Convertisseur de fréquence et onduleur : quelle différence ?

Dans la pratique, il n'y a pas de différence entre un convertisseur de fréquence et un onduleur : sur le terrain, « convertisseur de fréquence », « variateur de fréquence », « onduleur », « variateur » et « régulateur de vitesse » désignent le même appareil, et tous règlent la vitesse d'un moteur asynchrone triphasé en modifiant la fréquence et la tension qu'ils fournissent. Techniquement, l'onduleur n'est pourtant qu'un étage de l'appareil : la partie à interrupteurs de puissance qui retransforme une tension continue en alternatif à fréquence réglable. Le convertisseur de fréquence (variateur) regroupe les trois étages : le redresseur qui convertit le réseau en continu, le bus continu et l'onduleur de sortie.

Cette distinction compte à l'achat ou à la lecture d'un catalogue : un appareil vendu comme « onduleur » et alimenté par le réseau contient aussi un redresseur et constitue un convertisseur de fréquence complet. Les onduleurs solaires et ceux des alimentations sans interruption, en revanche, ne sont pas conçus pour piloter un moteur ; ils produisent un 50 Hz fixe à partir du continu. Côté moteur, ce qui compte n'est pas le nom de l'appareil mais son courant de sortie, son mode de commande et la compatibilité du moteur avec le variateur. Vous pouvez parcourir les moteurs triphasés destinés à fonctionner sur variateur par puissance, vitesse et carcasse sur Acheter un moteur électrique en ligne.

Que contient un convertisseur de fréquence ? Redresseur, bus continu et onduleur

Le circuit de puissance d'un convertisseur de fréquence fonctionne dans cet ordre :

1. Redresseur : convertit les trois phases du réseau en continu par un pont de diodes. Sur un réseau 380 V, la tension du bus continu vaut environ 1,35 × 380 ≈ 513 V ; sur un réseau 400 V, environ 540 V.
2. Bus continu : des condensateurs lissent cette tension et stockent de l'énergie. La résistance de freinage et la self continue se raccordent sur cette partie.
3. Onduleur : des interrupteurs de puissance appelés IGBT commutent la tension continue à des fréquences de l'ordre du kilohertz (modulation de largeur d'impulsion, MLI). En faisant varier la largeur des impulsions, on crée dans le bobinage du moteur un courant quasi sinusoïdal à la fréquence et à la tension voulues.

La carte de commande pilote ces trois étages ; c'est là que l'on règle les paramètres moteur, les temps de rampe, la limite de courant et les protections. Les petits variateurs à entrée monophasée 230 V ont la même structure ; seul le redresseur est monophasé et la sortie est de 3 × 230 V. Le mot « onduleur » est devenu le nom de tout l'appareil parce que cet étage de sortie en est la partie la plus caractéristique.

Tableau des termes

Comment la vitesse et la tension du moteur varient-elles avec la fréquence ?

La vitesse de synchronisme d'un moteur asynchrone est n = 120 × f / p (f : fréquence, p : nombre de pôles). Un moteur 4 pôles tourne à 1500 tr/min de vitesse de synchronisme à 50 Hz. La vitesse nominale du modèle 7,5 kW, 4 pôles DRG-132M-4 est de 1460 tr/min ; l'écart de 40 tr/min est le glissement. Quand le variateur change la fréquence, il change la tension dans le même rapport ; pour un moteur 400 V / 50 Hz, ce rapport est de 8 V/Hz. Maintenir ce rapport constant conserve le flux magnétique du moteur et donc le couple nominal.

La colonne « vitesse approx. en charge » suppose que le glissement de 40 tr/min à charge nominale reste similaire à basse fréquence. Au-delà de 50 Hz, le variateur ne peut pas fournir plus de 400 V ; le rapport V/f baisse, le champ s'affaiblit et le couple diminue à peu près dans le rapport 50/f : à 60 Hz, 49,1 × 50 / 60 ≈ 40,9 Nm. La puissance reste à peu près constante dans cette zone ; le moteur ne dépasse donc pas sa puissance nominale.

Commande V/f ou commande vectorielle : quelle différence ?

Ce qui détermine l'application, ce n'est pas que l'appareil s'appelle « onduleur » ou « convertisseur », mais la manière dont il commande le moteur.

• Commande V/f (scalaire) : le variateur fait seulement varier fréquence et tension proportionnellement, sans tenir compte de la charge instantanée du moteur. Elle suffit pour les ventilateurs, pompes centrifuges et compresseurs, dont le couple baisse avec la vitesse et qui ne demandent pas de fort couple au démarrage. Lorsqu'un variateur doit alimenter plusieurs moteurs en parallèle, on utilise généralement la commande V/f.
• Commande vectorielle sans capteur : le variateur décompose le courant moteur en composantes magnétisante et de couple et estime la vitesse à partir d'un modèle du moteur. Elle donne un couple élevé à basse vitesse et une chute de vitesse plus faible lors des variations de charge. Elle est préférée pour les charges à couple constant : convoyeurs, mélangeurs, alimentateurs de concasseur, translation de pont roulant.
• Commande vectorielle en boucle fermée avec codeur : un codeur monté sur l'arbre mesure la vitesse réelle ; utilisée lorsqu'il faut du couple à vitesse nulle, un positionnement précis ou un fonctionnement synchronisé.

En commande vectorielle, les valeurs de plaque du moteur (puissance, tension, courant, vitesse nominale, cos φ) doivent être saisies correctement dans le variateur, qui doit effectuer son identification moteur (auto-réglage) ; un courant nominal mal saisi fausse aussi la protection.

Comment choisir un moteur pour un fonctionnement sur variateur ?

Un variateur se choisit selon le courant du moteur, pas selon les kW : le courant de sortie nominal du variateur ne doit pas être inférieur au courant de plaque du moteur ; pour un démarrage difficile ou une charge pouvant passer en surcharge, on envisage le calibre de courant supérieur. À puissance égale, le courant augmente avec le nombre de pôles :

C'est la tension de sortie du variateur qui détermine le couplage au bornier. Les moteurs à plaque 400/690 V (4 kW et plus dans cette gamme) se couplent en triangle sur un variateur triphasé 380–400 V. Les moteurs à plaque 230/400 V (3 kW et moins) se couplent en étoile sur un variateur à sortie 400 V, et en triangle sur un petit variateur à entrée monophasée et sortie 3 × 230 V. Dans un atelier qui ne dispose que d'une alimentation monophasée, cette dernière option est une solution pratique pour les petites puissances.

Trois autres points à surveiller lors du choix :

• Refroidissement à basse vitesse : le ventilateur d'un moteur standard est monté sur l'arbre ; quand la vitesse baisse, l'air de refroidissement diminue. Avec les ventilateurs et les pompes, le couple baisse aussi avec la vitesse, donc le problème est limité ; mais si le moteur doit tourner longtemps à basse vitesse près du couple nominal sur une charge à couple constant comme un convoyeur, on envisage une ventilation forcée alimentée séparément ou la puissance supérieure.
• Isolation et impulsions de tension : la sortie MLI applique au bobinage des impulsions à front raide ; sur un câble long, ces impulsions peuvent s'amplifier par réflexion. Les détails figurent dans Pourquoi l'isolation doit-elle être renforcée sur les moteurs alimentés par variateur ?.
• Courant de démarrage : comme le variateur fait monter le moteur en rampe depuis une basse fréquence, le réseau ne voit pas le multiple Is/In d'un démarrage direct. Un moteur de 7,5 kW, 4 pôles absorbe environ 15,0 × 7,5 ≈ 112,5 A en démarrage direct, alors qu'avec un variateur le courant reste dans la limite de courant du variateur.

Câble et blindage entre variateur et moteur

La plupart des problèmes de convertisseurs de fréquence viennent non de l'appareil mais du câblage. La sortie du variateur contenant des impulsions de tension à haute fréquence, le câble rayonne du bruit électromagnétique comme une antenne et transporte un courant de fuite capacitif.

• Utilisez un câble moteur blindé entre variateur et moteur ; raccordez le blindage à la masse par des presse-étoupes 360° côté variateur et dans la boîte à bornes du moteur. Torsader le blindage en queue de cochon (« pigtail ») et le raccorder à une seule extrémité lui fait perdre l'essentiel de son efficacité en haute fréquence.
• Reliez la carcasse du moteur à la borne de terre du variateur par un conducteur PE ; le blindage ne remplace pas le PE.
• Faites cheminer le câble moteur dans un chemin de câbles séparé des câbles de commande, de signaux analogiques et de communication ; croisez-les à angle droit.
• Pour les grandes longueurs, vérifiez la longueur admise par le fabricant du variateur ; au-delà, on utilise une self de sortie ou un filtre dv/dt.
• Si vous placez un contacteur entre variateur et moteur, commandez-le de sorte qu'il ne manœuvre que moteur arrêté.
• Dimensionnez la section selon le courant du moteur ; sur les grandes longueurs, tenez aussi compte de la chute de tension (calculateur de section de câble moteur).

Convertisseur de fréquence, démarreur progressif ou étoile-triangle ?

Si aucun réglage de vitesse n'est nécessaire, un convertisseur de fréquence est souvent une solution plus complexe que nécessaire. Si le seul souci est le courant de démarrage et le choc mécanique, un démarreur progressif suffit ; un variateur est nécessaire pour changer la vitesse en marche, réguler un procédé (pression, débit, tension mécanique) ou obtenir des rampes et un freinage précis.

Pour comparer les modes de démarrage par le courant, utilisez l'outil des méthodes de démarrage moteur ; pour choisir les organes de protection, l'outil de sélection relais thermique, fusible et contacteur. Pour voir l'effet d'un variateur sur la consommation des pompes et ventilateurs à débit variable, le calculateur de consommation d'énergie sert de repère.

Liste de contrôle de mise en service d'un système avec variateur

• Courant de sortie du variateur ≥ courant de plaque du moteur ; calibre supérieur pour les charges lourdes.
• Couplage du bornier adapté à la tension de sortie du variateur (sortie 400 V : moteur 400/690 V en triangle, moteur 230/400 V en étoile).
• Valeurs de plaque saisies dans le variateur, identification moteur effectuée.
• Fréquences minimale et maximale et temps de rampe réglés selon la charge.
• Refroidissement à basse vitesse évalué pour les charges à couple constant.
• Câble blindé, raccordement du blindage à 360° et conducteur PE séparé réalisés.
• Câbles de puissance et de signal dans des chemins séparés.
• Ventilation de l'armoire du variateur et dégagements du fabricant autour de l'appareil respectés.

Moteurs adaptés au fonctionnement sur variateur

Modèles cités dans les tableaux de l'article :

• DRG-100L2-4 – 3 kW – 1500 tr/min – carcasse fonte
• DRG-132S2-2 – 7,5 kW – 3000 tr/min – carcasse fonte
• DRG-132M-4 – 7,5 kW – 1500 tr/min – carcasse aluminium
• DRG-160M-6 – 7,5 kW – 1000 tr/min – carcasse fonte
• DRG-160M-4 – 11 kW – 1500 tr/min – carcasse fonte

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Questions fréquentes

Un onduleur et un convertisseur de fréquence, est-ce la même chose ?

Pour la commande moteur, oui : sur le terrain, c'est le même appareil. Techniquement, l'onduleur est l'étage qui transforme le continu en alternatif à fréquence variable ; le convertisseur de fréquence est l'appareil complet composé du redresseur, du bus continu et de l'onduleur.

Tous les moteurs triphasés fonctionnent-ils avec un convertisseur de fréquence ?

La grande majorité des moteurs asynchrones triphasés standard fonctionnent sur variateur. Il faut coupler le bornier selon la tension de sortie du variateur, choisir le variateur selon le courant du moteur, et tenir compte du refroidissement lors d'un fonctionnement prolongé à couple constant à basse vitesse ainsi que des impulsions de tension sur les câbles longs.

Peut-on faire tourner un moteur au-delà de 50 Hz avec un convertisseur de fréquence ?

Oui, mais au-delà de 50 Hz le variateur ne peut plus augmenter la tension, donc le couple baisse : un moteur 4 pôles de 7,5 kW ne dispose plus que d'environ 40,9 Nm à 60 Hz. Il faut aussi vérifier que l'arbre, les roulements et la machine entraînée supportent la vitesse plus élevée.

Pour une pompe, faut-il choisir un démarreur progressif ou un convertisseur de fréquence ?

Si la pompe tourne à vitesse fixe et qu'il suffit de réduire le courant de démarrage et le coup de bélier, un démarreur progressif suffit. Si le débit ou la pression varie selon le besoin, un convertisseur de fréquence capable de régler la vitesse est plus adapté.

Pour déterminer la puissance, la vitesse et le couplage d'un moteur destiné à fonctionner sur variateur, envoyez-nous le type de charge et les caractéristiques du variateur. Téléphone : +90 (542) 666 11 11 · E-mail : [email protected] · Page contact. Toutes les options de puissance et de vitesse figurent parmi les 120 modèles de notre boutique en ligne.