Mise à jour des liens 01 / 02 / 11
Exemple de schéma électrique
8 schémas électriques de base d'utilisation des variateurs
Voir la pièce jointe 218249
Voila un exemple de schéma pour 1 variateur pilotant 2 machines
Voir la pièce jointe 332400
Bonjour,
Je me propose de regrouper plusieurs informations sur les variateurs de fréquences et leur utilisation.
Légende :
- 230VAC Monophasé : 230V U+N
- 230VAC Triphasé : 230V 3AC
- 400VAC Triphasé : 400V 3AC
Quel est l'intérêt d'un variateur de fréquence ? Il est multiple :
Dans le cas d'une alimentation en 230V U+N, il permet de générer du 230V 3AC, permettant ainsi de faire fonctionner des moteurs acceptant cette tension.
Quelque soit l'alimentation, il permettra de faire varier la vitesse de rotation du moteur branché en sortie.
Mon moteur est-il adapté à l'utilisation d'un variateur de fréquence ?
En fait tous les moteurs asynchrones acceptant 3 phases, ou synchrones peuvent être piloté par un variateur, du moment qu'ils acceptent la tension fournis par celui-ci.
Les variateurs pour moteurs monophasé sont moins courant.
Dans le cas d'une alim. en 230V U+N, il faudra que le moteur accepte du 230V 3AC.
Quelles sont les possibilités d'un variateur de fréquence ?
Elles dépendent généralement du modèle de variateur. Cependant, nombreuses sont celles qui sont communes à tous comme :
1) Accélération suivant une rampe
2) Décélération suivant une rampe
3) Protection thermique du moteur
4) Décélération rapide de charges entrainante
5) Freinage du moteur par injection de courant continu dans le moteur
6) Variation de la vitesse de rotation du moteur par potentiomètre
7) Variation de la vitesse par consigne analogique en courant
8) Variation de la vitesse par entrées logiques
9) Régulation de la vitesse de rotation
10) Amélioration de la dynamique des moteurs par rapport à un branchement en direct
11) Diminution du courant absorbé par rapport à un branchement direct
12) Limitation du couple moteur
1) L'accélération est progressive, evitant les variation rapide de vitesse
2) Idem que l'accélération, mais dans l'autre sens.
3) Le variateur permet de protéger le moteur en limitant le courant envoyé à celui-ci. La protection n'est que thermique (protégé contre les surtensions faible et longues). Certain variateur peuvent aussi gérer un contact provenant du capteur de température du moteur.
4) Dans le cas des charges entrainante, il s'agit de diminuer la vitesse de déplacement rapidement. La plupart des freins intégrés aux moteurs ne permettent pas le freinage de charge en dynamique. Ce ne sont que des frein de parking. Dans le cas d'une alimentation directe, et à moins d'avoir un frein auxiliaire, le moteur va décélérer en roue libre. Avec un variateur de fréquence, il est possible de freiner fortement des charges entrainantes. Le problème de cette fonction est qu'il faut absolument dissiper l'énergie de cette charge entrainante. Certain variateur peuvent renvoyer cette énergie sur le réseau, mais ils sont généralement cher. En général, le variateur doit dissiper cette énergie dans une résistance de freinage. Celle ci doit avoir une valeur ohmique adaptée au variateur de fréquence. Sa puissance admissible doit être adaptée à la puissance du moteur ainsi qu'au cas d'emploi :
- Levage : Charge entrainante la plus importante : Pu(résistance) = Pu(moteur) /2
- Machine tournante à forte inertie : Pu(résistance) = Pu(moteur) /3
- Machine tournante à faible inertie : Pu(résistance) = Pu(moteur) /4
- Machine en translation à forte inertie : Pu(résistance) = Pu(moteur) /5
Ces valeurs sont approchées, et doivent normalement être calculées précisément en fonction de l'inertie mesurée ou calculée. Elles permettent cependant d'avoir des résistances légèrement sur-dimensionnées, mais adaptées.
5) Dans le cas de l'injection de courant continu dans le bobinage d'un moteur asynchrone, un couple résistant apparait, visant à limiter voir arrêter la rotation. Il faut cependant faire attention :
- Le courant continu ne doit pas être supérieur au courant maximum admissible par le moteur.
- Il ne doit pas être appliqué sur le moteur pendant trop longtemps, car le moteur va chauffer, à moins que celui-ci soit équipé d'un ventilateur autonome permettant d'assurer un refroidissement, même moteur arrêté.
6) beaucoup de variateur ont des entrée analogique en tension, ainsi qu'une alimentation 0-10V. Le tout sert à mettre un potentiomètre dont la valeur doit être adapté en fonction du variateur. Avec les bon paramètres, le moteur vera sa vitesse de rotation lié au positionnement du potentiomètre.
7) La plupart des variateurs ont une entrée analogique en courant (4-20mA, et/ou 0-20mA). Elle servent pour piloter le variateur par le biais de régulateur, d'automate etc. par exemple
8) Les entrées logiques sont paramétrables. Il existe plusieurs mode de fonctionnement de celles-ci :
- 1 entrée = 1 vitesse (donc 4 entrées = 4 vitesses). les vitesses sont paramétrées dans chacun des paramètres dépendant de l'entrée.
- 4 entrées = 2^4 vitesses (donc 16 vitesses). Il existe donc jusqu'à 16 vitesses présélectionnables (cas des var Télémécanique ATV 31,71, SEW Movidrive A et B, Leroy Somer Unidrive SP)
- 4 entrées = 2^4 vitesses par addition. Sur certain variateur (Nordac Vector MC par exemple), les vitesses de rotations sont additionnées en fonction des paramètres. Si I1 = 50Hz et I2 = -30Hz et que I1 = "1" et I2 = "1", la consigne sera alors de 20Hz.
9) Elle est utilisée pour s'assurer que le moteur tourne à la bonne vitesse, et elle permet une adaptation optimum du courant en fonction de la vitesse de rotation, et donc un couple optimum à toutes les vitesses moteur. Cette régulation n'est possible que dans le cas d'un retour d'une image de la vitesse de rotation. Ce retour peut être réalisé par :
- Un codeur incrémental : 1 tour = 1024 impulsions par exemple
- Une dynamo tachymètrique : Une vitesse = Une tension
- Un codeur absolu : Théoriquement uniquement utilisé pour un asservissement en position, il est cependant possible de l'utiliser pour avoir un retour sur la vitesse de rotation. Ce n'est cependant, vu son prix , pas une utilisation normale.
Le variateur va donc réguler en boucle fermée, la vitesse de rotation du moteur.
10) Le couple au démarrage d'un moteur asynchrone, en branchement direct, n'est pas très bon. L'adjonction d'un variateur de fréquence permet d'obtenir un couple au démarrage, proche du couple nominal moteur.
11) En branchement direct, le courant absorbé au démarrage est de l'ordre de 10 fois le courant nominal en charge. Avec un variateur de fréquence, celui-ci est de l'ordre de 1,2 fois.
Exemple (test de démarrage à vide):
Moteur de 3kW, 230/400V (D/Y), 10.9/7.1A
- Si branchement sur ATV16 2,2kW, 230V U+N En entrée de Var : 2.8A max, en sortie de var 5.02A à 30Hz
- Si Branchement direct, 400V 3AC, courant max : 9.57A (note : courant dans barrette de jonction plaque moteur : 2.7 à 2.9A)
Moteur 1,1kW, 400V Y, 2.8A
- Si Branchement sur Movitrac B 400V 3AC en entrée de var : 0.92A, En sortie de var : 1.94A
- Si Branchement direct, 400V 3AC, Courant max : 4.15A
Mesures effectuées à la pince ampèremètrique à mémoire de pics, échantillonnage de l'ordre de 100ms. Mesures réalisées sur une dizaine de démarrage, et enregistrement du résultat le plus important.
Le courant en sortie de var n'est pas vraiment cohérent du fait des harmoniques. Nous n'en tiendrons pas compte.
12) Dans le cas de certaines applications, il peut être intéressant de limiter le couple moteur (sécurité sur portail par exemple). Les variateurs permettent de le faire, en limitant le courant moteur en régime établi. Ils font donc la différence entre le démarrage (statique) et le fonctionnement normal (dynamique). (c'est notamment le cas des ATV31 et supérieur qui permettent de différencier le boost statique (couple de démarrage) et boost dynamique (couple en fonctionnement normal))
Je n'ai que du monophasé chez moi, quelle puissance je peut gérer avec un variateur de fréquence ?
Les moins cher des variateurs (ATV11, IMO etc..)sont en standard jusqu'à 2,2kW (3cv)
Omron vend des variateurs jusqu'a 3kW.
Télémécanique vend des variateurs jusqu'à 5,5kW (ATV58 notamment), mais les prix sont important.
J'ai du triphasé, suis-je limité comme en monophasé ?
La limite sera imposée par l'abonnement, mais en aucun cas par le variateur. (en 400V le maximum vendu par Télémécanique est de 500kW)
Comment dois-je protéger mon variateur ?
Il faut impérativement protéger le variateur avec au moins une protection magnétique (protège contre les courts-circuits et surtensions importantes). Il est possible d'utiliser des disjoncteurs magnéto-thermique. Le calibre de protection est donné sur la documentation.
Puis-je alimenter plusieurs machines avec un variateur de fréquence ?
Oui, c'est tout à fait possible, mais il faut impérativement protéger chaque départ alimentant chaque machine individuellement. La puissance du variateur est déterminé par la machine la plus puissante.
Il est préférable de couper la commande du variateur avant de couper la puissance de la machine alimentée par le variateur.
Voir ce sujet, sur l'alimentation d'un atelier par un variateur
Quelles sont les précautions à prendre avec un variateur de fréquence ?
Tous les variateurs de fréquence n'aiment pas quand le circuit du secondaire (entre le variateur et le moteur) est coupé en charge. (coupure de l'alimentation du moteur, alors qu'il tourne). Le circuit de puissance veut compenser l'augmentation d'impédance, et donc doit subir une surintensité transitoire souvent néfaste.
Il est souvent préférable alors de couper ce circuit uniquement lorsque le variateur a une consigne nulle.
Voir les schémas en tête de sujet.
Lorsque j'utilise le variateur, mon moteur siffle !
Normal, ce sont les harmoniques créent par le variateur qui entre en résonance dans le moteur. Vous pouvez augmenter la fréquence de découpage (utilise pour le PWM), mais cela va avoir plusieurs conséquences :
- Diminution de l'efficacité du variateur
- Augmentation des pertes fer du moteur
- Augmentation des parasites
- Diminution de la durée de vie du moteur
Pour toutes ces raison, il faut prendre la fréquence de découpage la plus basse possible.
Lorsque j'utilise mon variateur, j'ai des parasites sur la télévision ou dans la radio !
Normal, ils sont créent par le variateur. Il y a plusieurs solutions pour les minimiser :
- Blinder les câbles entre le variateur et le moteur, et relier le blindage des deux cotés, utiliser des presses étoupes à reprise de blindage sur 360°.
- Mettre le variateur dans une armoire métallique, relié à la terre, et dont la porte est relié à la carcasse à l'aide d'une tresse métallique.
- Diminuer la fréquence de découpage
- Installer un filtre en entrée de variateur
- Installer une self en sortie de variateur
- installer les câbles de commande à bonne distance des câbles de puissance sortant du variateur
- Faire cheminer les câbles de puissance dans des chemins de câbles métalliques.
Les arrêts d'urgences et les variateurs.
Lors d'un arrêt d'urgence, il est d'usage de couper immédiatement l'alimentation d'un moteur. La catégorie d'arrêt est alors 0.
Le problème c'est que les variateurs de fréquence n'apprécient pas de voir leur alimentation coupée brusquement alors qu'ils sont en train de piloter un moteur. De plus en cas de coupure d'alimentation, le moteur sera moins bien piloté et souvent arrêté en roue libre. Donc, dans le cas de l'utilisation d'un variateur de fréquence, il est préférable de réaliser un arrêt contrôlé (Arrêt Rapide), et de seulement ensuite couper l'alimentation du variateur. Ce sera donc un arrêt de catégorie 1. Il peut être géré par un module de sécurité adapté (avec une sortie de sécurité temporisée).
Variateur et différentiel ?
Comme tous les produits ayant de l'électronique de puissance (Alim à découpage, plaque à induction etc..), les variateurs ont des courants de fuites. Ces courants de fuites sont créé par l'électronique elle même, et sont de composante continu (courant continu). Dans certains cas, le fait de brancher un variateur de fréquence, déclenchera le dispositif différentiel, c'est du au courant de fuite, qui dépasse le seuil de sensibilité du différentiel (souvent 30mA).
Généralement, pour des petites puissances (<5kW), les courants de fuites sont de l'ordre de 12 à 20 mA. Cependant, un variateur plus une alimentation à découpage, et une alim de PC... est ça déclenche. Dans ce cas, il y a plusieurs solutions :
- diminuer la sensibilité du différentiel (300mA par exemple). Cette solution est la moins bonne, car un risque d'électrocution va apparaitre.
- Utiliser un dispositif immunisé contre ce genre de composante (par exemple Haut Pouvoir Immunitaire chez Legrand ou Super Immunisé chez Schneider ex Merlin Gérin)
- Scinder les circuits d'alimentation sur plusieurs différentiel. Ce n'est pas tout le temps possible.
Variateur et Ventilation
Bien que les convertisseurs de fréquence (autre nom pour les variateurs de fréquences) aient de bons rendements (90 à 95%), ceux ci, du fait de l'électronique de puissance, dégagent de la chaleur. Cette chaleur doit être évacuée d'une manière ou d'une autre... et là encore plusieurs solution :
- J'ai de la place dans mon armoire : si l'armoire est trés grande par rapport à la taille du variateur (la plus petite dimension de l'armoire (largeur ou hauteur) > à 5* la plus grande dimension du var), la convection naturelle fera son office, surtout si l'armoire n'est pas exposée au soleil (Ordre de grandeur
)
- J'ai pas de place, mais j'ai un ventilateur : Si l'armoire est plus petite, ou que celle ci contient beaucoup d'élément "chauffant", comme des transformateurs, des alimentations etc.., un ventilateur peut être nécessaire. alors un ventilateur oui, mais pas n'importe comment. La chaleur monte, donc si le ventilo est en haut, il doit extraire l'air, s'il est en bas, il doit souffler à l'intérieur de l'armoire. De plus, il faut une entrée ou une sortie d'air "sans ventilateur" en association avec l'ouïe équipée. Si possible, ces ouïes doivent être disposées en diagonales l'une par rapport à l'autre dans l'armoire (Une en haut à gauche, l'autre en bas à droite... par exemple) de manière à avoir un échange thermique optimum. Enfin, il faut prévoir des filtres sur les ouïes, afin d'éviter l'accumulation de poussières dans l'armoire et tous ses composants.
- J'ai pas de place, et pas de ventilateur : Je ne peux rien pour toi... mais si :D. Il reste la possibilité de "sortir" le radiateur du variateur, à l'extérieur du coffret. ça demande cependant un soin particulier, car il faut réaliser une découpe dans le fond de l'armoire, amménager des fixations adaptées pour le variateur et pour l'armoire, et prévoir l'étancheïté du coffret. De plus, ça pose un probléme lors d'un remplacement de variateur... mais c'est une autre histoire.
Oua, j'ai un variateur qui monte jusqu'a 1000Hz !!
Les moteurs sont prévus pour fonctionner la plupart du temps jusqu'à 60Hz. Donc de base, vous pouvez avoir 100% du couple nominal jusqu'à 60Hz.
[Attention, délicat]
Pour les chanceux ayant du triphasé à la maison, il existe une astuce permettant d'avoir le couple nominal jusqu'a 87Hz. Cette astuce nécessite cependant quelques précautions :
- Le variateur de fréquences doit être sur dimensionné (3kW pour un moteur de 2,2kW)
- Le moteur doit être récent (uniquement parce que les courants et tensions utilisées seront extrêmes)
- L'utilisateur averti que ce style de fonctionnement est éloigné du fonctionnement nominal.
L'idée est de coupler le moteur en triangle (oui malgré l'alimentation en 400V), limiter le courant au courant nominal en 230V, indiquer au variateur que la tension d'alim du moteur doit être de 400V... et de préférence se mettre en U/f
[/Attention, délicat]
A savoir que le couple normalement disponible à 100Hz est à peu prés égale à la moitié du couple nominal (P=C.omega... vu que la puissance est constante, et que omega augmente... C diminue proportionnellement).
De plus, dans le cas ou certain voudrais faire tourner leur moteur à plus de 180Hz, il s'agit de faire attention à :
- La rampe d'accélération doit être importante (>10s), sinon le moteur décroche, et ne parvient pas à monter en fréquence.
- Les roulements à billes des moteurs ne sont pas prévu pour tourner à plus de 6000 rpm... donc ils vont s'user prématurément.
J'ai une sortie analogique, à quoi me sert-elle ?
Et bien elle permet la plupart du temps d'avoir une image de la vitesse de rotation du moteur, ou tout du moins de la fréquence en sortie variateur. Ces sorties sont surtout utilisées pour renvoyer à un automate, soit la consigne lue (pour vérifier qu'elle n'est pas corompue), soit la fréquence moteur. Dans le cas d'un variateur associé à une codeur (incrémental ou absolu, ou tachy), elle peut aussi donner une image de la vitesse réelle du moteur. Dans notre cas, l'utilitée est trés limitée.
Qu'est-ce que l'auto-tune ?
Certain variateur possède une fonction d'auto-apprentissage (auto-tune). En fait, il mesure entre autre la résistance statorique, de manière à s'adapter aux petites variations (dues notamment à la température). Ces fonctions peuvent souvent être déclenchées :
- sur demande opérateur, par le biais de la console de programmation
- à chaque mise sous tension du variateur
- à chaque demande de mouvement du variateur.
Cette fonction prenant quelques secondes, le temps de réaction (à la demande de mouvement, pas au changement de consigne) du variateur risque alors de s'allonger.
Il est préférable de paramétrer le variateur pour qu'il le réalise à chaque mise sous tension. De cette manière c'est transparent, et on garde une certaine efficacité.
Note : Cette fonction est souvent inhibée en levage... mais ce n'est pas le sujet ici.
Frein sur le moteur, Frein mécanique supplémentaire... comment les gérer
Quand le moteur possède un frein, c'est très souvent un frein de parking. Il n'est pas fait pour freiner le moteur en fonctionnement, mais uniquement pour assurer son immobilité. De plus, ils sont généralement à manque de tension, c'est à dire qu'il s'enclenche, dès qu'ils ne sont plus commandé. Leurs tensions s'échelonnent de 12 à 400V, AC ou DC.
La plupart des variateurs de fréquence savent gérer des freins de parking à manque de tension. Il faut pour cela :
- Utiliser une sortie relais du variateur pour commander le frein
- Paramétrer l'utilisation du relais comme pilotage de frein
- régler plusieurs paramètres, tels que le temps de pré-magnétisation du frein, le temps d'enclenchement du frein, le temps de déclenchement etc...
Les variateurs ne sont généralement pas prévu pour gérer des frein commandé en tension (et pas à manque de tension). De plus, il ne savent pas non plus gérer des freins de charges.
Dans le cas de freins de charges (sur un tour par exemple), il faut donc le piloter en dehors du variateur.
Un variateur 1, 2, 4 quadrants... qu'est-ce dont ?
Voir l'image ICI
1 quadrant : Le moteur ne peut être piloté que dans un sens de rotation
2 quadrants : (1+2) ou (1+3)
* 1+2 ; Le freinage peut être effectué par inversion du sens de rotation.
* 1+3 ; Le freinage n’est géré qu’en sens avant.
4 quadrants : Le variateur sait gérer des accélérations et décélérations, ainsi que des freinages dans toutes les situations disponibles
Actuellement les variateurs sont principalement 4 quadrants.
U/f, Vectoriel de flux ???
- U/f :
En fait, le calculateur du variateur de fréquence va s'arranger pour garder le rapport Tension sur Fréquence constant lors de la variation de fréquence. Ce rapport est préservé grâce à une modulation de largeur d'impulsion (MLI ou PWM). De cette manière, le couple nominale sera disponible dés 5Hz, mais en dessous, le couple s'écroulera, dues aux fuites magnétiques et autres pertes.
- Vectoriel de flux :
En fait un modèle mathématique permet de remplacer les 3 enroulements du moteur par 2 enroulements perpendiculaires (Id et Iq en quadrature, donc déphasé de 90°). On retrouve ce modèle dans les moteurs asynchrones monophasé à condensateur permanent, où le déphasage est de 90°.
Ce modèle mathématique permet de "transformer" le moteur asynchrone en moteur à courant continu... tout du moins on saura sur quels paramètres influer pour qu'il réagisse comme un moteur à CC. En l'occurrence Id ~ courant inducteur ( flux ~ vitesse), et Iq ~ courant d'induit (Couple)
* "Sans capteur" : La vitesse de rotation du moteur est calculée par la régulation. Le couple nominal est disponible à partir de 0,5Hz
* "Avec capteur" : La vitesse de rotation est mesurée par le capteur, et rentre dans la boucle de régulation, ce qui permet d'optimiser le modèle mathématique, et ainsi d'avoir le couple moteur à l'arrêt.
Bonne soirée à tou(te)s