Câbles moteur pour variateurs de vitesse

Le câble moteur d'un variateur de vitesse PWM peut avoir des effets inattendus. Dans ce blog, j'examine certaines considérations particulières qui sont nécessaires lors du choix et de l'installation d'un câble moteur pour un VSD.

Classement actuel

Le courant du moteur chargé en régime permanent n'est pas sensiblement modifié en utilisant un VSD avec le moteur. La fonction de protection contre le courant du moteur dans le variateur est homologuée (par exemple par UL) pour la protection thermique du moteur et du câble en cas de surcharge. Par conséquent, le courant nominal de base du câble moteur est le même que pour un moteur connecté directement en ligne.

Dimensionnement des câbles et chute de tension - codes de dimensionnement des câbles

Les codes de dimensionnement des câbles utilisés par les installateurs électriques, y compris les progiciels de planification des câbles, comportent souvent des dispositions spéciales pour les moteurs. Ceux-ci seraient basés sur un moteur à induction industriel standard démarré par une connexion directe à la ligne électrique (démarrage DOL « Direct On Line »). Les câbles longs peuvent avoir besoin d'être plus gros que ce qui serait dicté par le courant nominal continu à pleine charge, afin de limiter la chute de tension dans l'inductance et la résistance du câble lors du démarrage. Un moteur à induction industriel typique tire un courant de démarrage DOL d'environ 5 fois sa valeur nominale maximale, en raison du glissement élevé avant qu'il n'atteigne sa vitesse de fonctionnement; et pendant le démarrage, le couple disponible n'est pas particulièrement élevé, comme illustré à la figure 1. Il est possible qu'une chute de tension excessive dans le câble entraîne l'échec du démarrage du moteur si le couple de charge est maintenu à basse vitesse.

Figure 1 :Courant et couple lors du démarrage d'un moteur à induction directement en ligne

Lors de l'utilisation d'un variateur de vitesse, le glissement du moteur est 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 afin que la chute de tension du câble soit compensée - à une vitesse inférieure à la vitesse de base, il y a une marge de tension disponible entre la capacité du variateur et la tension requise pour atteindre 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 moteur, ce fait peut permettre des économies considérables sur les coûts de câblage. Lors de l'utilisation d'un logiciel de dimensionnement de câbles pour planifier une installation, le moteur avec VSD doit être défini comme une simple charge résistive, et non comme un moteur, afin d'éviter la tolérance inutile pour le courant de démarrage du moteur.

Types de câble – blindage (blindage)

La sortie VSD utilise la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour créer une alimentation avec une tension et une fréquence réglables pour 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 il y a 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 afin que l'émission d'énergie électromagnétique soit supprimée. La présence d'un écran mis à la terre empêche l'émission de champ électrique et la connexion correcte de l'écran aux extrémités du moteur et de l'onduleur, en utilisant une liaison avec une auto-inductance minimale, empêche l'émission de champ magnétique. Les deux sont nécessaires.

L'éventuelle émission d'un câble moteur mal géré peut 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 CEI 61800-3 (EN 61800-3) exige que le câble du moteur soit blindé, sinon la sortie du variateur devrait être connectée via un dispositif de filtrage de radiofréquence très coûteux et peu maniable.

Des tests pratiques ont montré que les écrans de câble en acier ou en cuivre peuvent être tout aussi efficaces à condition qu'ils aient une bonne couverture continue et une bonne continuité sur toute la longueur du câble. Cela facilite la circulation du courant radiofréquence le long de l'écran pour annuler le champ magnétique causé par le courant de mode commun dans les noyaux de puissance, 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 (mise à la terre)

La mise à la terre du moteur sert principalement à assurer la sécurité en cas de défaut à la terre dans le moteur. La connexion à la terre doit transporter le courant de défaut jusqu'à ce que le dispositif de sécurité (fusible ou disjoncteur) interrompe le courant, tout en garantissant que la tension de contact[1] du corps du moteur reste dans des limites de sécurité.

Normalement, le VSD limite le courant de défaut à la terre à des niveaux beaucoup plus bas et des durées plus courtes qu'un fusible ou un disjoncteur. Cependant, il s'appuie sur des dispositifs et des circuits semi-conducteurs complexes pour y parvenir, ce qui peut échouer. Pour des raisons de sécurité, l'impédance de la boucle de terre pour la connexion à la terre doit donc être la même que s'il n'y avait pas de VSD - la protection ultime est fournie par le dispositif de protection en amont alimentant le variateur. Le choix de la dimension du conducteur de terre est exactement le même que pour un moteur à alimentation directe. Ceci est illustré à la figure 3.

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

Comme expliqué ci-dessus, le câble moteur d'un VSD doit être blindé. Que ce blindage puisse également fournir la connexion à la 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 spécial.

La question se pose parfois de savoir s'il faut utiliser un noyau de terre dans le câble moteur blindé (c'est-à-dire un câble à 4 conducteurs) ou un noyau externe. Du point de vue de la sécurité, les deux solutions sont également bonnes. Pour des raisons de CEM également, les deux méthodes peuvent fonctionner, mais il faut faire attention avec un câble à 4 conducteurs. Le noyau de terre transporte un courant de bruit assez élevé, capté par les noyaux d'alimentation à l'intérieur du câble. S'il est amené à un point du panneau de câblage de l'onduleur éloigné de la terminaison du blindage du câble, il injectera le courant de bruit dans le câblage de masse du panneau, avec un risque de perturber les circuits de signal. Il doit être connecté au panneau de l'onduleur physiquement très près de la terminaison de l'écran, comme illustré à la Figure 4.

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

Capacité et inductance

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

L'effet sur les impulsions PWM à montée rapide d'un onduleur est beaucoup plus important. A chaque front d'impulsion, la capacité du câble doit être déchargée. Il en résulte des impulsions de courant assez importantes mais courtes à chaque front. Ceux-ci peuvent provoquer une émission de champ à haute fréquence et forment également une charge sur 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 du télégraphe" et se traduit par des paramètres de câble Z₀ , l'impédance caractéristique et v , la vitesse de propagation.

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

Où  = Tension du circuit intermédiaire de l'onduleur

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

Où :

=permittivité relative du diélectrique (isolant)

= Diamètre intérieur du conducteur extérieur

=Diamètre extérieur du conducteur intérieur

Dans un câble blindé triphasé, la géométrie n'est pas une simple forme coaxiale, mais son comportement est similaire, l'impédance étant fonction de la permittivité diélectrique et des diamètres relatifs des conducteurs intérieur et extérieur. 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. Valeurs mesurées de   pour les câbles d'alimentation blindés standard, la plage est comprise entre environ 45 ohms pour 2,5 mm ² câble à 15 ohm pour 120 mm ² câble. Cela signifie que pour les variateurs plus gros avec des courants nominaux supérieurs à environ 20 A, le courant de charge est insignifiant, mais pour des puissances nominales 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, ou de surtension indésirable. déclenchement actuel.

La durée de l'impulsion de courant est déterminée par la longueur du câble, elle est égale au temps mis par l'impulsion pour se rendre à l'extrémité moteur puis revenir en réflexion inversée. Plus le câble est long, plus l'effet sur l'onduleur est important.

Certains câbles spéciaux peuvent avoir des valeurs anormales de 

Le rapport des diamètres peut être très réduit s'il n'y a pas de gaine isolante entre les conducteurs de puissance et le blindage, ce qui peut se produire pour les câbles de puissance blindés très souples. Le câble gainé de cuivre à isolation minérale (MICC) a également un faible rapport de diamètres et la permittivité de l'isolant minéral est élevée, de sorte que l'impédance est très faible.

Une autre situation où l'efficacité sera faible est si plusieurs câbles sont connectés en parallèle pour atteindre le courant nominal requis, plutôt que d'utiliser un seul câble de grand diamètre. Dans ces cas, à moins que la longueur totale du câble ne soit très courte, il est souvent nécessaire d'ajouter des inductances en série entre le variateur et le câble pour limiter le courant de charge du câble. Chez Control Techniques, nous avons parfois rencontré un cas où l'installateur a utilisé trois câbles en parallèle et a utilisé un câble à trois conducteurs pour chaque phase. Cette disposition est de toute façon mal pratique car le courant à fréquence réseau dans les noyaux des phases induit des contre-courants dans les écrans, ce qui peut entraîner un échauffement des écrans. Lorsqu'il est utilisé avec un VSD, il en résulte un courant de fuite exceptionnellement élevé dû à la capacité excessive entre les noyaux d'alimentation et la terre, ce qui peut provoquer des interférences à haute fréquence avec les circuits à proximité et risque également de surcharger les filtres RFI par un mode commun excessif (terre) courant. Les bonnes et les mauvaises méthodes sont illustrées à la figure 5.

Figure 5 :Bonnes et mauvaises méthodes pour connecter les câbles d'alimentation en parallèle

Dans ce qui précède, je n'ai pas particulièrement distingué les modes du câble auxquels s'applique l'impédance. Il n'est généralement pas nécessaire de prendre en compte autant de détails, mais les principaux modes qui affectent le lecteur sont :

• Mode asymétrique simple, un cœur par rapport à tous les autres cœurs et à l'écran. Ceci est pertinent pour la charge du variateur mais pas pour le courant de terre ou la charge du filtre.
• Mode commun, tous les noyaux d'alimentation au blindage et au noyau de terre le cas échéant. Ceci est pertinent pour le courant de terre et la charge du filtre.

Dépassement de la tension du moteur et taux de variation (dv/dt)

La capacité et l'inductance du câble provoquent des dépassements de tension aux bornes du moteur sur les fronts d'impulsion. En termes d'équations du Telegrapher, celles-ci peuvent être comprises comme des réflexions aux bornes du moteur causées par le décalage d'impédance. Même des câbles assez courts entraînent un certain dépassement. Cela peut être surprenant si vous n'êtes pas familier avec les onduleurs et les impulsions à changement rapide - sur une échelle de temps de la microseconde, la tension au niveau du moteur est assez différente de celle au niveau de l'onduleur, même s'ils sont 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 a tendance à se concentrer dans les premières spires de l'enroulement, et sollicite l'isolation entre les spires. La plupart des moteurs sont conçus pour être utilisés avec des variateurs fonctionnant à partir d'une alimentation 400 V ou 480 V sans mesures particulières. Pour les moteurs 690 V, il est fortement recommandé d'utiliser un moteur à onduleur spécialement conçu pour éviter tout risque de défaillance prématurée de l'isolation. Ces moteurs doivent être spécifiés conformément aux orientations données dans le document CEI TS 60034-25 ("Orientations pour la conception et les performances des moteurs à courant alternatif spécifiquement conçus pour l'alimentation par convertisseur").

Plusieurs moteurs

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

Une bobine d'arrêt en série doit être utilisée dans ce cas pour limiter les impulsions de charge de capacité, sinon le variateur risque de souffrir d'un déclenchement prématuré ou d'une limitation de surintensité causée par le courant de charge élevé.