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La conception d'onduleurs pour les entraînements à fréquence variable (VFD) est un défi d'ingénierie complexe qui exige une attention méticuleuse aux calculs électriques, aux considérations thermiques et à la sélection des composants. Comme les VFD continuent de jouer un rôle de plus en plus critique dans l'automatisation industrielle, les systèmes CVC et les applications d'énergie renouvelable, la compréhension des principes fondamentaux de conception devient essentielle pour les ingénieurs et les techniciens.

Comprendre les principes fondamentaux du lecteur de fréquences variables

Les VFD prennent la tension et la fréquence fixes du réseau électrique et la convertissent en tension et fréquence variables, en rectifiant la courant alternatif en courant continu et en inversant le courant continu en une forme d'onde CA modulée en largeur d'impulsion. Ce processus de conversion permet un contrôle précis du fonctionnement du moteur, ce qui permet d'économiser l'énergie et d'améliorer le contrôle du processus.

Le stade de l'onduleur représente le cœur de tout système VFD, responsable de la recréation de la sortie AC de la tension du bus DC. Le stade de l'onduleur, utilisant des transistors bipolaires à portail isolé (IGBT) à 2-16 kHz, recrée la sortie AC en trois phases par modulation de la largeur d'impulsion (PWM), avec cette technique PWM produisant des formes d'onde de courant quasi sinusoïdal en variant la largeur des impulsions de tension.

Calcul des exigences de puissance de l'inverseur

Des calculs précis des besoins en puissance constituent le fondement d'une conception robuste de l'onduleur. Le processus commence par une évaluation approfondie des caractéristiques électriques et des exigences opérationnelles du moteur.

Calculs de la puissance motrice et du courant

La sélection VFD nécessite un courant de sortie supérieur ou égal au courant à pleine charge du moteur aux conditions de tension et de fonctionnement du système, compte tenu de la température ou de l'altitude, des exigences de surcharge (par exemple, 150 % pour 60 s pour les charges lourdes).

Lors du calcul des besoins en puissance VFD, les ingénieurs doivent tenir compte de plusieurs variables au-delà des simples cotes de la plaque signalétique. Le HP du moteur et la charge connectée, ainsi que le rendement et le facteur de puissance du moteur, sont toutes des variables qui influent sur la quantité de puissance nécessaire pour passer par le VFD au moteur.

Le calcul du calibrage VFD de base suit ce principe : VFD Requis (kW) = Puissance motrice (kW) × Facteur de service × (1 + Marge d'application).Cette formule fournit un point de départ pour le calibrage initial, bien que des facteurs supplémentaires doivent être pris en compte pour des applications spécifiques.

Facteur de service et marges de sécurité

La relation entre le facteur de service moteur et la capacité de surcharge VFD crée souvent une confusion dans la conception du système. Un moteur ayant un facteur de service de 1.15 peut fonctionner en continu à 115% de la puissance de la plaque signalétique, mais la capacité de surcharge de 150 % de la VFD ne s'applique qu'aux conditions transitoires, et essayer de faire fonctionner un moteur en continu à son facteur de service de 1.15 par l'intermédiaire d'une VFD dimensionnée exactement sur la plaque signalétique du moteur causera des déplacements thermiques VFD. Cette distinction critique doit être comprise pour éviter des problèmes opérationnels.

Pour les applications nécessitant un fonctionnement continu à des niveaux de puissance élevés, le calibrage approprié devient encore plus important. Les ingénieurs doivent calculer le courant moteur à la charge du facteur de service et ensuite appliquer des marges de sécurité VFD appropriées pour assurer un fonctionnement fiable dans toutes les conditions prévues.

Applications multi-moteurs

Un VFD peut conduire plusieurs moteurs s'ils fonctionnent ensemble à la même vitesse, qui est courante dans les stations de pompage parallèles ou les sections de convoyeur. Cependant, cette configuration nécessite un calcul attentif pour assurer une capacité adéquate.Les exigences comprennent les moteurs ayant une puissance de puissance similaire (dans les 20 % maximum), la protection contre les surcharges thermiques individuelles pour chaque moteur et le calibrage du VFD pour le courant total combiné du moteur, plus une marge de 10-15 %, calculée en utilisant : VFD Cote = (somme de tous les kW) × Facteur de service maximal × Marge d'application × Facteur de diversité (0.80-0,95).

Tension de l'autobus DC et calculs courants

Le bus DC représente une étape intermédiaire critique dans l'exploitation VFD, reliant les sections de redresseur et d'onduleur. La conception appropriée du bus DC assure un fonctionnement stable et une efficacité optimale de conversion de puissance.

Détermination de la tension de l'autobus en courant continu

La tension du rail DC dépend de la tension d'entrée en courant alternatif et de la configuration de la correction. Pour les redresseurs à pont complet en trois phases, la tension du rail DC équivaut généralement à environ 1,35 fois la tension d'entrée RMS ligne-ligne dans des conditions idéales.

Les condensateurs de bus DC jouent un rôle vital dans le maintien de la stabilité de la tension et dans le stockage de l'énergie pour les changements de charge transitoires. Le PDC a des répercussions sur la charge des condensateurs de bus DC de la VFD et de l'étouffement (le cas échéant).

Analyse du débit de puissance

Le débit de puissance accru à travers un VFD a diverses influences : le PIN influe sur la charge sur les diodes du VFD, le PDC influe sur la charge sur les condensateurs et étranglements du bus DC du VFD, le POUT influe sur la charge sur les IGBT du VFD, et les valeurs plus élevées de PIN, PDC et POUT sont plus exigeantes sur un VFD.

La compréhension du flux d'électricité aide les ingénieurs à identifier les goulets d'étranglement potentiels et à optimiser la sélection des composants.

Sélection de la fréquence de commutation et analyse harmonique

La fréquence de commutation représente l'un des paramètres de conception les plus critiques, qui affectent directement la distorsion harmonique, les interférences électromagnétiques, les pertes de commutation et les performances globales du système.

Impact de la fréquence de commutation sur l'harmonie

Le THD de la forme d'onde de sortie peut être affecté par divers facteurs, tels que la fréquence de commutation de l'onduleur, la forme de la forme d'onde de sortie et le type de charge entraînée, et en général, le THD d'une forme d'onde de sortie d'onduleur devrait être aussi bas que possible pour assurer le bon fonctionnement de la charge et minimiser les interférences électromagnétiques.

Les fréquences de commutation plus élevées entraînent des étapes de tension plus faibles, ce qui réduit la distorsion harmonique dans la forme d'onde de sortie. Cependant, cet avantage est au coût d'une augmentation des pertes de commutation dans les dispositifs semi-conducteurs.

Dans certaines applications connectées au réseau, afin de réduire l'impact de la taille du filtre d'interface du réseau, en termes d'inductance et de capacité, les fréquences de commutation élevées sont choisies pour réduire l'efficacité de conversion et, par conséquent, une analyse de performance étendue des onduleurs à plusieurs niveaux en fonction de la fréquence de commutation peut être d'une importance considérable pour identifier les conditions de travail optimales.

Calculs de la distorsion harmonique totale

Le THD est une mesure de la distorsion harmonique totale dans un signal par rapport à sa fréquence d'origine, et il est généralement exprimé en pourcentage et est calculé en mesurant la teneur harmonique totale de la forme d'onde et en la divisant par l'amplitude de la fréquence fondamentale. Cette mesure fournit une mesure quantitative de la qualité de la forme d'onde.

Pour la plupart des applications industrielles, maintenir le THD en dessous de 5% assure la compatibilité avec les charges sensibles et la conformité avec les normes de qualité de puissance. Le courant de sortie de l'onduleur est en phase avec la tension (facteur de puissance de l'unité) et la distorsion harmonique totale (DTH) est inférieure à 5% au fonctionnement nominal.

Techniques de MFP pour la réduction harmonique

La forme d'onde de sortie peut être améliorée en utilisant des techniques avancées de modulation de largeur d'impulsion (PWM), telles que PWM sinusoïdale, troisième injection harmonique PWM, ou PWM vectoriel spatial, et un filtre peut être ajouté à la sortie de l'onduleur pour réduire la quantité de distorsion harmonique, le filtre le plus courant étant un filtre passe-bas.

La fréquence de la forme d'onde porteuse est appelée fréquence de modulation, et pour générer des formes d'onde de tension AC sinusoïdale plus précises et garder la taille du filtre LC petites, les fréquences de modulation élevée sont généralement utilisées. Cette approche permet des conceptions de filtres compacts tout en maintenant une excellente qualité de sortie.

Sélection et notation des dispositifs semi-conducteurs

La sélection de dispositifs de commutation de semi-conducteurs appropriés représente une décision critique de conception qui affecte la fiabilité, l'efficacité et le coût. Les IGBT sont devenus le choix dominant pour la plupart des applications VFD en raison de leur excellent équilibre entre la vitesse de commutation, les pertes de conduction et les cotes de tension.

Tension IGBT et notations actuelles

Les cotes de tension IGBT doivent dépasser la tension maximale du rail en courant continu avec une marge de sécurité suffisante pour tenir compte des surtensions transitoires. Les marges de sécurité typiques vont de 20 à 30 % au-dessus de la tension nominale du rail en courant continu, selon les systèmes d'application et de protection utilisés.

La relation entre la puissance de courant VFD et les exigences du moteur implique plusieurs considérations non évidentes : les VFD sont notés pour un courant continu à des températures ambiantes spécifiques (généralement 40°C), mais leur capacité réelle de courant diminue d'environ 2,5 % par degré Celsius au-dessus des conditions nominales en raison des limites de température de jonction des semi-conducteurs, et la présence de courants harmoniques signifie que le courant RMS tiré de l'alimentation dépasse le courant de fréquence fondamental.

Les cotes actuelles doivent tenir compte des conditions de fonctionnement continues et de pointe. L'IBGT doit gérer le courant RMS pendant le fonctionnement normal tout en maintenant des surcharges de courte durée sans dépasser les limites thermiques ou en entrant dans les modes de défaillance destructive.

Caractéristiques et pertes de commutation

Lorsque les dispositifs de commutation sont allumés et éteints, des oscillations de dv/dt et de di/dt élevées provoquent des oscillations pendant les transitoires, qui contiennent un bruit à haute fréquence dans une plage de 100kHz ou plus. Ces transitoires de commutation contribuent à l'interférence électromagnétique et doivent être gérés par la conception de l'entraînement de la porte et des circuits de démoulage.

Les pertes totales dans une IGBT consistent en pertes de conduction (proportionnelle à la résistance au carré et à l'état actuel) et en pertes de commutation (proportionnelle à la fréquence de commutation, au courant et à la tension). L'équilibre de ces mécanismes de perte permet d'optimiser l'efficacité dans toute la gamme de fonctionnement.

Conception du circuit de la porte

La conception de l'entraînement de la porte assure un fonctionnement fiable de l'IGBT tout en minimisant les pertes de commutation et les interférences électromagnétiques. Les circuits d'entraînement de la porte doivent fournir un courant suffisant pour charger et décharger rapidement la capacité de la porte de l'IBBT, en réalisant des transitions de commutation rapides tout en maintenant le contrôle de dv/dt et di/dt pour éviter les sonneries et les dépassements excessifs.

L'isolement entre l'électronique de commande et le stade de puissance haute tension est essentiel pour l'immunité de sécurité et de bruit. Les isolants optiques ou les conducteurs isolés assurent cet isolement nécessaire tout en maintenant une transmission rapide du signal pour un contrôle précis de la commutation.

Calculs de la conception de la gestion thermique

Une gestion thermique efficace assure un fonctionnement fiable à long terme et prévient la défaillance prématurée des composants. Les dispositifs semi-conducteurs sont particulièrement sensibles à la température, la température de jonction affectant directement les performances et la durée de vie.

Exigences en matière de dissipation de la chaleur

La mesure de la dissipation de chaleur commence par la détermination des pertes de puissance totales dans l'onduleur, notamment les pertes de conduction dans les IGBT et les diodes, les pertes de commutation, les pertes de commande de porte et les pertes dans les composants passifs tels que les condensateurs d'autobus et les inducteurs de filtres.

La résistance thermique de la jonction à l'environnement détermine la hausse de température pour une dissipation de puissance donnée. Ce chemin thermique comprend généralement la résistance de la jonction au cas par cas (précisée par le fabricant de semi-conducteurs), la résistance de la casse à l'évier (affectée par le matériau d'interface thermique et la pression de montage) et la résistance de l'évier à l'ambient (déterminée par la conception de l'évier et le débit d'air).

La température de jonction doit rester inférieure à la valeur maximale spécifiée par le fabricant, généralement de 150 °C à 175 °C pour les TIBB. Toutefois, le fonctionnement à des températures plus basses prolonge significativement la durée de vie du dispositif.

Conception et sélection de la chaleur

La sélection des thermosinks consiste à calculer la résistance thermique requise en fonction de la dissipation de puissance et de la hausse de température admissible. Les thermosinks à convection naturelle offrent simplicité et fiabilité, mais nécessitent des surfaces plus grandes.

La conception adéquate assure un débit d'air adéquat pour tous les composants générateurs de chaleur tout en empêchant les points chauds et la recirculation de l'air chauffé. L'analyse de la dynamique des fluides informatiques (CFD) peut optimiser les débits d'air dans des conceptions complexes.

Dégradation pour des conditions environnementales

La vérification de la classe de surcharge permet de s'assurer que la capacité de surcharge de courte durée du conducteur (p. ex., 150 % pour les années 60) satisfait aux exigences de la charge et de diluer les facteurs de dérate du fabricant pour la température ambiante et la température ambiante, 40 °C ou haute altitude, avec une augmentation de la vitesse au besoin.

Les facteurs de dégradation typiques réduisent la capacité du courant de 1 % à 2 % par 1000 pieds au-dessus du niveau de la mer. De même, les températures ambiantes élevées nécessitent une dégradation pour maintenir des températures acceptables de jonction.

Conception du filtre d'entrée et de sortie

Les filtres jouent un rôle essentiel dans les systèmes VFD, réduisant les courants harmoniques du côté de l'entrée et améliorant la qualité de la forme d'onde de sortie.

Considérations relatives aux filtres d'entrée

Les filtres à entrée réduisent les courants harmoniques tirés de l'alimentation, améliorent le facteur de puissance et réduisent la contrainte sur l'infrastructure électrique en amont. Les réacteurs linéaires représentent la forme la plus simple de filtrage d'entrée, fournissant une impédance qui limite la di/dt pendant la commutation de rectification et réduit les courants harmoniques.

Les filtres d'entrée plus sophistiqués peuvent comprendre des configurations LC ou LCL qui permettent une atténuation plus harmonique. Cependant, ces filtres doivent être soigneusement conçus pour éviter des conditions de résonance qui pourraient amplifier certaines fréquences harmoniques plutôt que de les atténuer.

Conception du filtre de sortie

Un filtre LC est utilisé pour atténuer la fréquence de modulation PWM et ses harmoniques dans le système d'onduleur. Les filtres de sortie lissent la forme d'onde PWM, réduisent le chauffage du moteur, les courants de roulement et les interférences électromagnétiques. Le filtre doit fournir une atténuation adéquate à la fréquence de commutation tout en minimisant la chute de tension et le déplacement de phase à la fréquence fondamentale.

La conception de l'inducteur de filtre exige une attention particulière à la sélection du matériau de base, aux caractéristiques de saturation et à la résistance à l'AC. L'inducteur doit gérer le courant moteur complet sans saturer tout en maintenant de faibles pertes.

Filtrage et blindage EMI

Le filtrage par interférence électromagnétique (IME) empêche le bruit à haute fréquence de se propager à l'alimentation ou de rayonner dans l'environnement. Les étranglements à modes courants et les condensateurs à modes différentiels constituent la base de la plupart des conceptions de filtres EMI, atténuant à la fois le bruit à modes courants et le bruit à modes différentiels.

Les pratiques de mise à la terre et de protection appropriées complètent la conception du filtre pour atteindre la conformité à l'IMI. Les câbles à moteur blindés, le routage approprié des câbles et la mise à la terre efficace de l'enceinte d'entraînement contribuent tous à réduire les émissions électromagnétiques et à améliorer l'immunité aux interférences externes.

Circuits de protection et caractéristiques de sécurité

Des systèmes de protection complets assurent un fonctionnement sûr dans des conditions de défaillance et empêchent les dommages à l'onduleur et au matériel connecté.

Protection en cas de surintensité

La protection électronique à action rapide surveille les niveaux de courant instantané et peut réagir en microsecondes à des conditions de court-circuit. La protection thermique plus lente intègre le courant au fil du temps pour éviter une surcharge thermique pendant les conditions de surcharge prolongée.

La détection du courant utilise généralement des capteurs d'effet Hall ou des transformateurs de courant pour l'isolement et la précision. L'algorithme de protection doit faire la distinction entre les surcharges transitoires légitimes (comme le démarrage du moteur) et les conditions de défaillance nécessitant un arrêt immédiat.

Protection contre les surtensions et les sous-tensions

La surveillance de la tension du rail en courant continu protège contre la surtension et l'sous-tension. La surtension peut résulter de transitoires de freinage ou de tension d'alimentation régénérative, tandis que la sous-tension peut indiquer des problèmes d'alimentation ou une chute excessive de tension sous charge.

Protection thermique

Les capteurs de température montés sur des dissipateurs thermiques ou intégrés dans des modules semi-conducteurs permettent de mesurer directement la température des composants. Les algorithmes de protection comparent les températures mesurées par rapport aux limites prédéfinies et réduisent le courant de sortie ou arrêtent l'onduleur si les températures dépassent les niveaux de sécurité.

Protection contre les fautes au sol

La détection des défauts de sol identifie les défauts d'isolation ou la mise à la terre accidentelle des enroulements de moteurs. La surveillance résiduelle des courants de phase compare la somme des courants de phase pour détecter les courants de fuite qui s'écoulent vers le sol.

Conception et mise en œuvre du système de contrôle

Le système de contrôle orchestre le fonctionnement de l'onduleur, en mettant en œuvre la stratégie de contrôle souhaitée tout en surveillant l'état du système et en répondant aux commandes et aux défauts.

Algorithmes de contrôle

Le contrôle scalaire (contrôle V/Hz) représente la méthode de contrôle la plus simple, en maintenant un rapport constant entre tension et fréquence pour préserver le flux moteur. Cette approche fonctionne bien pour les applications ne nécessitant pas de régulation précise de la vitesse ou de hautes performances dynamiques. L'algorithme de contrôle ajuste à la fois la tension de sortie et la fréquence proportionnellement sur la base de la commande de vitesse.

La commande vectorielle offre des performances supérieures en contrôlant indépendamment le flux et le couple du moteur. Cette approche nécessite une connaissance des paramètres du moteur et utilise généralement la rétroaction courante pour réguler les courants moteurs dans un cadre de référence rotatif. La commande vectorielle en boucle fermée nécessite une rétroaction encodeur pour une régulation précise de la vitesse sous différentes charges.

Rétroaction et sensibilisation

La détection précise des paramètres électriques permet de contrôler et de protéger les boucles fermées. Les capteurs de courant mesurent les courants de phase pour les algorithmes de contrôle et les circuits de protection. Les capteurs de tension surveillent la tension du bus en continu et peuvent également mesurer la tension de sortie pour des stratégies de contrôle avancées.

Les capteurs de courant d'effet Hall offrent une bonne précision et une bonne isolation, mais peuvent dériver avec la température. Les transformateurs de courant offrent une excellente précision et une excellente isolation pour les courants AC, mais ne peuvent pas mesurer le courant continu. Les résistances à l'appui offrent un coût et une bonne précision, mais nécessitent une conception soignée pour obtenir une isolation adéquate.

Mise en œuvre du contrôle numérique

Les systèmes de contrôle numériques échantillonnent les signaux analogiques, exécutent des algorithmes de contrôle et génèrent des signaux PWM pour conduire la phase de puissance. La fréquence d'échantillonnage doit être suffisamment élevée pour saisir la dynamique des signaux pertinente tout en laissant suffisamment de temps pour l'exécution de l'algorithme.

Les convertisseurs analogiques à numériques (ADC) doivent fournir une résolution et une vitesse adéquates pour numériser avec précision les signaux de rétroaction. La résolution 12 bits suffit généralement pour la plupart des applications, bien que les convertisseurs 16 bits puissent être utilisés pour des applications exigeantes nécessitant une précision exceptionnelle.

Conducteur et dimensionnement des câbles

Un calibrage adéquat du conducteur assure une alimentation sûre et efficace tout en respectant les codes et normes électriques. Les conducteurs d'entrée et de sortie doivent être soigneusement calculés en fonction de la cote de courant, de la chute de tension et des conditions d'installation.

Taille du conducteur d'entrée

Avec un VFD, nous avons des conducteurs de taille basés sur 125 % du courant d'entrée du VFD (NEC 430.122(A)). Cette marge de sécurité est utilisée pour le fonctionnement continu et assure une protection contre la surchauffe. Le courant d'entrée peut être calculé à l'aide de : Courant d'entrée (A) = (VFD kVA Rating × 1000) ÷ (Voltage d'alimentation × √3), et par l'article 430.122 du NEC, câbles d'alimentation en taille et disjoncteurs à 125 % de ce courant.

Les conducteurs multiples d'un conduit ou d'un plateau de câbles génèrent de la chaleur qui réduit l'amplitude effective de chaque conducteur. Les facteurs de détérioration spécifiés dans les codes électriques tiennent compte de ces conditions.

Considérations relatives aux chefs de production

Les conducteurs de sortie (VFD to Motor) devraient utiliser le câble VFD/PWM et tenir compte de la note d'information NEC 2020 sur la contrainte d'isolation. Le haut dv/dt associé aux formes d'onde PWM peut contrainte l'isolation du câble, en particulier à plus longue longueur de câble.

La longueur du câble affecte à la fois la chute de tension et le potentiel pour les phénomènes d'onde réfléchie. Les câbles longs peuvent causer des réflexions de tension qui doublent la tension de l'isolation du moteur.

Échéance et fixation

Les conducteurs de mise à la terre de l'équipement doivent être dimensionnés selon la cote de protection du dispositif de surintensité. Les chemins de mise à la terre à faible impédance réduisent la tension du mode commun et les courants de roulement qui peuvent endommager les roulements du moteur au fil du temps.

Les câbles blindés pour les connexions de moteurs devraient être mis à la terre aux deux extrémités par des connexions à faible impédance, ce qui permet de faire fonctionner les courants à haute fréquence, de réduire les émissions apparentes et d'améliorer les performances de l'IME.

Procédures d'essai et de validation

Les essais complets doivent être effectués de la vérification au niveau des composants à l'intégration du système et enfin à des essais opérationnels à pleine charge.

Essais au niveau des composants

Les circuits d'entraînement à porte doivent être testés pour vérifier le timing, les niveaux de tension et l'isolement appropriés. Les capteurs de courant et de tension doivent être étalonnés et vérifiés sur toute leur plage de fonctionnement. Les circuits de protection doivent être testés pour confirmer les niveaux de voyage et les temps de réponse appropriés.

Les mesures de l'oscilloscope confirment la génération appropriée de PWM, les transitions de commutation et l'absence de conditions de tir. L'imagerie thermique identifie les points chauds et vérifie le refroidissement adéquat avant de passer à des niveaux de puissance plus élevés.

Essais de performance

Les mesures d'efficacité dans toute la gamme de fonctionnement permettent de détecter les pertes et de vérifier les calculs thermiques. L'analyse harmonique confirme que les niveaux de THD répondent aux spécifications et aux exigences réglementaires.

Les essais de charge doivent comprendre des conditions d'équilibre et transitoires. Le démarrage du moteur impose des exigences élevées à l'onduleur, nécessitant un courant élevé pendant plusieurs secondes. Les conditions régénératives, le cas échéant, testent la capacité de l'onduleur à gérer le flux de puissance inverse.

EMI et essais de sécurité

Les essais de compatibilité électromagnétique (EMI/EMC) vérifient la conformité aux normes réglementaires relatives aux émissions effectuées et aux émissions apparentes. Les essais d'émissions effectués mesurent le bruit à haute fréquence sur les lignes électriques au moyen d'un réseau de stabilisation de l'impédance de ligne (LISN).

Les tests de sécurité confirment le bon fonctionnement des circuits de protection et vérifient l'isolement entre les circuits à haute tension et à basse tension. Les tests Hipot appliquent une haute tension pour vérifier l'intégrité de l'isolation. Les tests de continuité au sol garantissent des parcours de mise à la terre à faible impossibilité.

Normes et exigences de conformité

Les onduleurs VFD doivent respecter de nombreuses normes en matière de sécurité, de compatibilité électromagnétique et de performance. La compréhension des normes applicables au début du processus de conception empêche les remaniements coûteux et assure l'acceptation du marché.

Normes de sécurité électrique

La norme CEI 61800-5-1:2022 précise les exigences de sécurité des systèmes d'entraînement électrique. Cette norme porte sur la sécurité électrique, la sécurité fonctionnelle et la protection contre les dangers.

Les codes électriques nationaux prévoient des exigences d'installation pour les VFD. NEC 430.6(A) / Les tableaux 430.247-250 fournissent des valeurs de FLC moteur, NEC 430.122(A) spécifie les conducteurs fournissant des VFD (≥ 125% du courant d'entrée VFD) et NEC 430.52 fournit des cotes maximales pour les OCPD de branche moteur.

Normes EMC

La norme CEI 61800-3:2022 précise les exigences et les méthodes d'essai de l'EMC. Cette norme définit les limites d'émission et les exigences d'immunité pour les systèmes d'entraînement électrique dans divers environnements.

Les limites d'émission varient selon les catégories de produits en fonction de l'environnement d'installation prévu. Les limites d'émissions des équipements industriels sont généralement plus assouplies que celles des équipements destinés aux environnements résidentiels ou commerciaux légers.

Normes harmoniques

L'IEEE 519 établit des limites pour les courants et tensions harmoniques dans les systèmes d'alimentation électrique. La norme définit des niveaux de distorsion acceptables basés sur le rapport courant court-circuit au courant de charge au point de couplage commun. Les conceptions VFD doivent intégrer un filtrage approprié ou une compensation harmonique active pour respecter ces limites dans les applications sensibles.

Considérations de conception avancées

Au-delà des exigences de conception fondamentales, plusieurs considérations avancées peuvent améliorer la performance, l'efficacité et la fiabilité de l'onduleur.

Topologies d'inverteur à plusieurs niveaux

Les onduleurs CHB offrent une modularité, une efficacité accrue, une distorsion totale harmonique réduite (DTH) et une flexibilité dans les niveaux de sortie, ce qui les rend idéales pour les applications à haute puissance et les énergies renouvelables.

Les avantages des onduleurs à plusieurs niveaux sont notamment la réduction de la distorsion harmonique, la réduction de la pression dv/dt sur l'isolation du moteur et la capacité de fonctionner à des tensions plus élevées à l'aide de dispositifs semi-conducteurs à basse tension.

Braquage régénératif

Les unités régénératrices alimentent l'énergie en courant alternatif, sont plus coûteuses mais récupèrent de l'énergie et sont justifiées lorsque le freinage se produit fréquemment ou implique une puissance importante.

Le calcul de l'énergie de freinage en utilisant l'inertie du moteur, le temps de décélération et la fréquence, et l'ajout de 20 à 30 % de marge pour le calibrage de résistance, permet au système de freinage de gérer l'énergie sans surchauffe ni dépassement des limites de tension.

Optimisation de l'efficacité

L'efficacité du système est le produit de l'efficacité du VFD, de l'efficacité du moteur à son point de charge et de l'efficacité de l'équipement entraîné (ηsystem = ηVFD x ηMotor x ηEquipment).

L'efficacité de la VFD diminue avec la diminution de la charge motrice, et la baisse de l'efficacité est plus prononcée avec les moteurs de plus petite puissance. Comprendre cette caractéristique aide à choisir des moteurs de taille appropriée et à prédire la consommation d'énergie dans toute la gamme de fonctionnement.

Pièges et solutions de conception commune

L'apprentissage des erreurs courantes aide les ingénieurs à éviter les problèmes et à créer des conceptions plus robustes. Plusieurs problèmes récurrents apparaissent dans les conceptions d'onduleurs VFD.

Sous-dimensionnement et surdimensionnement

Toujours prioriser la cote actuelle sur kW/HP pour un calibrage précis. Se concentrer uniquement sur les cotes de puissance sans tenir compte du courant, du facteur de puissance et de l'efficacité peut conduire à des moteurs sous-dimensionnés qui échouent prématurément ou qui se déplacent sur une surcharge. Inversement, la surdimensionnement excessive gaspille de l'argent et peut entraîner une mauvaise efficacité aux charges légères.

La solution consiste à analyser soigneusement les conditions d'exploitation réelles, y compris les profils de charge, les cycles de service et les facteurs environnementaux.

Conception thermique inadéquate

La sous-estimation de la dissipation de la puissance ou la conception inadéquate de la dissipation de chaleur entraîne des problèmes thermiques qui réduisent la fiabilité et raccourcissent la durée de vie des composants.

Problèmes liés à l'IME

Les problèmes d'interférence électromagnétique se posent souvent tard dans le développement, nécessitant des remaniements coûteux. L'examen de l'IME dès le début par une bonne mise en page, un filtrage et un blindage permet d'éviter ces problèmes.

Questions de distorsion harmonique

La non-comptabilisation de la distorsion harmonique est une surveillance commune, car la distorsion harmonique augmente le courant total tiré par le moteur, ce qui peut conduire à sous-estimer les besoins en puissance, et les harmoniques résultent des fréquences de commutation du VFD et peuvent causer de la chaleur et des contraintes supplémentaires sur les composants électriques.

Tendances futures de la conception de l'inverteur VFD

La technologie VFD continue d'évoluer, grâce aux progrès réalisés dans les dispositifs semi-conducteurs, les algorithmes de contrôle et les exigences d'application.

Semiconductors à large bande

Les innovations récentes dans l'utilisation de l'utilisation de la fréquence de commutation élevée des commutateurs Gallium Nitride (GaN) peuvent transformer davantage le spectre de fréquence de la tension de sortie et la distorsion harmonique totale (THD), facilitant la possibilité de fonctionner dans des conditions sans filtre, de taille réduite et de rentabilité.

Ces dispositifs avancés permettent des conceptions plus compactes avec une efficacité accrue. Cependant, ils introduisent également de nouveaux défis dans la conception de l'entraînement de porte, la gestion thermique et le contrôle EMI qui nécessitent une attention particulière.

Algorithmes de contrôle avancés

Les algorithmes de contrôle prédictif, d'intelligence artificielle et d'apprentissage des machines de modèle promettent une meilleure performance et efficacité.Ces techniques avancées peuvent optimiser le fonctionnement de l'onduleur en temps réel, s'adapter aux conditions de charge changeantes et maximiser l'efficacité dans toute la gamme de fonctionnement.

Les méthodes de contrôle sans sens éliminent le besoin de capteurs de vitesse ou de position tout en maintenant de bonnes performances.Ces techniques permettent d'estimer les paramètres moteurs à partir de mesures électriques, de réduire les coûts et d'améliorer la fiabilité en éliminant les capteurs mécaniques.

Intégration et miniaturisation

Les modules de puissance intelligents intègrent les pilotes de portails, les circuits de protection et les semi-conducteurs de puissance dans des paquets compacts. Les IC de contrôle numérique combinent traitement, interfaces analogiques et communication en puces simples.

La miniaturisation permet de nouvelles applications et de nouvelles options d'installation. Les petits entraînements s'adaptent à des espaces plus étroits et réduisent les coûts de matériaux.

Exemple de conception pratique

Un exemple pratique illustre l'application des principes de conception discutés dans cet article. Envisager de concevoir un onduleur pour un moteur triphasé de 15 kW, 400V, avec les spécifications suivantes:

  • Puissance nominale: 15 kW
  • Tension nominale: 400V triphasé
  • Courant nominal: 30A
  • Facteur de puissance: 0,85
  • Efficacité: 92%
  • Facteur de service : 1.15
  • Température ambiante: 40°C
  • Cycle de service: continu avec surcharges occasionnelles à 110%

Conception de l'étape de puissance

Commencez par calculer le courant de sortie requis de l'onduleur. Avec une marge d'application de 10% et tenant compte du facteur de puissance et de l'efficacité du moteur, l'onduleur doit être évalué pour au moins 35A courant de sortie continu. Sélectionnez IGBTs évalués pour 600V (en fournissant une marge suffisante au-dessus de la tension du bus 540V DC) avec une cote de courant continu de 50A pour fournir une marge thermique.

La tension du bus DC pour une entrée en trois phases de 400V sera d'environ 540V DC. Sélectionnez les condensateurs de bus DC pour 650V avec une capacité suffisante pour maintenir l'onduleur de tension en dessous de 5%. Calculez la capacité requise en fonction du courant de charge, de la fréquence de commutation et de l'onduleur acceptable.

Conception thermique

Estimation de la dissipation totale de la puissance, y compris les pertes de conduction (environ 200W) et les pertes de commutation (environ 150W) pour un total de 350W. Avec une température maximale de jonction de 125°C et 40°C ambiante, la hausse de température admissible est de 85°C. Cela nécessite une résistance thermique totale de la jonction à l'environnement d'environ 0,24°C/W.

Avec une résistance de 0,05 °C/W à la jonction au cas et une résistance de 0,02 °C/W à la casse (avec un matériau d'interface thermique approprié), le thermosink doit fournir une résistance thermique de 0,17 °C/W ou mieux.

Système de contrôle

Mettre en œuvre un contrôle vectoriel pour une bonne performance et efficacité dynamiques. Sélectionnez un processeur de signal numérique avec une puissance de traitement suffisante pour exécuter des algorithmes de contrôle à un taux de mise à jour de 10 kHz. Inclure des capteurs de courant sur les trois phases avec une précision de 1% et une bande passante adéquate.

Filtrage des entrées et sorties

Concevoir un réacteur de ligne d'entrée pour réduire les courants harmoniques et assurer une protection contre les transitoires d'alimentation. Calculer l'inductance en fonction de l'impédance de 3 à 5 % au courant nominal.

Conclusion

La conception d'onduleurs robustes pour les entraînements à fréquence variable nécessite une compréhension complète de l'électronique de puissance, de la gestion thermique, des systèmes de commande et de la compatibilité électromagnétique. Le succès dépend de l'attention portée aux calculs, à la sélection des composants et aux essais tout au long du processus de conception.

Le domaine continue d'évoluer avec les progrès de la technologie des semi-conducteurs, des algorithmes de contrôle et des techniques d'intégration. Rester au courant de ces développements tout en restant concentré sur les principes fondamentaux de conception permet aux ingénieurs de créer des solutions innovantes qui repoussent les limites de performance tout en maintenant la fiabilité requise par les applications industrielles.

Pour plus d'informations sur la commande de moteur et l'électronique de puissance, visitez le , ou consultez le Commission électrotechnique internationale[ pour connaître les normes internationales. Association nationale des fabricants d'électricité fournit des normes et des lignes directrices utiles à l'industrie, tandis que ScienceDirect offre un accès aux dernières recherches en électronique de puissance et en moteurs.