Pour réaliser un rendement élevé, une grande facilité de gestion et des économies d’énergie dans les applications liées aux moteurs à induction industriels, il est nécessaire d’adopter des systèmes de convertisseur de fréquence contrôlables. Le système de convertisseur de fréquence est de nos jours un moteur à courant alternatif alimenté par un convertisseur de fréquence statique. Le convertisseur de fréquence à jour fonctionne très bien pour les applications de moteurs à courant alternatif et une installation facile. Un problème important, cependant, est causé par la tension de sortie non sinusoïdale. Ce facteur a causé beaucoup de problèmes indésirables. Les pertes accrues du moteur à induction, le bruit et les vibrations, l’impact néfaste sur le système d’isolation par induction et la défaillance des roulements sont des exemples de problèmes liés aux systèmes de conversion de fréquence. L’augmentation des pertes par induction signifie une réduction de la puissance de sortie de l’induction pour éviter la surchauffe. La mesure en laboratoire montre que les hausses de température peuvent être 40% plus élevées avec un convertisseur de fréquence par rapport aux alimentations générales. La recherche continue et l’amélioration des convertisseurs de fréquence ont résolu bon nombre de ces problèmes. Malheureusement, il semble que la résolution d’un problème en ait accentué un autre. La réduction des pertes d’induction et de convertisseur de fréquence tend à augmenter l’impact néfaste sur l’isolation. Les fabricants d’induction en sont bien sûr conscients. De nouvelles conceptions d’induction (moteurs résistants aux onduleurs) commencent à apparaître sur le marché. Une meilleure isolation de l’enroulement du stator et d’autres améliorations structurelles garantissent des moteurs à induction mieux adaptés aux applications de convertisseur de fréquence.
Introduction
L’un des problèmes les plus graves du moteur à induction a été la difficulté de l’adapter au réglage de la vitesse. La vitesse synchrone d’un moteur à courant alternatif est déterminée par l’équation suivante.

ns = 120 * f / p

ns = vitesse synchrone
f = fréquence du réseau électrique
p = nombre de pôles
La seule façon d’ajuster la vitesse, pour un nombre de pôles donné, est de changer la fréquence.
Le principe de base
En théorie, l’idée de base est simple, le processus de transformation de la fréquence de ligne électrique stable en une fréquence variable se fait essentiellement en deux étapes:

1. La source d’alimentation CA est redressée en une tension CONTINUE.
2. La tension continue est découpée en une tension alternative de la fréquence souhaitée.

Un convertisseur de fréquence se compose essentiellement de trois blocs: le redresseur, la liaison CC et l’onduleur.

Différents types de convertisseurs de fréquence
Onduleur de source de tension PWM (VSI)
Le PWM (Modulation de largeur d’impulsion) est largement appliqué dans l’industrie des convertisseurs de fréquence. Ils sont disponibles à partir de plusieurs centaines de watts jusqu’à mégawatts.

Un convertisseur PWM ne doit pas correspondre exactement à la charge, il suffit de s’assurer que la charge ne consomme pas de courant supérieur à celui pour lequel le convertisseur PWM est évalué. Il est tout à fait possible de faire fonctionner une induction de 20 kW avec un convertisseur PWM de 100 kW. C’est un grand avantage qui facilite le fonctionnement de l’application.
De nos jours, le convertisseur de fréquence PWM utilise un traducteur bipolaire à porte isolée (IGBT). Les convertisseurs de fréquence PWM modernes fonctionnent très bien et ne sont pas loin derrière les conceptions utilisant une alimentation sinusoïdale – du moins pas dans la plage de puissance allant jusqu’à 100 kW environ.
Onduleur de source de courant (CSI)
L’onduleur de source de courant est de conception approximative et plutôt simple par rapport au PWM. Il utilise de simples thyristors ou SCRS dans les circuits de puissance, ce qui le rend beaucoup moins cher. Il a également l’avantage d’être très fiable. La conception le rend résistant aux courts-circuits en raison des grandes inductances dans la liaison CC. Il est plus volumineux que le PWM.

Auparavant, l’inverseur de source de courant était le meilleur choix pour les grosses charges. Un inconvénient de l’onduleur de source de courant est la nécessité de s’adapter à la charge. Le convertisseur de fréquence doit être conçu pour le moteur à induction utilisé. En fait, l’induction elle-même fait partie du circuit inversé.
L’onduleur de source de courant alimente le moteur à induction avec un courant de forme carrée. À basse vitesse, l’induction produit un couple de rouage. Ce type de convertisseur de fréquence générera plus de bruit sur la source d’alimentation par rapport au convertisseur PWM. Le filtrage est nécessaire.
Les transitoires de tension lourde dans la tension de sortie sont un inconvénient supplémentaire de l’onduleur de source de courant. Les transitoires peuvent atteindre près de deux fois la tension nominale dans les pires cas. Il existe également un risque que l’isolation de l’enroulement soit usée prématurément, si ce convertisseur de fréquence est utilisé. Cet effet est plus grave lorsque la charge ne correspond pas correctement au convertisseur de fréquence. Cela peut se produire lors de l’exécution à charge partielle. Ce type de convertisseur de fréquence perd de plus en plus de sa popularité.

Contrôle vectoriel de flux (CVF)
Un contrôle vectoriel de flux est un type de convertisseur de fréquence plus sophistiqué qui est utilisé dans des applications ayant des exigences de contrôle extrêmes. Dans les papeteries par exemple, il est nécessaire de contrôler très précisément la vitesse et les forces d’étirement.
Un convertisseur de fréquence FVC a toujours une sorte de boucle de rétroaction. Ce type de convertisseur de fréquence présente généralement un intérêt mineur dans les applications de pompage. C’est cher et ses avantages ne peuvent pas être exploités.
Effet sur le moteur
Une induction fonctionne mieux lorsqu’elle est fournie avec une source de tension sinusoïdale pure. C’est principalement le cas lorsqu’il est connecté à une source d’alimentation électrique robuste.
Lorsqu’une induction est connectée à un convertisseur de fréquence, elle sera alimentée par une tension non sinusoïdale – plus comme une tension carrée hachée. Si nous fournissons une induction triphasée avec une tension carrée triphasée symétrique, toutes les harmoniques qui sont des multiples de trois, ainsi que les nombres pairs, seront éliminées à cause de la symétrie. Mais, il reste encore les chiffres 5; 7 et 11; 13 et 17; 19 et 23; 25 et ainsi de suite. Pour chaque paire d’harmoniques, le nombre inférieur tourne en sens inverse et le nombre supérieur tourne en avant.
La vitesse du moteur à induction est déterminée par le nombre fondamental, ou nombre 1, en raison de sa forte dominance. Maintenant qu’arrive-t-il aux harmoniques?
Du point de vue des harmoniques, l’induction semble avoir le rotor bloqué, ce qui signifie que le glissement est d’environ 1 pour les harmoniques. Ceux-ci ne fournissent aucun travail utile. Il en résulte principalement des pertes de rotor et un chauffage supplémentaire. Dans notre application en particulier, c’est un résultat sérieux. Avec la technologie moderne, cependant, il est possible d’éliminer une grande partie du contenu harmonique du courant d’induction, réduisant ainsi les pertes supplémentaires.
Convertisseur de fréquence avant
Les premiers convertisseurs de fréquence utilisaient souvent une simple tension carrée pour alimenter le moteur à induction. Ils ont causé des problèmes de chauffage et les inductions fonctionnaient avec un bruit typique causé par l’ondulation du couple. De bien meilleures performances ont été obtenues en éliminant simplement le cinquième et le septième. Cela a été fait grâce à une commutation supplémentaire du signal de tension.

Convertisseur de fréquence aujourd’hui
De nos jours, la technique est plus sophistiquée et la plupart des inconvénients sont historiques. Le développement de semi-conducteurs de puissance rapide et du micro-processeur a permis d’adapter le schéma de commutation de telle sorte que la plupart des harmoniques nuisibles soient éliminées.
Des fréquences de commutation jusqu’à 20 kHz sont disponibles pour les convertisseurs de fréquence de moyenne puissance (jusqu’à quelques dizaines de kW). Le courant d’induction avec ce type de convertisseur de fréquence sera presque en forme de sinus.
À une fréquence de commutation élevée, les pertes par induction sont maintenues faibles, mais les pertes dans le convertisseur de fréquence augmenteront. Les pertes totales augmenteront à des fréquences de commutation trop élevées.
Théorie de base du moteur
La production de couple dans un moteur à induction peut être exprimée en

T = V * τ * B

V = Volume actif du rotor
τ = Circonférence de l’alésage du stator par mètre
B = Densité de flux dans l’entrefer

B = proportionnelle à (E/ω) = E / (2 * π *f)

ω = fréquence angulaire de la tension statorique
E = tension statorique induite
Pour obtenir les meilleures performances à différentes vitesses, il devient nécessaire de maintenir un niveau d’aimantation approprié pour l’induction pour chaque vitesse.
Une gamme de caractéristiques de couple différentes est illustrée comme suit. Pour une charge de couple constante, le rapport V/F doit être constant. Pour la charge de couple carrée, un rapport V / F constant entraînera une aimantation excessivement élevée à vitesse inférieure. Cela générera des pertes de fer et des pertes de résistance inutilement élevées (I2R).

Il est préférable d’utiliser un rapport carré V / F. Les pertes en fer et les pertes en I2R sont ainsi réduites à un niveau plus acceptable pour le couple de charge réel.
Si nous regardons la figure, nous constatons que la tension a atteint son maximum et ne peut pas être augmentée au-dessus de la fréquence de base de 50 Hz. La plage au-dessus de la fréquence de base est appelée plage d’affaiblissement de champ. Une conséquence en est qu’il n’est plus possible de maintenir le couple nécessaire sans augmenter le courant. Cela se traduira par des problèmes de chauffage du même type qu’avec des sous-tensions normales exécutées à partir d’un réseau électrique sinusoïdal. Le courant nominal du convertisseur de fréquence sera probablement dépassé.
Fonctionnement dans la plage d’affaiblissement du champ

Parfois, il est tentant de faire fonctionner la pompe à des fréquences supérieures à la fréquence du réseau électrique commercial afin d’atteindre un point de service qui serait autrement impossible. Cela nécessite une prise de conscience supplémentaire. La puissance de l’arbre pour une pompe augmentera avec le cube de vitesse. Une vitesse de dépassement de 10% nécessitera 33% de puissance de sortie en plus. Grosso modo, on peut s’attendre à ce que la hausse de la température augmente d’environ 75%.

Il existe néanmoins une limite à ce que nous pouvons extraire de l’induction à vitesse excessive. Le couple maximal de l’induction diminuera en fonction de 1 / F dans la plage d’affaiblissement de champ.
Il est évident que l’induction va tomber si le convertisseur de fréquence ne peut pas la supporter avec une tension qui correspond à celle nécessaire au couple.
Déclassement
Dans de nombreux cas, l’induction fonctionne à sa capacité maximale à partir d’un réseau électrique sinusoïdal et tout chauffage supplémentaire ne peut être toléré. Si une telle induction est alimentée par un convertisseur de fréquence quelconque, elle doit probablement fonctionner à une puissance de sortie inférieure afin d’éviter une surchauffe.
Il n’est pas rare qu’un convertisseur de fréquence pour les grosses pompes de plus de 300 kW ajoute des pertes d’induction supplémentaires de 25 à 30%. Dans la plage de puissance supérieure, seuls quelques convertisseurs de fréquence ont une fréquence de commutation élevée: 500 à 1000 Hz est habituel pour l’ancienne génération de convertisseurs de fréquence.
Pour compenser les pertes supplémentaires, il est nécessaire de réduire la puissance de sortie. Nous recommandons un déclassement général de 10 à 15% pour les grosses pompes.
Comme le convertisseur de fréquence pollue le réseau d’alimentation en harmoniques, un filtre d’entrée est parfois prescrit par la compagnie d’électricité. Ce filtre diminuera la tension disponible de 5 à 10%. L’induction fonctionnera donc à 90-95% de la tension nominale. La conséquence est un chauffage supplémentaire. La sous-évaluation pourrait être nécessaire.
Exemple
Supposons que la puissance de sortie du moteur de pompe réel est de 300 kW à 50 Hz et que l’élévation de température est de 80 ° C en utilisant un réseau électrique sinusoïdal. Des pertes supplémentaires de 30% entraîneront une induction 30% plus chaude. Une hypothèse prudente est que l’élévation de température varie avec le carré de la puissance de l’arbre.

Pour ne pas dépasser 80°C, il faut réduire la puissance de l’arbre à

Préduced = √(1/1.3) * 300 = 263kW

La réduction peut être obtenue soit en réduisant le diamètre de la roue, soit en accélérant.
Pertes du convertisseur de fréquence
Lorsque l’efficacité totale d’un système de convertisseur de fréquence est déterminée, les pertes internes des convertisseurs de fréquence doivent être incluses. Ces pertes de convertisseur de fréquence ne sont pas constantes et difficiles à déterminer. Ils se composent d’une partie constante et d’une partie dépendante de la charge.
Pertes constantes:
Pertes de refroidissement (ventilateur de refroidissement) – pertes dans les circuits électroniques, etc.
Pertes dépendantes de la charge:
Pertes de commutation et pertes de plomb dans les semi-conducteurs de puissance.
La figure suivante montre l’efficacité du convertisseur de fréquence en fonction de la fréquence à une charge cubique pour les unités de 45, 90 et 260 kW. Les courbes sont représentatives pour les convertisseurs de fréquence dans la plage de puissance de 50 à 300 kW; avec une fréquence de commutation égale à environ 3 kHz et avec un IGBT de deuxième génération.

Effets sur l’isolation du moteur
Les tensions de sortie des convertisseurs de fréquence modernes ont un temps de montée en tension très court.

dU/dT = 5000V/µs est une valeur courante.

De telles pentes de tension abruptes entraîneront une contrainte excessive dans les matériaux d’isolation de l’enroulement d’induction. Avec des temps de montée courts, la tension dans l’enroulement du stator n’est pas uniformément répartie. Avec une alimentation sinusoïdale, la tension tour-tour dans un enroulement d’induction est normalement également répartie. Avec un convertisseur de fréquence, en revanche, jusqu’à 80% de la tension chutera aux premier et deuxième tours. L’isolation entre les fils constituant un point faible, celle-ci peut s’avérer dangereuse pour l’induction. Un temps de montée court provoque également une réflexion de tension dans le câble à induction. Dans le pire des cas, ce phénomène doublera la tension aux bornes de l’induction. Une induction alimentée par un convertisseur de fréquence de 690 volts peut être exposée à jusqu’à 1 900 volts entre les phases.
L’amplitude de tension dépend de la longueur du câble d’induction et du temps de montée. Avec des temps de montée très courts, une réflexion complète se produit dans un câble de 10 à 20 mètres de long.
Pour assurer le fonctionnement et une durée de vie suffisante du moteur, il est absolument nécessaire d’adapter un enroulement pour une utilisation avec un convertisseur de fréquence. Les inductances pour des tensions supérieures à 500 volts doivent avoir une forme d’isolation renforcée. L’enroulement du stator doit être imprégné d’une résine qui assure une isolation exempte de bulles ou de cavités. Les décharges luminescentes commencent souvent autour des cavités. Ce phénomène finira par détruire l’isolation.

Il existe des moyens de protéger un moteur. Au-delà d’un système d’isolation renforcé, il peut être nécessaire d’insérer un filtre entre le convertisseur de fréquence et l’induction. De tels filtres sont disponibles auprès de la plupart des fournisseurs de convertisseurs de fréquence bien connus.
Un filtre ralentira généralement le temps de montée en tension de

dU / dT = 5000V / µs à 500-600V / µs

Défaillance du roulement
La panne d’une machine rotative peut souvent être liée à une défaillance du roulement. En plus d’un échauffement excessif, d’une lubrification insuffisante ou d’une fatigue du métal, le courant électrique traversant les roulements peut être à l’origine de nombreuses pannes mystérieuses des roulements, en particulier avec de grandes inductions. Ce phénomène est généralement causé par une non-symétrie dans le circuit magnétique, qui induit une faible tension dans la structure du stator, ou par un courant de séquence nul. Si le potentiel entre la structure du stator et l’unité d’arbre devient suffisamment élevé, une décharge aura lieu à travers le roulement. De petites décharges électriques entre les éléments roulants et le chemin de roulement du roulement endommageront éventuellement le roulement.
L’utilisation de convertisseurs de fréquence augmentera la probabilité que ce type de défaillance de roulement se produise. La technique de commutation d’un convertisseur de fréquence moderne provoque un courant de séquence nulle qui, dans certaines circonstances, se fraye un chemin à travers les paliers.
Le moyen le plus simple de résoudre ce problème est de soulever un obstacle pour le courant. La méthode habituelle consiste à utiliser un roulement avec un revêtement isolant sur la bague extérieure.
Conclusions
L’utilisation d’un convertisseur de fréquence ne signifie pas sans problème. Beaucoup de questions auxquelles il faut prêter attention lors du travail de conception. Faudra-t-il, par exemple, limiter la puissance de l’arbre disponible pour éviter un échauffement excessif? Il peut s’avérer nécessaire de fonctionner à une puissance de sortie inférieure pour éviter ce problème.
L’isolation du moteur à induction résistera-t-elle aux effets de l’onduleur? Le filtrage est-il nécessaire ? Les onduleurs modernes et efficaces ont un impact néfaste sur l’isolation en raison de la fréquence de commutation élevée et du court temps de montée en tension.
Quelle longueur maximale de câble peut être utilisée sans produire de réflexion de pleine tension? L’amplitude de la tension dépend à la fois de la longueur du câble et du temps de montée. Avec des temps de montée très courts, une réflexion complète se produira dans des câbles de 10 à 20 mètres de long.
Pourrait-il être nécessaire d’utiliser des roulements isolés afin d’empêcher un courant de séquence nulle de se frayer un chemin vers les roulements?
Ce n’est que lorsque nous aurons dissipé toutes ces questions que nous pourrons prendre les bonnes décisions concernant l’utilisation d’un convertisseur de fréquence.