Schémas VFD expliqués : diagrammes de circuits, types et construction d'un variateur de fréquence

Chaque passionné d'électronique a rencontré le terme VFD. VFD est l'abréviation de Variable Frequency Drive, également appelé Variable Speed Drives et Onduleurs. Son utilisation principale est de gérer la vitesse d'un moteur CA. Simplement dit, ce sont des contrôleurs de moteur qui régulent la fréquence et la tension servies au moteur électrique, en fonction de ses exigences spécifiques. Généralement, les trois composants majeurs d'un schéma VFD sont le redresseur, la liaison CC et un onduleur.

Ici, nous explorons le concept des circuits de pont VFD, les différentes sections, types de VFD, et leurs avantages et inconvénients.

1. Qu'est-ce que le circuit VFD et comment fonctionne-t-il ?

Comme mentionné ci-dessus, le Variateur de Fréquence fait fonctionner une spécification de moteur CA à des vitesses variables. Vous devez noter que le moteur CA alterne sa vitesse en changeant la fréquence de tension utilisée pour le faire fonctionner. Cela implique que lorsque vous appliquez une tension de 50 Hz à un moteur CA, le moteur fonctionne à une vitesse nominale. Cependant, si la fréquence de tension d'entrée que vous utilisez dépasse 50 Hz, le moteur tourne plus vite que la vitesse nominale. Mais si la fréquence de tension que vous fournissez est inférieure à 50 Hz, le moteur fonctionne lentement.

Conformément au principe de fonctionnement du VFD, le contrôleur électronique modifie la fréquence de tension envoyée au moteur à induction. Avec l'invention d'un microprocesseur avancé, le VFD fonctionne comme un dispositif modifiable qui contrôle la vitesse du moteur et le protège contre les surintensités pendant les conditions de démarrage et d'arrêt. Le circuit de variateur de fréquence garantit que le courant excessif du moteur pendant le fonctionnement est limité, ce qui aide à maintenir les coûts d'utilité bas. Actuellement, vous remarquerez que le schéma VFD est un type populaire de transistor de sortie utilisé pour un système de contrôle. Ce dispositif électrique qui transforme la fréquence de l'alimentation CA, le circuit VFD, comprend trois parties. Ces parties sont un redresseur à pont complet, une liaison CC et un onduleur.

Diagramme de blocs de base d'un VFD triphasé

Trois sections significatives constituent le diagramme de blocs d'un VFD. Ces sections incluent :

• La zone de conversion de puissance.
• La section de contrôle du microprocesseur responsable du contrôle des opérations du VFD.
• La section de consommation d'énergie qui change la tension CA en CC. Aussi, change le CC en une tension triphasée.

Le circuit VFD se compose de trois parties

Redresseur

Il régule l'alimentation triphasée CA entrante et la transforme en CC. Les VFD monophasés de faible puissance possèdent des circuits redresseurs monophasés utilisant des diodes. Pourtant, les VFD triphasés ont des circuits redresseurs triphasés utilisant des thyristors (SCR) car le SCR est favorable pour les hautes tensions positives et les applications de haute puissance.

Circuit intermédiaire CC / Filtre CC

Le circuit CC délivre une tension CC lisse et améliorée. Aussi, il est étiqueté comme liaison CC ou bus CC qui comprend certains condensateurs et inductances. Dans cette section du circuit VFD astable, les segments de ripple des broches de sortie dans l'alimentation CC sont éliminés.

Onduleur

Un onduleur aide à faire commuter le CC marche/arrêt, ce qui fait que le moteur acquiert une tension pulsée similaire au CA. Le taux d'alternance est contrôlé pour modifier la fréquence du CA simulé appliqué au moteur. C'est vital, car le fonctionnement principal d'un circuit VFD dépend de cette section, et le VFD utilise un circuit onduleur à commande complète. En résumé, avec le circuit onduleur contrôlé, la forme d'onde de l'alimentation CA de sortie permet au moteur de fonctionner.

2. Différents types de VFD

Trois principaux types de VFD sont VSI, CSI et PWM.

Le VSI (Voltage Source Inverter)

Parmi ces trois, le VSI (onduleur à source de tension) est le plus courant des types. Le fonctionnement d'un VSI nécessite la conversion du signal CA en CC par un simple pont de diodes et un condensateur pour stocker l'énergie. L'onduleur utilise ensuite l'énergie stockée pour commuter le contrôle et donner la sortie désirée. Sans doute, l'utilisation du VSI s'accompagne d'avantages et d'inconvénients.

Avantages

• La production et l'installation du VSI sont rentables.
• De plus, il utilise des installations de contrôle multi-moteurs qui peuvent se connecter avec le VFD de type VSI unique.
• Il possède une bonne plage de vitesse.
• La conception est simple et non complexe.

Inconvénients

• La fréquence de sortie génère des bruits de différents types.
• À cause de l'effet de cogging, le moteur de charge subit des à-coups pendant les situations de démarrage et d'arrêt.
• En raison d'une vitesse de moteur contrôlée ou diminuée, résultant en un facteur de puissance médiocre.

Onduleur à source de courant (CSI - Current Source Inverter)

Le CSI (onduleur à source de courant), par opposition au VSI, fournit une sortie de tension lisse à travers la broche 3. La formation du type CSI dépend du courant au lieu de la tension. Précédemment, dans le CSI, vous pouvez utiliser le pont de thyristors au lieu du redresseur à pont de diodes. Comme alternative aux condensateurs, nous utilisons des inductances pour analyser l'énergie de sortie pour une sortie de courant lisse. Aussi, le CSI est capable de fournir des ondes carrées de courant.

Avantages

• Pour commencer, il prend en charge un moteur à induction de plus forte puissance où le VSI n'est pas adéquat.
• Il a une fiabilité plus élevée comparée au VSI.
• Avant tout, il possède une excellente capacité de régénération.

Inconvénients

• La plupart du temps, il génère un facteur de puissance médiocre.
• Aussi, il subit un effet de cogging qui pourrait secouer l'arbre du moteur lors du fonctionnement.
• Enfin, il n'est pas approprié pour le fonctionnement multi-moteurs.

Modulation de Largeur d'Impulsion (PWM - Pulse Width Modulation)

Le type PWM (modulation de largeur d'impulsion) est aussi une version améliorée. Avec le circuit à tension contrôlée PWM, les VFD peuvent donner une sortie de tension stable maintenue avec un rapport de fréquence. Le circuit contrôleur de tension PWM utilise un régulateur additionnel pour fournir l'alimentation de base stable et appropriée en tension et courant de la charge.

Avantages

• Pas d'effet de colmatage ou de secousse, et offre une large plage de vitesse et de bouton de contrôle.
• Aussi, il y a une puissance constante avec une efficacité énergétique très élevée.
• Il comprend différents types de protection de circuit.

Inconvénients

• Il y a une certaine complexité concernant la conception et l'implémentation.
• Il génère un bruit perturbateur dans le circuit de driver de phase.
• Enfin, il nécessite du matériel additionnel et est une solution coûteuse.

Comment réaliser un circuit VFD triphasé

Nous avons besoin des éléments suivants pour réaliser un circuit VFD triphasé :

• Circuit contrôleur de tension PWM : L'étage générateur PWM génère une sortie PWM variable à travers la broche 3 du CI2 en réponse à la tension appliquée à la broche 5 du même CI.
• Circuit pont H triphasé : Un étage de génération de signal triphasé applique un signal triphasé bien calculé à travers les entrées HIN1/2/3 et LIN1/2/3 du CI.
• Circuit générateur de signal triphasé : La fréquence d'entrée des signaux triphasés détermine les horloges envoyées dans le système. Ce qui généralement devrait être six fois le signal triphasé souhaité. Pour le dire autrement, si la fréquence triphasée désirée est de 100 Hz, l'horloge d'entrée devrait être 100 x 6 = 600 Hz.
• Circuit convertisseur tension-fréquence pour produire le paramètre V/Hz.

Lien vidéo : https://youtu.be/TAFDX301Qrk (Construction d'un Variateur de Fréquence)

Conclusion

En tout, pour le contrôle additionnel du circuit convertisseur de fréquence CA et le fonctionnement du moteur CA à vitesse variable, nous avons besoin du Variateur de Fréquence (VFD). L'efficacité du VFD dépend uniquement de son type, de sa plage et de sa qualité. Par conséquent, les ingénieurs devraient rechercher et utiliser le meilleur pour de grands résultats. Avez-vous d'autres questions concernant la configuration du circuit VFD ? Commentez ci-dessous ou contactez-nous.