Le convertisseur de fréquence contrôle l'énergie électrique

Optimisation du processus grâce à la combinaison des technologies électriques et numériques

Les convertisseurs de fréquence sont indispensables pour réguler la vitesse, le couple et l'efficacité énergétique des moteurs, et sont donc largement utilisés dans l'industrie (de transformation). Des efforts sont constamment déployés pour les optimiser. Ces dernières années, cela a donné lieu à un certain nombre d'innovations intéressantes en ce qui concerne leur communication au sein des systèmes industriels et dans les domaines de l'efficacité énergétique, de l'opérationnalité et de la sécurité.

Vitesse

Un convertisseur de fréquence, un variateur de fréquence ou un entraînement à fréquence variable (EFV) est un dispositif électronique capable de convertir l'énergie électrique en une forme adaptée à l'entraînement d'un moteur. L'objectif est d'optimiser autant que possible la vitesse, le couple et l'efficacité énergétique.

Pour ce faire, on ajuste la fréquence et la tension du courant d'alimentation, ce qui permet de faire varier la vitesse du moteur électrique. Les convertisseurs de fréquence trouvent des applications dans les environnements commerciaux (notamment les ascenseurs et les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation) et industriels (notamment les lignes de production, les compresseurs et les systèmes de convoyage).

Fusée à trois étages

En utilisant une combinaison de technologies électriques et numériques, un convertisseur de fréquence fonctionne selon le principe de la 'fusée à trois étages'.

• L'appareil reçoit du réseau un courant alternatif standard (ci-après CA) à une fréquence fixe, généralement 50 ou 60 Hz. Ce courant alternatif est converti en courant continu (ci-après CC), un processus appelé rectification. Ce processus est réalisé à l'aide d'un redresseur.
• Le courant continu ainsi obtenu passe par un bus CC, également appelé circuit intermédiaire CC (voir glossaire), un système électrique ou électronique destiné à transporter, accumuler ou distribuer l'énergie électrique. Installé dans un convertisseur de fréquence, il a pour but de fournir un courant continu pur et stable à la phase 3.
• Le courant continu est reconverti en courant alternatif par un onduleur. Il utilise des IGBT (voir glossaire) ou d'autres composants semi-conducteurs pour contrôler la fréquence et la tension du courant. La fréquence de sortie dépend de la manière dont l'onduleur est réglé.

Les convertisseurs de fréquence modernes sont équipés de capteurs et de logiciels pour le contrôle feedback des vibrations, de la charge, du bobinage du moteur ou de la cavitation. Pour les applications plus avancées - robots/cobots, véhicules électriques et systèmes d'entraînement industriels -, on utilise la commande vectorielle (voir glossaire). Ainsi, en plus de la vitesse, on peut également contrôler le couple avec précision. 

Glossaire

Bus CC: un circuit électrique avec des condensateurs qui stocke une tension redressée. Cette tension est convertie de courant alternatif (CA) en courant continu (CC) par le redresseur. Au cours de ce processus, le bus CC lisse la sortie CC pulsée du redresseur, de sorte qu'une tension CC stable et constante est disponible pour un traitement ultérieur dans le convertisseur de fréquence.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors): composant semi-conducteur destiné à la commutation et à la régulation de l'énergie électrique lorsque la fiabilité et l'efficacité sont essentielles. En activant et désactivant rapidement les IGBT, on génère un signal Pulse Width Modulation (PWM), voir ci-dessous.

Contrôle harmonique: minimisation des fréquences indésirables induites par le variateur dans le signal électrique. Celles-ci sont dues à la non-linéarité de l'électronique de puissance interne du convertisseur de fréquence, comme le redresseur et l'onduleur. Cela peut causer des problèmes, notamment influencer et/ou surcharger l'équipement.

Pulse Width Modulation, ou signal PWM en abrégé: une technique dans laquelle la durée d'impulsion d'une séquence de signaux numériques est ajustée, ce qui produit un effet analogique. Le facteur déterminant est le rapport cyclique, c'est-à-dire le rapport entre le temps d'activation et la durée totale de l'impulsion.

STO est une fonction de sécurité qui interrompt l'alimentation en énergie du moteur, l'empêchant d'être entraîné et de redémarrer. Cette fonction protège à la fois les personnes travaillant avec la machine et la machine elle-même, et évite les accidents.

SS1 est une fonction de sécurité qui garantit qu'une machine est arrêtée de manière contrôlée et reste ensuite dans un état sûr, afin de garantir la sécurité de l'opérateur.

Contrôle orienté champ (Field-Oriented Control - FOC): méthode de contrôle de la vitesse, du couple et du courant d'un moteur à courant alternatif. Pour ce faire, le courant est divisé en un couple et une composante magnétisante qui sont contrôlés séparément dans un cadre de référence rotatif. Ce contrôle direct du flux et du couple améliore les performances dynamiques du moteur.

Innovations

Les convertisseurs de fréquence revêtent une grande importance pour l'industrie (de transformation). Il n'est donc pas surprenant que les fabricants travaillent constamment à leur optimisation. Ces dernières années, cela a donné lieu à un certain nombre d'innovations intéressantes dans le domaine de la communication avec d'autres appareils, de l'efficacité énergétique, de l'opérationnalité et de la sécurité.

Communication

Dans un environnement industriel moderne, l'intercommunication' entre les machines et les dispositifs qui font partie des systèmes de production devient de plus en plus importante. Elle se fait encore fréquemment via des réseaux locaux, mais de plus en plus via l'Internet des objets (IoT).

C'est pourquoi les convertisseurs de fréquence sont désormais équipés de fonctionnalités IoT, permettant une surveillance en temps réel ainsi qu'un diagnostic et une maintenance à distance. Alors qu'auparavant, le PLC était le dernier composant avec lequel un système général devait communiquer, aujourd'hui, c'est le convertisseur de fréquence. 

Les convertisseurs de fréquence sont conditionnés pour économiser de l'énergie, en particulier lorsque la charge est variable

Par conséquent, il est possible de stocker beaucoup plus de données, à condition d'utiliser les protocoles de communication appropriés (voir encadré). Cette évolution est le résultat direct du passage d'un contrôle centralisé (PLC) à des composants plus distribués et plus intelligents au sein du système, tels que le convertisseur de fréquence. 

Protocoles de communication
Il est essentiel d'utiliser les bons protocoles pour exploiter pleinement le potentiel de l'IoT: ils garantissent la compatibilité, la sécurité, l'évolutivité et la fiabilité. La communication basée sur Ethernet est la norme aujourd'hui. Le transfert de données s'effectue à l'aide de protocoles déterministes; les plus utilisés sont EtherCat (pour les applications nécessitant des performances en temps réel élevées) et EtherNET/IP (pour l'automatisation industrielle plus générale).
Les convertisseurs de fréquence peuvent communiquer avec des plateformes IoT ainsi qu'avec des PLC et des systèmes SCADA, entre autres, grâce à ces protocoles. Outre la prise en charge des applications IoT et Industrie 4.0 modernes, cela permet également de disposer d'une plateforme capable d'évoluer en fonction des exigences de l'industrie.

Efficacité énergétique

Les convertisseurs de fréquence sont conditionnés pour économiser de l'énergie, en particulier lorsque la charge est variable. Un convertisseur de fréquence régénératif est même capable de réinjecter l'énergie générée lors du freinage ou de la décélération dans le réseau via le bus DC. Ce qui reste un casse-tête pour les fabricants à cet égard, c'est le fait qu'un convertisseur de fréquence doit également être capable de commander de manière rentable des moteurs à haut rendement de pointe, de type IE4 ou IE5.

Des progrès ont été réalisés en partie grâce à des réglementations plus strictes, notamment en ce qui concerne le contrôle harmonique (voir glossaire) et la commande. Mais il reste encore des progrès à faire, notamment dans le domaine de la gestion de l'énergie et de l'intégration des nouvelles sources d'énergie renouvelables, telles que les panneaux solaires et les éoliennes.

Opérationnalité 

Les convertisseurs de fréquence modernes doivent être capables de contrôler différents types de moteurs, notamment les moteurs à courant alternatif, à induction, à réluctance et à aimant permanent; le variateur et le moteur doivent être compatibles. L'opérationnalité implique des facteurs tels que l'aptitude à l'emploi, la capacité fonctionnelle, l'efficacité et la fiabilité.

Les convertisseurs de fréquence sont généralement faciles à installer et à configurer. De plus, les réglages peuvent être rapidement adaptés grâce aux fonctions 'plug-and-play' et aux interfaces intuitives. Ils peuvent être raccordés à divers réseaux industriels tels que Profinet et EtherCAT, et il existe une compatibilité IoT.

Les algorithmes modernes - commande orientée champ (FOC), commande directe du couple (DTC) - permettent un contrôle précis et dynamique. Toutefois, il faut respecter les exigences en matière de compatibilité électromagnétique (CEM) afin d'éviter les interférences dues aux champs électromagnétiques externes.

Sécurité

Deux aspects de la sécurité ont fait l'objet d'une attention particulière ces dernières années: la sécurité fonctionnelle et la cybersécurité.

Sécurité fonctionnelle

La sécurité fonctionnelle est de plus en plus intégrée dans les convertisseurs de fréquence. Cela permet de réduire le nombre de modules de sécurité distincts et de faciliter la conformité aux normes de sécurité telles que la norme ISO 13849. Parmi les exemples de sécurité fonctionnelle intégrée, citons les protections contre les surcharges et les surtensions, les mécanismes de sécurité intégrée, le Safe Torque Off (STO) et le Safe Stop 1 (SS1) (voir glossaire).

Alors qu'auparavant, le PLC était le dernier composant avec lequel un système général devait communiquer, aujourd'hui, c'est le convertisseur de fréquence

Cybersécurité

Les variateurs de vitesse sont de mieux en mieux protégés contre les manipulations (réseau) et les firmwares hostiles. Cette protection est assurée par des contrôles d'intégrité et d'authenticité et par des niveaux d'accès réglables pour différents utilisateurs. Il existe même des modèles équipés d'une puce cryptographique qui empêche toute manipulation et tout accès non autorisé, notamment par le biais de protocoles tels que TLS/SSL pour la transmission de données cryptées de bout en bout.

Développements

Les améliorations apportées ces dernières années à la technologie des semi-conducteurs ont rendu les convertisseurs de fréquence plus petits, plus efficaces et produisant moins de chaleur; les systèmes de refroidissement à grande échelle ne sont donc plus nécessaires. Grâce à ces améliorations et aux économies d'échelle réalisées au niveau de la production, le prix des convertisseurs de fréquence, y compris des modèles (plus) avancés, va commencer à baisser.

En outre, les réglages adaptatifs et les technologies régénératives devraient prendre de l'ampleur grâce à l'IA, ce qui permettra aux variateurs de vitesse de fonctionner de manière encore plus efficace, plus respectueuse de l'environnement et donc plus durable à l'avenir.

En collaboration avec Case Packing Systems, Danfoss Power Electronics & Drives, Lenze et Nidec Netherlands