Un variateur de fréquence pour la pompe solaire

Un variateur de fréquence  pour la pompe solaire (VFD) est un type de contrôleur de moteur qui fait fonctionner un moteur électrique de pompe en faisant varier la fréquence et la tension fournies au moteur électrique de la pompe. Les autres noms pour un VFD sont : variateur de vitesse, variateur de vitesse, variateur de fréquence, variateur AC, microvariateur et onduleur.

La fréquence (hertz) est directement liée à la vitesse du moteur (RPMs). En d'autres termes, plus la fréquence est élevée, plus les tours/minute sont nombreux. Si une application n'exige pas qu'un moteur électrique tourne à pleine vitesse, le VFD peut être utilisé pour réduire la fréquence et la tension afin de répondre aux exigences de la charge du moteur électrique. Lorsque les exigences de vitesse du moteur de l'application changent, le VFD peut simplement augmenter ou diminuer la vitesse du moteur pour répondre à l'exigence de vitesse.

Comment fonctionne un variateur de fréquence ?

La première étape d'un variateur de fréquence, ou VFD, est le convertisseur. Le convertisseur est composé de six diodes, qui sont similaires aux clapets anti-retour utilisés dans les systèmes de plomberie. Elles permettent au courant de circuler dans un seul sens, celui indiqué par la flèche du symbole de la diode. Par exemple, lorsque la tension de la phase A (la tension est similaire à la pression dans les systèmes de plomberie) est plus positive que les tensions des phases B ou C, cette diode s'ouvre et permet au courant de circuler. Lorsque la phase B devient plus positive que la phase A, alors la diode de la phase B s'ouvre et celle de la phase A se ferme. Il en va de même pour les 3 diodes du côté négatif du bus. Ainsi, nous obtenons six "impulsions" de courant lorsque chaque diode s'ouvre et se ferme. C'est ce qu'on appelle un "VFD à six impulsions", qui est la configuration standard des variateurs de fréquence actuels.

Supposons que le variateur fonctionne sur un système d'alimentation de 480V. La tension nominale de 480V est "rms" ou "root-mean-squared". Les pointes sur un système 480V sont de 679V. Comme vous pouvez le voir, le bus continu du VFD a une tension continue avec une ondulation en courant alternatif. La tension se situe entre environ 580V et 680V.

On peut éliminer l'ondulation du courant alternatif sur le bus CC en ajoutant un condensateur. Un condensateur fonctionne de la même manière qu'un réservoir ou un accumulateur dans un système de plomberie. Ce condensateur absorbe l'ondulation du courant alternatif et fournit une tension continue régulière. L'ondulation du courant alternatif sur le bus continu est généralement inférieure à 3 volts. Ainsi, la tension sur le bus DC devient "approximativement" 650VDC. La tension réelle dépendra du niveau de tension de la ligne CA alimentant le variateur, du niveau de déséquilibre de tension sur le système d'alimentation, de la charge du moteur, de l'impédance du système d'alimentation et de tout réacteur ou filtre harmonique sur le variateur.

Le convertisseur à pont de diodes qui convertit le courant alternatif en courant continu, est parfois simplement appelé convertisseur. Le convertisseur qui reconvertit le courant continu en courant alternatif est également un convertisseur, mais pour le distinguer du convertisseur à diodes, il est généralement appelé "onduleur". Il est devenu courant dans l'industrie de désigner tout convertisseur CC-CA par le terme "onduleur".

Notez que dans un vrai VFD, les interrupteurs indiqués seraient en fait des transistors.

Lorsque nous fermons l'un des interrupteurs supérieurs de l'onduleur, cette phase du moteur est connectée au bus CC positif et la tension de cette phase devient positive. Lorsque nous fermons l'un des interrupteurs inférieurs du convertisseur, cette phase est connectée au bus CC négatif et devient négative. Ainsi, nous pouvons faire en sorte que n'importe quelle phase du moteur devienne positive ou négative à volonté et peut donc générer la fréquence que nous voulons. Ainsi, nous pouvons faire en sorte que n'importe quelle phase soit positive, négative ou nulle.

L'onde sinusoïdale bleue est présentée à titre de comparaison uniquement. Le moteur ne génère pas cette onde sinusoïdale.

Notez que la sortie de la VFD est une forme d'onde "rectangulaire". Les VFD ne produisent pas de sortie sinusoïdale. Cette forme d'onde rectangulaire ne serait pas un bon choix pour un système de distribution à usage général, mais est parfaitement adéquate pour un moteur.

Si nous voulons réduire la fréquence du moteur à 30 Hz, il suffit de commuter les transistors de sortie du variateur plus lentement. Mais, si nous réduisons la fréquence à 30 Hz, nous devons également réduire la tension à 240 V afin de maintenir le rapport V/Hz (voir la présentation de la théorie des moteurs VFD pour en savoir plus). Comment allons-nous réduire la tension si la seule tension dont nous disposons est de 650VDC ?

C'est ce qu'on appelle la modulation de largeur d'impulsion ou PWM. Imaginez que nous puissions contrôler la pression dans une conduite d'eau en ouvrant et en fermant la vanne à une vitesse élevée. Bien que cela ne soit pas pratique pour les systèmes de plomberie, cela fonctionne très bien pour les VFD. Remarquez que pendant la première moitié du cycle, la tension est allumée la moitié du temps et éteinte la moitié du temps. Ainsi, le voltage moyen est la moitié de 480V ou 240V. En pulsant la sortie, nous pouvons obtenir n'importe quel voltage moyen sur la sortie du VFD.

Voir les images ci-dessous pour comprendre à quoi ressemblent les différentes parties d'un variateur.

Pourquoi devrais-je utiliser un variateur ?

1 - Réduire la consommation et le coût de l'énergie

Si vous avez une application qui n'a pas besoin de tourner à pleine vitesse, vous pouvez réduire les coûts énergétiques en contrôlant le moteur avec un variateur de fréquence, ce qui est l'un des avantages des variateurs de fréquence. Les VFD vous permettent d'adapter la vitesse de l'équipement motorisé à la charge requise. Aucune autre méthode de commande de moteur électrique à courant alternatif ne vous permet d'atteindre cet objectif.

Les systèmes à moteur électrique sont responsables de plus de 65 % de la consommation d'énergie dans l'industrie aujourd'hui. L'optimisation des systèmes de commande des moteurs par l'installation ou la mise à niveau de dispositifs de commande à distance peut réduire la consommation d'énergie de votre installation jusqu'à 70 %. De plus, l'utilisation de VFD améliore la qualité des produits et réduit les coûts de production. En combinant les incitations fiscales en faveur de l'efficacité énergétique et les rabais accordés par les services publics, le retour sur investissement des installations VFD peut être de 6 mois seulement.

2 - Augmenter la production grâce à un contrôle plus strict des processus

En faisant fonctionner vos moteurs à la vitesse la plus efficace pour votre application, moins d'erreurs se produiront et, par conséquent, les niveaux de production augmenteront, ce qui permettra à votre entreprise d'augmenter ses revenus. Sur les convoyeurs et les courroies, vous éliminez les à-coups au démarrage, ce qui permet d'obtenir un débit élevé.

3 - Prolonger la durée de vie des équipements et réduire la maintenance

Votre équipement durera plus longtemps et aura moins de temps d'arrêt dû à la maintenance lorsqu'il est contrôlé par des VFD assurant une vitesse d'application optimale du moteur. Grâce au contrôle optimal de la fréquence et de la tension du moteur par les VFD, le VFD offrira une meilleure protection à votre moteur contre les problèmes tels que les surcharges électrothermiques, la protection des phases, la sous-tension, la surtension, etc. Lorsque vous démarrez une charge avec un VFD, vous ne soumettez pas le moteur ou la charge entraînée au "choc instantané" du démarrage en travers de la ligne, mais vous pouvez démarrer en douceur, ce qui élimine l'usure des courroies, des engrenages et des roulements. C'est également un excellent moyen de réduire et/ou d'éliminer les coups de bélier, puisque nous pouvons avoir des cycles d'accélération et de décélération en douceur.