juin 3, 2024

Comprendre les variateurs de vitesse : de leur fonctionnement aux moteurs IE5

Les variateurs de vitesse sont des dispositifs avantageux pour de nombreuses applications de pompage. Ils permettent dans un premier temps de faire des économies d’énergie substantielles. Ensuite, en modifiant la vitesse de rotation du moteur de la pompe, ils permettent d’adapter le débit et la pression pour s’adapter aux contraintes spécifiques de l’application.

Comment fonctionne le variateur de vitesse ?

Pour comprendre le fonctionnement d’un variateur de vitesse, il faut comprendre comment fonctionne un moteur asynchrone.

Un moteur asynchrone est toujours bitension (220/400 ou 400/660) pour une fréquence donnée de 50Hz en France, et répond à une loi électrique où le rapport de la tension sur la fréquence doit rester constant et tourner à sa vitesse de synchronisme.

Le réseau électrique fonctionne à une tension et une fréquence constantes, généralement à 400 Vac et 50Hz. Cependant, il est important de noter que certains réseaux industriels fonctionnent encore à 220 Vac.

Cela signifie que la tension du réseau électrique détermine comment votre moteur asynchrone doit être couplé avant d’être alimenté. Il peut être couplé en étoile ou en triangle, le couplage en étoile étant toujours utilisé pour la tension la plus grande. De même, le couplage en triangle est toujours utilisé pour la tension la plus faible. Si ce principe n’est pas respecté, la loi tension/fréquence ne sera plus respectée et le moteur ne tournera pas à sa vitesse de synchronisme.

Un mauvais couplage avec une fréquence fixe de 50 Hz, peut entraîner :

Une sous-alimentation qui se traduit par une modification du champ magnétique tournant. Le rotor ne tourne plus à la vitesse souhaitée (glissement important) ce qui entraîne un échauffement du moteur supérieur à la norme. Cet échauffement ne pourra pas être compensé par l’auto ventilation du moteur, entrainant ainsi la destruction du bobinage.

Une suralimentation qui entraîne forcément une surintensité et par conséquent une surchauffe du fil et la détérioration de son isolant. En résulte la rupture du fil et/ou un court-circuit entre spires, ou entre phases et carcasse métallique du moteur.

Le variateur de vitesse ou de fréquence permet d’alimenter un moteur avec une tension et une fréquence variable respectant la loi U/F constant sur la plage de vitesse souhaitée.

Le point de départ reste la plaque signalétique du moteur stipulant la tension et la fréquence de base sur laquelle le variateur doit assurer la constance du rapport U/F.

De quoi est composé un variateur ?

Le variateur est composé de 3 sous-ensembles :

1. Pont de puissance d’entrée (redresseur)

Il est composé de diodes ou de thyristors (diode pilotée) et a pour but de transformer la tension alternative d’alimentation en tension continue. C’est-à-dire enlever toute alternance négative de la forme d’onde sinusoïdale.

2. Circuit intermédiaire (filtre + absorbeur)

Cet élément est aussi appelé « bus continu » et est essentiellement composé de condensateurs. Pour une tension de 400 Vac redressée, la tension mesurée aux bornes du bus continu sera d’environ 400 x √2 = 562 Vdc (de courant continu). Cette tension est bien contrôlée et contrôlable en permanence sur le variateur et permet de vérifier le fonctionnement du pont d’entrée. Le circuit intermédiaire agit principalement sur le “lissage” de la tension de sortie du redresseur (il améliore la composante continue). Il peut aussi servir de dissipateur (amortisseur) d’énergie lorsque le moteur devient générateur.

3. Onduleur (pont de puissance de sortie)

MLI = modulation de largeur d’impulsions
En d’autre terme largeur des créneaux (rouge), la moyen, va recréé la tension sinusoïdale (bleu)

Il est constitué de composants électroniques (type thyristor haute fréquence) qui recréent une forme d’onde sinusoïdale, un signal de puissance à tension et fréquence variable (loi tension/fréquence). La seule solution pour recréer une forme d’onde sinusoïdale est de passer par un « hacheur » de fréquence. Celui-ci va générer des créneaux (forme d’onde rectangulaire) dont la moyenne des crêtes dessinera une forme sinusoïdale plus ou moins parfaite.

L’amplitude, en temps, des créneaux est variable et réglable dans le soft du variateur, nous parlons ici de fréquence de découpage en KHZ.

Plus la fréquence de découpage est faible (créneaux larges), plus la résultante de la forme d’onde est déformée : le moteur s’en trouvera moins bien alimenté. De même, plus la fréquence de découpage est élevée (créneaux étroits), plus la résultante de la forme d’onde sera parfaite et mieux le moteur tournera. Ce sera cependant une grosse source de perturbation électromagnétique (CEM) : on doit donc essayer de trouver un compromis.

Pour lisser et/ou limiter la déformation de la forme d’onde (avant l’alimentation du moteur), il peut être nécessaire de rajouter un filtre électronique, une self, en sortie du variateur.

Attention : si la forme d’onde sinusoïdale est déformée en sortie du variateur, la qualité d’alimentation du moteur sera aléatoire. Cela influera sur ses performances et sa durée de vie. La notion de distance entre le variateur et le moteur est un facteur aggravant ayant des conséquences sur l’affaissement de la sinusoïde d’alimentation (chute de tension).

Attention : l’utilisation d’un générateur de fréquence implique des hautes fréquences et des perturbations électriques très importantes.

Et quelles sont ces perturbations ?

Je classerais les perturbations en trois types :

Les perturbations d’ordre électrique

Les perturbations sont proportionnelles aux courants induits. Cela génère des harmoniques et des champs électriques qui perturbent tous les matériels électroniques à proximité. Ceux-ci doivent donc être immunisés contre les effets des champs électromagnétiques (CEM). Pour les appareils de mesure (pinces ampèremétriques, etc… ), ils doivent être « RMS » (norme de compatibilité).

Les champs électromagnétiques propagés le long du câble de puissance sont tels qu’ils peuvent dévier et/ou modifier la nature des tensions et courants faibles (signaux analogiques et autres) véhiculant dans des câbles à proximité.

Les perturbations d’ordre acoustique

Les hautes fréquences génèrent du bruit selon la fréquence de découpage programmée, les bruits émis peuvent aller du grave à l’aigu, audible ou non, ils n’en restent pas moins très perturbateurs pour l’homme. Le bruit peut se propager via les canalisations ou le fluide, sur toute une installation hydraulique et mettre celle-ci en résonance.

Les perturbations d’ordre mécanique

Les moteurs asynchrones génèrent des courants errants sur leur partie mobile (rotor). Ces courants doivent être évacués vers l’extérieur, généralement vers la terre. Le seul chemin disponible pour cela est la bande de roulement des roulements, qui est le point de contact entre les billes et la cage extérieure. Ce processus crée de petits arcs électriques qui endommagent la bande de roulement (créant des trous) et, par conséquent, affectent la durée de vie des roulements à billes. Il est important de noter que cette problématique concerne tous les moteurs quel que soit le variateur de vitesse.

La différence entre les différents variateurs du marché réside sur la carte contrôle qui permet d’optimiser le pilotage du pont de puissance, il existe seulement quelques fabricants de semi-conducteurs (thyristor) dans le monde. Chaque constructeur de variateurs améliore l’interface de programmation pour la rendre la plus ludique et conviviale possible et l’adapté à ses domaines d’applications (pompage, bande transporteuse… ).

Comment appréhender le câblage électrique d’un variateur de vitesse ?

Avec grand soin ! Il est essentiel de se référer à la notice du constructeur du variateur. Cette notice contient des recommandations importantes, principalement liées au cheminement des masses.

Le câble de puissance qui relie un variateur à un moteur doit normalement* être blindé. Les courants induits** sont proportionnels à la puissance du moteur en fonctionnement, et pour les évacuer correctement et rapidement, il est impératif de raccorder le blindage du câble de puissance à la terre aux deux extrémités.

Attention : si le blindage n’est pas correctement raccordé, cela peut entraîner des problèmes tels que la cuisson (similaire à un four à micro-ondes) et la dénaturation des isolants des différents brins du câble électrique.

*Le blindage a pour principal rôle de limiter l’influence des perturbations induites par les hautes fréquences du variateur vers l’extérieur. Cependant, il est important de noter que cette utilisation du blindage est la norme, mais pas une obligation absolue.

** L’origine des courants induits résulte de la variation d’un flux magnétique et donc généré par la variation de fréquences du variateur.

A quoi sert le câble blindé ?

Il protège et limite la pollution électromagnétique générée sur les éléments environnants potentiels, comme les câbles de commande basse tension (BT) et signaux informatiques, etc… Ceux-ci sont à éloigner le plus possible des câbles de puissance même s’ils sont blindés.

Pourquoi utiliser une sonde moteur ?

Quand le moteur se retrouve en sous-vitesse, il n’y a pas de détection de surcharge possible par la protection magnétothermique intégrée au variateur, la température du moteur monte parce que le flux de l’auto ventilation forcée ne suffit pas à le refroidir suffisamment. Le seul moyen de protéger efficacement un moteur en variation de vitesse est le branchement des sondes PTC directement dans le variateur (une entrée est disponible dans tous les variateurs pour cela).

Quels paramètres de programmation ne faut-il pas négliger au moment de la mise en service d’un variateur ?

Les paramètres moteurs

Il est crucial de programmer l’intégralité des informations de la plaque signalétique du moteur. Le variateur joue un rôle essentiel dans la protection magnétothermique du moteur. Lors du démarrage d’un moteur connecté à un variateur, le courant d’appel atteint un maximum de 1,2 fois le courant nominal du variateur. Il est impératif que le calibre du variateur soit en adéquation avec le courant nominal du moteur sélectionné.

Des talons en vitesse (vitesse minimum et maximum)

En dessous d’une certaine vitesse, une pompe centrifuge perd toutes ses caractéristiques. Il est donc inutile de travailler en dessous de ce seuil. De plus, il est important de prendre la lubrification des garnitures mécaniques et des paliers lisses en compte : pour assurer l’échange thermique de pièces en friction (les unes par rapport aux autres), il convient d’assurer une vitesse minimale. Cette vitesse permet de créer un film de lubrification par centrifugation entre ces pièces. KSB préconise une vitesse de rotation en tour / minutes, minimale de 750 Tr/min.

Il faut aussi penser au refroidissement du moteur : en dessous d’une certaine vitesse de rotation, l’auto ventilation du moteur ne permet plus un refroidissement efficace de celui-ci.

Nous entendons beaucoup aujourd’hui parler de moteur IE5, pouvez-vous nous en parler ?

Revenons d’abord pour bien comprendre sur le moteur asynchrone, de classe énergétique IE2, IE3, et IE4.

Il s’était substitué il y a quelques années aux moteurs à courant continue, facile à construire et économiquement beaucoup plus abordable aussi bien dans sa conception que ça mise en œuvre.

Le principe est simple, dans un moteur asynchrone, c’est un champ magnétique qui varie sous forme de champ tournant créé dans le stator (400Vac à 50HZ donne 1500 Tr/minutes pour un moteur 4 pôles). Au démarrage, le champ tournant balaye les conducteurs de son flux à la vitesse angulaire de synchronisme. Le rotor mis en rotation tend à rattraper le champ tournant sans y arriver, il est en permanence en retard.

la différence entre les deux vitesses est ce que nous appelons le glissement.
un moteur 4 pôles 1500tr/min (vitesse angulaire de synchronisme) ne tourne à l’arbre qu’à ~1465 Tr/minutes.

Qui dit différence de vitesse dit perte d’énergie et donc de rendement…

Les moteurs de classe énergétique IE5 ont un rendement du plus haut niveau, normalisé (par CEI 60034-30-2) et permettent une réduction des pertes d’énergie d’environ 20% par rapport au niveau de rendement IE4.

Le moteur IE5 est « synchrone », c’est-à-dire que le champ tournant du stator tourne à la même vitesse de synchronisme que le rotor. Le stator est optimisé, il est mono tension pour les moteurs SUPREME KSB avec un rotor modifié structurellement, pour que le champs magnétiques tournant du stator soit parfaitement synchronisé avec le rotor.

Les moteurs synchrones existent depuis longtemps, mais leur mise en œuvre était jusqu’alors complexe et onéreuse.

Le moteur IE5 est compatible avec tous les variateurs de vitesse ?

Aujourd’hui ce n’est pas le cas. Un moteur IE5 ne peut être alimenté qu’au travers d’un variateur de vitesse compatible, c’est-à-dire un variateur de la même marque que le moteur… Ainsi, les moteurs IE5 KSB sont compatibles avec les variateurs PumpDrive KSB et PumpDrive R.