Courant, puissance et couple dans les variateurs de vitesse

Le comportement du courant et de la puissance dans un système de variateur de vitesse n'est pas toujours bien compris par les utilisateurs, en particulier la question de savoir comment les courants d'entrée et de sortie du variateur changent lorsque la vitesse de l'arbre moteur et la charge changent. Dans ce blog, nous examinons le comportement de base des variateurs de vitesse pour clarifier la relation entre ces valeurs. Cela permet de comprendre le comportement du système et de tenir compte des effets d'un service variable sur la consommation d'énergie et sur la puissance nominale des principaux composants. Nous examinons brièvement les variateurs CC (redresseur contrôlé) ainsi que les variateurs CA, car il existe des différences intéressantes.

Courant moteur

Le couple produit par un moteur électrique peut toujours être considéré comme le produit du flux magnétique agissant sur les conducteurs porteurs de courant. Pour un niveau de flux moteur donné, le couple est une fonction directe du courant qui relie le flux.

En ignorant les effets de second ordre, nous pouvons résumer ceci pour les moteurs à courant continu et à courant alternatif :

• Dans une machine à courant continu, le flux est défini par le courant d'enroulement d'excitation (de champ) et le couple est le produit du flux et du courant d'induit.
• Dans un moteur à courant alternatif sans aimant permanent, l'amplitude du flux est définie par le rapport de la tension appliquée à la fréquence. Le couple est le produit du flux et du courant générateur de couple, c'est-à-dire la composante du courant qui est en phase avec la tension.

Dans les moteurs à courant continu et les moteurs à induction à courant alternatif, le courant magnétisant est généralement constant quel que soit le couple, sauf si une commande spéciale d'économie d'énergie est appliquée à couple réduit. Pour un petit moteur à induction, le courant magnétisant peut être une proportion considérable (par exemple 70 %) du courant nominal. L'avantage d'un moteur à aimants permanents est qu'aucun courant magnétisant n'est requis, ce qui évite les pertes associées à ce courant.

La figure 1 montre une variation typique du courant moteur (normalisé) avec le couple, pour un moteur à induction avec une tension d'alimentation fixe. La variation avec la vitesse est insignifiante.

Puissance du moteur

La puissance à l'arbre est donnée par le produit du couple et de la vitesse.

Si nous ignorons les pertes, la puissance électrique absorbée est donnée, pour une machine à courant continu par le produit de la tension et du courant continus, et pour une machine à courant alternatif par le produit de la valeur efficace. tension et la composante du courant en phase avec la tension, puisque le courant est généralement en retard sur la tension en phase.

En première approximation, le courant dépend du couple et la tension de la vitesse. La puissance d'entrée est similaire à la puissance de sortie, à l'exception des pertes qui, à la puissance nominale, sont généralement comprises entre 5 % et 20 % de la puissance nominale.

Courants et puissance d'entraînement

Étant donné que les variateurs utilisent des dispositifs de commutation avec une perte de puissance minimale, environ 2 %, la puissance d'entrée doit être très proche de la puissance de sortie. Le comportement du courant d'entrée du variateur est un peu moins évident.

La figure 2 montre les éléments essentiels d'un redresseur d'induit d'entraînement CC.

Les thyristors permettent de réguler la tension de sortie afin de contrôler le couple et la vitesse du moteur. Notez qu'il existe une continuité entre les phases d'entrée et la sortie, sans chemins de courant alternatifs tels que des condensateurs ou des connexions partagées. Sauf pendant le bref intervalle de chevauchement, seuls deux thyristors conduisent à tout moment, de sorte que le courant de charge doit toujours circuler dans les phases d'entrée, sauf si une diode de roue libre est installée.

Entraînement CC - sortie

Le courant à la sortie d'un variateur CC est le courant d'induit du moteur, qui est proportionnel au couple. Il y a un petit convertisseur supplémentaire pour alimenter le champ.

Entraînement CC - entrée

Si nous regardons maintenant comment le courant d'entrée est affecté par le fonctionnement du moteur, nous voyons que l'amplitude du courant d'entrée est directement proportionnelle au couple dans une relation très simple. Si l'ondulation actuelle peut être ignorée, alors . Ceci indépendamment de la vitesse ou de la tension de sortie[1].

Comment alors la puissance d'entrée peut-elle varier pour correspondre à la sortie, si le courant et la tension d'entrée sont indépendants de la vitesse ? La réponse est que le facteur de puissance d'entrée change, car lorsque le redresseur est déphasé (angle d'amorçage supérieur à 0 °), le courant d'entrée est en retard sur la tension d'alimentation en phase. A l'extrême, si le moteur est à l'arrêt mais délivrant le couple nominal, donc la puissance à l'arbre est nulle, le courant d'entrée est toujours à sa valeur nominale, mais avec un déphasage qui serait de 90° sans les pertes. Cela peut être un inconvénient assez sérieux des variateurs CC, et c'est la raison pour laquelle les gros variateurs CC sont souvent utilisés avec des condensateurs de correction du facteur de puissance.

Entraînement CA - sortie

Le courant alternatif de sortie du variateur est le courant moteur, qui comme on l'a vu comprend une composante productrice de couple et une composante magnétisante, cette dernière étant fournie par le variateur quel que soit le couple demandé. Le courant dans l'étage onduleur, qui représente une grande partie du coût matériel du variateur, est donc fonction du couple de sortie avec une composante fixe. Il est à peine affecté par la vitesse.

Entraînement CA - entrée

La figure 3 montre les éléments essentiels d'un variateur AC.

Les branches triphasées de l'onduleur sont connectées au même circuit de bus CC, qui est alimenté par le redresseur. La présence de cette connexion commune signifie que lorsque la tension de sortie de l'onduleur est inférieure à sa valeur maximale, c'est-à-dire à une vitesse inférieure à la vitesse de base, le courant de sortie circule partiellement entre les jambes de phase de l'onduleur. Il en va de même pour la partie réactive du courant de sortie. Le bus DC ne doit fournir que la puissance réelle requise par le moteur, c'est-à-dire le produit de la tension de sortie et de la partie réelle (active) du courant. La tension continue est fixée par la tension d'alimentation, donc le courant continu varie proportionnellement à la puissance, ou à la vitesse si le couple est constant.

Le courant d'entrée du redresseur reflète le courant du bus CC. La puissance d'entrée est pratiquement la même que la puissance du bus CC, car la perte du redresseur est négligeable. La r.m.s. La valeur du courant est plutôt supérieure à ce à quoi on pourrait s'attendre pour la puissance, car la forme d'onde n'est pas sinusoïdale, c'est-à-dire que le courant contient des harmoniques. Lorsque le courant augmente, les harmoniques diminuent proportionnellement en raison de l'effet de lissage des selfs de lissage ou de réduction des harmoniques. À la puissance de charge nominale, la valeur efficace le courant d'entrée est souvent assez proche de la valeur efficace. courant de sortie, ce qui peut amener les utilisateurs à supposer qu'ils sont identiques. Cependant, ce n'est vraiment qu'une coïncidence, avec des moteurs typiques ayant un facteur de puissance d'environ 0,85 et des variateurs typiques ayant un facteur de distorsion d'environ 0,85. A vitesse réduite les deux courants deviennent complètement différents.

Pour résumer, la figure 4 montre comment le courant d'entrée et de sortie d'un variateur de fréquence typique varie lorsque la vitesse et le couple varient. Toutes les quantités sont normalisées afin que la valeur nominale ou de base soit de 1,0.

Il n'y a qu'une seule ligne pour le courant de sortie car il varie peu avec la vitesse. Le courant d'entrée augmente en fonction du produit du couple et de la vitesse, mais avec une pente décroissante à mesure que l'effet des inductances devient plus prononcé à mesure que l'on approche du courant nominal, améliorant le facteur de puissance en réduisant les harmoniques de courant. Il y a une petite perte fixe et une perte variant avec le couple, comme on le voit sur la ligne pour une vitesse nulle, principalement causée par une perte résistive dans les enroulements du moteur.

Sens du couple et de la vitesse - régénération

Par souci de simplicité, la discussion ci-dessus s'est appliquée à des situations à un seul quadrant. Si le couple et/ou la vitesse peuvent s'inverser, certains facteurs supplémentaires doivent être pris en compte.

Pour les variateurs CC, une application à quatre quadrants nécessite deux ponts de thyristors pour permettre le courant CC bidirectionnel. Le comportement du courant d'entrée lorsque le sens de rotation s'inverse est une continuation du cas à un seul quadrant, le facteur de puissance passant par zéro à vitesse nulle puis remontant vers le maximum d'environ 0,82 mais avec la phase de la partie réelle inversée donnant inversé flux de puissance.

Pour les variateurs de fréquence, le redresseur non contrôlé ne peut pas renvoyer l'alimentation au secteur. L'onduleur est naturellement régénératif, donc avec une charge de révision, le bus CC reçoit la puissance renvoyée, et un circuit de freinage résistif est nécessaire pour éviter un déclenchement de surtension. Le courant d'entrée est alors nul.

Nous pouvons résumer tout ce qui précède dans un graphique, comme illustré à la figure 5. Cela s'applique à une charge de couple constant (plutôt théorique), c'est-à-dire une charge où le couple est constant sur toute la plage de vitesse de -100 % à +100 %. En pratique, cela se produit avec un ascenseur ou un palan transportant une charge fixe, et où l'accélération est suffisamment faible pour que nous ignorions la force nécessaire pour accélérer la charge. En d'autres termes, nous varions la vitesse lentement.

Dans la figure 5, nous commençons à la vitesse maximale. Pour les variateurs CC et CA, le courant d'entrée est d'environ 100 %. Nous commençons maintenant à réduire la vitesse. Pour le variateur CC, l'amplitude du courant d'entrée reste inchangée, et nous ne pouvons dire que la vitesse diminue que si nous regardons sa composante active (en phase avec la tension). Pour le variateur de fréquence, le courant d'entrée chute, pas tout à fait proportionnellement à la vitesse.

À une vitesse nulle, le courant d'entrée du variateur CC est toujours légèrement supérieur à 100 %. Son déphasage est proche de -90°, la seule partie active du courant étant due aux pertes de puissance, puisque la puissance à l'arbre est nulle. Le courant d'entrée du variateur de fréquence est très faible, ne fournissant que les pertes de puissance. Le facteur de puissance est plutôt faible car les selfs de lissage ont peu d'effet à un courant aussi faible - mais cela n'a aucune importance pratique car le courant est bien inférieur à la valeur nominale.

À des vitesses négatives, le courant d'entrée du variateur CC est toujours à sa valeur nominale, mais la partie réelle est devenue négative, de sorte que le variateur renvoie de l'énergie régénérée vers l'alimentation secteur, avec un facteur de puissance plutôt faible. Le variateur de fréquence a un courant de zéro, car le redresseur d'entrée a été bloqué et la perte de puissance du variateur est fournie par la puissance régénérée de la charge. Toute puissance de réserve doit être dissipée dans la résistance de freinage.