Grâce à cela, on obtient, entre autres avantages, une amélioration de l'efficacité énergétique, une réduction de l'usure mécanique et une meilleure adaptation du processus de production aux variations de charge.
Outre l'optimisation de la consommation d'énergie, les convertisseurs de fréquence intègrent généralement de nombreuses fonctions de protection (contre les surintensités, les surtensions, les surcharges et les courts-circuits) et des capacités de diagnostic qui améliorent la fiabilité des équipements. C'est pourquoi ils sont omniprésents dans l'industrie moderne : des pompes et ventilateurs aux machines de process et lignes de production automatisées. Leur conception soignée et leur intégration sécurisée aux systèmes de contrôle sont essentielles pour garantir à la fois les performances et la sécurité d'exploitation.
Qu'est-ce qu'un variateur de fréquence (VFD) et comment fonctionne-t-il ?
Les variateurs de fréquence fonctionnent selon le principe que la vitesse synchrone d'un moteur à courant alternatif (CA) est déterminée par la fréquence du courant alternatif fourni et le nombre de pôles du stator. Un variateur de fréquence (figure 1) intègre plusieurs étages : redressement, filtrage et un étage d'onduleur qui génère du courant alternatif à fréquence variable. En résumé, le courant alternatif du réseau est converti en courant continu (CC) par un redresseur ; ce courant continu est ensuite conditionné par filtrage et condensateurs, et enfin, un onduleur génère un signal alternatif dont la fréquence et l'amplitude sont contrôlées. En ajustant la fréquence et la tension de sortie, on régule la vitesse et le couple du moteur à courant alternatif. Les variateurs de fréquence intègrent également des systèmes de commande numérique (microcontrôleurs, FPGA, etc.), des capteurs et des interfaces de communication (CAN, SPI, I²C, etc.) qui gèrent la logique de commande des interrupteurs de puissance de l'onduleur, des dispositifs de protection et la communication externe.
Figure 1 : Schéma général du circuit de puissance d'un convertisseur de fréquence.
Il convient de noter que, bien que dans le contexte d'un convertisseur de fréquence, on désigne par « onduleur » la partie qui convertit le courant continu en courant alternatif au sein de l'appareil, il existe des onduleurs conçus comme des unités autonomes, largement utilisés en dehors du domaine de la commande de moteurs. On peut citer comme exemples courants les onduleurs de réseau dans les installations photovoltaïques, les onduleurs des systèmes de stockage d'énergie par batteries et des systèmes d'alimentation sans coupure (ASI), les convertisseurs utilisés dans les micro-réseaux et la production décentralisée, ainsi que les onduleurs de puissance pour la traction électrique. Ces onduleurs partagent des principes de commutation et des problématiques d'isolation similaires à ceux de l'étage onduleur du convertisseur de fréquence.
Pourquoi l'isolation électrique est-elle nécessaire dans un convertisseur de fréquence ou un onduleur ?
Lors du fonctionnement d'un onduleur, les transistors de puissance (IGBT) effectuent des commutations à très haute fréquence, générant des harmoniques de haute fréquence, un couplage en mode commun et d'autres phénomènes d'interférence indésirables. Ces phénomènes entraînent divers problèmes, notamment des dysfonctionnements de l'électronique de commande, une distorsion du signal, des interruptions de communication et des imprécisions des instruments de mesure. De plus, les sections de puissance gèrent des tensions pouvant atteindre des centaines, voire des milliers de volts ; il est donc crucial d'empêcher cette haute tension d'atteindre le circuit de commande basse tension et de mettre en danger les composants et le personnel.
L'isolation galvanique entre les sections d'alimentation et de commande est essentielle : elle protège le personnel et les composants électroniques des tensions dangereuses, élimine les boucles de masse qui induisent du bruit en raison des différences de potentiel entre les masses et améliore l'immunité aux transitoires (CMTI), garantissant ainsi la fidélité des signaux de commande et d'échantillonnage.
Aujourd'hui, une isolation adéquate n'est plus un simple choix esthétique, mais une pratique de conception fondamentale pour obtenir des systèmes robustes, fiables et sûrs. Composant clé garantissant une transmission stable du signal sous isolation électrique, l'isolateur numérique est devenu un élément incontournable du marché.
Isolateur numérique : comment garantir le bon fonctionnement de l’onduleur ?
Face à l’évolution constante de l’industrie moderne vers une précision et une efficacité énergétique accrues, l’isolateur numérique est devenu un élément clé reliant la commande, bien que faible, à la puissance, au sein de l’onduleur.
Figure 2 : Schéma d'un circuit d'isolation électrique typique d'un onduleur.
Comme illustré sur la figure 2, dans le schéma d'isolation électrique proposé par HOPERF pour les onduleurs, les pilotes de grille isolés de la série CMT860xx et d'autres pilotes isolés HOPERF peuvent être utilisés entre le microcontrôleur maître du système et les transistors de puissance IGBT. Ces pilotes empêchent efficacement les hautes tensions d'atteindre la partie commande et d'endommager les composants sensibles. Ils amplifient également les signaux PWM (modulation de largeur d'impulsion) afin de fournir le courant de conduction nécessaire et de répondre aux exigences de commutation haute fréquence des semi-conducteurs à large bande passante. De plus, ils intègrent des mécanismes de protection contre les défauts pour garantir un fonctionnement efficace et fiable de l'onduleur.
Des circuits d'échantillonnage isolés, tels que les convertisseurs analogique-numérique (CAN) de la série CMT130x, peuvent être utilisés entre le microcontrôleur et le bus haute tension. Ceci empêche le risque que la haute tension du bus n'atteigne le circuit de commande et supprime efficacement le bruit, tout en échantillonnant simultanément les signaux analogiques (par exemple, la tension et le courant du bus), fournissant ainsi des données d'échantillonnage numériques de haute précision au microcontrôleur et améliorant considérablement la fiabilité du système.
Les isolateurs numériques standard des séries CMT812x et CMT804x peuvent également être placés entre le microcontrôleur maître et les bus série (RS-485, SPI, I²C, etc.), éliminant ainsi les boucles de masse et empêchant le couplage du bruit à la liaison de communication via la masse ou les lignes de signal, garantissant ainsi une communication de données stable. Une autre option de communication possible consiste à utiliser les émetteurs-récepteurs isolés de HOPERF : CMT810x, CMT8308x, CMT10xx, etc.
Avec l'automatisation industrielle et la transition vers une production plus efficace et durable, l'isolateur numérique s'impose comme un composant essentiel pour garantir le fonctionnement sûr, stable et économe en énergie des systèmes électroniques de puissance. Les tendances actuelles privilégient des solutions toujours plus intégrées, moins énergivores et plus performantes.
