capacité et le courant réels du convertisseur diminuent progressivement avec l'augmentation de la température. Si l'humidité relative dépasse 90 %, de la condensation peut se former et provoquer des courts-circuits dans les composants internes du convertisseur. Au-delà de 100 mètres d'altitude, la puissance de sortie du convertisseur diminue. Enfin, il est déconseillé d'utiliser les convertisseurs de fréquence dans des environnements poussiéreux.
(3) Sélection des composants optionnels pour les convertisseurs de fréquence.
Un mauvais choix des composants optionnels pour les convertisseurs de fréquence peut entraîner un taux de défaillance élevé, principalement dû au choix des filtres et des réacteurs.
3. Application pratique du convertisseur de fréquence basse tension
1. Connexion primaire du convertisseur de fréquence basse tension
En raison de l'impact significatif de la position d'installation des contacteurs, des filtres et des réacteurs dans le circuit primaire sur le convertisseur de fréquence, l'analyse qui suit portera sur ces trois dispositifs.
(1) Contacteur
Il existe deux principaux modes de raccordement des contacteurs : à l’arrière et à l’avant de l’onduleur. Le raccordement à l’arrière présente l’avantage d’éviter les à-coups fréquents lors des démarrages moteur répétés. En revanche, le temps de charge du variateur de fréquence est plus long, ce qui entraîne des pertes de puissance. Le raccordement à l’avant permet une coupure complète de l’alimentation lorsque le moteur est en veille, sans perte de puissance. Cependant, les démarrages fréquents du moteur provoquent des chocs de charge répétés sur le variateur de fréquence, réduisant ainsi la durée de vie de ses composants.
En résumé, si le moteur démarre rarement, le contacteur peut être installé à l'avant ou à l'arrière du boîtier de l'onduleur, mais il est préférable de l'installer à l'arrière. Si le moteur démarre fréquemment, il est recommandé d'installer le contacteur à l'arrière du boîtier de l'onduleur.
(2) Filtre
Le filtre d'entrée sert principalement à filtrer le réseau électrique, à supprimer les effets harmoniques de celui-ci sur le convertisseur de fréquence et à empêcher le retour dans le réseau électrique des harmoniques générées par le redressement du convertisseur de fréquence ; le filtre de sortie optimise principalement le convertisseur de fréquence, filtre les harmoniques et rend la forme d'onde de sortie plus sinusoïdale.
(3) Réacteur
Le réacteur d'entrée peut supprimer les harmoniques côté réseau et protéger le pont redresseur ; lorsque le câble de sortie du convertisseur de fréquence dépasse la longueur spécifiée (généralement 250 m), un réacteur de sortie doit être sélectionné.
2. Environnement d'installation du convertisseur de fréquence basse tension
Des expériences ont démontré que le taux de défaillance des convertisseurs de fréquence augmente considérablement dans les environnements difficiles, notamment lorsqu'ils sont sensibles à la température, à l'humidité et à la poussière. Par conséquent, lors du choix d'un lieu d'installation, il est indispensable de privilégier un environnement où la température et l'humidité sont contrôlables, et où la poussière est peu présente.
(1) Température ambiante
En pratique, il a été constaté que les convertisseurs de fréquence sont adaptés au fonctionnement dans des environnements dont la température est inférieure ou égale à 35 degrés Celsius ; autrement, plus la température est élevée, plus la capacité de charge du convertisseur de fréquence est faible.
(2) Humidité ambiante
En cas d'humidité ambiante élevée, l'onduleur est sujet à la condensation interne, ce qui peut facilement provoquer des courts-circuits. Il est donc impératif de contrôler l'humidité ambiante autour du convertisseur de fréquence.
(3) Environnement poussiéreux
Les convertisseurs de fréquence doivent être utilisés autant que possible dans des environnements poussiéreux, car l'accumulation de poussière peut provoquer des courts-circuits et endommager les composants électroniques du convertisseur de fréquence.
4. Pannes courantes et solutions des convertisseurs de fréquence basse tension
1. Impossible de démarrer
Raison : Elle est due à une inertie de rotation ou à un couple excessif de la charge.
Solution : Augmentez la fréquence de démarrage et le couple de manière appropriée, et vérifiez les paramètres de protection.
2. Déclenchement par surtension
Raison : Causée par une tension d'alimentation trop élevée ou une durée de descente trop courte.
Solution : Vérifiez si l'état de fonctionnement est normal.
3. Surcharge
Raison : La capacité de surcharge de l’onduleur basse tension est relativement faible ou les paramètres du moteur sont mal réglés.
Solution : Vérifiez le circuit de détection de courant interne et les paramètres du convertisseur de fréquence.