Vitesses maximales et minimales des VFD

Un VFD permet un contrôle précis de la vitesse du moteur à induction CA, ce qui crée des possibilités accrues d’efficacité, de réduction de l’usure du moteur et de réduction des coûts d’exploitation. Cependant, bien que les VFD soient extrêmement utiles, il existe plusieurs idées fausses, communes au sujet des vitesses maximales et minimales qu’ils peuvent offrir dans des applications pratiques et réelles.

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• comment fonctionne un VFD ;
• démarrage progressif d’un VFD ;
• vitesse minimale d’un VFD ;
• vitesse maximale d’un VFD ;

Comment fonctionne un VFD ?

Contrairement aux moteurs CC, la vitesse d’un moteur CA ne peut pas être commandée par la modification de la tension d’entrée. Il est nécessaire de modifier la fréquence de l’alimentation CA, qui détermine la vitesse du champ électromagnétique rotatif dans le moteur qui fait tourner l’arbre du rotor.

Un VFD (ou variateur de fréquence) atteint cet objectif en convertissant l’alimentation CA en CC. Le VFD envoie ensuite une impulsion CC qui agit comme une onde sinusoïdale CA pour contrôler l’intensité. Les opérateurs peuvent sélectionner la fréquence de sortie souhaitée pour commander la vitesse du moteur.

Il existe deux principaux types de VFD. Les VFD de tension/fréquence sont les plus courants et les plus rentables. Ils commandent la vitesse du moteur en gérant la relation entre la tension et la fréquence afin de contrôler la vitesse, en particulier autour de la vitesse de base du moteur. Les VFD à commande vectorielle sont plus complexes et coûteux, mais ils permettent un contrôle très précis de la vitesse du moteur sur toute la plage de vitesses, même en fournissant un couple complet à vitesse nulle (maintien du couple). Les VFD sont habituellement livrés avec une plage de fréquences qui détermine la plage de vitesses qu’ils peuvent offrir.

Bien que les VFD offrent de grands avantages, il existe des limites pratiques aux vitesses minimale et maximale auxquelles un moteur peut être utilisé en toute sécurité.

Démarrage progressif d’un VFD

Lorsque la pleine puissance est appliquée à un moteur électrique à l’arrêt, la surtension qui en résulte peut endommager le moteur et les composants électroniques, et des charges de couple soudaines peuvent endommager les roulements, les poulies et les composants mécaniques. Pour cette raison, il est recommandé d’augmenter la vitesse graduellement, et un VFD est souvent utilisé pour offrir cette capacité.

Étant donné qu’il n’est habituellement pas nécessaire de contrôler la vitesse avec précision au cours d’un démarrage progressif, il y a peu de considérations supplémentaires à prendre en compte lors de la sélection et de l’utilisation d’un VFD pour démarrer en douceur un moteur électrique.

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Vitesse minimale des VFD

Les VFD permettent à un moteur électrique de fonctionner plus lentement qu’à sa vitesse de base, et les VFD à commande vectorielle peuvent même permettre au moteur de fournir un couple de retenue à l’arrêt. Cependant, en particulier pour les moteurs TEFC (blindés avec ventilateur extérieur) dont le ventilateur de refroidissement est monté sur l’arbre du moteur, le refroidissement du moteur est proportionnel à sa vitesse, et il est réduit lorsque le moteur ralentit. En particulier lorsqu’il est utilisé avec un couple maximal à faible vitesse, la contrainte thermique peut rapidement s’accumuler dans le moteur et, avec le temps, elle réduira considérablement sa durée de vie utile et augmentera les coûts de réparation et de remplacement.

En général, les moteurs TEFC ne sont pas conçus pour fonctionner à une plage de vitesses inférieure à 4:1, même si certains constructeurs fabriquent un moteur avec une plage de 10:1 ou 20:1. Généralement, l’utilisation d’un moteur à une vitesse inférieure à cela exige un système de refroidissement auxiliaire. Ce seuil peut être plus élevé en fonction du couple fourni par le moteur. De nombreux fabricants fournissent des données sur la relation entre l’efficacité du refroidissement et la vitesse de fonctionnement de leurs moteurs, ce qui permet de calculer avec précision la vitesse minimale acceptable. Vérifiez toujours le jeu de données du fabricant si votre marge de réglage dépasse 4:1 ou 15 Hz.

Lorsque vous choisissez un VFD pour un moteur que vous avez l’intention d’utiliser à basse vitesse, assurez-vous qu’il peut fournir la fréquence requise avec un débit régulier. Les applications de maintien du couple à des vitesses très faibles exigent un VFD à commande vectorielle ou similaire.

Vitesse maximale du VFD

Les VFD ont une limite supérieure de fréquence qu’ils peuvent fournir au moteur, ce qui produit souvent une vitesse considérablement plus élevée que la vitesse de base du moteur. Cependant, ce n’est pas parce qu’une vitesse plus élevée est atteignable qu’elle est utilisée. La plupart des moteurs ne créent une puissance constante qu’en survitesse. Cela entraîne une perte de couple, et si vous faites fonctionner un ventilateur ou une pompe, cela peut surcharger considérablement votre moteur. Vérifiez toujours vos exigences en matière de couple et calculez le couple de votre moteur lorsque vous dépassez 60 Hz.

Lorsque le rotor d’un moteur n’est pas parfaitement équilibré, il en résulte une vibration proportionnelle à la vitesse du moteur. En pratique, les rotors ne peuvent jamais être parfaitement équilibrés en raison des limites et des tolérances de fabrication. Lorsqu’un moteur fonctionne 50 % plus vite que la vitesse de base, cela peut devenir un problème grave. Les vibrations augmentent les contraintes mécaniques et thermiques sur le moteur, le boîtier d’engrenages et les roulements et elles peuvent avoir un impact significatif sur la durée de vie des composants d’entraînement du moteur. Il faut toujours s’assurer que les vibrations se situent dans les limites acceptables pour éviter des coûts élevés d’entretien et de réparation.

Il existe d’autres limites électriques et mécaniques quant à la vitesse maximale qu’un moteur électrique peut atteindre. À des vitesses élevées, le frottement des roulements et la charge des ventilateurs augmentent, ce qui réduit le rendement du moteur et augmente les besoins en puissance et les coûts d’exploitation. De plus, étant donné que le moteur produit une tension de contre-force électromotrice proportionnelle à la vitesse du moteur, la tension nécessaire pour atteindre des vitesses plus élevées tout en maintenant le couple augmente, dépassant éventuellement ce que le VFD peut fournir. Une analyse complète des caractéristiques de fonctionnement requises par l’application est nécessaire pour déterminer si le moteur et les composants électroniques sont suffisants.

Dans le cas des moteurs de grande puissance ayant une vitesse de base de 3 600 tr/min ou plus, la réglementation NEMA (MG1) interdit les dépassements de vitesse pour maintenir la sécurité et éviter les accidents. Vérifiez vos codes de sécurité nationaux et locaux pour vous assurer que vous pouvez dépasser la vitesse de votre moteur tout en respectant la réglementation.

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Résumé

Les VFD sont extrêmement utiles et permettent aux opérateurs de régler la vitesse de leurs moteurs électriques afin d’accroître leur efficacité, de réduire les coûts et d’obtenir davantage de leurs moteurs. Toutefois, il est utile de comprendre les limites pratiques qui régissent les vitesses minimale et maximale auxquelles un moteur électrique peut fonctionner en toute sécurité.

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