Pourquoi le courant continu est-il utilisé dans les variateurs de fréquence ?

Les applications industrielles et commerciales modernes nécessitent des variateurs de fréquence (VFD) pour gérer avec précision et efficacité la vitesse et le couple des moteurs électriques. Pour ce faire, un VFD ajuste la fréquence et la tension d'alimentation des moteurs CA. Il est intéressant de noter que les VFD utilisent le courant continu (CC) pour convertir l'électricité tout en contrôlant les moteurs CA.

Si les variateurs de fréquence sont destinés à alimenter des moteurs à courant alternatif, pourquoi utiliser du courant continu ? La structure des variateurs de fréquence et les mécanismes de conversion, de contrôle et de distribution de puissance offrent la solution. Voici l'explication technique et les avantages de cette conception.

Apprentissage des bases du fonctionnement du variateur de fréquence

Pour comprendre l'utilisation du courant continu dans les variateurs de fréquence, il faut comprendre leur fonctionnement fondamental. Les variateurs de fréquence comportent généralement trois étapes :

• Étape de correction
• Circuit intermédiaire ou liaison CC
• Étape d'inversion

Le redressement commence lorsque le courant alternatif de la source principale entre dans un variateur de fréquence. Des diodes ou des thyristors contrôlés sont utilisés comme redresseurs pour convertir le courant alternatif en tension continue.

La tension continue n'étant pas régulière, elle est transmise via une liaison continue (bus continu) à l'aide de condensateurs et d'inductances qui la filtrent et la stabilisent. Cette tension continue régulière est ensuite transmise à un onduleur utilisant des transistors ou des IGBT pour la retransformer en courant alternatif à fréquence variable et faire fonctionner le moteur.

Rôle de la conversion de puissance CC

Le courant continu est nécessaire à la conversion de puissance dans un variateur de fréquence. Il est généralement utilisé en phase intermédiaire, car il offre une tension d'alimentation stable et régulée permettant à l'étage onduleur de moduler correctement la sortie CA.

En convertissant le courant alternatif en courant continu et inversement, le variateur de fréquence peut mieux gérer la tension et la fréquence. La conversion directe du courant alternatif en courant alternatif à fréquence variable serait plus complexe et imprécise.

Meilleur contrôle et précision

Les avantages techniques du courant continu dans les systèmes VFD augmentent le contrôle du moteur et les performances du système.

Premièrement, il contrôle précisément la vitesse et le couple du moteur. L'onduleur peut générer plusieurs fréquences car il reconstruit la forme d'onde alternative à partir du courant continu grâce à la modulation de largeur d'impulsion (MLI). Des vitesses de moteur variables sont nécessaires pour les convoyeurs, les ventilateurs, les pompes et les ascenseurs.

Deuxièmement, l'étage CC permet au variateur de fréquence de réagir rapidement aux variations de charge. Pour garantir la stabilité, le variateur peut modifier la fréquence et la tension de sortie en temps réel lorsque la charge du moteur augmente. Ces modifications seraient plus lentes et moins précises sans la connexion CC.

Troisièmement, les bus CC améliorent le freinage et la régénération. Dans de nombreuses applications industrielles, les moteurs doivent ralentir rapidement. L'énergie de décélération peut être conservée dans la connexion CC ou dissipée grâce à des résistances de freinage. Le réseau électrique peut obtenir cette énergie via des variateurs de fréquence régénératifs.

Amélioration de la qualité et de l'efficacité de l'énergie

L'efficacité et la qualité de l'énergie sont d'autres raisons pour lesquelles les variateurs de fréquence utilisent le courant continu. La liaison CC fournit une alimentation constante et sans ondulation à l'onduleur après redressement, garantissant ainsi une forme d'onde de sortie de haute qualité. Des formes d'onde plus nettes minimisent la température du moteur, les pertes et l'usure du système.

Les variateurs de fréquence avancés utilisent des frontaux actifs (AFE) pour lisser et gérer la tension continue et réduire les harmoniques. Ils améliorent le facteur de puissance et réduisent le bruit du système.

Sécurité et protection

Les étages CC renforcent la sécurité du variateur de fréquence. En tant que tampon entre l'entrée et la sortie, le bus CC isole le moteur et le variateur des surtensions et des pannes. Le variateur de fréquence peut détecter immédiatement les surcharges et les courts-circuits et couper l'alimentation avant tout dommage.

Les diagnostics incluent souvent la surveillance de la tension du bus CC. Des anomalies de tension CC peuvent signaler des problèmes d'alimentation d'entrée, de redresseur ou de condensateur, permettant aux équipes de maintenance de détecter et de résoudre les problèmes avant qu'ils ne s'aggravent.

Conclusion

Le courant continu est essentiel à la capacité des variateurs de fréquence à réguler les moteurs à courant alternatif. Les variateurs de fréquence offrent des performances moteur précises, économiques et adaptables en convertissant le courant alternatif en courant continu et inversement.