Comment les onduleurs industriels créent du courant alternatif à partir d’un bus continu

Un onduleur industriel se comprend mieux comme un système de conversion d’énergie que comme un boîtier qui « transforme simplement le courant continu en courant alternatif ». Son pont à semi-conducteurs génère une forme d’onde de tension contrôlée à partir d’un bus CC, tandis que la commande, les protections, la conception thermique, le câble, le moteur et la charge mécanique déterminent si cette forme d’onde produit un couple utile de manière fiable. Deux onduleurs de même puissance nominale peuvent se comporter très différemment lorsque la longueur du câble, la régénération, la température de l’armoire ou l’inertie de la charge varient.

Cette approche système est importante, car de nombreuses défaillances sur le terrain attribuées à l’onduleur trouvent en réalité leur origine ailleurs : source CC faible, conception de précharge inadéquate, moteur inadapté, contraintes excessives dues aux ondes réfléchies, capacité de freinage insuffisante ou mise à la terre qui offre au courant de mode commun un chemin de retour non maîtrisé.

La source CC, le pont de commutation, le câble et la charge forment un seul système électrique et doivent être conçus ensemble.

Le bus CC définit la limite énergétique

La chaîne de conversion commence généralement par un redresseur, une batterie, une source photovoltaïque ou une autre alimentation CC. Une batterie de condensateurs stabilise la liaison CC et fournit de l’énergie à court terme lors des variations rapides de charge. La tension du bus détermine la tension fondamentale de sortie maximale disponible au niveau de l’étage de commutation ; la capacité, l’impédance de la source, la tenue au courant d’ondulation et la résistance de précharge influencent la réaction du bus au démarrage et lors des transitoires de charge.

La précharge limite le courant d’appel qui circulerait autrement dans les condensateurs déchargés. Une fois que le bus a atteint un niveau acceptable, un contacteur ou un dispositif à semi-conducteurs contourne la résistance. Un contournement défaillant peut faire surchauffer le circuit de précharge, tandis qu’un contacteur qui se ferme trop tôt peut endommager les redresseurs, les fusibles ou les condensateurs. La mise en service doit donc enregistrer la tension du bus et vérifier la temporisation des états de précharge et de contournement, plutôt que de considérer l’état « variateur prêt » comme une preuve suffisante.

La commutation des semi-conducteurs synthétise la forme d’onde

Un pont en H monophasé utilise quatre dispositifs commandés pour appliquer une tension CC positive ou négative à une charge. Un pont triphasé utilise trois bras. Le contrôleur module chaque bras afin que la composante fondamentale présente la fréquence, la phase et l’amplitude demandées. La modulation de largeur d’impulsion (PWM) ne produit pas une sinusoïde parfaite aux bornes du pont ; elle produit des impulsions de tension dont le comportement moyen et la composante fondamentale se rapprochent de la sortie CA souhaitée.

Les pilotes de grille doivent empêcher la conduction simultanée des interrupteurs haut et bas d’un même bras. Un temps mort délibéré est inséré entre leurs commutations afin d’éviter le court-circuit direct. Un temps mort trop court risque de provoquer un courant destructeur ; un temps mort trop long déforme la sortie, en particulier à basse tension et à basse vitesse. La commande moderne compense une partie de cette distorsion, mais le résultat dépend toujours des caractéristiques de commutation des dispositifs et du sens du courant.

Les états alternés du pont définissent la polarité, tandis que la PWM contrôle la tension et la fréquence effectives vues par la charge.

La charge filtre certaines harmoniques et en subit d’autres

L’inductance d’un moteur lisse une grande partie du courant à la fréquence de commutation ; le courant peut donc sembler relativement sinusoïdal même lorsque la tension aux bornes est un train d’impulsions. Cela ne rend pas les composantes haute fréquence inoffensives. Les transitions rapides de tension peuvent induire un courant de mode commun par les capacités du moteur, accroître les interférences électromagnétiques et contribuer à endommager les roulements par courants de palier. Les longues liaisons moteur peuvent également créer une surtension due aux ondes réfléchies aux bornes du moteur, car le câble se comporte comme une ligne de transmission plutôt que comme un conducteur idéal.

Le remède doit correspondre au mécanisme en cause. Un câble moteur blindé et une équipotentialité correcte sur 360 degrés fournissent un chemin de retour haute fréquence maîtrisé. Une inductance dV/dt peut réduire la vitesse de montée de la tension ; un filtre sinusoïdal est plus contraignant et peut être justifié pour de très longues liaisons ou pour des moteurs dont l’isolation est peu résistante. Les inductances de sortie, les selfs de mode commun, les roulements isolés ou les dispositifs de mise à la terre de l’arbre répondent à des aspects différents du problème et ne doivent pas être considérés comme des accessoires interchangeables.

La commande du couple dépend de bien plus que de la fréquence

Pour un moteur asynchrone, une stratégie volts par hertz de base fait varier la tension avec la fréquence afin de maintenir un flux utile. La commande vectorielle estime ou mesure le flux et sépare le courant producteur de couple du courant magnétisant, ce qui améliore la réponse à basse vitesse et le rejet des perturbations. Les moteurs à aimants permanents exigent que le variateur connaisse les caractéristiques électriques du moteur et la position du rotor avec une précision suffisante pour le mode de commande sélectionné.

Les données de la plaque signalétique du moteur, la fréquence de base, le courant nominal, le temps d’accélération, la vitesse minimale et la méthode de refroidissement sont des paramètres de mise en service, pas de simples formalités. Une procédure d’autoréglage ou d’identification peut améliorer le modèle interne du moteur, mais elle ne peut pas corriger un moteur sous-dimensionné, une mécanique grippée ou une estimation inexacte de l’inertie de la charge. Les ingénieurs doivent comparer la vitesse de consigne, la vitesse réelle, le courant, l’estimation du couple et la tension du bus pendant des cycles représentatifs.

La régénération inverse le sens du flux d’énergie

Lors d’une décélération ou avec une charge entraînante, le moteur peut agir comme un générateur et renvoyer de l’énergie vers le bus CC. Un redresseur à diodes ne peut normalement pas renvoyer cette énergie vers l’alimentation, ce qui fait augmenter la tension du bus. Un hacheur et une résistance de freinage convertissent le surplus en chaleur ; un pont actif peut le renvoyer vers le réseau ; un bus CC commun peut le partager avec d’autres axes moteurs. Le choix approprié dépend de l’énergie du cycle, de la durée du freinage, des exigences du réseau et du régime thermique, et pas seulement de la puissance maximale du moteur.

Des déclenchements répétés pour surtension lors de la décélération doivent inciter à effectuer un calcul énergétique. Allonger la rampe peut être acceptable, mais cela peut aussi masquer une conception de freinage insuffisante ou compromettre le débit de la machine. Vérifiez la résistance de la résistance de freinage, l’énergie d’impulsion, la puissance moyenne, la ventilation de l’armoire et la protection contre la surchauffe.

Mettre en service l’ensemble de la plage de fonctionnement

Un plan d’essai utile couvre le démarrage à froid, la production normale, l’accélération maximale, la décélération contrôlée d’urgence, les mécanismes bloqués ou grippés, la perte de phase lorsque cela est pertinent et la température maximale attendue dans l’armoire. Vérifiez le déclassement du variateur en fonction de la température ambiante et de l’altitude. À vitesse moteur faible et soutenue, n’oubliez pas qu’un ventilateur monté sur l’arbre peut assurer un refroidissement moindre, même si le variateur continue de produire un couple élevé.

Les réglages de protection doivent être coordonnés avec les fusibles ou disjoncteurs en amont et avec les capacités thermiques du moteur. Les enregistrements de défaut à la terre, de surintensité, de surtension du bus et de surchauffe doivent être conservés avec les valeurs de fonctionnement autour de l’événement. Ces éléments permettent de distinguer un problème d’application d’un étage de puissance défaillant.

Les équipements pertinents peuvent être consultés dans Variateurs et commande de mouvement, tandis que les options d’alimentation de commande et de sources CC sont regroupées sous Alimentation.

Perspective d’ingénierie

La bonne question lors du choix n’est pas : « Cet onduleur produit-il la tension CA requise ? » C’est plutôt : « Le système source–convertisseur–câble–moteur–charge peut-il gérer l’énergie pendant chaque état anormal prévu et crédible ? » La topologie PWM est importante, mais la fiabilité des installations repose généralement sur une conception rigoureuse du câblage, du refroidissement, de l’énergie de freinage, de l’adéquation du moteur, de la coordination des protections et des données de diagnostic.