Les fournisseurs d'équipements pour convertisseurs de fréquence rappellent que ces derniers sont des convertisseurs de puissance utilisés dans les systèmes de commande de mouvement. Le domaine de la commande de mouvement actuel est un secteur technique pluridisciplinaire dont l'évolution générale est la suivante : alimentation en courant alternatif, convertisseurs de puissance haute fréquence, commande numérique, intelligente et en réseau. Par conséquent, en tant que composant essentiel de conversion de puissance du système, les convertisseurs de fréquence ont connu un développement rapide, offrant des sources d'alimentation CA à tension et fréquence variables et contrôlables, performantes et à hautes performances.
Au XXIe siècle, le substrat de l'électronique de puissance est passé du silicium au carbure de silicium, inaugurant une ère de haute tension, de grande capacité, de haute fréquence, de composants modulaires, de miniaturisation, d'intelligence et de faible coût pour les nouveaux dispositifs électroniques de puissance. Divers nouveaux équipements électriques adaptés à la régulation de vitesse à fréquence variable sont actuellement en cours de développement et de recherche. Le développement rapide des technologies de l'information et l'innovation constante en matière de théorie du contrôle influenceront l'évolution des convertisseurs de fréquence.
Avec l'expansion du marché et la diversification des besoins des utilisateurs, les fonctionnalités des convertisseurs de fréquence domestiques s'améliorent et se multiplient constamment, grâce à une intégration et une systématisation accrues. Des convertisseurs de fréquence spécialisés ont déjà fait leur apparition. Ces dernières années, le marché chinois des convertisseurs de fréquence a enregistré un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 12 à 15 %, et devrait se maintenir au-dessus de 10 % pendant au moins les cinq prochaines années. Actuellement, le TCAC des convertisseurs de fréquence installés sur le marché chinois avoisine les 20 %. On prévoit que ce marché atteindra la saturation et sa maturité d'ici une dizaine d'années.
1. Intelligence
Une fois le convertisseur de fréquence intelligent installé dans le système, de nombreux réglages fonctionnels ne sont plus nécessaires. Son utilisation est simple et intuitive, grâce à un affichage clair de son état de fonctionnement. Il permet le diagnostic et le dépannage des pannes, et même la conversion automatique des composants. La surveillance à distance via Internet permet de relier plusieurs onduleurs selon les procédures établies, formant ainsi un système de gestion et de contrôle intégré et optimisé.
2. Spécialisation
En fonction des caractéristiques de chaque type de charge, la fabrication de convertisseurs de fréquence spécialisés permet non seulement de contrôler efficacement et économiquement le moteur de la charge, mais aussi de réduire les coûts de production. On peut citer, par exemple, les convertisseurs de fréquence pour ventilateurs et pompes, pour appareils de levage, pour la commande d'ascenseurs, pour la régulation de tension et pour la climatisation.
3. Intégration
Le convertisseur de fréquence intègre de manière sélective les composants fonctionnels pertinents, tels que le système d'identification des paramètres, le régulateur PID, le contrôleur PLC et l'unité de communication, au sein d'une machine intégrée. Cette intégration améliore non seulement la fonctionnalité et la fiabilité du système, mais réduit également son volume et minimise les connexions externes. Selon certaines sources, une machine combinant convertisseur de fréquence et moteur électrique a été développée, permettant de réduire la taille de l'ensemble du système et d'en simplifier le contrôle.
4. Protection de l'environnement
La protection de l'environnement et la fabrication de produits écologiques constituent un concept nouveau pour l'humanité. À l'avenir, les convertisseurs de fréquence privilégieront les économies d'énergie et la réduction de la pollution, c'est-à-dire la minimisation des perturbations et des interférences (parasites et harmoniques) sur le réseau électrique et les autres équipements électriques lors de leur utilisation.
5. L'arrêt automatique, la modularisation, l'intégration et l'intelligence des composants de commutation de puissance dans le circuit principal ont continuellement augmenté la fréquence de commutation et réduit encore les pertes de commutation.
6. En ce qui concerne la structure topologique du circuit principal du convertisseur de fréquence :
Le convertisseur côté réseau d'un convertisseur de fréquence utilise généralement un convertisseur à 6 impulsions pour les appareils basse tension et de faible puissance, tandis qu'un convertisseur multiplexé à 12 impulsions ou plus est utilisé pour les appareils moyenne tension et de forte puissance. Les convertisseurs côté charge utilisent souvent des onduleurs à pont à deux niveaux pour les appareils basse tension de faible puissance, tandis que des onduleurs multiniveaux sont utilisés pour les appareils moyenne tension de forte puissance. Pour la transmission en mode quatre quadrants, afin de permettre la réinjection d'énergie régénérée dans le réseau et d'économiser de l'énergie, l'onduleur côté réseau doit être un onduleur réversible. Parallèlement, un onduleur à double modulation de largeur d'impulsion (PWM) avec flux de puissance bidirectionnel a fait son apparition. Une commande appropriée de l'onduleur côté réseau permet de rapprocher le courant d'entrée d'une onde sinusoïdale et de réduire la pollution du réseau. Actuellement, des convertisseurs de fréquence basse et moyenne tension intègrent ce type de produit.
7. Les méthodes de commande des onduleurs à tension variable à modulation de largeur d'impulsion peuvent inclure la commande par modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM), la commande PWM pour éliminer les ordres harmoniques spécifiés, la commande de suivi du courant et la commande vectorielle spatiale de tension (commande de suivi du flux magnétique).
8. Les progrès des méthodes de contrôle de réglage de la conversion de fréquence pour les moteurs électriques à courant alternatif se reflètent principalement dans le développement des systèmes de contrôle vectoriel et de contrôle direct du couple sans capteurs de vitesse, qui sont passés d'un contrôle scalaire à un contrôle vectoriel et à un contrôle direct du couple à hautes performances dynamiques.
9. Les progrès réalisés dans le domaine des microprocesseurs ont orienté le développement des contrôleurs modernes vers la commande numérique : les systèmes de commande de mouvement sont des systèmes rapides, notamment la commande haute performance des moteurs à courant alternatif, qui exige le stockage de données variées et un traitement rapide en temps réel de grandes quantités d’informations. Ces dernières années, de grandes entreprises étrangères ont successivement lancé des cœurs basés sur un processeur de signal numérique (DSP), intégrant les circuits fonctionnels périphériques nécessaires à la commande du moteur sur une seule puce : le contrôleur de moteur monopuce DSP. Le prix et l’encombrement sont considérablement réduits, la structure est compacte, l’utilisation est simplifiée et la fiabilité est améliorée. Comparé aux microcontrôleurs classiques, le DSP offre une puissance de traitement numérique 10 à 15 fois supérieure, garantissant ainsi des performances de commande du système nettement supérieures.
La commande numérique simplifie le matériel et les algorithmes de commande flexibles offrent une grande souplesse, permettant la mise en œuvre de lois de commande complexes et concrétisant la théorie moderne du contrôle dans les systèmes de commande de mouvement. Elle facilite la connexion aux systèmes de niveau supérieur pour la transmission de données, simplifie le diagnostic des pannes, renforce les fonctions de protection et de surveillance et rend le système intelligent (comme certains convertisseurs de fréquence dotés de fonctions d'auto-ajustement).
10. Les moteurs synchrones à courant alternatif (CA) sont devenus incontournables dans le domaine de la transmission à fréquence variable, notamment les moteurs synchrones à aimants permanents. Ces moteurs présentent une structure sans balais, un facteur de puissance élevé et un rendement élevé, et leur vitesse de rotation est parfaitement synchronisée avec la fréquence du réseau. Il existe deux principaux types de systèmes de variation de fréquence pour moteurs synchrones : la variation de fréquence à commande externe et la variation de fréquence à commande automatique. Le principe de fonctionnement d'un moteur synchrone à variation de fréquence à commande automatique est très similaire à celui d'un moteur à courant continu (CC), le collecteur mécanique étant remplacé par un convertisseur électronique de puissance. Lorsqu'un convertisseur de tension CA-CC-CA est utilisé, on parle alors de « moteur CC sans collecteur » ou de « moteur CC sans balais (BLDC) ». Les systèmes traditionnels de variation de fréquence à commande automatique pour moteurs synchrones sont équipés d'un capteur de position du rotor, mais des systèmes sans capteur sont actuellement en développement. La variation de fréquence des moteurs synchrones peut également être contrôlée par vecteur, une méthode plus simple que pour les moteurs asynchrones, car le contrôle vectoriel est orienté en fonction du champ magnétique du rotor.
En résumé, la tendance de développement de la technologie des convertisseurs de fréquence est axée sur l'intelligence, la facilité d'utilisation, le bon fonctionnement, la sécurité et la fiabilité, la protection de l'environnement, le faible bruit, le faible coût et la miniaturisation.