Nous savons tous que le convertisseur de fréquence est une technologie qui doit être maîtrisée dans les travaux électriques, et l'utilisation d'un convertisseur de fréquence pour contrôler les moteurs est une méthode courante en contrôle électrique ; certains nécessitent également des compétences.
Aujourd'hui, nous allons résumer et organiser les connaissances pertinentes avec nos connaissances limitées. Le contenu est peut-être répétitif, mais le but est de partager avec tous la merveilleuse relation entre les variateurs de fréquence et les moteurs.
Tout d’abord, pourquoi utiliser un variateur de fréquence pour contrôler le moteur ?
Commençons par comprendre brièvement ces deux appareils.
Le moteur est une charge inductive qui empêche les changements de courant. Au démarrage, cela produira un changement important de courant.
Un convertisseur de fréquence est un dispositif qui utilise l'action marche-arrêt des dispositifs à semi-conducteurs de puissance pour transformer la fréquence d'alimentation en une autre fréquence d'énergie électrique à des fins de contrôle. Il se compose principalement de deux parties : le circuit principal (module redresseur, condensateur électrolytique et module onduleur) et le circuit de commande (carte d'alimentation à découpage et carte de circuit de commande).
Afin de réduire le courant de démarrage du moteur électrique, en particulier pour les moteurs de puissance plus élevée, le courant de démarrage augmente à mesure que la puissance augmente. Un courant de démarrage excessif peut alourdir le réseau de distribution d’électricité. Cependant, un variateur de fréquence peut résoudre ce problème en permettant un démarrage en douceur sans provoquer de courants de démarrage excessifs.
Une autre fonction de l'utilisation d'un convertisseur de fréquence est la régulation de la vitesse des moteurs. Dans de nombreux cas, le contrôle de la vitesse du moteur est nécessaire pour obtenir une meilleure efficacité de production. Les convertisseurs de fréquence ont toujours été connus pour leur capacité à réguler la vitesse en modifiant la fréquence source.
Quelles sont les méthodes de contrôle des variateurs de fréquence ?
Les cinq méthodes les plus couramment utilisées pour contrôler les moteurs avec des convertisseurs de fréquence sont les suivantes :
La tension de sortie du convertisseur de fréquence à usage général basse tension est de 380 à 650 V, la puissance de sortie est de 0,75 à 400 kW, la fréquence de fonctionnement est de 0 à 400 Hz et son circuit principal adopte un circuit AC-DC-AC. Sa méthode de contrôle a traversé quatre générations.
Méthode de contrôle par modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM) avec U/f=C
Ses caractéristiques sont une structure de circuit de commande simple, un faible coût, une bonne dureté mécanique et peuvent répondre aux exigences de régulation de vitesse en douceur de la transmission générale. Il a été largement utilisé dans diverses industries.
Cependant, aux basses fréquences, en raison de la tension de sortie plus faible et de l'influence significative du couple sur la chute de la résistance statorique, le couple de sortie maximal diminue.
De plus, ses caractéristiques mécaniques ne sont finalement pas aussi difficiles que celles des moteurs à courant continu.
La capacité de couple dynamique et les performances de régulation de vitesse statique ne sont pas encore satisfaisantes. Les performances du système ne sont pas élevées non plus ; la courbe de contrôle changera avec les changements de charge ; la réponse du couple est lente ; le taux d'utilisation du couple moteur n'est pas élevé ; les performances diminuent à basse vitesse en raison de la résistance du stator et des effets de zone morte de l'onduleur, tandis que la stabilité se détériore, etc. C'est pourquoi les gens ont étudié la régulation de vitesse à fréquence variable à commande vectorielle.
Méthode de contrôle par modulation de largeur d'impulsion à vecteur spatial (SVPWM)
Il est basé sur l'effet de génération global de la forme d'onde triphasée, dans le but de se rapprocher de la trajectoire idéale du champ magnétique rotatif circulaire de l'entrefer du moteur. Il génère une forme d'onde de modulation triphasée et la contrôle en se rapprochant d'un cercle à l'aide d'un polygone inscrit.
Après une utilisation pratique, des améliorations ont été apportées en introduisant une compensation de fréquence pour éliminer les erreurs de contrôle de vitesse ; estimer l'amplitude du flux par rétroaction pour éliminer l'influence de la résistance du stator à basse vitesse ; et des boucles de fermeture pour la tension et le courant de sortie afin d'améliorer la précision et la stabilité dynamiques.
Cependant, il existe de nombreuses liaisons de circuits de commande, le réglage du couple n'a pas été introduit, de sorte que les performances du système n'ont pas été fondamentalement améliorées.
La méthode de régulation de vitesse à fréquence variable dans le contrôle vectoriel consiste à convertir les courants statoriques Ia, Ib, Ic des moteurs asynchrones en courants alternatifs biphasés Ia1Ib1 sous des systèmes de coordonnées stationnaires par transformation triphasée en biphasée. Ensuite, ils sont transformés en courants continus Im1 et It1 sous des systèmes de coordonnées de rotation synchrones par transformation de rotation d'orientation du champ du rotor (où Im1 correspond au courant d'excitation dans les moteurs à courant continu ; It1 correspond au courant d'induit proportionnel au couple). La quantité de contrôle pour les moteurs à courant continu est obtenue en imitant leurs méthodes de contrôle. Une fois les transformations inverses de coordonnées correspondantes effectuées, une commande de moteur asynchrone peut être obtenue.
Essentiellement, les moteurs à courant alternatif sont équivalents aux moteurs à courant continu et un contrôle indépendant est appliqué séparément pour les composants de vitesse et de champ magnétique. En contrôlant d'abord le flux du rotor, puis en décomposant le courant du stator en composants de couple et de champ magnétique, suivi d'un contrôle orthogonal ou découplé via des transformations de coordonnées. La proposition de méthode de contrôle vectoriel était révolutionnaire mais difficile en pratique en raison des difficultés à observer avec précision le flux du rotor, ce qui affecte grandement les caractéristiques du système, ainsi que des transformations complexes de rotation vectorielle utilisées lors des contrôles équivalents de moteurs à courant continu, ce qui rend les résultats réels difficiles à obtenir des résultats analytiques idéaux.
Contrôlez le flux magnétique du stator en introduisant un observateur de flux magnétique du stator pour obtenir un contrôle sans capteur ;
L'identification automatique (ID) s'appuie sur des modèles mathématiques précis du moteur pour identifier automatiquement les paramètres du moteur ;
Calculez le couple réel, le flux magnétique du stator et la vitesse du rotor en temps réel sur la base des valeurs réelles correspondant à l'impédance du stator, à l'inductance mutuelle, aux facteurs de saturation magnétique, à l'inertie, etc. ;
Réalisez un contrôle bande-bande en générant des signaux PWM en fonction du flux magnétique et du couple pour contrôler l'état de commutation de l'onduleur.
Le convertisseur de fréquence AC de type matriciel a une réponse de couple rapide (<2 ms), précision de vitesse élevée (± 2 %, pas de retour PG), précision de couple élevée (<+3%); en même temps, il a également un couple de démarrage plus élevé et une précision de couple élevée, en particulier à basse vitesse (y compris la vitesse 0), il peut produire 150 % à 200 % du couple nominal.
Comment le variateur de fréquence contrôle-t-il le moteur ? Comment sont-ils câblés ensemble ?
Le câblage du variateur de fréquence pour contrôler un moteur est relativement simple, similaire au câblage d'un contacteur. Trois fils d'alimentation principaux sont connectés puis transmis au moteur. Il existe cependant différentes manières de contrôler le variateur de fréquence.
Tout d'abord, jetons un coup d'œil aux connexions des bornes du variateur de fréquence. Bien qu'il existe de nombreuses marques et différentes méthodes de câblage pour les variateurs de fréquence, la plupart d'entre eux ont des connexions de bornes similaires. Ils comprennent généralement des entrées de commutateur pour la rotation avant et arrière utilisées pour contrôler le démarrage et l'inversion des moteurs ; bornes de rétroaction utilisées pour fournir des informations sur l'état de fonctionnement tel que la fréquence de fonctionnement, la vitesse, l'état de panne, etc. ; des commandes de réglage de vitesse qui peuvent être ajustées à l'aide de potentiomètres ou de boutons en fonction des différents types de convertisseurs.
Le contrôle peut être réalisé via un câblage physique ou des réseaux de communication. De nombreux variateurs de fréquence prennent désormais en charge le contrôle de communication, permettant la transmission des informations de démarrage/arrêt du moteur, de rotation avant/arrière, de réglage de la vitesse et de retour via la ligne de communication.
Lorsque la vitesse de rotation (fréquence) du moteur change, qu’arrive-t-il à son couple de sortie ?
Le couple de démarrage et le couple maximum lorsqu'ils sont entraînés par un convertisseur de fréquence doivent être inférieurs à ceux lorsqu'ils sont directement entraînés par l'alimentation secteur.
Lorsque le moteur est alimenté par le secteur, il y a un impact de démarrage et d’accélération important. Cependant, lorsqu’il est alimenté par un convertisseur de fréquence, ces impacts sont plus faibles. Le démarrage direct à la fréquence du secteur produira un courant de démarrage important. Lors de l'utilisation d'un convertisseur de fréquence, la tension et la fréquence de sortie du convertisseur sont progressivement ajoutées au moteur, de sorte que le courant de démarrage et l'impact sur le moteur sont plus faibles.
Habituellement, à mesure que la fréquence diminue (la vitesse diminue), le couple généré par le moteur diminue également. Les données réelles de cette diminution peuvent être trouvées dans certains manuels des variateurs de fréquence.
En utilisant une méthode de contrôle vectoriel avec un inverseur de contrôle de flux magnétique, il peut améliorer le couple insuffisant des moteurs à basse vitesse, de sorte que même à basse vitesse, un couple suffisant puisse être produit.
Lors du réglage à des fréquences supérieures à 50 Hz avec un variateur de fréquence (VFD), le couple de sortie du moteur diminuera.
Les moteurs conventionnels sont conçus et fabriqués selon les normes de tension de 50 Hz ; leurs couples nominaux sont également donnés dans cette plage de tension. Par conséquent, la régulation de vitesse en dessous des fréquences nominales est appelée régulation de vitesse à couple constant (T=Te,P<=Pé).
Lorsque les fréquences de sortie du VFD dépassent 50 Hz, la relation linéaire entre les couples produits par les moteurs diminue proportionnellement à l'augmentation des fréquences.
Lors du fonctionnement à des vitesses supérieures à 50 Hz, il faut veiller à éviter que des couples de sortie insuffisants ne se produisent en raison de la taille de la charge des moteurs électriques.
Par exemple, le couple produit par un moteur électrique fonctionnant à 100 Hz serait réduit d’environ la moitié par rapport à celui produit lors d’un fonctionnement à 50 Hz.
Par conséquent, la régulation de vitesse au-dessus des fréquences nominales est appelée régulation de vitesse à puissance constante (P=Ue*Ie).
Application du convertisseur de fréquence au-dessus de 50 Hz
Comme nous le savons, pour un moteur spécifique, sa tension et son courant nominal sont constants.
Si les valeurs nominales du variateur de fréquence et du moteur sont de 15 kW/380 V/30 A, le moteur peut fonctionner à des fréquences supérieures à 50 Hz.
Lorsque la vitesse est de 50 Hz, la tension de sortie du convertisseur de fréquence est de 380 V et le courant est de 30 A. Si nous augmentons la fréquence de sortie à 60 Hz, la tension et le courant de sortie maximum du convertisseur de fréquence ne seront toujours que de 380 V/30 A. Évidemment, puisque la puissance de sortie reste inchangée, on parle alors de régulation de vitesse à puissance constante.
Qu'en est-il du couple dans ce cas ?
Parce que P = wT (P : puissance ; w : vitesse angulaire ; T : couple), si P reste constant mais w augmente, alors T diminuera en conséquence.
Nous pouvons également l’examiner sous un autre angle :
La tension statorique U=E+I*R (I : courant ; R : résistance électrique ; E : force électromotrice induite) d'un moteur,
On peut voir que lorsque U et I restent inchangés, E reste également inchangé.
Et E=kFX (k : constante ; f : fréquence ; X : flux magnétique). Par conséquent, lorsque f passe de 50 à>60 Hz, X diminue en conséquence.
Pour un moteur, T=KjeX(K：constant；I：courant；X：flux magnétique). Par conséquent, à mesure que le flux magnétique X diminue, T diminuera également en conséquence.
At less than or equal to 50 Hz,I*R is small so when U/f=E/f does not change,magnetic flux(X)is constant.Torque(T)and electric current(I)are proportional.This explains why overload(torque)capacity of a variable-frequency drive(VFD)is usually described by its overcurrent capacity,and referred to as "constant-torque"speed regulation(rated current remains unchanged-->le couple maximum reste inchangé).
Conclusion: Lorsque la fréquence de sortie d'un variateur de fréquence augmente au-dessus de 50 Hz, le couple de sortie du moteur diminue.
Autres facteurs liés au couple de sortie
La capacité de chauffage et de refroidissement détermine la capacité de courant de sortie de l'onduleur, affectant ainsi la capacité de couple de sortie de l'onduleur.
Fréquence porteuse : Le courant nominal indiqué par les onduleurs généraux est basé sur la valeur qui peut être émise en continu à la fréquence porteuse la plus élevée et à la température ambiante la plus élevée. La réduction de la fréquence porteuse n’affectera pas le courant du moteur. Cependant, l'échauffement des composants diminuera.
Température ambiante : tout comme il n'est pas nécessaire d'augmenter la valeur du courant de protection de l'onduleur lors de la détection d'une basse température ambiante.
Altitude: L'augmentation de l'altitude affecte à la fois la dissipation thermique et les performances d'isolation. Généralement, il peut être ignoré en dessous de 1 000 m, et une réduction de capacité de 5 % par 1 000 mètres au-dessus de ce niveau est suffisante.
Comment régler la fréquence du moteur contrôlé par un variateur de fréquence ?
Dans le résumé ci-dessus, nous avons appris pourquoi il est nécessaire d'utiliser un variateur de fréquence pour contrôler le moteur et comment il fonctionne. Le contrôle du moteur par le variateur de fréquence peut être résumé en deux points : premièrement, contrôler la tension et la fréquence de démarrage du moteur avec le variateur de fréquence pour obtenir un démarrage et un arrêt en douceur ; Deuxièmement, ajuster la vitesse du moteur en modifiant sa fréquence grâce à l'utilisation d'un variateur de fréquence.
Les internautes ont soulevé une question pratique : quelle est la fréquence la plus basse pouvant être réglée lors du contrôle d'un moteur ordinaire avec un variateur de fréquence ? Actuellement, il a été ajusté à 60 Hz et le leader m'a demandé de continuer à augmenter le nombre Hz. Le plan est de l'ajuster à 100 Hz. Quelqu'un l'a-t-il déjà réglé à 100 Hz ? (Dans des situations similaires, quels facteurs doivent être pris en compte ?)
Voyons comment les internautes réagissent :
Internaute lpl53 : Nous avons atteint les 200HZ sur les machines à laver industrielles, mais le courant n'est pas élevé.
Netizen26584 : Le moteur de la rectifieuse est généralement compris entre 100 et 110…
Internaute 82252031 : S'il y a suffisamment de puissance et pas de courant excessif dans le moteur, cela peut fonctionner. Cependant, il convient de prêter attention à la mesure de la température des roulements du moteur, des bruits et vibrations anormaux. Un moteur à fréquence variable fonctionne à 70-80 Hz pendant une longue période ; Les moteurs à six pôles sont faciles à essayer, tandis que les moteurs à deux pôles nécessitent de la prudence.
Internaute fsjnzhouyan : Cela dépend de la qualité des tôles d'acier au silicium utilisées dans les moteurs. Dans les cas d'utilisation précédents, il n'y avait généralement aucun problème jusqu'à environ 85 Hz ; cependant, de nombreux moteurs ne peuvent pas atteindre leur vitesse nominale après avoir été réglés jusqu'à environ 90 Hz en raison de la saturation magnétique.
Internaute ZCMY : Il est préférable de remplacer les roulements de votre moteur par des roulements à grande vitesse. Testez également les vibrations et assurez-vous qu'elles sont adaptées aux charges telles que les ventilateurs ou les pompes à eau.
Internaute mengx9806 : Je l'ai ajusté une fois jusqu'à 1 210 Hz à l'aide du variateur de fréquence de la série A1000 de machine électrique de Dongyuan qui a fonctionné sans aucun problème pendant deux ans d'affilée sans problèmes majeurs, bien que des problèmes mineurs puissent survenir en cas de problème.
Internaute 68957：J'ai essayé de l'ajuster jusqu'à 180, mais il n'a fonctionné que pendant une courte période.
Internaute 1531214350 : J'ai déjà réparé des machines à laver et le moteur était ordinaire. Il fonctionnait à 150 Hz pendant l'essorage.
Ya de Ya : Si la fréquence d'un moteur ordinaire est supérieure de 20 % à sa fréquence nominale, alors la différence de vitesse augmentera ; à mesure que la fréquence augmente, cette différence de vitesse augmente également.
Internaute kdrjl : Il semble que l'on comprenne encore trop peu la structure de base et l'utilisation des moteurs à induction à courant alternatif. La limite de vitesse la plus élevée pour la régulation des moteurs à induction ne réside pas dans les variateurs de fréquence. D'une manière générale, les variateurs de fréquence classiques fonctionnent à des fréquences non inférieures à 400 Hz en mode V/F (par exemple, le variateur de fréquence de Siemens fonctionne à 600 Hz). Pour le contrôle vectoriel, la limite maximale de fréquence de fonctionnement est de 200 à 300 Hz, tandis que le contrôle asservi a des limites encore plus élevées. Ainsi, si vous souhaitez réguler la vitesse de votre moteur asynchrone jusqu'à 100 Hz à l'aide d'un variateur de fréquence, il n'y a aucun obstacle technique ni aucun doute à ce sujet.
La structure mécanique du rotor d'un moteur à induction - telle que sa structure en cage - détermine sa résistance mécanique qui est liée à la vitesse de rotation maximale de sa conception ; plus il tourne vite, plus la force centrifuge augmente. Par conséquent, ils satisfont généralement aux spécifications de conception basées sur leurs vitesses de rotation maximales, et leurs résistances mécaniques ne peuvent pas être infiniment grandes. Les roulements du rotor ont également une limite de rotation maximale. Ainsi, lorsque vous dépassez ces valeurs, vous devez comprendre quelles sont ces limites et les remplacer par des roulements à grande vitesse si nécessaire.
Enfin, le débogage de l'équilibre dynamique et le réglage du rotor ne doivent pas dépasser les paramètres désignés par le fabricant.
En résumé, lors de la régulation de la vitesse d'un moteur à induction via une application d'entraînement à fréquence variable dépassant 100 Hz, il est important de consulter d'abord les fabricants pour savoir si cela est possible ou de demander des moteurs personnalisés à la place, pour garantir la fiabilité dans des conditions de vitesse élevée. décidez de ne pas passer par les fabricants, vous devez d'abord déterminer le test d'équilibre dynamique du rotor puis confirmer la vitesse de rotation maximale du roulement.
Si elle dépasse cette valeur, vous devez les remplacer par des roulements à grande vitesse pouvant répondre aux exigences sur site. Vous devez également prendre en compte les problèmes de dissipation thermique.
Enfin, sur la base de l'expérience, les moteurs à induction d'une puissance inférieure à 100 kW devraient être relativement adaptés pour fonctionner à des fréquences inférieures à 100 Hz ; cependant, il est préférable de personnaliser ceux qui dépassent 100 kW plutôt que de choisir des produits conventionnels à usage général.
Les internautes lvpretend : Cela dépend principalement du moteur lui-même. S'il s'agit à l'origine d'un moteur bipolaire de forte puissance, il faut être prudent. Les machines à laver industrielles sont des exemples de fonctionnement fréquent en survitesse, mais leurs vitesses nominales sont généralement faibles - principalement des moteurs à six pôles. J'ai vu des moteurs à quatre pôles atteindre jusqu'à 120 Hz.
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