Les différents types d'entraînements de moteurs industriels à vitesse variable

La norme 61800 de la Commission électrotechnique internationale (CEI) reconnaît deux types de systèmes d'entraînements électriques de puissance (PDS) à vitesse variable pour les applications industrielles. La norme 61800-1 s'applique aux PDS à courant continu (CC) tandis que la norme 61800-2 s'applique aux PDS à courant alternatif (CA). Le terme PDS s'applique au système complet d'entraînement et de moteur.

D'autres sections de la norme 61800 traitent des méthodes de test, des exigences de sécurité liées aux conditions thermiques et énergétiques, de la sécurité fonctionnelle, des exigences électriques et environnementales pour les codeurs, des interfaces électriques et des mesures de performances. La partie la plus récente, CEI 61800-9, couvre l'écoconception des systèmes moteurs, y compris la détermination et la classification du rendement énergétique.

Si la norme CEI 61800 définit les PDS CA et CC à vitesse variable, il existe également des définitions générales pour les variateurs de vitesse (VSD) et les variateurs de fréquence (VFD) dans les applications industrielles. La norme CEI 61800 s'applique aux PDS à alimentation secteur connectés jusqu'à 1,5 kV_CA 50 Hz ou 60 Hz. Elle s'applique également aux tensions d'entrée CC pour les systèmes alimentés par batterie, tels que les robots mobiles autonomes (AMR) industriels qui utilisent des variateurs de vitesse. Les entraînements de traction et de véhicules électriques sont exclus de la norme CEI 61800.

Cet article présente brièvement les définitions courantes des VSD et des VFD et examine pourquoi les VFD sont largement utilisés. Il passe ensuite en revue les classes de rendement définies dans la norme CEI 61800-9 pour les variateurs CA et étudie des exemples de VFD à alimentation secteur de Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric et Omron Automation. Il se termine en examinant l'utilisation des VFD dans les AMR et d'autres systèmes alimentés par batterie à l'aide d'un exemple de système de MEAN WELL.

La définition standard d'un VFD est un variateur qui utilise les changements de fréquence pour contrôler la vitesse du moteur, ce qui le rend utile avec les moteurs CA. Dans le même temps, un VSD fait varier la tension pour contrôler le moteur, ce qui le rend utile pour les moteurs CA et CC.

Mais ce n'est pas si simple. Les deux types de variateurs peuvent être utilisés pour contrôler la vitesse des moteurs. En conséquence, le terme VSD est parfois appliqué aux VFD. Les VFD peuvent être utilisés avec des moteurs CC sans balais (BLDC) ; à proprement parler, ils ne sont pas limités aux moteurs CA. Les VFD peuvent être utilisés avec une variété de moteurs, notamment les suivants :

• Les moteurs à induction (IM), ou moteurs CA asynchrones, sont largement utilisés dans les applications industrielles car ils sont à auto-démarrage, fiables et économiques.
• Les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) sont des moteurs CA très efficaces et ils permettent un contrôle précis du couple et de la vitesse dans les applications hautes performances qui exigent un rendement énergétique élevé.
• Les moteurs BLDC sont également utilisés dans les applications qui exigent un rendement élevé et un contrôle précis, et ils offrent généralement une longue durée de vie.
• Les servomoteurs peuvent être à courant alternatif ou continu et prendre en charge des réponses rapides et de haute précision. Les VFD dotés d'algorithmes de commande spécialisés peuvent être utilisés avec des servomoteurs dans les robots, les machines à commande numérique par calculateur (CNC) et les applications similaires.
• Les moteurs CA synchrones (SM) conviennent aux applications qui requièrent une vitesse constante et une synchronisation précise. Si les VFD peuvent contrôler la vitesse des SM, d'autres options de variateur (plus économiques) peuvent prendre en charge un fonctionnement à vitesse constante.

Il existe une variété d'algorithmes de commande utilisés avec les VFD qui augmentent leur polyvalence. Par exemple, il existe quatre principaux types d'algorithmes de commande VFD spécifiques aux moteurs à induction : volts par Hertz (V/f), V/f avec codeur, vecteur en boucle ouverte et vecteur en boucle fermée. Tous utilisent la modulation de largeur d'impulsion et offrent différents niveaux de contrôle sur la vitesse et le couple.

L'importance des VFD dans un large éventail d'applications industrielles est mise en évidence par le développement de la norme CEI 61800-9, qui cible le rendement et l'écoconception des VFD et des systèmes d'entraînement de moteur associés.

BDM, CDM et PDS

La norme CEI 61800-9 comporte deux sections relatives aux VFD. La Partie 1 décrit la méthodologie permettant de déterminer l'indice ou la référence de rendement énergétique d'une application. La Partie 2 détaille les méthodes d'évaluation du rendement sur la base d'une série de classifications.

Même si le rendement des VFD, appelés modules d'entraînement de base (BDM) dans la norme CEI 61800-9, est important, il n'est pas l'objectif principal de la norme. La norme est plus large et prend en compte les modules d'entraînement complets (CDM) constitués d'un inverseur de fréquence (le VFD), d'une section d'alimentation et d'auxiliaires d'entrée et de sortie (comme des filtres et des selfs), et le système d'entraînement électrique de puissance (PDS) qui se compose du CDM et du moteur (Figure 1).

Figure 1 : Les classes de rendement CEI 61800-9 s'appliquent au CDM (section noire) et au PDS (section rouge) dans les systèmes VFD. (Source de l'image : Schneider Electric)

Classes de rendement CDM

Les classes de rendement international (IE) CDM sont définies de IE0 à IE2. Elles sont déterminées en comparant la perte totale du CDM avec les performances d'un CDM de référence (RCDM). Les classes IE pour les CDM sont définies par rapport au point de fonctionnement 90/100 utilisant une fréquence de stator de moteur de 90 % et un courant de couple de 100 % pour éviter la surmodulation et garantir la comparabilité des mesures de performances des variateurs de différents fabricants.

Les performances du RCDM sont définies comme IE1. Un CDM dont les pertes sont inférieures de plus de 25 % à celles du RCDM est classé IE2, et un CDM dont les pertes sont supérieures de plus de 25 % à celles du RCDM est classé IE0. Le RCDM permet également la comparaison de la consommation d'énergie avec un CDM de technologie moyenne à huit points de fonctionnement prédéfinis (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) et (90, 100) (Figure 2).

Figure 2 : Classes de rendement et points de fonctionnement CDM CEI 61800-9. (Source de l'image : Siemens)

Classes de rendement PDS

Les classes du système international de rendement (IES) PDS sont similaires aux classes CDM IE et sont définies comme IES0 à IES2. Elles sont basées sur un PDS de référence (RPDS) et reflètent le rendement du module d'entraînement complet et du moteur.

L'adaptation du moteur et du CDM aux exigences spécifiques de l'application offre un plus grand potentiel d'optimisation globale du rendement. Cette optimisation du rendement se reflète dans une classification IES plus élevée. Comme le RCDM, le RPDS permet la comparaison de la consommation énergétique avec un PDS de technologie moyenne à huit points de fonctionnement prédéfinis.

Les points de fonctionnement sont basés sur un pourcentage de couple et un pourcentage de vitesse, et la valeur IES est calculée sur la base d'un couple de 100 % et d'une vitesse de 100 %, ce qui correspond au point de fonctionnement (100, 100).

Au lieu d'utiliser les variations de 25 % des classes IE, les classes IES sont basées sur des variations de 20 %. Un PDS avec une classe de rendement IES2 présente des pertes inférieures de plus de 20 %, et un PDS de classe IES0 présente des pertes supérieures de plus de 20 % par rapport aux performances RPDS définies comme IES1 (Figure 3).

Figure 3 : Classes de rendement et points de fonctionnement PDS CEI 61800-9. (Source de l'image : Schneider Electric)

Exemples de VFD

Les fabricants de VFD n'indiquent pas toujours un rendement basé sur la norme 61800-9. En effet, la mesure de rendement la plus simple selon la norme CEI 61800-9 concerne le CDM, qui se compose du VFD (inverseur de fréquence) et de nombreux composants supplémentaires, notamment la section d'alimentation et les dispositifs auxiliaires d'entrée et de sortie. L'utilisation de composants supplémentaires spécifiques échappe au contrôle des fabricants de VFD et la norme 61800-9 ne s'applique pas directement aux VFD.

Certains fabricants de VFD ont adapté la méthodologie 61800-9. Lorsque la conformité IE2 est revendiquée, les données sont rapportées dans différents formats, notamment des graphiques, des tableaux et des fichiers Excel.

Par exemple, Siemens utilise la méthodologie CEI 61800-9 avec ses variateurs SINAMICS V20 et les déclare comme ayant une classe de rendement IE2 (Figure 4). Ces variateurs sont proposés en neuf tailles, s'étendant de 0,16 à 40 chevaux. Ces variateurs ont été optimisés pour les systèmes d'entraînement de base dans les applications de fabrication et de traitement telles que les pompes, les ventilateurs, les compresseurs et les convoyeurs. Les nombreux composants en option incluent des filtres d'entrée, des réacteurs d'entrée et de sortie, des résistances de freinage, et plus.

Figure 4 : CDM 7,5 kW à classe de rendement IE2 présentant des pertes 36,1 % inférieures à celles du convertisseur de référence (90 % / 100 %). Les pourcentages indiquent les pertes par rapport à la puissance nominale de l'entraînement de base sans composants optionnels. (Source de l'image : Siemens)

Delta Electronics a également adapté la méthodologie 61800-9 et indique le rendement IE2 pour ses variateurs compacts de 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 et 12,2 kVA série MS300. Les données sont détaillées sous forme de tableaux plutôt que sous forme de graphiques. La série MS300 comprend des variateurs de 0,2 à 22 kW (Figure 5). Ces variateurs sont dotés de plusieurs fonctionnalités intégrées, notamment une fonction d'automate programmable (PLC) pour la programmation, la communication MODBUS, un emplacement de communication pouvant prendre en charge des protocoles supplémentaires et un port USB pour le téléchargement de données.

Figure 5 : La série MS300 de Delta Electronics inclut des variateurs de 0,2 kW à 22 kW. (Source de l'image : Delta Electronics)

Omron indique que ses « variateurs de vitesse avec entrée triphasée », comme les VFD série MX2, répondent aux exigences de rendement IE2. L'entreprise fournit les données de test sous forme de fichier Excel. Les variateurs MX2 sont disponibles avec des caractéristiques de 0,1 kW à 2,2 kW pour une entrée monophasée de 200 V, de 0,1 kW à 15,0 kW pour une entrée triphasée de 200 V, et de 0,4 kW à 15,0 kW pour une entrée triphasée de 400 V. Ces variateurs sont conçus pour les moteurs IM et PM et prennent en charge un contrôle fluide jusqu'à la vitesse zéro avec un couple de démarrage de 200 % à 0,5 Hz.

Alors que d'autres fabricants de VFD se concentrent sur les sections 1 et 2 de la norme CEI 61800-9, Schneider Electric adopte une approche plus globale et décrit comment intégrer ses variateurs avec le moteur approprié pour répondre à la directive d'écoconception et à la section 3 de la norme CEI 61800-9 définissant une approche d'écoconception quantitative au moyen d'un éco-bilan incluant les réglementations des catégories de produits et les déclarations environnementales associées.

La famille de variateurs Altivar Machine ATV320 de l'entreprise comprend des VFD répertoriés IP20 et IP6x de 0,18 kW à 15 kW (0,25 à 20 chevaux) pour les moteurs BLDC, PM, asynchrones et synchrones triphasés à commande en boucle ouverte, et elle inclut des fonctions telles que les suivantes :

• Précision du couple et de la vitesse à basse vitesse et performances dynamiques élevées avec contrôle vectoriel de flux sans capteur
• Prise en charge des moteurs haute fréquence
• Fonctions intégrées pour conformité aux normes de sécurité fonctionnelle

Qu'en est-il des AMR ?

Les AMR utilisent des VFD, mais un type de VFD différent. La série VFD de variateurs de moteurs BLDC industriels de MEAN WELL est un bon exemple. Ils sont conformes aux sections applicables de la norme CEI 61800, telles que les exigences de sécurité 61800-5-1 et les exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) 61800-3. Cependant, ces VFD n'étant pas des variateurs en boîtier, les catégories de rendement de la norme 61800-9 ne s'appliquent pas.

La série VFD comprend huit modèles avec des versions d'entrée CC et CA de 150 W à 750 W. Le modèle VFD-350P-48 fonctionne avec une entrée de 48 V_CC pour les applications alimentées par batterie telles que les AMR, et peut fournir jusqu'à 350 W et 20 A de courant de sortie.

Ce variateur BLDC de 350 W est fourni sur une carte à circuit imprimé de 101,6 mm x 50,8 mm, et la conception sans ventilateur peut supporter des charges de crête de 200 % pendant 5 secondes (Figure 6). Tous les modèles de la série VFD ne comprennent que la section d'entraînement de puissance et requièrent une carte de contrôle externe. MEAN WELL propose également une carte de contrôle en option.

Figure 6 : Schéma fonctionnel de la section d'entraînement de puissance VFD (à gauche) et image de la section de puissance prête pour installation dans un AMR (à droite). (Source de l'image : MEAN WELL)

Conclusion

Diverses conceptions de variateurs de vitesse sont disponibles pour les applications industrielles, y compris les commandes de machines et les AMR. Elles peuvent prendre en charge les moteurs CA et CC et présentent différents niveaux de conformité aux sections de la norme CEI 61800. En outre, étant donné que les performances des VFD individuels ne sont pas au centre de la norme CEI 61800-9, il existe plusieurs approches différentes pour indiquer les performances par rapport à ces normes de rendement. Certains fabricants de VFD ciblent les sections 1 et 2 et déclarent des niveaux de rendement VFD comme IE2. En revanche, d'autres se concentrent sur la section 3, qui concerne les considérations globales d'écoconception, y compris les réglementations sur les catégories de produits et les déclarations environnementales associées.