Convertisseur de fréquence pour moteur électrique. Découvrez ce qu’est « VFD » dans d’autres dictionnaires

Actuellement, le moteur électrique asynchrone est devenu le dispositif principal de la plupart des entraînements électriques. De plus en plus, un onduleur avec contrôle PWM est utilisé pour le contrôler. Une telle gestion offre de nombreux avantages, mais crée également des problèmes dans le choix de l'un ou l'autre. solutions techniques. Essayons de les comprendre plus en détail.

Dispositif convertisseur de fréquence

Le développement et la production d'une large gamme de modules IGBT à transistors haute puissance et haute tension ont permis de mettre en œuvre des interrupteurs de puissance multiphasés contrôlés directement par des signaux numériques. Des outils informatiques programmables ont permis de former séquences de nombres, fournissant des signaux. Le développement et la production en série de microcontrôleurs monopuce dotés de grandes ressources informatiques ont permis de passer à des entraînements servoélectriques avec des contrôleurs numériques.

En règle générale, les convertisseurs de fréquence de puissance sont réalisés selon un circuit contenant un redresseur utilisant des diodes ou des transistors de puissance puissants et un onduleur (interrupteur commandé) utilisant des transistors IGBT shuntés par des diodes (Fig. 1).

Riz. 1. Circuit convertisseur de fréquence

L'étage d'entrée redresse la tension du réseau sinusoïdale fournie qui, après lissage à l'aide d'un filtre inductif-capacitif, sert de source d'alimentation à un onduleur contrôlé qui, sous l'action de commandes de commande numériques, génère un signal c, qui génère des courants sinusoïdaux dans les enroulements du stator avec des paramètres qui assurent le mode de fonctionnement requis du moteur électrique.

Le contrôle numérique du convertisseur de puissance est effectué à l'aide d'un matériel et d'un logiciel à microprocesseur correspondant aux tâches assignées. Le dispositif informatique génère des signaux de commande pour 52 modules en temps réel et traite également les signaux des systèmes de mesure qui contrôlent le fonctionnement du variateur.

Les dispositifs de puissance et les installations informatiques de contrôle sont combinés dans un produit industriel structurellement conçu appelé convertisseur de fréquence.

Il existe deux principaux types de convertisseurs de fréquence utilisés dans les équipements industriels :

convertisseurs de marque pour des types spécifiques d'équipements.

Les convertisseurs de fréquence universels sont conçus pour un contrôle polyvalent du fonctionnement de l'IM dans les modes spécifiés par l'utilisateur.

L'installation et le contrôle des modes de fonctionnement du variateur de fréquence peuvent être effectués à l'aide d'un panneau de commande équipé d'un écran pour afficher les informations saisies. DANS version simplifiée Pour le contrôle de fréquence scalaire, vous pouvez utiliser un ensemble de fonctions logiques simples disponibles dans les paramètres d'usine du contrôleur et un contrôleur PID intégré.

Pour mettre en œuvre des modes de contrôle plus complexes utilisant les signaux des capteurs de retour, il est nécessaire de développer une structure ACS et un algorithme, qui doivent être programmés à l'aide d'un ordinateur externe connecté.

La plupart des fabricants produisent toute une série convertisseurs de fréquence qui diffèrent en entrée et en sortie caractéristiques électriques, pouvoir, conception et d'autres paramètres. Pour le raccordement à des équipements externes (alimentation, moteur), des éléments externes supplémentaires peuvent être utilisés : démarreurs magnétiques, transformateurs, selfs.

Types de signaux de contrôle

Il est nécessaire de distinguer les différents types de signaux et d'utiliser un câble séparé pour chacun d'eux. Différents types de signaux peuvent s’influencer mutuellement. Dans la pratique, une telle séparation se produit souvent, par exemple, le câble peut être connecté directement au variateur de fréquence.

Riz. 2. Exemple de connexion des circuits de puissance et des circuits de commande d'un variateur de fréquence

On distingue les types de signaux suivants :

analogique - signaux de tension ou de courant (0...10 V, 0/4...20 mA), dont la valeur change lentement ou rarement, il s'agit généralement de signaux de commande ou de mesure ;

signaux discrets de tension ou de courant (0...10 V, 0/4...20 mA), qui ne peuvent prendre que deux valeurs rarement changeantes (haute ou basse) ;

numérique (données) - signaux de tension (0...5 V, 0...10 V), qui changent rapidement et à haute fréquence, il s'agit généralement de signaux provenant des ports RS232, RS485, etc.

relais - contacts de relais (0...220 V CA) peut inclure des courants inductifs en fonction de la charge connectée (relais externes, lampes, vannes, dispositifs de freinage, etc.).

Sélection de la puissance du variateur de fréquence

Lors du choix de la puissance d'un variateur de fréquence, il est nécessaire de la baser non seulement sur la puissance du moteur électrique, mais également sur les courants et tensions nominaux du variateur et du moteur. Le fait est que la puissance indiquée du variateur de fréquence s'applique uniquement à son fonctionnement avec un moteur électrique asynchrone standard à 4 pôles dans des applications standard.

Les vrais disques présentent de nombreux aspects qui peuvent entraîner une augmentation de la charge actuelle du disque, par exemple lors du démarrage. DANS cas général, application variateur de fréquence permet de réduire les charges de courant et mécaniques dues à démarrage progressif. Par exemple, le courant de démarrage est réduit de 600 % à 100-150 % de la valeur nominale.

Fonctionnement à vitesse réduite

Il ne faut pas oublier que même si le convertisseur de fréquence permet facilement un contrôle de vitesse de 10:1, lorsque le moteur fonctionne à bas régime, la puissance de son propre ventilateur peut ne pas être suffisante. Il est nécessaire de surveiller la température du moteur et de prévoir une ventilation forcée.

Compatibilité électromagnétique

Le variateur de fréquence étant une puissante source d'harmoniques haute fréquence, un câble blindé de longueur minimale doit être utilisé pour connecter les moteurs. Un tel câble doit être posé à une distance d'au moins 100 mm des autres câbles. Cela minimise les interférences. Si vous devez croiser des câbles, le croisement se fait sous un angle de 90 degrés.

Alimentation du générateur de secours

Le démarrage progressif, fourni par le convertisseur de fréquence, vous permet de réduire puissance requise générateur Étant donné qu'avec un tel démarrage, le courant est réduit de 4 à 6 fois, la puissance du générateur peut être réduite d'un nombre similaire de fois. Mais tout de même, un contacteur doit être installé entre le générateur et le variateur, commandé depuis la sortie relais du variateur de fréquence. Cela protège le variateur de fréquence des surtensions dangereuses.

Alimentation d'un convertisseur triphasé à partir d'un réseau monophasé

Les convertisseurs de fréquence triphasés peuvent être alimentés à partir d'un réseau monophasé, mais leur courant de sortie ne doit pas dépasser 50 % du courant nominal.

Économiser de l'énergie et de l'argent

Les économies se produisent pour plusieurs raisons. Premièrement, en raison de la croissance jusqu'à des valeurs de 0,98, c'est-à-dire la puissance maximale est utilisée pour effectuer travail utile, le minimum est consacré aux pertes. Deuxièmement, un coefficient proche de celui-ci est obtenu dans tous les modes de fonctionnement du moteur.

Sans convertisseur de fréquence, les moteurs asynchrones à faibles charges ont un cosinus phi de 0,3 à 0,4. Troisièmement, il n'y a pas besoin de réglages mécaniques supplémentaires (amortisseurs, papillons, valves, freins, etc.), tout est fait électroniquement. Avec un tel dispositif de contrôle, les économies peuvent atteindre 50 %.

Synchronisez plusieurs appareils

Grâce aux entrées de contrôle supplémentaires du variateur de fréquence, il est possible de synchroniser les processus sur le convoyeur ou de définir le rapport de modification de certaines quantités en fonction d'autres. Par exemple, faites dépendre la vitesse de rotation de la broche de la machine de la vitesse d'avance de la fraise. Le processus sera optimisé car lorsque la charge sur la fraise augmente, l'avance sera réduite et vice versa.

Protection du réseau contre les harmoniques supérieures

Pour une protection supplémentaire, en plus des câbles blindés courts, des selfs de ligne et des condensateurs shunt sont utilisés. , en outre, limite la surtension lors de la mise sous tension.

Choisir la bonne classe de protection

Pour un fonctionnement sans problème d'un variateur de fréquence, un dissipateur thermique fiable est requis. Si vous utilisez des classes de protection élevées, par exemple IP 54 et supérieures, il est alors difficile ou coûteux d'obtenir une telle dissipation thermique. Par conséquent, vous pouvez utiliser une armoire séparée avec grande classe protection, où installer des modules de classe inférieure et assurer la ventilation et le refroidissement généraux.

Connexion en parallèle de moteurs électriques à un convertisseur de fréquence

Afin de réduire les coûts, un convertisseur de fréquence peut être utilisé pour contrôler plusieurs moteurs électriques. Sa puissance doit être choisie avec une marge de 10-15% de puissance totale tous les moteurs électriques. Dans ce cas, il est nécessaire de minimiser la longueur des câbles moteur et il est fortement conseillé d'installer un papillon moteur.

La plupart des variateurs de fréquence ne permettent pas de déconnecter ou de connecter les moteurs à l'aide de contacteurs lorsque le variateur de fréquence est en fonctionnement. Cela ne peut être effectué que via la commande d'arrêt du variateur.

Réglage de la fonction de contrôle

Pour recevoir performances maximales fonctionnement d'un entraînement électrique, tel que : facteur de puissance, efficacité, capacité de surcharge, douceur de contrôle, durabilité, vous devez choisir correctement la relation entre le changement de fréquence de fonctionnement et la tension à la sortie du convertisseur de fréquence.

La fonction de changement de tension dépend de la nature du couple résistant. A couple constant, la tension sur le stator du moteur électrique doit être régulée proportionnellement à la fréquence (régulation scalaire U/F = const). Pour un ventilateur, par exemple, un autre rapport est U/F*F = const. Si on augmente la fréquence de 2 fois, alors la tension doit être augmentée de 4 (régulation vectorielle). Il existe des lecteurs avec des fonctions de contrôle plus complexes.

Avantages d'utilisation entraînement électrique réglable avec convertisseur de fréquence

Sauf accroître l'efficacité et économie d'énergie, un tel entraînement électrique permet d'obtenir de nouvelles qualités de contrôle. Cela se traduit par le rejet des dispositifs mécaniques supplémentaires qui créent des pertes et réduisent la fiabilité des systèmes : freins, amortisseurs, papillons, vannes, vannes de régulation, etc. Le freinage, par exemple, peut être réalisé par rotation inverse du moteur électrique. champ magnétique dans le stator du moteur électrique. En modifiant uniquement la relation fonctionnelle entre la fréquence et la tension, nous obtenons un variateur différent sans rien changer à la mécanique.

Lecture de documents

Il convient de noter que même si les variateurs de fréquence sont similaires les uns aux autres et qu'après avoir maîtrisé l'un, il est facile de comprendre l'autre, il est néanmoins nécessaire de lire attentivement la documentation. Certains fabricants imposent des restrictions sur l'utilisation de leurs produits et, en cas de violation, ils retireront le produit de la garantie.

Les modes de fonctionnement des pompes centrifuges sont régulés le plus énergiquement en modifiant la vitesse de rotation de leurs roues. La vitesse de rotation des roues peut être modifiée si un entraînement électrique réglable est utilisé comme moteur d'entraînement.
La conception et les caractéristiques des turbines à gaz et des moteurs à combustion interne sont telles qu'elles peuvent permettre une modification de la vitesse de rotation dans la plage requise.

Il est pratique d'analyser le processus de régulation de la vitesse de rotation de tout mécanisme en utilisant les caractéristiques mécaniques de l'unité.

Considérons caractéristiques mécaniques unité de pompage composée d'une pompe et d'un moteur électrique. Sur la fig. 1 présente les caractéristiques mécaniques pompe centrifuge, équipé d'un clapet anti-retour (courbe 1) et d'un moteur électrique à rotor à cage d'écureuil (courbe 2).

Riz. 1. Caractéristiques mécaniques du groupe motopompe

La différence entre le couple du moteur électrique et le couple résistant de la pompe est appelée couple dynamique. Si le couple moteur est supérieur au moment résistant de la pompe, le couple dynamique est considéré comme positif ; s'il est inférieur, il est considéré comme négatif ;

Sous l'influence d'un couple dynamique positif, l'unité de pompage commence à fonctionner avec accélération, c'est-à-dire accélère. Si le couple dynamique est négatif, le groupe de pompage fonctionne avec un ralentissement, c'est-à-dire ralentit.

Lorsque ces moments sont égaux, un état de fonctionnement stable se produit, c'est-à-dire le groupe motopompe fonctionne à vitesse constante. Cette vitesse de rotation et le couple correspondant sont déterminés par l'intersection des caractéristiques mécaniques du moteur électrique et de la pompe (point a de la Fig. 1).

Si, pendant le processus de régulation, la caractéristique mécanique est modifiée d'une manière ou d'une autre, par exemple pour la rendre plus douce en introduisant une résistance supplémentaire dans le circuit rotorique du moteur électrique (courbe 3 sur la Fig. 1), le couple de rotation du moteur électrique deviendra inférieur au couple résistant.

Sous l'influence d'un couple dynamique négatif, l'unité de pompage commence à fonctionner plus lentement, c'est-à-dire ralentit jusqu'à ce que le couple et le moment de résistance soient à nouveau équilibrés (point b de la Fig. 1). Ce point correspond à sa propre fréquence de rotation et à sa propre valeur de couple.

Ainsi, le processus de régulation de la vitesse de rotation de l'unité de pompage s'accompagne en permanence de modifications du couple du moteur électrique et du moment résistant de la pompe.

La vitesse de rotation de la pompe peut être contrôlée soit en modifiant la vitesse de rotation du moteur électrique relié rigidement à la pompe, soit en modifiant le rapport de transmission reliant la pompe au moteur électrique, qui fonctionne à vitesse constante.

Réguler la vitesse des moteurs électriques

Les unités de pompage utilisent principalement des moteurs à courant alternatif. La vitesse de rotation d'un moteur à courant alternatif dépend de la fréquence du courant d'alimentation f, du nombre de paires de pôles p et du glissement s. En modifiant un ou plusieurs de ces paramètres, vous pouvez modifier la vitesse de rotation du moteur électrique et de la pompe qui y est connectée.

L'élément principal entraînement électrique à fréquence est . Dans le convertisseur, la fréquence constante du réseau d'alimentation f1 est convertie en une fréquence variable f 2. La vitesse de rotation du moteur électrique connecté à la sortie du convertisseur change proportionnellement à la fréquence f 2.

À l'aide d'un convertisseur de fréquence, les paramètres réseau pratiquement inchangés, tension U1 et fréquence f1, sont convertis en paramètres variables U2 et f 2 nécessaires au système de contrôle. Pour assurer un fonctionnement stable du moteur électrique, limiter sa surcharge en courant et en flux magnétique et maintenir des performances énergétiques élevées, un certain rapport entre ses paramètres d'entrée et de sortie doit être maintenu dans le variateur de fréquence, en fonction du type de caractéristiques mécaniques du moteur électrique. pompe. Ces rapports sont obtenus à partir de l'équation de la loi de régulation de fréquence.

Pour les pompes, le rapport suivant doit être respecté :

U1/f1 = U2/f2 = const

Sur la fig. 2 montre les caractéristiques mécaniques moteur électrique asynchrone avec régulation de fréquence. À mesure que la fréquence f2 diminue, la caractéristique mécanique change non seulement de position dans les coordonnées n - M, mais change également légèrement de forme. En particulier, le couple maximal du moteur électrique est réduit. Cela est dû au fait que si la relation U1/f1 = U2/f2 = const est observée et que la fréquence f1 change, l'influence de la résistance active du stator sur l'amplitude du couple moteur n'est pas prise en compte.

Riz. 2. Caractéristiques mécaniques d'un entraînement électrique à fréquence aux fréquences maximales (1) et basses (2)

Lorsque la régulation de fréquence prend en compte cette influence, le couple maximum reste inchangé, la forme de la caractéristique mécanique est conservée, seule sa position change.

Les convertisseurs de fréquence ont des caractéristiques énergétiques élevées du fait que la sortie du convertisseur fournit une forme de courbes de courant et de tension qui se rapproche de la sinusoïdale. Récemment, les convertisseurs de fréquence basés sur des modules IGBT (transistors bipolaires à grille isolée) sont devenus les plus répandus.

Le module IGBT est très efficace élément clé. Il a une faible chute de tension, une vitesse élevée et faible puissance commutation Un convertisseur de fréquence basé sur des modules IGBT avec PWM et un algorithme vectoriel pour contrôler un moteur électrique asynchrone présente des avantages par rapport aux autres types de convertisseurs. Il est caractérisé valeur élevée facteur de puissance sur toute la plage de fréquence de sortie.

Le diagramme schématique du convertisseur est présenté sur la Fig. 3.

Riz. 3. Schéma d'un convertisseur de fréquence sur modules IGBT : 1 - groupe ventilateur ; 2 - alimentation ; 3 - redresseur incontrôlé ; 4 - panneau de commande ; 5 - panneau de commande ; 6 - MLI ; 7 - bloc de conversion de tension ; 8 - carte du système de contrôle ; 9 - chauffeurs ; 10 - fusibles de l'unité onduleur ; 11 - capteurs de courant ; 12 - moteur asynchrone à cage d'écureuil ; Q1, Q2, Q3 - interrupteurs du circuit de puissance, du circuit de commande et du ventilateur ; K1, K2 - contacteurs pour charger les condensateurs et le circuit de puissance ; C - bloc de condensateurs ; Rl, R2, R3 - résistances pour limiter le courant de charge du condensateur, de décharge du condensateur et de l'unité de drainage ; VT - interrupteurs de puissance de l'onduleur (modules IGBT)

À la sortie du convertisseur de fréquence, une courbe de tension (courant) est formée, légèrement différente d'une sinusoïde, contenant des composantes harmoniques supérieures. Leur présence entraîne une augmentation des pertes dans le moteur électrique. Pour cette raison, lorsque l'entraînement électrique fonctionne à des vitesses de rotation proches de la vitesse nominale, le moteur électrique est surchargé.

Lors d'un fonctionnement à des vitesses inférieures, les conditions de refroidissement des moteurs électriques autoventilés utilisés pour entraîner les pompes se détériorent. Dans la plage de régulation normale des unités de pompage (1:2 ou 1:3), cette détérioration des conditions de ventilation est compensée par une réduction significative de la charge due à une diminution du débit et de la pression de la pompe.

Lors d'un fonctionnement à des fréquences proches de la valeur nominale (50 Hz), la détérioration des conditions de refroidissement combinée à l'apparition d'harmoniques d'ordre supérieur nécessite une réduction de la puissance mécanique admissible de 8 à 15 %. De ce fait, le couple maximal du moteur électrique est réduit de 1 à 2 %, son rendement de 1 à 4 %, cosφ de 5 à 7 %.

Pour éviter de surcharger le moteur électrique, il faut soit limiter la valeur supérieure de sa vitesse de rotation, soit équiper le variateur d'un moteur électrique plus puissant. Cette dernière mesure est obligatoire lorsque l'unité de pompage doit fonctionner à une fréquence f 2 > 50 Hz. La valeur supérieure du régime moteur est limitée en limitant la fréquence f 2 à 48 Hz. L'augmentation de la puissance nominale du moteur d'entraînement s'effectue en arrondissant à la valeur standard la plus proche.

Contrôle groupé des entraînements électriques réglables des unités

De nombreuses installations de pompage sont constituées de plusieurs unités. En règle générale, toutes les unités ne sont pas équipées d'un entraînement électrique réglable. De deux ou trois unités installées Il suffit de l'équiper d'un entraînement électrique réglable. Si un convertisseur est constamment connecté à l'une des unités, il y a une consommation inégale de la durée de vie de leur moteur, car une unité équipée d'un entraînement réglable est utilisée beaucoup plus longtemps.

Pour répartir la charge uniformément entre toutes les unités installées sur la station, des postes de contrôle de groupe ont été développés, à l'aide desquels les unités peuvent être alternativement connectées au convertisseur. Les postes de commande sont généralement fabriqués pour les unités basse tension (380 V).

En règle générale, les postes de commande basse tension sont conçus pour contrôler deux ou trois unités. Les postes de commande basse tension comprennent des disjoncteurs automatiques qui assurent une protection contre les défauts entre phases. courts-circuits et à la terre, des relais thermiques pour protéger les unités contre les surcharges, ainsi que des équipements de contrôle (clés, etc.).

Le circuit de commutation de la station de contrôle contient les verrouillages nécessaires qui permettent de connecter le convertisseur de fréquence à n'importe quelle unité sélectionnée et de remplacer les unités de fonctionnement sans perturber le mode de fonctionnement technologique de l'unité de pompage ou de soufflage.

En règle générale, les postes de contrôle ainsi que les éléments de puissance ( interrupteurs automatiques, contacteurs, etc.) contiennent des dispositifs de contrôle et de régulation (contrôleurs à microprocesseur, etc.).

A la demande du client, les stations sont équipées d'appareils de commutation automatique alimentation de secours(AVR), comptage commercial de l'électricité consommée, contrôle des équipements d'arrêt.

Si nécessaire, des dispositifs supplémentaires sont introduits dans la station de commande, garantissant l'utilisation d'un dispositif de démarrage progressif pour les unités ainsi qu'un convertisseur de fréquence.

Les postes de contrôle automatisés fournissent :

maintenir la valeur réglée paramètre technologique(pression, niveau, température, etc.) ;

contrôle des modes de fonctionnement des moteurs électriques des unités régulées et non régulées (contrôle de la consommation de courant, de la puissance) et de leur protection ;

activation automatique de l'unité de secours en cas de panne de l'unité principale ;

commuter les unités directement sur le réseau en cas de panne du convertisseur de fréquence ;

activation automatique de la sauvegarde (ATS) entrée électrique;

redémarrage automatique (AR) de la station après perte et chutes profondes de la tension d'alimentation réseau électrique;

changement automatique du mode de fonctionnement de la station avec arrêt et démarrage des unités à une heure donnée ;

activation automatique d'une unité supplémentaire non régulée si l'unité régulée, ayant atteint la vitesse nominale, ne fournissait pas l'alimentation en eau requise ;

alternance automatique des unités de fonctionnement à intervalles spécifiés pour assurer une consommation uniforme des ressources motrices ;

contrôle opérationnel du mode de fonctionnement de l'unité de pompage (soufflage) depuis le panneau de commande ou depuis la console de répartition.

Riz. 4. Poste de commande de groupe pour les entraînements électriques à fréquence variable des pompes

Efficacité de l'utilisation d'entraînements électriques à fréquence variable dans les unités de pompage

L'utilisation d'un variateur de fréquence permet des économies d'énergie importantes, puisqu'il permet d'utiliser de grandes unités de pompage en mode faible débit. Grâce à cela, il est possible, en augmentant la puissance unitaire des unités, de réduire leur nombre total, et donc de réduire dimensions hors tout bâtiments, simplifier le circuit hydraulique de la station, réduire le nombre de raccords de canalisations.

Ainsi, l'utilisation d'un entraînement électrique contrôlé dans les unités de pompage permet, en plus d'économiser de l'électricité et de l'eau, de réduire le nombre d'unités de pompage, de simplifier le circuit hydraulique de la station et de réduire le volume de construction du bâtiment. station de pompage. À cet égard, des effets économiques secondaires apparaissent : les coûts de chauffage, d'éclairage et de réparation des bâtiments sont réduits de 20 à 50 % en fonction de la destination des stations et d'autres conditions spécifiques ;

DANS documentation technique sur les convertisseurs de fréquence, il est indiqué que l'utilisation d'un entraînement électrique réglable dans les unités de pompage permet d'économiser jusqu'à 50 % de l'énergie dépensée pour le pompage propre et eaux usées, et la période de récupération est de trois à neuf mois.

Dans le même temps, les calculs et l'analyse de l'efficacité d'un entraînement électrique réglable dans les unités de pompage existantes montrent que dans les petites unités de pompage d'une puissance allant jusqu'à 75 kW, en particulier lorsqu'elles fonctionnent avec une composante de pression statique importante, le l'utilisation d'entraînements électriques réglables s'avère inappropriée. Dans ces cas, vous pouvez utiliser davantage systèmes simples régulation par étranglement, modifiant le nombre d'unités de pompage en fonctionnement.

L'utilisation d'un entraînement électrique réglable dans les systèmes d'automatisation des unités de pompage, d'une part, réduit la consommation d'énergie, d'autre part, nécessite des coûts d'investissement supplémentaires, par conséquent, la faisabilité de l'utilisation d'un entraînement électrique réglable dans les unités de pompage est déterminée en comparant les coûts donnés de deux options : de base et nouveau. Accepté comme nouvelle option unité de pompage, équipé d'un entraînement électrique réglable, et pour celui de base - une installation dont les unités fonctionnent à vitesse constante.

Les convertisseurs de fréquence sont conçus pour un contrôle de vitesse fluide moteur asynchrone en créant une tension triphasée à fréquence variable en sortie du convertisseur. Dans les cas les plus simples, la régulation de fréquence et de tension s'effectue conformément à caractéristique V/f donnée, les convertisseurs les plus avancés implémentent ce qu'on appelle contrôle vectoriel.
Le principe de fonctionnement d'un convertisseur de fréquence ou, comme on l'appelle souvent, d'un onduleur : tension alternative réseau industriel redressé par un bloc de diodes de redressement et filtré par une banque de condensateurs de grande capacité pour minimiser l'ondulation de la tension résultante. Cette tension est fournie à un circuit en pont qui comprend six transistors IGBT ou MOSFET contrôlés avec des diodes connectées en antiparallèle pour protéger les transistors contre les claquages ​​dus à une tension de polarité inversée qui se produit lors du travail avec les enroulements du moteur. De plus, le circuit comprend parfois un circuit de « drainage » d'énergie - un transistor avec une résistance de dissipation de puissance élevée. Ce circuit est utilisé en mode freinage pour supprimer la tension générée par le moteur et protéger les condensateurs contre la surcharge et les pannes.
Le schéma fonctionnel de l'onduleur est présenté ci-dessous.
Un convertisseur de fréquence équipé d'un moteur électrique asynchrone permet de remplacer un entraînement électrique CC. Les systèmes de contrôle de la vitesse des moteurs à courant continu sont assez simples, mais le point faible d'un tel entraînement électrique est le moteur électrique. C'est cher et peu fiable. Pendant le fonctionnement, les balais produisent des étincelles et le collecteur s'use sous l'influence de l'érosion électrique. Ce moteur électrique ne peut pas être utilisé dans des environnements poussiéreux ou explosifs.
Les moteurs électriques asynchrones sont supérieurs aux moteurs à courant continu à bien des égards : ils sont de conception simple et fiables, car ils n'ont pas de contacts mobiles. Ils ont des dimensions, un poids et un coût inférieurs à ceux des moteurs à courant continu pour la même puissance. Les moteurs asynchrones sont faciles à fabriquer et à exploiter.
Le principal inconvénient des moteurs électriques asynchrones est la difficulté de réguler leur vitesse. méthodes traditionnelles(en modifiant la tension d'alimentation, en introduisant des résistances supplémentaires dans le circuit d'enroulement).
Le contrôle d'un moteur électrique asynchrone en mode fréquence était jusqu'à récemment un gros problème, bien que la théorie du contrôle de fréquence ait été développée dans les années trente. Le développement des variateurs de fréquence a été entravé coût élevé convertisseurs de fréquence. L'émergence de circuits de puissance à transistors IGBT et le développement de systèmes de contrôle à microprocesseur performants ont permis diverses entreprises L'Europe, les États-Unis et le Japon créent des convertisseurs de fréquence modernes à des prix abordables.
La vitesse de rotation des actionneurs peut être contrôlée à l'aide de divers appareils: variateurs mécaniques, accouplements hydrauliques, résistances insérées en plus dans le stator ou le rotor, convertisseurs de fréquence électromécaniques, convertisseurs de fréquence statiques.
L'utilisation des quatre premiers appareils ne fournit pas haute qualité contrôle de vitesse, peu économique, coûteux à installer et à exploiter. Les convertisseurs de fréquence statiques sont actuellement les dispositifs de commande d'entraînement asynchrone les plus avancés.
Le principe de la méthode fréquentielle de régulation de la vitesse d'un moteur asynchrone est qu'en modifiant la fréquence f1 de la tension d'alimentation, il est possible conformément à l'expression

sans changer le nombre de paires de pôles p, modifiez la vitesse angulaire du champ magnétique du stator.
Cette méthode permet un contrôle fluide de la vitesse dans large gamme, et les caractéristiques mécaniques ont une rigidité élevée.
La régulation de vitesse ne s'accompagne pas d'une augmentation du glissement du moteur asynchrone, les pertes de puissance lors de la régulation sont donc faibles.
Pour obtenir des performances énergétiques élevées d'un moteur asynchrone - facteurs de puissance, rendement, capacité de surcharge - il est nécessaire de modifier la tension d'entrée simultanément avec la fréquence.
La loi de variation de tension dépend de la nature du couple résistant Ms. A couple de charge constant Mc=const, la tension sur le stator doit être régulée proportionnellement à la fréquence :

Pour la nature du ventilateur du couple résistant, cet état a la forme :

Avec un couple résistant inversement proportionnel à la vitesse :

Ainsi, pour une régulation continue en douceur de la vitesse de l'arbre d'un moteur électrique asynchrone, le convertisseur de fréquence doit assurer une régulation simultanée de la fréquence et de la tension sur l'enroulement du stator du moteur asynchrone.
Avantages de l'utilisation d'un variateur de vitesse dans processus technologiques
L'utilisation d'un entraînement électrique contrôlé garantit des économies d'énergie et permet d'obtenir de nouvelles qualités de systèmes et d'objets. Des économies d'énergie importantes sont réalisées en régulant n'importe quel paramètre technologique. S'il s'agit d'un convoyeur ou d'un convoyeur, vous pouvez alors régler la vitesse de son mouvement. S'il s'agit d'une pompe ou d'un ventilateur, vous pouvez maintenir la pression ou réguler les performances. S'il s'agit d'une machine-outil, vous pouvez régler en douceur la vitesse d'avance ou le mouvement principal.
Un effet économique particulier de l'utilisation de convertisseurs de fréquence provient de l'utilisation de la régulation de fréquence dans les installations de transport de liquides. Jusqu'à présent, le moyen le plus courant de réguler les performances de tels objets est l'utilisation de vannes à vanne ou de vannes de régulation, mais aujourd'hui, le contrôle de la fréquence d'un moteur asynchrone entraînant, par exemple, la roue d'une unité de pompage ou d'un ventilateur devient disponible. Lors de l'utilisation de régulateurs de fréquence, un réglage en douceur de la vitesse de rotation est assuré, ce qui élimine dans la plupart des cas l'utilisation de boîtes de vitesses, variateurs, selfs et autres équipements de contrôle.
Lorsqu'il est connecté via un convertisseur de fréquence, le moteur démarre en douceur, sans courants de démarrage ni chocs, ce qui réduit la charge sur le moteur et les mécanismes, augmentant ainsi leur durée de vie.
Les perspectives de régulation de fréquence sont clairement visibles sur la figure


Ainsi, lors de l'étranglement, le flux d'une substance retenu par une vanne ou une vanne n'effectue aucun travail utile. L'utilisation d'un entraînement électrique réglable d'une pompe ou d'un ventilateur vous permet de régler la pression ou le débit requis, ce qui permettra non seulement d'économiser de l'énergie, mais réduira également les pertes de substance transportée.
Structure du convertisseur de fréquence
La plupart des convertisseurs de fréquence modernes sont construits selon un schéma de double conversion. Ils se composent des éléments principaux suivants : un circuit intermédiaire CC (redresseur non contrôlé), un onduleur à impulsions de puissance et un système de contrôle.
Le circuit intermédiaire se compose d'un redresseur non contrôlé et d'un filtre. La tension alternative du réseau d'alimentation est convertie en tension continue.
L'onduleur à impulsions triphasé de puissance se compose de six commutateurs à transistors. Chaque enroulement du moteur électrique est connecté via un interrupteur correspondant aux bornes positives et négatives du redresseur. L'onduleur convertit la tension redressée en une tension alternative triphasée de la fréquence et de l'amplitude requises, qui est appliquée aux enroulements du stator du moteur électrique.
Dans les étages de sortie de l'onduleur, des transistors IGBT de puissance sont utilisés comme commutateurs. Par rapport aux thyristors, ils ont plus haute fréquence commutation, qui vous permet de produire un signal de sortie sinusoïdal avec une distorsion minimale.
Principe de fonctionnement du convertisseur de fréquence
Le convertisseur de fréquence se compose d'un redresseur de puissance à diode non contrôlé B, d'un onduleur autonome, d'un système de contrôle PWM, d'un régulation automatique, starter Lв et condensateur de filtrage Cв. Régulation de la fréquence de sortie fout. et la tension Uout est réalisée dans l'onduleur grâce au contrôle de la largeur d'impulsion haute fréquence.
Le contrôle de la largeur d'impulsion est caractérisé par une période de modulation pendant laquelle l'enroulement du stator du moteur électrique est connecté alternativement aux pôles positifs et négatifs du redresseur.
La durée de ces états au sein de la période PWM est modulée selon une loi sinusoïdale. À des fréquences d'horloge PWM élevées (généralement 2...15 kHz), des courants sinusoïdaux circulent dans les enroulements du moteur, en raison de leurs propriétés de filtrage.


Ainsi, la forme de la courbe de tension de sortie est une séquence bipolaire haute fréquence d'impulsions rectangulaires (Fig. 3).
La fréquence d'impulsion est déterminée par la fréquence PWM, la durée (largeur) des impulsions pendant la période de la fréquence de sortie de l'AU est modulée selon une loi sinusoïdale. La forme de la courbe du courant de sortie (courant dans les enroulements d'un moteur électrique asynchrone) est presque sinusoïdale.
La régulation de la tension de sortie de l'onduleur peut être effectuée de deux manières : amplitude (AP) en modifiant la tension d'entrée Uv et largeur d'impulsion (PWM) en modifiant le programme de commutation des vannes V1-V6 à Uv = const.
La deuxième méthode s'est répandue dans les convertisseurs de fréquence modernes grâce au développement de élément de base(microprocesseurs, transistors IBGT). Avec la modulation de largeur d'impulsion, la forme des courants dans les enroulements du stator d'un moteur asynchrone s'avère proche de la sinusoïdale en raison des propriétés de filtrage des enroulements eux-mêmes.

Ce contrôle vous permet d'obtenir haute efficacité convertisseur et est équivalent au contrôle analogique utilisant la fréquence et l’amplitude de tension.
Les onduleurs modernes sont fabriqués sur la base de dispositifs à semi-conducteurs de puissance entièrement contrôlés - GTO à activation - thyristors ou transistors IGBT bipolaires avec grille isolée. Sur la fig. La figure 2.45 montre un circuit en pont triphasé d'un onduleur autonome utilisant des transistors IGBT.
Il est constitué d'un filtre capacitif d'entrée Cf et de six transistors IGBT V1-V6 connectés dos à dos aux diodes à courant inverse D1-D6.
En commutant alternativement les vannes V1-V6 selon l'algorithme spécifié par le système de contrôle, la tension d'entrée constante Uв est convertie en une tension de sortie alternative à impulsion rectangulaire. La composante active du courant du moteur électrique asynchrone circule à travers les interrupteurs commandés V1-V6 et la composante réactive du courant circule à travers les diodes D1-D6.


I – onduleur en pont triphasé ;
B – pont redresseur triphasé ;
Sf – condensateur de filtrage ;

Option pour connecter un convertisseur de fréquence d'Omron.

Connexion de convertisseurs de fréquence conformément aux exigences CEM

L'installation et le raccordement conformes à la CEM sont décrits en détail dans les manuels des appareils correspondants.

Convertisseurs d'informations techniques

Créé à la fin du XIXème siècle, le moteur asynchrone triphasé est devenu un élément indispensable de la production industrielle moderne.

Pour démarrer et arrêter en douceur un tel équipement, un dispositif spécial est nécessaire : un convertisseur de fréquence. La présence d'un convertisseur pour les gros moteurs avec haute puissance. Avec ça appareil supplémentaire vous pouvez réguler les courants de démarrage, c'est-à-dire contrôler et limiter leur valeur.

Si vous réglez exclusivement le courant de démarrage mécaniquement, il ne sera pas possible d'éviter les pertes d'énergie et de réduire la durée de vie des équipements. Ce courant est cinq à sept fois supérieur à la tension nominale, ce qui est inacceptable pour fonctionnement normaléquipement.

Le principe de fonctionnement d'un convertisseur de fréquence moderne implique l'utilisation d'une commande électronique. Ils assurent non seulement un démarrage progressif, mais régulent également en douceur le fonctionnement du variateur, en respectant strictement la relation entre tension et fréquence selon une formule donnée.

Le principal avantage de l'appareil est l'économie de consommation d'énergie, en moyenne de 50 %. Et aussi la possibilité d'ajustement en tenant compte des besoins de production spécifiques.

L'appareil fonctionne sur le principe de la double conversion de tension.

1. redressée et filtrée par un système de condensateurs.
2. Puis vient le travail contrôle électronique– un courant est généré avec la fréquence spécifiée (programmée).

La sortie produit des impulsions rectangulaires qui, sous l'influence de l'enroulement du stator du moteur (son inductance), se rapprochent d'une sinusoïde.

Que rechercher lors du choix ?

Les fabricants se concentrent sur le coût du convertisseur. Par conséquent, de nombreuses options ne sont disponibles que sur des modèles coûteux. Lors du choix d'un appareil, vous devez déterminer les exigences de base pour une utilisation spécifique.

• Le contrôle peut être vectoriel ou scalaire. Le premier permet un réglage précis. Le second ne prend en charge qu'une seule relation spécifiée entre la fréquence et la tension de sortie et ne convient que pour appareils simples, comme un fan.
• Plus la puissance spécifiée est élevée, plus l'appareil sera universel - l'interchangeabilité sera assurée et la maintenance des équipements sera simplifiée.
• La plage de tension du réseau doit être aussi large que possible, ce qui protégera contre les modifications de ses normes. La rétrogradation n'est pas aussi dangereuse pour l'appareil que la mise à niveau. Avec ce dernier, les condensateurs du réseau pourraient bien exploser.
• La fréquence doit répondre pleinement aux besoins de production. La limite inférieure indique la plage de contrôle de vitesse du variateur. Si une zone plus large est nécessaire, une lutte anti- vectorielle sera nécessaire. En pratique, des fréquences de 10 à 60 Hz sont utilisées, moins souvent jusqu'à 100 Hz.
• Le contrôle s'effectue via diverses entrées et sorties. Plus il y en a, mieux c'est. Mais plus Les connecteurs augmentent considérablement le coût de l'appareil et complique sa configuration.

Les entrées (sorties) discrètes sont utilisées pour entrer des commandes de contrôle et émettre des messages d'événement (par exemple, surchauffe), numériques - pour entrer des signaux numériques (haute fréquence), analogiques - pour entrer des signaux de retour.

• Le bus de commande de l'équipement connecté doit correspondre aux capacités du circuit convertisseur de fréquence en termes de nombre d'entrées et de sorties. Il vaut mieux avoir une petite réserve pour la modernisation.
• Capacités de surcharge. Le choix optimal est un appareil d'une puissance de 15% plus de puissance le moteur utilisé. Dans tous les cas, vous devez lire la documentation. Les constructeurs indiquent tous les principaux paramètres du moteur. Si les charges de pointe sont importantes, sélectionnez un variateur avec un courant de crête 10 % supérieur à celui spécifié.

Ensemble convertisseur de fréquence DIY pour un moteur asynchrone

Vous pouvez assembler vous-même l'onduleur ou le convertisseur. Actuellement, il existe de nombreuses instructions et schémas pour un tel montage sur Internet.

La tâche principale est d'obtenir un modèle « folk ». Bon marché, fiable et conçu pour usage domestique. Pour faire fonctionner des équipements à l’échelle industrielle, mieux vaut bien entendu privilégier les appareils vendus en magasin.
Procédure d'assemblage d'un circuit convertisseur de fréquence pour un moteur électrique

Pour travailler avec le câblage domestique, avec une tension de 220 V et monophasé. Puissance moteur approximative jusqu'à 1 kW.

Juste une remarque. Les fils longs doivent être équipés d'anneaux antibruit.

Le réglage de la rotation du rotor du moteur se situe dans la plage de fréquence de 1:40. Pour les basses fréquences, une tension fixe (compensation IR) est requise.

Connexion d'un convertisseur de fréquence à un moteur électrique

Pour un câblage monophasé en 220V (usage domestique), le raccordement se fait selon le schéma « triangle ». Le courant de sortie ne doit pas dépasser 50 % du courant nominal !

Pour un câblage triphasé à 380 V (usage industriel), le moteur est connecté au variateur de fréquence en étoile.

Le convertisseur (ou) a des bornes correspondantes marquées de lettres.

• R, S, T – les fils du réseau sont connectés ici, l'ordre n'a pas d'importance ;
• U, V, W - pour allumer le moteur asynchrone (si le moteur tourne dans le sens opposé, vous devez échanger l'un des deux fils à ces bornes).
• Une borne de mise à la terre séparée est fournie.

Pour prolonger la durée de vie du convertisseur, les règles suivantes doivent être respectées :

1. Nettoyez régulièrement l'intérieur de l'appareil de la poussière (il est préférable de le souffler avec un petit compresseur, car un aspirateur ne peut pas toujours faire face à la saleté - la poussière se tasse).
2. Remplacez les composants en temps opportun. Les condensateurs électrolytiques sont conçus pour cinq ans, les fusibles pour dix ans de fonctionnement. Et les ventilateurs de refroidissement durent deux à trois ans d’utilisation. Les câbles internes doivent être remplacés tous les six ans.
3. Surveillez la température interne et la tension du bus CC.

L'augmentation des températures entraîne le séchage de la pâte thermoconductrice et la destruction des condensateurs. Sur les composants d'entraînement électrique, il doit être remplacé au moins une fois tous les trois ans.

4. Respecter les conditions d'exploitation. Température environnement ne doit pas dépasser +40 degrés. Des niveaux élevés d’humidité et de poussière dans l’air sont inacceptables.

Contrôler un moteur asynchrone (par exemple) est un processus assez complexe. Les convertisseurs faits maison sont moins chers que leurs homologues industriels et conviennent parfaitement à une utilisation dans à usage domestique. Toutefois, pour un usage industriel, il est préférable d’installer des onduleurs assemblés en usine. Seuls des techniciens bien formés peuvent entretenir des modèles aussi coûteux.