Il est important d'avoir des connaissances sur le fonctionnement du variateur de fréquence (VFD) ou variateur de vitesse, car ils sont largement utilisés dans les applications de moteurs à courant alternatif, comme les variateurs de vitesse pour la commande de moteurs, en raison de leurs caractéristiques très variées.
Par rapport aux moteurs conventionnels, le VFD offre une fonctionnalité et des capacités de fonctionnement supérieures. En plus du contrôle de vitesse réglable, les variateurs de fréquence offrent des protections comme les protections de phase, de sous-tension et de surtension. Le logiciel et les options d'interfaçage des VFD permettent à l'utilisateur de contrôler les moteurs aux niveaux souhaités.
Qu'est-ce qu'un variateur de fréquence (VFD)
La vitesse du moteur AC est contrôlée de deux façons - soit par le contrôle de la tension ou de la fréquence. Le contrôle de la fréquence donne un meilleur contrôle grâce à une densité de flux constante que le contrôle de la tension. C'est là que le fonctionnement des VFD entre en jeu. C'est un dispositif de conversion de puissance qui convertit la tension fixe, la fréquence fixe de la puissance d'entrée en tension variable, la sortie à fréquence variable pour contrôler les moteurs à induction AC. Il se compose de dispositifs électroniques de puissance (comme IGBT, MOSFET), d'une unité centrale de contrôle à haute vitesse (comme microprocesseur, DSP) et de dispositifs de détection optionnels selon l'application utilisée. La plupart des applications industrielles nécessitent des vitesses variables aux conditions de charge de pointe et des vitesses constantes aux conditions normales de fonctionnement. Le fonctionnement en boucle fermée des VFD permet de maintenir la vitesse du moteur à un niveau constant, même en cas de perturbations de l'entrée et de la charge.
Fonctionnement des VFD
Les deux principales caractéristiques du variateur de fréquence sont les vitesses réglables et les capacités de démarrage/arrêt en douceur. Ces deux caractéristiques font du VFD un contrôleur puissant pour contrôler les moteurs AC. Le VFD se compose principalement de quatre sections ; ce sont le redresseur, la liaison intermédiaire DC, le variateur et le circuit de contrôle.
Le redresseur :
C'est le premier étage du variateur de fréquence. Il convertit le courant alternatif alimenté par le réseau en courant continu. Cette section peut être unidirectionnelle ou bidirectionnelle selon l'application utilisée comme le fonctionnement à quatre quadrants du moteur. Il utilise des diodes, des SCR, des transistors et d'autres dispositifs de commutation électroniques.
S'il utilise des diodes, la puissance CC convertie est une sortie non contrôlée tandis que s'il utilise des SCR, la puissance de sortie CC est modifiée par la commande de la grille. Un minimum de six diodes est requis pour la conversion triphasée, de sorte que le redresseur est considéré comme un convertisseur à six impulsions.
Bus CC :
La puissance CC de la section de redressement est alimentée au lien CC. Cette section se compose de condensateurs et d'inductances pour lisser les ondulations et stocker le courant continu. La fonction principale du lien CC est de recevoir, stocker et fournir l'alimentation CC.
Onduleur :
Cette section comprend des interrupteurs électroniques comme des transistors, des thyristors, des IGBT, etc. Il reçoit l'alimentation CC du lien CC et la convertit en CA qui est livré au moteur. Il utilise des techniques de modulation comme la modulation de largeur d'impulsion pour faire varier la fréquence de sortie afin de contrôler la vitesse du moteur à induction.
Circuit de contrôle :
Il est constitué d'une unité à microprocesseur et remplit diverses fonctions comme le contrôle, la configuration des réglages du variateur, les conditions de défaut et l'interfaçage des protocoles de communication. Il reçoit un signal de retour du moteur comme référence de vitesse actuelle et régule en conséquence le rapport de la tension à la fréquence pour contrôler la vitesse du moteur.
Application de mise en œuvre du VFD
Le VFD peut également être mis en œuvre par le circuit du microcontrôleur qui est donné ci-dessous. Comme le VFD, il se compose également d'une section de redressement, de filtrage et d'une section d'onduleur. Ici, la section onduleur reçoit les impulsions d'allumage du microcontrôleur programmé pour donner une tension et une fréquence variables à la charge. Ce projet est en fait appelé convertisseur monophasé à triphasé utilisant SVPWM pour contrôler la tension et la fréquence AC aux bornes de la charge
Application de la VFD
L'application du VFD est le contrôle de la vitesse des moteurs à courant alternatif par des cyclo-convertisseurs.L'énergie du réseau est alimentée par le circuit redresseur qui convertit le CA fixe en CC fixe. Les convertisseurs à trois branches sont constitués de deux diodes connectées en parallèle pour chaque phase, de sorte qu'une des diodes est conductrice lorsque la phase particulière est comparativement plus positive ou négative.
Application du VFD
La tension continue pulsée générée par le redresseur est appliquée au circuit de liaison c.c. Ce circuit intermédiaire est composé d'une inductance et de condensateurs. Il filtre
le courant continu pulsé en réduisant le contenu de l'ondulation et donne à la puissance continue un niveau constant.
Pour fournir une tension et une fréquence variables au moteur, l'alimentation CC du circuit de liaison CC doit être convertie en CA variable par un onduleur. Le variateur se compose de IGBT comme dispositifs de commutation qui sont contrôlés par la technique PWM.
Comme pour le circuit de redressement, les commutateurs du variateur appartiennent également à deux groupes : positif et négatif. Le IGBT du côté positif est responsable de l'impulsion positive et le IGBT du côté négatif de l'impulsion négative à la sortie de l'onduleur. La sortie obtenue est donc un courant alternatif qui est appliqué au moteur.
La variation de la période de commutation permet de réguler simultanément la tension et la fréquence dans le variateur. Les VFD modernes utilisent les dernières techniques de contrôle comme les contrôles scalaires, vectoriels et de couple direct, pour contrôler les commutations de l'onduleur en obtenant la puissance variable.
Formes d'onde de sortie des VFD
Lorsque la fréquence diminue, la vitesse du moteur diminue également. Dans la figure ci-dessus, la puissance moyenne appliquée au moteur diminue en même temps que la tension et la fréquence, à condition que le rapport de ces deux paramètres soit constant.
Avantages du VFD
VFD connecté au moteur
Les variateurs de fréquence offrent non seulement des vitesses réglables pour des applications de régulation précises et exactes, mais aussi des avantages supplémentaires en termes de contrôle de processus et d'économie d'énergie. Certains de ces avantages sont présentés ci-dessous.
Economie d'énergie
Plus de 65 % de l'énergie est consommée par les moteurs électriques dans les industries. La technique de contrôle de l'amplitude et de la fréquence pour faire varier la vitesse consomme moins d'énergie lorsque le moteur nécessite une vitesse variable. Ainsi, une grande quantité d'énergie est conservée par ces VFD.
Contrôle en boucle fermée
Le VFD permet un positionnement précis de la vitesse du moteur en la comparant continuellement avec la vitesse de référence, même en cas de changement des conditions de charge et de perturbations d'entrée comme les fluctuations de tension.
- Limites du courant de démarrage
Le moteur à induction consomme un courant qui est de 6 à 8 fois le courant nominal au démarrage. Comparé aux démarreurs conventionnels, les VFD donnent de meilleurs résultats car ils délivrent une basse fréquence au moment du démarrage. En raison de la basse fréquence, le moteur tire moins de courant et ce courant ne dépasse jamais sa valeur nominale au démarrage comme en fonctionnement.
- Fonctionnement en douceur
Il offre des opérations de démarrage et d'arrêt en douceur et réduit également les contraintes thermiques et mécaniques sur les moteurs et les transmissions par courroie.
Facteur de puissance élevé
Le circuit de correction du facteur de puissance intégré dans la liaison CC du VFD réduit le besoin de dispositifs supplémentaires de correction du facteur de puissance.
Le facteur de puissance du moteur à induction est très faible pour les applications particulièrement à vide, alors qu'à pleine charge, il est de 0,88 à 0,9. Un faible facteur de puissance entraîne une mauvaise utilisation de la puissance en raison des pertes réactives élevées.
Installation facile
Les VFD préprogrammés et câblés en usine offrent un moyen facile pour la connexion et la maintenance.
Nous espérons que notre article vous a fourni des connaissances précises et étendues sur le fonctionnement des VFD. Merci d'avoir consacré votre temps précieux. Nous avons une tâche simple pour vous - Quels sont les différents types de VFD ? Veuillez donner vos réponses dans la section des commentaires ci-dessous. Si vous avez des questions sur ce sujet ou sur les projets électriques et électroniques, vous pouvez également nous faire part de vos commentaires et suggestions concernant cet article dans la section commentaire ci-dessous.
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Les 10 meilleures raisons d'installer un système de pompe de puits à énergie solaire !
Avez-vous déjà pensé à installer une pompe de puits solaire ? Avez-vous un endroit isolé ou rural où vous devez pomper de l'eau soit de la surface ou de centaines de pieds sous terre ? Ou cherchez-vous simplement à réduire votre facture d'électricité ?
Si oui, une pompe de puits solaire est la solution parfaite.
Les développements technologiques des pompes à courant continu et de l'énergie solaire ont rendu cela possible. Les pompes solaires sont sans balais et peuvent fonctionner efficacement sur une alimentation en courant continu. Les panneaux solaires produits sont plus efficaces et moins chers que jamais. Ces progrès ont permis une nouvelle génération de systèmes alimentés par l'énergie solaire. Beaucoup de ces systèmes n'existaient même pas il y a quelques années !
Vous trouverez ci-dessous les 10 principales raisons d'installer une pompe de puits solaire. Il y a des milliers de raisons d'installer une pompe de puits solaire. Si vous n'avez jamais pensé à installer un système d'énergie solaire auparavant, parcourez la liste et voyez si l'une des applications serait utile. Il est surprenant, lorsque des options de pompage d'eau à distance à faible coût sont disponibles, les idées et les utilisations viennent à l'esprit ! Ne tardez pas, installez un système dès aujourd'hui.
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Pompez de l'eau n'importe où sur la terre. Aucune alimentation externe requise
Le problème du pompage de l'eau dans les zones rurales est la nécessité d'alimenter le site en électricité. Pendant de nombreuses années, l'énergie éolienne et les moulins à vent ont été utilisés dans ces endroits isolés. L'entretien des éoliennes est coûteux et prend beaucoup de temps. Croyez-moi, j'ai remis en état un moulin à vent. C'est beaucoup de travail ! Il y a de meilleures options au 21e siècle.
La percée dans le pompage solaire de l'eau est qu'il n'y a pas besoin d'une source d'énergie externe. Le soleil et les panneaux solaires fournissent toute l'électricité nécessaire pour pomper l'eau à des centaines de pieds sous terre.
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Les pompes de puits solaires sont plus efficaces et plus puissantes que jamais
Diagramme d'efficacité des pompes solaires
Le graphique ci-dessus montre les gains d'efficacité obtenus en passant des moteurs à balais, aux moteurs sans balais puis aux moteurs sans balais avec contrôleur MPPT. Tous les systèmes DC de nrjsolaire sont livrés en standard avec des moteurs sans balais et des contrôleurs MPPT.
Les pompes solaires d'aujourd'hui n'ont aucun rapport avec les pompes de fontaines solaires d'autrefois. Ces systèmes sont des produits commerciaux de haute puissance, nécessitant peu d'entretien et efficaces. Ils sont fabriqués en acier inoxydable pour les aciers longs et sont équipés de moteurs à courant continu sans balais. Ce n'est pas la pompe de fontaine solaire de votre mère !
L'acier inoxydable est utilisé pour le boîtier de la pompe et le mécanisme de pompage, pour assurer une bonne hygiène et une longue vie, tout en étant immergé dans l'eau. L'acier inoxydable résiste à la corrosion lorsqu'il est suspendu dans l'eau pendant des années, bien mieux que les boîtiers de pompe en aluminium. Les boîtiers en acier inoxydable sont également hygiéniques et ne polluent pas les sources d'eau. De plus, les mécanismes de pompage en acier inoxydable minimiseront l'usure due au sable et autres particules, tout en soulevant l'eau des profondeurs souterraines.
Les moteurs à courant continu sans balais sont parmi les plus efficaces sur le marché. Un des principaux avantages est qu'il n'est pas nécessaire de les retirer du puits pour changer les balais, comme c'est le cas pour les autres moteurs à courant continu. Les moteurs CC sans balais avec contrôleurs MPPT (Maximum Power Point Tracking) sont encore plus efficaces que les moteurs à balais. Le graphique de droite montre les gains d'efficacité que ces systèmes peuvent apporter.
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Les systèmes sont peu coûteux et facilement disponibles
Image d'une pompe de puits fonctionnant à l'énergie solaire
Les systèmes d'énergie solaire du passé avaient des prix élevés, de l'ordre de dizaines de milliers de dollars. Les progrès technologiques ont rendu possible et facile l'accès à des systèmes à faible coût. Les cellules et les panneaux solaires sont l'un des principaux progrès qui rendent cela possible. La fabrication des cellules solaires a progressé au point où elle est devenue très abordable. Un système qui coûtait auparavant des dizaines de milliers de dollars est maintenant dans les bas-fonds. Une diminution de 10X !
Un système de pompe de puits solaire de base, mais complet, incluant les panneaux solaires, coûtera environ 1500000f. Ce système de base pompera l'eau à quelques centaines de pieds de profondeur, à un débit de quelques gallons par minute. Ce système de base remplacera la plupart des moulins à vent, correspondant à la fois à la profondeur et au débit. Ils garderont un grand étang rempli d'eau sans frais d'exploitation ou pomperont suffisamment d'eau pour quelques centaines de têtes de bétail.
Les systèmes plus performants coûtent environ trois à quatre mille dollars, car ils nécessitent une profondeur et un débit plus importants. Ces systèmes conviennent pour fournir de l'eau à des ménages entiers ou à des centaines de têtes de bétail. Ils peuvent remplacer votre pompe de puits domestique standard. La légère augmentation du coût de ces systèmes est due à leur rendement plus élevé, mais aussi aux besoins plus élevés en électricité et au nombre de panneaux solaires requis.
Les systèmes spécialisés peuvent coûter à peine quelques dizaines de milliers de dollars. Ce sont des systèmes à haut rendement, qui pompent plusieurs gallons d'eau par seconde, ce qui est suffisant pour une ferme complète ou même un village éloigné. Ils sont surdimensionnés pour la plupart des besoins du bétail et des ménages et conviennent mieux aux grandes exploitations agricoles et à l'irrigation des cultures.
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Pas de frais d'exploitation permanents
Après le coût initial du système, qui est souvent comparable aux autres options de puits, il n'y a pas de frais d'exploitation permanents. Les puits normaux brûlent de l'argent chaque fois qu'ils se mettent en marche pour pomper de l'eau. Ce n'est pas le cas des pompes de puits solaires, qui tirent leur énergie du soleil.
Chaque jour où le soleil brille, vous gagnez de l'argent gratuitement grâce au soleil. Quelle meilleure affaire existe-t-il ? Le soleil brille en bas et l'eau est pompée à partir du sous-sol, ce qui vous évite de payer des frais de service trop élevés.
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Beaucoup moins cher que l'installation de l'alimentation principale dans des endroits éloignés
L'excavation de l'alimentation principale vers un endroit éloigné est coûteuse en temps et en argent. C'est l'une des raisons pour lesquelles les éoliennes d'autrefois étaient si populaires, car elles ne nécessitaient pas d'électricité pour fonctionner. Les " moulins à vent d'aujourd'hui " sont des systèmes d'énergie solaire capables de pomper de l'eau sans avoir à se brancher sur le courant principal. Vous n'êtes plus limité à la longueur d'un câble électrique qui peut être enfoncé dans le sol ou à la force du vent.
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Des systèmes complets peuvent être expédiés directement à votre porte
Des kits complets de pompes solaires peuvent être expédiés directement à votre porte en quelques jours seulement. Il suffit de deux boîtes, une pour la pompe/contrôleur et une pour les panneaux solaires, pour les expédier directement à votre domicile ou à votre bureau. Tous les systèmes standards peuvent être expédiés par les méthodes d'expédition normales sans avoir besoin de transport. Cela permet d'expédier les systèmes à tous les endroits et à toutes les résidences.
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Les systèmes sont modulaires et peuvent être mis à niveau au fil du temps
Les composants qui composent les systèmes de pompes de puits à énergie solaire sont très modulaires. Ils peuvent être remplacés et améliorés selon les besoins. Si un rendement accru par temps couvert et faiblement éclairé est nécessaire, des panneaux solaires supplémentaires peuvent être ajoutés. Si plus d'eau est nécessaire par jour, des batteries et des panneaux supplémentaires peuvent être ajoutés, de sorte que l'eau peut être pompée pendant la nuit. Si un volume plus important est nécessaire, la pompe peut facilement être remplacée par un modèle plus puissant offrant un débit plus élevé.
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Les pompes de puits solaires sont faciles à entretenir
Il y a très peu de composants mécaniques. Les panneaux solaires sont très fiables et ne nécessitent aucun entretien, à part un lavage rapide tous les ans ou deux ans. Les moteurs Brushless n'ont pas de balais (d'où leur nom) et ne nécessitent donc aucun entretien. Les mécanismes de pompage sont très fiables et sont faciles à remplacer sur le terrain. Un système devrait être capable de pomper des dizaines de milliers de gallons sans aucun entretien.
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Peu coûteux à entretenir
Il y a deux éléments dans les systèmes de pompes de puits solaires qui peuvent avoir besoin d'un entretien occasionnel, et qui sont tous deux très peu coûteux. De temps en temps, tous les ans ou tous les deux ans, les panneaux solaires doivent être bien nettoyés avec de l'eau et du savon pour assurer un rendement maximal. Moins souvent, environ tous les 5 ans, il est bon de remplacer les mécanismes de pompage qui peuvent se dégrader avec le temps et réduire la performance de pompage. Ces mécanismes coûtent environ 20 dollars et peuvent être remplacés sur le terrain.
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Les systèmes peuvent être auto-installés en une seule fin de semaine
