Choisir le câble moteur optimal pour les variateurs de vitesse (VSD)

Le câble moteur d'un variateur de vitesse à MLI (modulation de largeur d'impulsion) peut avoir des effets inattendus. Dans cet article, nous examinons les considérations particulières nécessaires lors du choix et de l'installation d'un câble moteur pour un VSD.

Courant assigné

Le courant moteur en régime permanent sous charge n'est pas significativement modifié par l'utilisation d'un VSD avec le moteur. La fonction de protection thermique du moteur et du câble intégrée au variateur est homologuée (par exemple par UL) pour la protection en cas de surcharge. Par conséquent, le courant assigné de base du câble moteur reste le même que pour un moteur raccordé directement sur le réseau.

Dimensionnement du câble et chute de tension – codes de dimensionnement

Les codes de dimensionnement des câbles utilisés par les installateurs électriciens, y compris les logiciels de planification, comportent souvent des dispositions spéciales pour les moteurs. Celles-ci sont basées sur un moteur asynchrone industriel standard démarré par connexion directe au réseau (« démarrage direct » ou DOL). Les longs câbles peuvent devoir être surdimensionnés par rapport au seul courant nominal continu, afin de limiter la chute de tension dans l'inductance et la résistance du câble pendant le démarrage. Un moteur asynchrone industriel typique absorbe un courant de démarrage DOL d'environ 5 fois sa valeur nominale maximale, en raison du fort glissement avant d'atteindre sa vitesse de régime ; et pendant le démarrage, le couple disponible n'est pas particulièrement élevé, comme l'illustre la Figure 1. Une chute de tension excessive dans le câble peut entraîner l'incapacité du moteur à démarrer si le couple de charge est maintenu à basse vitesse.

Figure 1 : Courant et couple lors du démarrage direct en ligne d'un moteur asynchrone

Avec un variateur de vitesse, le glissement du moteur reste toujours faible et le courant au démarrage ne dépasse jamais la valeur nominale à court terme (par exemple 110 % ou 150 % selon l'application). De plus, le variateur peut être réglé avec le moteur et son câble de manière à compenser la chute de tension du câble – à une vitesse inférieure à la vitesse de base, il existe une marge de tension entre la capacité du variateur et la tension nécessaire pour obtenir la densité de flux de travail dans le moteur. Par conséquent, avec un VSD, il n'est pas nécessaire de surdimensionner le câble pour réduire la chute de tension au démarrage. Dans les installations avec de longs câbles moteurs, ce fait peut permettre des économies considérables sur les coûts de câblage. Lors de l'utilisation de logiciels de dimensionnement de câbles pour planifier une installation, le moteur avec VSD doit être défini comme une charge résistive simple, et non comme un moteur, afin d'éviter l'allocation inutile pour le courant de démarrage du moteur.

Types de câbles – blindage (écran)

La sortie du VSD utilise la modulation de largeur d'impulsion (MLI/PWM) pour créer une alimentation à tension et fréquence réglables afin de contrôler le moteur. Les impulsions ont des fronts rapides, avec des temps de montée/descente de l'ordre de 100 ns. Cela signifie que le contenu fréquentiel de la tension dans le moteur et le câble moteur s'étend jusqu'aux hautes fréquences radio – généralement un niveau très élevé pour les fréquences jusqu'à environ 10 MHz, et un niveau considérable jusqu'à environ 50 MHz. Afin d'éviter les interférences électromagnétiques (EMI), le câble doit être blindé pour supprimer l'émission d'énergie électromagnétique. La présence d'un écran mis à la terre empêche l'émission de champ électrique, et la connexion correcte de l'écran aux deux extrémités (moteur et variateur), avec une liaison à auto-inductance minimale, empêche l'émission de champ magnétique. Les deux sont nécessaires.

Les émissions possibles d'un câble moteur mal géré peuvent affecter à la fois les communications radiofréquences et les équipements électroniques à proximité tels que les capteurs et les circuits de données, qui sont sensibles aux perturbations dans ces gammes de fréquences. La norme de compatibilité électromagnétique (CEM) pour les variateurs IEC 61800-3 (EN 61800-3) exige que le câble moteur soit blindé, sinon la sortie du variateur devrait être connectée via un dispositif de filtrage radiofréquence très coûteux et encombrant.

Des tests pratiques ont montré que les écrans de câbles en acier ou en cuivre peuvent être également efficaces, à condition qu'ils offrent une bonne couverture continue et une continuité sur toute la longueur du câble. Cela facilite le passage du courant radiofréquence le long de l'écran pour annuler le champ magnétique causé par le courant de mode commun dans les conducteurs de puissance, comme illustré à la Figure 2.

Figure 2 : Annulation du champ magnétique externe par un câble blindé avec écran connecté aux deux extrémités

Mise à la terre

La connexion de terre du moteur vise principalement à assurer la sécurité en cas de défaut à la terre dans le moteur. La connexion de terre doit supporter le courant de défaut jusqu'à ce que le dispositif de protection (fusible ou disjoncteur) l'interrompe, tout en garantissant que la tension de contact du corps du moteur reste dans des limites sûres.

Normalement, le VSD limite le courant de défaut à la terre à des niveaux et des durées bien inférieurs à ceux d'un fusible ou disjoncteur. Cependant, il repose sur des dispositifs et circuits à semi-conducteurs complexes pour y parvenir, qui peuvent tomber en panne. Pour des raisons de sécurité, l'impédance de la boucle de terre pour la connexion de terre doit donc être la même que s'il n'y avait pas de VSD – la protection ultime étant fournie par le dispositif de protection en amont alimentant le variateur. Le choix de la section du conducteur de terre est exactement le même que pour un moteur alimenté directement. Ceci est illustré à la Figure 3.

Figure 3 : Chemin du défaut à la terre du moteur et tension de contact

Comme expliqué ci-dessus, le câble moteur pour un VSD doit être blindé. La question de savoir si cet écran peut également assurer la connexion de terre de sécurité dépend de son impédance et du code de pratique utilisé pour la mise à la terre. Il est courant d'utiliser un conducteur de terre en cuivre séparé afin d'éviter la nécessité d'un calcul spécifique.

La question se pose parfois de savoir s'il faut utiliser un conducteur de terre à l'intérieur du câble moteur blindé (câble 4 conducteurs) ou un conducteur externe. Du point de vue de la sécurité, les deux solutions sont équivalentes. Pour des raisons de CEM également, les deux méthodes peuvent fonctionner, mais une attention particulière est requise avec un câble 4 conducteurs. Le conducteur de terre transporte un courant de bruit assez élevé, capté par les conducteurs de puissance à l'intérieur du câble. S'il est raccordé à un point du tableau de câblage du variateur éloigné de la terminaison de l'écran du câble, il injectera le courant de bruit dans le câblage de terre du tableau, avec un risque de perturber les circuits de signal. Il doit être connecté au tableau du variateur physiquement très près de la terminaison de l'écran, comme montré à la Figure 4.

Figure 4 : Gestion correcte du conducteur de terre (PE) dans un câble moteur blindé 4 conducteurs

Capacité et inductance

Le câble moteur possède une capacité et une inductance propres. Aux fréquences industrielles, la capacité a un effet négligeable, tandis que l'inductance cause une faible chute de tension qui est principalement négligeable, sauf pour de très longs câbles et des courants de démarrage DOL élevés.

L'effet sur les fronts rapides d'impulsions MLI d'un onduleur est bien plus important. À chaque front d'impulsion, la capacité du câble doit être déchargée. Cela entraîne des pics de courant assez importants, mais courts, à chaque front. Ceux-ci peuvent provoquer des émissions de champ à haute fréquence, et ils constituent également une charge pour les semi-conducteurs de puissance de l'onduleur lors de la commutation.

Heureusement, l'inductance du câble est répartie le long du câble avec la capacité, et a pour effet de limiter le courant de charge. L'effet net est décrit par les « équations des télégraphistes » et aboutit aux paramètres du câble Z₀, l'impédance caractéristique, et v, la vitesse de propagation.

À chaque front d'impulsion MLI, un courant circule pour charger le câble, donné par :

I = V_DC / Z₀

Où V_DC = tension du bus continu de l'onduleur

Pour un câble coaxial, l'impédance caractéristique est donnée par :

Z₀ = (60 / √ε_r) × ln(D/d)

Où :

• ε_r = permittivité relative du diélectrique (isolant)
• D = diamètre intérieur du conducteur externe
• d = diamètre extérieur du conducteur interne

Dans un câble blindé triphasé, la géométrie n'est pas une forme coaxiale simple, mais son comportement est similaire, l'impédance étant fonction de la permittivité du diélectrique et des diamètres relatifs des conducteurs internes et externes. La géométrie et le matériau diélectrique utilisés dans les câbles ne varient pas beaucoup, et le terme logarithmique signifie que l'impédance n'est pas très sensible aux changements de géométrie. Les valeurs mesurées de Z₀ pour les câbles de puissance blindés standards varient entre environ 45 Ω pour un câble de 2,5 mm² et 15 Ω pour un câble de 120 mm². Cela signifie que pour les variateurs plus puissants avec des courants assignés supérieurs à environ 20 A, le courant de charge est insignifiant, mais pour des assignations inférieures à environ 10 A, il a un impact et le variateur doit être conçu pour fournir le courant de charge sans perte de puissance excessive ni déclenchement intempestif de surintensité.

La durée de l'impulsion de courant est déterminée par la longueur du câble ; elle est égale au temps nécessaire à l'impulsion pour aller jusqu'à l'extrémité moteur et revenir sous forme de réflexion inversée. Plus le câble est long, plus l'effet sur l'onduleur est important.

Certains câbles spéciaux peuvent avoir des valeurs anormales de Z₀ :

• Le rapport des diamètres peut être fortement réduit s'il n'y a pas de gaine isolante entre les conducteurs de puissance et l'écran, ce qui peut se produire pour des câbles de puissance blindés hautement flexibles.
• Les câbles à isolation minérale et gaine cuivre (MICC) ont également un faible rapport de diamètres, et la permittivité de l'isolant minéral est élevée, donc l'impédance est très faible.

Une autre situation où le Z₀ effectif sera faible est si plusieurs câbles sont connectés en parallèle pour atteindre le courant assigné requis, plutôt que d'utiliser un seul câble de gros diamètre. Dans ces cas, à moins que la longueur totale du câble ne soit très courte, il est souvent nécessaire d'ajouter des selfs en série entre le variateur et le câble pour limiter le courant de charge du câble. Chez Control Techniques, nous avonsoccasionnellement rencontré un cas où l'installateur a utilisé trois câbles en parallèle et a utilisé un câble trois conducteurs pour chaque phase. Cette disposition est une mauvaise pratique en tout cas car le courant à la fréquence du réseau dans les conducteurs de phase induit des contre-courants dans les écrans, ce qui peut entraîner un échauffement de ceux-ci. Lorsqu'elle est utilisée avec un VSD, elle entraîne un courant de fuite exceptionnellement élevé dû à la capacité excessive entre les conducteurs de puissance et la terre, ce qui peut causer des interférences à haute fréquence avec les circuits voisins et risque de surcharger les filtres CEM par un courant de mode commun (terre) excessif. Les bonnes et mauvaises méthodes sont montrées à la Figure 5.

Figure 5 : Bonnes et mauvaises méthodes pour connecter des câbles de puissance en parallèle

Dans ce qui précède, je n'ai pas particulièrement distingué les modes dans le câble auxquels l'impédance s'applique. Il n'est généralement pas nécessaire d'entrer dans ce niveau de détail, mais les principaux modes qui affectent le variateur sont :

• Mode asymétrique simple, un conducteur par rapport à tous les autres conducteurs et à l'écran. Cela est pertinent pour la charge du variateur mais pas pour le courant de terre ou la charge du filtre.
• Mode commun, tous les conducteurs de puissance vers l'écran et vers le conducteur de terre le cas échéant. Cela est pertinent pour le courant de terre et la charge du filtre.

Surtenseur moteur et vitesse de variation (dv/dt)

La capacité et l'inductance du câble provoquent des surtensions aux bornes du moteur aux fronts d'impulsion. En termes d'équations des télégraphistes, celles-ci peuvent être comprises comme des réflexions aux bornes du moteur causées par le désaccord d'impédance. Même des câbles assez courts entraînent un certain surtenseur. Cela peut être surprenant si vous n'êtes pas familier avec les onduleurs et les impulsions à variation rapide – à l'échelle de la microseconde, la tension au moteur est très différente de celle au variateur, bien qu'ils soient connectés ensemble.

Les moteurs ont une capacité de tenue en tension qui dépend du temps de montée de la tension. Pour des temps de montée inférieurs à environ 0,8 microseconde, la tenue en tension peut être réduite car la tension tend à se concentrer dans les premiers tours de l'enroulement, et sollicite l'isolant inter-tours. La plupart des moteurs sont conçus pour être utilisés avec des variateurs sur une alimentation 400 V ou 480 V sans mesures spéciales. Pour les moteurs 690 V, il est fortement recommandé d'utiliser un moteur spécialement conçu pour l'alimentation par onduleur afin d'éviter tout risque de défaillance prématurée de l'isolation. De tels moteurs doivent être spécifiés conformément aux recommandations du document IEC TS 60034-25 (« Lignes directrices pour la conception et les performances des moteurs à courant alternatif spécialement conçus pour l'alimentation par convertisseur »).

Moteurs multiples

Il est parfois souhaitable de faire fonctionner plusieurs moteurs à partir d'un seul variateur. Par exemple, de petits ventilateurs peuvent être installés autour d'un bâtiment et pilotés par un seul variateur, chacun avec son propre câble. Dans cette situation, la capacitance du câble est dictée par sa longueur totale, mais les inductances des sections apparaissent en parallèle au variateur, pas en série. Pour n câbles, l'impédance vue par le variateur à ses fronts d'impulsion est Z₀/n.

Une self série doit être utilisée dans ce cas pour limiter les pics de courant de charge de la capacitance, sinon le variateur risque de subir des déclenchements ou limitations de surintensité prématurés dus au courant de charge élevé.