Comment fonctionne un convertisseur de fréquence ?

Le premier étage du variateur de fréquence à fréquence variable est le convertisseur de fréquence. Le convertisseur se compose de six diodes, similaires aux clapets anti-retour utilisés dans les systèmes de plomberie. Ils permettent au courant de circuler dans un seul sens : le sens indiqué par la flèche dans le symbole de la diode. Par exemple, chaque fois que la tension de la phase A (tension similaire à la pression dans la plomberie) est plus positive que la tension de la phase B ou C, la diode s'ouvre et permet au courant de circuler. Lorsque la phase B devient plus positive que la phase A, la diode de la phase B s'ouvrira et la diode de la phase A se fermera. Il en va de même pour les 3 diodes du côté négatif du bus. Nous obtenons donc six impulsions de courant lorsque chaque diode s'allume et s'éteint. C'est ce qu'on appelle un VFD à six impulsions, et il est standard sur les convertisseurs de fréquence actuels.

Nous pouvons supprimer l'ondulation CA sur le bus CC en ajoutant un condensateur. Les condensateurs fonctionnent de la même manière que les réservoirs ou les accumulateurs dans les systèmes de tuyauterie. Ce condensateur absorbe l'ondulation CA et fournit une tension continue régulière. L'ondulation CA sur le bus CC est généralement inférieure à 3 volts. Par conséquent, la tension sur le bus DC devient d'environ 650VDC. La tension réelle dépend du niveau de tension alimenté dans la ligne CA par le variateur de fréquence, du niveau de déséquilibre de tension sur le système d'alimentation, de la charge du moteur, de l'impédance du système d'alimentation et de toute réactance ou filtre d'harmoniques sur le variateur de fréquence.

Un convertisseur à pont de diodes qui convertit le courant alternatif en courant continu est parfois simplement appelé un convertisseur. Un convertisseur qui reconvertit le courant continu en courant alternatif est également un convertisseur, mais pour le distinguer d'un convertisseur à diode, il est souvent appelé onduleur. Dans l'industrie, il est devenu courant de désigner tout convertisseur DC-AC comme un onduleur.

Lorsque nous fermons l'un des interrupteurs supérieurs de l'onduleur, la phase du moteur est connectée au bus CC positif et la tension sur cette phase devient positive. Lorsque nous fermons l'un des interrupteurs inférieurs du convertisseur, cette phase est connectée au bus CC négatif et devient négative. On peut donc rendre n'importe quelle phase du moteur positive ou négative à volonté, et ainsi produire n'importe quelle fréquence que l'on veut. Ainsi, nous pouvons rendre n'importe quelle étape positive, négative ou nulle.

La sortie du VFD est une forme d'onde rectangulaire. Les VFD ne produisent pas de sortie sinusoïdale. Cette forme d'onde rectangulaire n'est pas un bon choix pour un système général de distribution d'énergie, mais est parfaitement adéquate pour un moteur électrique.

Si nous voulions réduire la fréquence du moteur à 30 Hz, nous commuterions simplement les transistors de sortie de l'onduleur plus lentement. Cependant, si nous réduisons la fréquence à 30 Hz, nous devons également réduire la tension à 240 V pour maintenir le rapport V/Hz.

C'est ce qu'on appelle la modulation de largeur d'impulsion ou PWM. Imaginez que nous puissions contrôler la pression dans les conduites d'eau en ouvrant et fermant les vannes à grande vitesse. Bien que ce ne soit pas très pratique pour les systèmes de tuyauterie, cela fonctionne bien pour les VFD. Notez que dans le premier demi-cycle, la tension est ON la moitié du temps et OFF la moitié du temps. La tension moyenne est donc la moitié de 480V ou 240V. Avec la sortie d'impulsions, nous pouvons obtenir n'importe quelle tension moyenne à la sortie du VFD.