Un convertisseur de fréquence est un appareil électronique qui convertit l'électricité à courant alternatif (AC) d'une fréquence à une autre. L'utilisation la plus courante des convertisseurs de fréquence consiste à permettre à des équipements nécessitant une fréquence d'entrée particulière d'être alimentés à partir d'une alimentation fonctionnant à une fréquence différente.
Les composants clés d'un convertisseur de fréquence sont des redresseurs, des onduleurs et un système de contrôle électronique. Le processus implique :
Redresser l'entrée AC en courant continu (DC)
Inversion du courant continu en courant alternatif à la fréquence de sortie souhaitée
Contrôler la tension et la fréquence de sortie
Il existe deux principaux types de convertisseurs de fréquence :
Convertisseurs rotatifs – Ceux-ci utilisent des composants électromécaniques comme des moteurs et des générateurs pour convertir la fréquence. Ils sont encombrants et moins efficaces mais peuvent gérer des applications à forte puissance.
Convertisseurs statiques – Ceux-ci utilisent des composants électroniques à semi-conducteurs sans pièces mobiles. Ils sont plus compacts, efficaces et adaptés aux applications à faible consommation. Les conceptions courantes de convertisseurs statiques incluent les convertisseurs matriciels et les convertisseurs PWM.
En convertissant la fréquence d'entrée en une fréquence de sortie différente, les convertisseurs de fréquence permettent aux équipements conçus pour une fréquence de fonctionner en utilisant une fréquence d'alimentation différente. Cela élimine le besoin de remplacer les moteurs, transformateurs ou générateurs existants en cas de changement d'alimentation électrique.
Les convertisseurs de fréquence, également appelés variateurs de fréquence (VFD), offrent plusieurs avantages clés qui en font un complément utile à de nombreuses applications industrielles et commerciales. Voici quelques-unes des principales raisons d’utiliser un variateur de fréquence :
Permet le contrôle de la vitesse des moteurs à courant alternatif - L'une des principales fonctions d'un variateur de fréquence est de contrôler la vitesse des moteurs à induction à courant alternatif. En ajustant la fréquence de la puissance fournie au moteur, la vitesse peut être augmentée ou diminuée en douceur sur une large plage. Cette capacité de vitesse réglable est utile pour les applications telles que les convoyeurs, les pompes, les ventilateurs et les machines-outils où une vitesse variable est requise.
Correspond aux fréquences entre les sources d'alimentation - Les convertisseurs de fréquence peuvent faire correspondre différentes fréquences entre deux sources d'alimentation CA. Par exemple, ils peuvent connecter un moteur de 50 Hz à une alimentation de 60 Hz, permettant un fonctionnement flexible entre des sources incompatibles. Cela permet de faire fonctionner des équipements conçus pour une fréquence sur une fréquence de réseau différente.
Réduit la consommation d'énergie - En permettant un fonctionnement à vitesse réglable, les convertisseurs de fréquence peuvent économiser beaucoup d'énergie par rapport au fonctionnement d'un moteur à courant alternatif à pleine vitesse constante. Le convertisseur ajuste la tension et la fréquence pour répondre aux demandes immédiates de la charge, plutôt que de fournir une pleine tension continue. Cette optimisation réduit le gaspillage d’énergie et peut conduire à des améliorations majeures de l’efficacité.
En résumé, les convertisseurs de fréquence offrent les principaux avantages du contrôle de la vitesse du moteur, de l'adaptation de fréquence et des économies d'énergie. Leur flexibilité et leurs capacités d'optimisation en font un composant essentiel pour de nombreuses applications industrielles impliquant des moteurs AC et l'électronique de puissance. Avec le bon convertisseur, les opérations peuvent être rationalisées, l’efficacité améliorée et les coûts réduits.
Les convertisseurs de fréquence sont utilisés dans une large gamme d'applications industrielles et commerciales pour contrôler la vitesse et le couple des moteurs électriques. Certaines des applications les plus courantes incluent :
L'une des principales utilisations des convertisseurs de fréquence est le contrôle précis de la vitesse des moteurs à induction triphasés. En faisant varier la fréquence de l'alimentation électrique, la vitesse du moteur connecté peut être contrôlée avec précision. Cela permet aux opérations d'adapter la vitesse du moteur aux exigences spécifiques de l'application. Les convertisseurs de fréquence sont utilisés pour contrôler la vitesse des moteurs dans les convoyeurs, les pompes, les ventilateurs, les compresseurs, les broyeurs, etc.
Les convertisseurs de fréquence permettent la connexion de réseaux électriques, de générateurs et de moteurs fonctionnant à différentes fréquences. Ils peuvent par exemple connecter un réseau 50 Hz à un moteur 60 Hz. Le convertisseur crée une nouvelle fréquence de sortie qui correspond à l'appareil requis. Cela évite les inadéquations entre les systèmes électriques.
Les applications CVC telles que les ventilateurs, les pompes et les compresseurs bénéficient souvent de l'utilisation de convertisseurs de fréquence. En contrôlant la vitesse du moteur, le débit d'air et la capacité de refroidissement peuvent être finement régulés pour répondre à la demande. Cela évite le gaspillage d’énergie lié au fonctionnement à vitesse fixe. Les convertisseurs de fréquence permettent également un démarrage progressif des moteurs CVC, réduisant ainsi les courants de pointe de démarrage.
Les convertisseurs de fréquence permettent de contrôler la vitesse variable des moteurs de convoyeur. Cela permet d'adapter précisément la vitesse de la bande au débit de matériau. La vitesse du convoyeur peut être automatiquement modifiée pour éviter les sauvegardes ou maintenir les produits uniformément espacés. Les changements de vitesse progressifs permis par les convertisseurs réduisent également les chocs sur le système de convoyeur.
Les pompes et les compresseurs utilisent souvent des moteurs à induction AC. La conversion de fréquence permet d'ajuster la vitesse de leur moteur pour un fonctionnement plus efficace en adaptant la vitesse aux exigences de débit ou de pression. La capacité de démarrage progressif minimise également les surtensions dans la tuyauterie ou l'équipement connecté. Dans l’ensemble, les convertisseurs améliorent les performances tout en réduisant la consommation d’énergie.
Les convertisseurs de fréquence, également connus sous le nom de variateurs de fréquence (VFD), fonctionnent en convertissant le courant alternatif à fréquence fixe du service public d'électricité en une fréquence et une tension variables utilisées pour entraîner les moteurs. Il y a trois étapes principales dans un VFD de base :
Le redresseur convertit le courant alternatif d'entrée en courant continu. Il utilise généralement un pont redresseur à diodes pleine onde pour convertir le courant alternatif entrant en courant continu pulsé. L'étage redresseur fournit une tension continue constante qui peut ensuite être filtrée et convertie en la forme d'onde de sortie souhaitée.
Liaison/Bus CC
Après l'étage redresseur, le circuit intermédiaire est constitué de condensateurs qui lissent le courant continu pulsé. Cela crée un bus de tension continue intermédiaire stable qui connecte les étages redresseur et onduleur. La tension du bus CC alimente les composants de l’étage onduleur.
Étage inverseur
L'onduleur prend la tension du bus CC et la convertit en une forme d'onde de sortie à fréquence et tension variables à l'aide de transistors de puissance tels que les IGBT ou les MOSFET. Les techniques de modulation de largeur d'impulsion (PWM) sont utilisées pour faire varier la largeur des impulsions appliquées aux dispositifs de commutation de l'onduleur. Cela crée la forme d'onde de sortie CA souhaitée pour entraîner le moteur à différentes vitesses.
La forme d'onde de sortie PWM est une onde sinusoïdale découpée plutôt qu'une sinusoïde propre. Mais l’inductance dans les enroulements du moteur contribue à lisser les impulsions. La variation de la largeur d'impulsion PWM fait varier la fréquence et la tension appliquées au moteur. Cela permet le contrôle de vitesse variable des moteurs à courant alternatif triphasés avec un VFD.
Lors de la sélection d'un variateur de fréquence pour votre application, plusieurs facteurs clés doivent être pris en compte :
Puissance nominale
La puissance nominale, exprimée en kW ou en CV, doit être adaptée à votre moteur. Généralement, le convertisseur doit avoir une puissance nominale d'environ 110 à 125 % de la puissance nominale du moteur. Un surdimensionnement améliore les performances, tandis qu'un sous-dimensionnement peut endommager le convertisseur ou le moteur.
Tenez compte à la fois de la puissance d’entrée et de sortie. La puissance d'entrée dépend de votre tension d'alimentation, tandis que la puissance de sortie dépend de la tension du moteur.
Gardez à l'esprit que la capacité de sortie du convertisseur diminue à mesure que la fréquence de sortie augmente au-dessus de la fréquence de base du moteur (généralement 50-60 Hz). Consultez les courbes de déclassement de puissance.
Tension d'entrée et de sortie
La plage de tension d'entrée doit correspondre à votre alimentation. Les tensions d'entrée courantes sont de 480 V, 600 V et 690 V pour les applications à puissance plus élevée.
La tension de sortie doit correspondre à la tension nominale de votre moteur. Les options standard sont 230 V, 460 V, 575 V. Certains convertisseurs prennent en charge plusieurs tensions de sortie.
Utilisation d'un convertisseur avec une sortie.
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