Dans le domaine des équipements électriques, moteurs à induction conventionnels sont généralement conçus pour fonctionner à fréquence et tension constantes. Cependant, cette conception présente des limites pour répondre aux exigences de haute performance des applications de contrôle de vitesse à fréquence variable.
1. Efficacité et augmentation de la température
• Tous les types de convertisseurs de fréquence génèrent des tensions et des courants harmoniques pendant le fonctionnement, ce qui fait fonctionner le moteur dans des conditions d'alimentation non sinusoïdales.
• En prenant comme exemple le convertisseur PWM sinusoïdal (modulation de largeur d'impulsion) couramment utilisé, ses composantes harmoniques d'ordre élevé (environ deux fois la fréquence porteuse) entraînent des pertes accrues dans le moteur, y compris des pertes de cuivre/aluminium du stator et du rotor, des pertes de noyau et des pertes parasites supplémentaires. Notamment, les pertes de cuivre dans le rotor deviennent plus prononcées.
• Lorsque le moteur à induction fonctionne à une vitesse proche de la synchronisation, des tensions harmoniques haute fréquence induisent des pertes importantes dans les barres du rotor. De plus, les pertes supplémentaires de cuivre induites par l’effet cutané contribuent encore davantage à la réduction de l’efficacité.
• Ces pertes entraînent une génération de chaleur supplémentaire, une efficacité réduite et une puissance de sortie réduite. Sous alimentation non sinusoïdale provenant de convertisseurs de fréquence, l'augmentation de la température de moteurs à induction triphasés standards augmente généralement de 10 à 20 %.
2. Contrainte d'isolation
• De nombreux convertisseurs de fréquence de petite et moyenne taille utilisent le contrôle PWM avec des fréquences porteuses allant de plusieurs kHz à des dizaines de kHz. Cela soumet les enroulements du moteur à un dv/dt (taux de montée de tension) élevé, équivalent à des tensions de choc abruptes qui mettent à l'épreuve l'isolation tour à tour.
• La tension de découpage rectangulaire générée par les convertisseurs PWM se superpose à la tension de fonctionnement du moteur, posant une menace pour l'isolation de la terre. Des impulsions haute tension répétées accélèrent le vieillissement de l’isolation.
Pour relever ces défis, moteurs à onduleur intégrer des optimisations électromagnétiques et structurelles spécialisées :
1. Conception électromagnétique
• L'objectif principal est d'améliorer la compatibilité du moteur avec les alimentations non sinusoïdales.
• Les résistances du stator et du rotor sont minimisées pour réduire les pertes fondamentales du cuivre, compensant ainsi les pertes supplémentaires causées par les harmoniques.
• L'inductance du moteur est soigneusement augmentée pour supprimer les courants harmoniques haute fréquence tout en garantissant une adaptation d'impédance appropriée sur toute la plage de vitesse.
2. Conception structurelle
• La construction du moteur tient compte de l'impact de la puissance non sinusoïdale sur l'isolation, les vibrations, le bruit et le refroidissement.
• Système d'isolation : une isolation de classe F ou supérieure est adoptée, avec une isolation renforcée de terre et tour à tour, mettant particulièrement l'accent sur la résistance aux tensions de choc.
• Système de refroidissement : une ventilation forcée est utilisée, où un ventilateur à entraînement indépendant assure une dissipation efficace de la chaleur, compensant ainsi le stress thermique accru lors d'un fonctionnement à fréquence variable.
Moteurs à onduleur sont méticuleusement conçus pour atténuer les effets néfastes des convertisseurs de fréquence. Grâce à des conceptions électromagnétiques et structurelles optimisées, ces moteurs atteignent une adaptabilité supérieure aux sources d'énergie non sinusoïdales, ce qui en fait le choix préféré pour les applications à vitesse variable. Leurs performances améliorées en termes d’efficacité, de gestion thermique et de fiabilité d’isolation soulignent leur domination dans les systèmes d’entraînement industriels modernes.
