Comment choisir un variateur de fréquence (VFD) ?

La façon la plus répandue de faire fonctionner un moteur électrique à la vitesse souhaitée, avec le bon couple et de manière économe en énergie, consiste à utiliser un variateur de fréquence, c'est-à-dire un VFD (Variable Frequency Drive). Cependant, les performances du variateur dépendent de son bon appariement avec le moteur et l'application. Un variateur mal dimensionné signifie surchauffe, défaut de protection, courant déséquilibré dans le moteur, voire panne prématurée. Dans cet article, nous traitons successivement les critères à respecter lors du choix d'un variateur de fréquence pour les moteurs asynchrones DRG : puissance et courant du moteur, type de charge, mode de commande, capacité de surcharge, conditions ambiantes et besoin de filtrage. Pour le détail du mode de commande, notre article différence entre commande V/f et vectorielle ainsi que, pour un choix selon la charge, notre article choix du moteur selon le type de charge sont complémentaires.

Pourquoi le variateur de fréquence est-il choisi en fonction du moteur ?

Le variateur redresse d'abord la tension fixe de 50 Hz du réseau, puis la régénère à la fréquence et à la tension souhaitées avant de l'appliquer au moteur. La vitesse du moteur peut ainsi être réglée sans interruption. Mais pour pouvoir supporter le courant produit par le variateur et piloter correctement le comportement magnétique du moteur, celui-ci doit être compatible avec le moteur auquel il sera raccordé. Le choix part toujours du moteur : sa puissance nominale, son courant nominal et son nombre de pôles définissent la limite inférieure du variateur.

Premier critère : la puissance du moteur

Les catalogues de variateurs indiquent généralement une puissance en kW. Cette valeur est toutefois le plus souvent donnée en supposant une « charge normale » (light duty). En charge lourde, le même variateur est évalué à une puissance plus faible. La puissance n'est donc pas à elle seule un critère suffisant ; elle se lit avec le courant.

Deuxième critère, plus juste : le courant du moteur

La règle d'or du choix d'un variateur de fréquence est la suivante : choisissez le variateur en fonction du courant nominal du moteur. Le courant de sortie que le variateur peut fournir en permanence doit être égal ou supérieur au courant indiqué sur la plaque du moteur. La correspondance en puissance peut parfois être trompeuse ; à valeur de kW identique, le courant de deux moteurs peut différer en raison des écarts de rendement et de facteur de puissance. C'est pourquoi on se base impérativement sur l'intensité en ampères figurant sur la plaque du moteur.

Type de charge et dimensionnement du variateur

Le caractère de la charge influe directement sur la capacité réelle du variateur. Les charges se répartissent grossièrement en trois groupes :

• Charges à couple variable : Dans des applications telles que les ventilateurs et les pompes, le couple augmente avec le carré de la vitesse. Ces charges relèvent de la classe « normal duty » et le variateur peut être utilisé à sa valeur nominale.
• Charges à couple constant : Sur les convoyeurs, les concasseurs, les extrudeuses et les mélangeurs, le couple est indépendant de la vitesse. Ces charges exigent du « heavy duty » et le variateur est choisi d'une taille au-dessus.
• Charges à forte inertie / à chocs : Dans les applications soumises à des variations de charge brusques, le variateur comme la réserve de surcharge sont choisis plus généreusement.

Capacité de surcharge (overload)

Chaque variateur possède une limite de surintensité qu'il peut fournir pendant une courte durée. Les valeurs typiques sont de 110-120 % en charge normale et de 150 % et plus en charge lourde. Dans les applications exigeant un couple de démarrage élevé, cette réserve fait la différence ; si elle est insuffisante, le moteur ne peut pas démarrer ou le variateur se met en défaut.

Tableau des critères de choix

Le tableau ci-dessous résume les critères fondamentaux à évaluer lors du choix d'un variateur de fréquence et ce qu'ils signifient.

Choix du mode de commande : V/f ou vectoriel ?

La manière dont le variateur pilotera le moteur dépend de la sensibilité de l'application. Pour les ventilateurs et les pompes, où un simple réglage de vitesse suffit, la commande V/f est suffisante. Pour les applications exigeant un couple élevé à bas régime, une vitesse précise et une réponse rapide, une commande vectorielle (sans capteur ou avec codeur) est nécessaire. Sur les différences techniques entre ces deux méthodes et sur le choix à faire selon l'application, notre article différence entre commande V/f et vectorielle propose une comparaison détaillée.

Problème de refroidissement à bas régime

Un moteur standard refroidi par son propre ventilateur ne se refroidit pas suffisamment lorsqu'il est entraîné longtemps à couple constant et à très bas régime avec un variateur. Dans ce cas, il faut ajouter un ventilateur de refroidissement externe (forcé) ou choisir le moteur d'une taille au-dessus. Comment prendre cette décision selon le type de charge, notre article choix du moteur selon le type de charge l'examine.

Conditions ambiantes et déclassement

Comme les moteurs, les variateurs sont sensibles à la température. Plus la température à l'intérieur de l'armoire augmente, plus le courant que le variateur peut fournir diminue. Dans les environnements au-delà de 40 °C et en altitude élevée, le variateur est un peu surdimensionné par « déclassement ». Dans les environnements poussiéreux et humides, le variateur est placé dans une armoire à protection adaptée.

Poussière, humidité et indice de protection

Dans les applications de terrain, l'indice de protection de l'armoire abritant le variateur est choisi en cohérence avec les conditions auxquelles le moteur est exposé. Les environnements humides et corrosifs exigent des mesures supplémentaires côté moteur comme côté variateur ; pour les mesures côté moteur, notre article protection contre l'humidité et la corrosion vous guide.

Longueur de câble et filtre de sortie

Plus le câble entre le moteur et le variateur est long, plus les impulsions de commutation rapides produites par le variateur se réfléchissent le long du câble et provoquent des pics de tension aux bornes du moteur. Sur les câbles longs, ce phénomène sollicite l'isolation du moteur. Un filtre dV/dt ou sinus est alors nécessaire. Pour la physique du sujet et ses solutions, notre article câble moteur long et onde réfléchie est celui que nous recommandons.

CEM et compatibilité électromagnétique

Les variateurs produisent par nature des perturbations électromagnétiques. Dans les environnements où se trouvent des équipements électroniques sensibles, l'utilisation d'un filtre CEM est incontournable, tant pour la conformité réglementaire que pour la fiabilité. Ce sujet, notre article filtre CEM sur moteur à variateur le détaille.

Le volet économie d'énergie

Dans les applications à couple variable comme les ventilateurs et les pompes, la régulation de vitesse par variateur permet une économie d'énergie considérable par rapport aux méthodes d'étranglement. Quand la vitesse baisse, la consommation de puissance diminue de façon cubique. Cette économie amortit le plus souvent l'investissement dans le variateur en peu de temps. Le calcul de ce point, notre article économie d'énergie avec un variateur de fréquence le traite.

L'avantage du démarrage progressif

Le variateur accélère également le moteur de façon progressive, réduisant ainsi le courant de démarrage et le choc mécanique. Cela protège à la fois le réseau et la transmission mécanique. Pour les applications n'exigeant qu'un démarrage progressif, les méthodes alternatives, notre article avantage du démarrage progressif les compare.

Nombre de pôles et relation avec la vitesse

Avec un variateur, la vitesse d'un moteur peut être abaissée sous sa valeur nominale et, dans une mesure limitée, portée au-dessus. La vitesse de départ est toutefois déterminée par le nombre de pôles du moteur. Choisir la bonne vitesse de départ influe aussi sur la plage de fonctionnement avec variateur. Cette relation, notre article nombre de pôles et vitesse l'explique.

Le triangle puissance, couple et vitesse

Lors du choix d'un variateur, il est indispensable de comprendre la relation puissance-couple-vitesse du moteur. Au-dessus de la vitesse nominale, le moteur entre dans la zone à puissance constante et le couple diminue. Le couple attendu par l'application dans cette zone influe directement sur le choix du variateur et du moteur. Pour le détail, notre article relation entre puissance, couple et vitesse est à consulter.

Utilisation d'un variateur sur les moteurs frein

Dans les applications exigeant le maintien de la charge ou un arrêt rapide, le fonctionnement conjoint du frein du moteur et du variateur est planifié. L'alimentation de la bobine de frein et la stratégie d'arrêt sont correctement configurées côté variateur. La nécessité d'un moteur frein, notre article moteur électrique frein l'examine.

Énergie régénérative et résistance de freinage

Sur les charges à forte inertie ou fréquemment arrêtées, le moteur se comporte comme un générateur lors du ralentissement et renvoie l'énergie vers le variateur. Une résistance de freinage ou une unité régénérative peut être nécessaire pour gérer cette énergie. Mal planifié, le variateur se met en défaut de surtension.

Limites de fréquence et survitesse

Le variateur peut faire tourner le moteur plus vite en dépassant la fréquence nominale ; mais cela a une limite mécanique. Les roulements, l'équilibrage et la tenue du rotor déterminent cette limite. La survitesse exige une évaluation technique distincte et est impérativement vérifiée avant l'application.

Paramètres de programmation du variateur

Une fois le bon variateur choisi, les valeurs figurant sur la plaque du moteur (tension, courant, fréquence, vitesse, facteur de puissance) sont saisies dans le variateur. Les rampes d'accélération et de décélération, la limite de courant et les seuils de protection sont réglés selon l'application. Un paramètre manquant ou erroné rend inefficace même un variateur bien choisi.

Protection thermique du moteur

Même si le variateur assure une protection électronique contre les surintensités, une protection mesurant directement la température, comme une thermistance (PTC), est recommandée sur les moteurs à vitesse variable. Le moteur, dont le refroidissement s'affaiblit à bas régime, est ainsi protégé contre la surchauffe.

Mise à la terre et sécurité

Dans les systèmes à variateur, la mise à la terre est critique tant pour la sécurité que pour la CEM. Si l'utilisation de câble blindé, la reprise du blindage et la mise à la terre du variateur ne sont pas correctement réalisées, les perturbations augmentent et un risque de sécurité apparaît.

Conception de l'armoire et ventilation

Le variateur produit de la chaleur ; celle-ci doit être évacuée de l'armoire. Une ventilation insuffisante conduit le variateur à se déclasser pour cause de température excessive ou à se mettre en défaut. La taille de l'armoire et sa ventilation sont dimensionnées en fonction de la chaleur produite par le variateur.

Le variateur dans les applications industrielles

Dans l'industrie lourde, les variateurs sont utilisés dans une gamme très large, des concasseurs aux convoyeurs, des ventilateurs aux pompes. Le profil de charge de chaque application est différent et le variateur est dimensionné en conséquence. Sur la large gamme de moteurs DRG et la compatibilité de ces moteurs avec les variateurs, notre article moteurs électriques industriels offre un aperçu général.

Maintenance et surveillance

Les variateurs sont largement exempts de maintenance, mais les condensateurs du bus continu, les ventilateurs de refroidissement et l'accumulation de poussière demandent un contrôle périodique. Les historiques de défauts et les données de fonctionnement du variateur donnent une alerte précoce sur l'état de santé du système.

Compatibilité de tension et réseau

La tension d'entrée du variateur doit être compatible avec le réseau et sa tension de sortie avec le moteur. Le choix entre les classes de tension 230 V, 400 V ou supérieures dépend à la fois du mode de couplage du moteur et de la structure du réseau. Une mauvaise classe de tension conduit soit à une magnétisation insuffisante du moteur, soit à une sollicitation excessive.

Couplage étoile-triangle et variateur

Sur les moteurs pilotés par variateur, le couplage à la plaque à bornes est réalisé selon la tension de sortie du variateur. Un couplage correct fait correspondre la tension nominale du moteur à la sortie nominale du variateur. Si ce détail est négligé, le moteur ne fournit pas le couple souhaité ou absorbe un courant excessif.

Erreurs de dimensionnement fréquentes

L'erreur la plus courante est de choisir le variateur uniquement d'après sa valeur en kW. La deuxième est de se baser sur la valeur normal duty en charge lourde. La troisième est de négliger le câble long et le besoin de filtrage. Ces trois erreurs sont les principales causes de pannes sur le terrain.

Pilotage de plusieurs moteurs par un seul variateur

Dans certaines applications, un seul variateur alimente plusieurs moteurs. Le variateur est alors choisi en fonction du courant total de tous les moteurs et chaque moteur reçoit une protection thermique distincte. La commande vectorielle ne peut pas être utilisée dans ce scénario ; en pilotage multi-moteurs, seule la logique V/f est valable. C'est pourquoi le pilotage multi-moteurs n'est retenu que pour des ventilateurs et des pompes de charge similaire.

Choix de la fréquence de découpage

La fréquence de découpage du variateur détermine un compromis entre le bruit, l'échauffement et les effets de câble. Une fréquence de découpage élevée rend le moteur plus silencieux, mais produit davantage de chaleur dans le variateur et des pics de tension plus importants sur un câble long. La bonne valeur est choisie selon la sensibilité au bruit de l'application et la longueur du câble.

Mise en service et essais

Après l'installation du variateur, un essai à vide, une observation du courant en charge et un contrôle des vibrations sont effectués. En commande vectorielle notamment, l'identification automatique des paramètres du moteur (auto-tune) améliore nettement les performances à bas régime. Lors de la mise en service, on vérifie que le courant est équilibré, que les durées de rampe sont adaptées à la charge et que les seuils de protection sont correctement réglés. Si cette étape est omise, même un système bien choisi peut présenter des défauts inattendus sur le terrain.

Durée de vie économique et pièces de rechange

Dans le choix d'un variateur, on prend en compte non seulement l'investissement initial, mais aussi la durée de vie économique. Les classes de tension et de puissance courantes offrent un avantage en termes de pièces de rechange et de facilité de service. Le fonctionnement sans problème du variateur avec le moteur pendant de longues années réduit directement le coût total de possession.

Garantie du variateur et du moteur

Un moteur correctement dimensionné et exploité avec les bons paramètres s'utilise en toute confiance dans le cadre de sa garantie. Sur les moteurs surchargés ou mal pilotés, les pannes prématurées peuvent être exclues de la garantie. Le choix du variateur est donc une décision qui concerne directement la longévité du moteur.

Un bon appariement avec un moteur DRG

Les valeurs de plaque des moteurs asynchrones DRG étant claires et conformes aux normes, le dimensionnement du variateur peut être réalisé en toute confiance. Un bon appariement variateur-moteur signifie longévité, rendement élevé et exploitation sans problème. Lorsque vous nous communiquez la puissance, le type de charge et les conditions ambiantes de votre application, nous vous orientons vers le bon moteur et le variateur adapté.

Exemple d'application : station de pompage

Dans une station de pompage à débit variable, le variateur ajuste la vitesse du moteur au lieu d'étrangler la vanne et ne dépense que l'énergie nécessaire. Ici, le variateur est choisi en normal duty, la commande V/f suffit le plus souvent et l'économie d'énergie se manifeste rapidement. L'inertie de la pompe et son comportement en retour de débit sont pris en compte dans le réglage de la rampe de décélération.

Exemple d'application : ligne de convoyage

Sur un convoyeur à couple constant, le variateur est en revanche choisi en heavy duty, la commande vectorielle est privilégiée pour le besoin de couple à bas régime et la rampe de démarrage est réglée de manière à ne pas fatiguer la charge. Ces deux exemples montrent comment la même logique de variateur se dimensionne différemment selon l'application.

Un bon variateur commence par un bon moteur

Le choix d'un variateur de fréquence n'est pas une affaire de liste mais une décision d'ingénierie : le courant du moteur, le type de charge, le mode de commande, la réserve de surcharge, l'environnement et le câble sont évalués ensemble. Un système qui construit correctement ces critères fonctionne efficacement pendant des années. En tant qu'équipe DRG Motor, nous vous accompagnons pour choisir le moteur adapté à votre projet et l'apparier au bon variateur ; faites-nous part de votre besoin, déterminons ensemble la solution la plus adaptée.