Principes fondamentaux du fonctionnement et de la construction des onduleurs – un guide complet pour les ingénieurs et les spécialistes de l’automatisation

Le convertisseur, également appelé convertisseur de fréquence ou onduleur, est l’un des composants les plus importants des systèmes d’entraînement dans l’automatisation industrielle. Il permet de réguler en continu la vitesse d’un moteur électrique, d’améliorer l’efficacité énergétique des machines et de protéger les systèmes mécaniques contre les surcharges. Dans cet article, nous examinerons en détail le fonctionnement d’un onduleur, sa conception et la manière dont le processus de contrôle de la tension et de la fréquence fonctionne dans la pratique. Ce texte a été rédigé à l’intention des ingénieurs, des techniciens de maintenance et des personnes chargées de réparer les onduleurs dans les installations industrielles.

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Comment fonctionne l’onduleur ?

Pour comprendre ce qu’est un onduleur et comment il fonctionne, il est important d’examiner son rôle dans le système d’entraînement global. Un convertisseur contrôle un moteur électrique, convertissant l’énergie électrique pour produire la vitesse, le couple et le sens de rotation souhaités. Il est alimenté en courant alternatif (CA), qu’il convertit ensuite en courant continu (CC), puis à nouveau en CA, mais avec une fréquence et une tension régulées.

Étapes de la conversion de l’énergie dans un onduleur

• Redresseur – premier étage de conversion. Il convertit la tension alternative du réseau (par exemple 400 V CA) en courant continu (CC). Les modèles les plus simples utilisent des diodes, tandis que les modèles plus avancés utilisent des thyristors pour contrôler la direction et la valeur du courant.
• Circuit intermédiaire – stockage de l’énergie. Il se compose de condensateurs électrolytiques qui lissent la tension et réduisent l’ondulation. Dans de nombreux modèles, des selfs sont également installées pour éliminer les interférences électromagnétiques et améliorer la qualité de l’énergie.
• Le convertisseur proprement dit (convertisseur de fréquence) – c’est là que la tension continue est reconvertie en tension alternative, mais à une fréquence qui correspond aux paramètres de fonctionnement définis pour le moteur. Ce processus s’effectue grâce au fonctionnement des transistors IGBT, qui s’ouvrent et se ferment à une fréquence de plusieurs dizaines de milliers de fois par seconde.

Grâce à la technologie PWM (Pulse Width Modulation), le convertisseur génère une tension avec des largeurs d’impulsion variables qui façonnent indirectement la forme d’onde sinusoïdale. Cela permet d’adapter très précisément la tension et la fréquence aux exigences du moteur, ce qui minimise les pertes et augmente la durée de vie du moteur.

Le rôle du système de contrôle dans l’onduleur

Le système de contrôle est au cœur de l’onduleur. Il est responsable du traitement des signaux d’entrée, de l’analyse des données de mesure et de la commande du module de puissance. Les systèmes de contrôle modernes utilisent des microcontrôleurs ou des processeurs DSP (Digital Signal Processor), qui analysent les paramètres de fonctionnement en temps réel et ajustent automatiquement la fréquence et la tension de sortie.

Selon le type d’algorithme utilisé, les onduleurs peuvent fonctionner en mode :

• U/f (V/f) – méthode de contrôle de base dans laquelle la tension est proportionnelle à la fréquence. Fonctionne bien pour les entraînements simples.
• Contrôle vectoriel – plus avancé, il permet de contrôler indépendamment le couple et la vitesse.
• DTC (Direct Torque Control) – utilisé dans les variateurs ABB, entre autres, permet une réponse instantanée aux changements de charge et une très grande précision du couple.

Onduleur contre onduleur – différences d’application

Dans le langage technique, les termes ” onduleur” et “convertisseur ” sont parfois utilisés de manière interchangeable. Dans la pratique, cependant, il existe une différence : l’onduleur fait principalement référence aux dispositifs qui contrôlent les moteurs dans l’automatisation industrielle, tandis que l’onduleur est le nom le plus couramment utilisé dans le contexte des convertisseurs utilisés dans les énergies renouvelables, par exemple dans les systèmes photovoltaïques (PV). Malgré les différences d’application, le principe de fonctionnement des deux dispositifs est très similaire : ils impliquent tous deux la conversion d’une tension continue en tension alternative avec des paramètres réglables.

Structure de l’onduleur – description détaillée des composants

La conception de l’onduleur repose sur plusieurs blocs fonctionnels logiquement interconnectés qui, ensemble, permettent la conversion de l’énergie et la commande du moteur. Vous trouverez ci-dessous une description détaillée des composants les plus importants.

1. Redresseur

Le redresseur est le premier composant du circuit électrique. Sa tâche principale consiste à convertir la tension secteur en tension continue. Les onduleurs de nouvelle génération utilisent souvent des redresseurs actifs qui permettent de récupérer l’énergie, c’est-à-dire de renvoyer l’énergie excédentaire au réseau. Cette solution augmente l’efficacité de l’ensemble du système et réduit la consommation d’énergie.

2. circuit intermédiaire

Le circuit intermédiaire est la section responsable de la stabilisation de la tension. Il se compose de condensateurs, d’inductances et de capteurs qui surveillent la tension, le courant et la température. Les condensateurs de cette section sont soumis à un processus de vieillissement naturel, c’est pourquoi il est recommandé de les inspecter régulièrement, en particulier dans les appareils fonctionnant à des températures élevées.

3. module de puissance – transistors IGBT

Le composant le plus dynamique de l’onduleur est le module de puissance, où fonctionnent les transistors IGBT. Leur fonction est de commuter rapidement le courant dans le circuit, créant ainsi une forme d’onde de tension à la fréquence souhaitée. IGBT transistors combine the advantages of MOSFETs and bipolar transistors – they are efficient, fast and resistant to overload. Cependant, leur défaillance est l’une des causes les plus courantes de défaillance des onduleurs, c’est pourquoi ils nécessitent un refroidissement efficace et une maintenance régulière.

4 Système de contrôle

Le système de contrôle est responsable de la gestion de l’ensemble du processus de conversion énergétique. Il envoie des signaux au module de puissance, analyse les données des capteurs et contrôle la sécurité de fonctionnement. Dans les onduleurs modernes, le système de contrôle est programmé via une interface de communication telle que Modbus, Profibus, EtherCAT ou CANopen. Cela permet d’intégrer les onduleurs dans des systèmes SCADA ou des automates programmables.

5. tableau de commande et communications

La plupart des variateurs sont équipés d’un panneau opérateur pour la configuration et le diagnostic. L’écran de l’IHM (interface homme-machine) permet de régler les paramètres, de lire les erreurs et de visualiser le fonctionnement du variateur. La communication à distance – via Ethernet ou Wi-Fi – est également de plus en plus courante dans les applications industrielles, ce qui permet la maintenance à distance des variateurs et la surveillance continue de leur état.

6 Systèmes de sécurité

Chaque onduleur dispose d’un ensemble de protections intégrées pour protéger l’unité et le moteur contre les dommages. Les fonctions typiques comprennent la surveillance de la température du dissipateur thermique, la détection des courts-circuits, la protection contre les surintensités, les surtensions et la protection contre les pertes de phase. En cas de défaillance, le système génère un code d’erreur qui peut être lu sur le panneau ou via l’interface de communication – la première étape du diagnostic et de la réparation de l’onduleur.

Quelles sont la tension et la fréquence générées par l’onduleur ?

L’onduleur génère une tension alternative qui dépend de la tension continue de la liaison CC – le plus souvent autour de 560 V CC pour une alimentation secteur de 400 V CA. La fréquence de sortie peut être réglée sur une large plage, de quelques hertz à 1 000 Hz dans des applications spéciales. Le variateur s’adapte ainsi à pratiquement tous les types de moteurs, des moteurs asynchrones standard aux servomoteurs modernes.

Conseils pratiques sur les onduleurs pour les techniciens de maintenance et les ingénieurs

• Lorsque vous travaillez avec un onduleur, attendez toujours quelques minutes après avoir coupé l’alimentation, car les condensateurs de la liaison CC peuvent maintenir la tension à un niveau élevé.
• Lors de la réparation des onduleurs, vérifiez l’état des soudures sur les modules de puissance : les microfissures sont une cause fréquente de défaillance.
• Nettoyez régulièrement le système de refroidissement – les dissipateurs de chaleur encrassés provoquent une surchauffe des IGBT et réduisent leur durée de vie.
• Vérifiez les capteurs de vitesse et de courant – leurs lectures erronées peuvent entraîner un mauvais fonctionnement du système de contrôle.
• Utilisez des analyseurs de réseau pour détecter les harmoniques – une alimentation externe incorrecte peut entraîner une défaillance du redresseur.

Marques d’onduleurs populaires et leurs applications

Il existe un certain nombre de fabricants d’onduleurs bien établis sur le marché de l’automatisation industrielle. En voici quelques-uns que RGB Electronics entretient et répare:

• Inverseur Danfoss – fiable dans les applications HVAC et les systèmes de pompage. Les modèles de la série VLT se caractérisent par un rendement élevé et une large plage de communication.
• Inverseur SEW Eurodrive – utilisé dans les lignes de convoyage, les convoyeurs et les systèmes de stockage. Il se caractérise par une construction robuste et une longue durée de vie.
• Onduleur ABB – connu pour ses algorithmes de contrôle avancés (DTC), souvent utilisé dans les systèmes de précision et d’efficacité énergétique.
• Onduleur KEB – largement utilisé dans les ascenseurs, les grues et l’automatisation des bâtiments, apprécié pour sa stabilité et sa conception compacte.

Les onduleurs sont devenus la pierre angulaire de l’automatisation industrielle moderne. Correctement sélectionnés et entretenus, ils garantissent un fonctionnement fiable et économe en énergie des machines et des équipements. La connaissance du fonctionnement et de la conception des variateurs est la clé d’un diagnostic, d’une maintenance et d’une réparation efficaces des systèmes d’entraînement dans toute installation industrielle.

Chez RGB Electronics, nous assurons l’entretien des variateurs de toutes les marques les plus populaires – des variateurs Danfoss et SEW Eurodrive à ABB, KEB et bien d’autres encore. Nous disposons d’installations techniques spécialisées, de bancs d’essai et d’une équipe d’ingénieurs qui diagnostiquent, remettent en état et restaurent chaque jour des centaines d’appareils d’automatisation industrielle.

Si vous recherchez une assistance technique ou si vous souhaitez faire réparer votre onduleur, contactez notre service après-vente – nous proposons des diagnostics gratuits et l’enlèvement du matériel dans tout le pays.

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