Entraînements à fréquence variable (EFV) ont été largement adoptés pour le contrôle de la vitesse des moteurs en raison de leur capacité à offrir une régulation flexible de la vitesse, une meilleure efficacité énergétique et un bon rapport coût-efficacité. Bien qu'il existe des moteurs spécialement conçus pour fonctionner à fréquence variable, la simplicité et le faible coût des moteurs asynchrones standard en font une option intéressante pour de nombreuses applications industrielles.
Cependant, l'utilisation d'un variateur de vitesse pour contrôler la vitesse d'un moteur à induction standard pose plusieurs problèmes. Cet article explore les principaux effets de la commande de vitesse par variateur de vitesse sur les moteurs asynchrones ordinaires et donne un aperçu de l'efficacité, des mécanismes de perte et des considérations de conception.
Pourquoi utiliser des moteurs à induction standard avec des variateurs de vitesse ?
L'un des principaux attraits des variateurs de vitesse est leur compatibilité avec les moteurs asynchrones classiques. Ces moteurs se caractérisent par des structures simples, des coûts de fabrication réduits et une grande durabilité, ce qui les rend idéaux pour la plupart des applications générales à vitesse variable.
Si les VFD ne pouvaient être utilisés qu'avec des moteurs spécialement conçus, les avantages inhérents à la technologie VFD - simplicité, robustesse et rentabilité - seraient réduits.
La sortie non sinusoïdale et ses effets sur la performance motrice
Lorsqu'un variateur de vitesse régule la vitesse du moteur, la forme d'onde de la tension de sortie n'est pas une onde sinusoïdale parfaite. Au lieu de cela, elle ressemble typiquement à un signal en escalier ou modulé en largeur d'impulsion (PWM), introduisant des composantes harmoniques qui affectent les performances du moteur de la manière suivante :
1. Augmentation des pertes de cuivre
Pertes de cuivre du stator :
Les courants harmoniques induits dans les enroulements du stator augmentent les pertes en cuivre (pertes I²R). Ceci est particulièrement visible lorsque les harmoniques provoquent des courants de Foucault et une saturation magnétique, ce qui entraîne des besoins en courant d'excitation plus élevés et donc une augmentation du courant total absorbé par le moteur.
Pertes de cuivre du rotor :
Les barres du rotor, en particulier dans les rotors à cage d'écureuil à fentes profondes, subissent des pertes nettement plus importantes en raison de l'effet de peau aux fréquences harmoniques. Par exemple, avec une fréquence fondamentale de 50 Hz, les cinquième et septième harmoniques génèrent des courants de rotor à 300 Hz et 600 Hz respectivement. À ces fréquences élevées, la résistance en courant alternatif du rotor augmente considérablement - parfois jusqu'à 3,7 fois la résistance en courant continu - ce qui entraîne une perte d'énergie et une production de chaleur accrues.
2. Augmentation des pertes de fer
La présence d'harmoniques entraîne également une augmentation des pertes de fer (pertes dans le noyau) dans le moteur, car les champs magnétiques variables dans le temps génèrent des courants de Foucault et des pertes par hystérésis supplémentaires. Alors que le flux magnétique primaire reste basé sur la forme d'onde fondamentale, les flux harmoniques contribuent à augmenter l'échauffement et à réduire l'efficacité du moteur.
Même avec une forme d'onde typique à 6 étapes provenant d'un VFD, le flux magnétique de pointe dans l'entrefer du moteur peut être 10% plus élevé qu'avec une onde purement sinusoïdale, bien que l'augmentation réelle de la perte de fer soit relativement modeste.
3. Pertes par égarement supplémentaires
Fuites d'enroulement et courants de Foucault :
Les harmoniques à haute fréquence augmentent également les pertes parasites en raison des courants de Foucault supplémentaires dans les enroulements d'extrémité du stator et les capuchons d'extrémité du moteur. Ces pertes sont plus prononcées dans les moteurs à fentes fermées ou à fentes obliques.
Flux de fuite des fentes obliques :
Comme l'angle de phase entre les champs magnétiques du stator et du rotor se déplace sous l'influence des harmoniques, le flux de fuite des fentes obliques entraîne un échauffement localisé, en particulier près des enroulements d'extrémité et des dents du noyau du moteur.
Conclusion : Faut-il utiliser un moteur standard avec un variateur de vitesse ?
Bien qu'il soit possible d'utiliser un moteur asynchrone standard avec un variateur de vitesse, il est essentiel de comprendre les défis thermiques et d'efficacité supplémentaires posés par le contenu harmonique. Lorsqu'un contrôle précis de la vitesse, une grande fiabilité et l'efficacité énergétique sont des priorités, il peut être intéressant d'envisager des moteurs à entraînement par fréquence variable ou de prendre des mesures telles que l'ajout de filtres, le déclassement du moteur ou l'amélioration de l'isolation afin d'accroître la longévité et les performances.
Pour des performances optimales en matière d'économie d'énergie dans les applications industrielles, visitez le site Site officiel de Baldor et découvrez notre gamme de produits compresseurs d'air à vis à haut rendement et des solutions avancées pour les moteurs.