Choisir un onduleur pour votre application – un guide pour les ingénieurs et techniciens UR

Le choix d’un variateur pour un moteur dans une application industrielle ne peut se fonder uniquement sur la puissance nominale. Dans la pratique, de nombreux facteurs doivent être pris en compte : les caractéristiques de la charge, l’environnement de fonctionnement, la méthode de contrôle, la qualité de l’alimentation, la longueur du câble et les exigences du processus. Un mauvais choix de variateur peut entraîner une surchauffe du moteur, des arrêts fréquents dus à des surcharges, des interférences CEM et, dans les cas extrêmes, des dommages à l’isolation du bobinage ou à l’électronique du variateur.

Ce guide a été préparé à l’intention des ingénieurs de maintenance, des concepteurs et des techniciens qui souhaitent choisir en connaissance de cause un variateur pour l’alimentation du moteur, comprendre comment sélectionner un variateur pour une application spécifique et comment calculer la taille du variateur dont j’ai besoin pour que l’entraînement soit stable, sûr et efficace sur le plan énergétique.

Dans le cadre du service après-vente de RGB Electronics, nous sommes très souvent confrontés à des questions telles que : comment sélectionner la puissance d’un onduleur, comment dimensionner un onduleur pour un moteur, quel onduleur pour un moteur de 3 kW conviendrait pour une bande transporteuse, un ventilateur ou une pompe. Les conseils suivants sont basés sur la documentation des fabricants, les normes industrielles et l’expérience de milliers de réparations et de démarrages d’onduleurs dans diverses industries.

Dans de nombreux cas, un calculateur de sélection de variateur fourni par les fabricants ou les distributeurs de variateurs est utile. Cependant, il doit être considéré comme un outil d’aide et non comme un substitut à une analyse de la documentation du moteur, de la fiche technique du variateur et des conditions réelles de fonctionnement de l’installation.

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Données de la plaque signalétique du moteur – point de départ pour la sélection du variateur

Afin de sélectionner correctement l ‘onduleur pour la puissance du moteur, il est nécessaire de commencer par une lecture détaillée de la plaque signalétique. Les paramètres clés sont les suivants

  • la puissance nominale du moteur (kW ou HP),
  • la tension d’alimentation (généralement 230 V / 400 V / 690 V – en configuration étoile/triangle),
  • le courant nominal pour une configuration de bobinage donnée,
  • la fréquence nominale (généralement 50 Hz, parfois 50/60 Hz),
  • vitesse à la fréquence nominale,
  • la classe d’isolation (par exemple F ou H),
  • Degré de protection IP (par exemple IP55, IP65),
  • le mode de fonctionnement (généralement S1 – fonctionnement continu).

Sur cette base, la puissance minimale de l’onduleur est déterminée. Dans la pratique, il est conseillé de prévoir une certaine réserve de puissance en raison des conditions environnementales, d’une alimentation électrique non idéale et de la nature de la charge. Pour de nombreuses applications standard, une réserve d’environ 10 à 20 % est suffisante ; dans le cas d’un démarrage intensif ou d’une forte inertie, la réserve peut atteindre 20 à 30 % (ceci doit toujours être vérifié dans les fiches techniques et les directives du fabricant de l’onduleur concerné).

Par exemple, si vous vous demandez quel onduleur utiliser pour un moteur de 3 kW dans un convoyeur lourd, dans de nombreux cas pratiques, un onduleur plus proche de 3,7-4 kW est choisi, mais il est toujours nécessaire de comparer le courant nominal de l’onduleur avec le courant du moteur et de prendre en compte les conditions de fonctionnement.

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sélection de l'onduleur

Courant nominal – un paramètre souvent plus important que la puissance

Bien que la puissance du moteur soit une référence intuitive, dans la pratique technique, le courant nominal est tout aussi important. Différents fabricants peuvent déclarer une puissance similaire pour des valeurs de courant différentes, de sorte que le choix exact du variateur pour un moteur doit être basé sur une comparaison des courants.

  • comparer le courant nominal du moteur avec le courant de sortie du variateur pour une catégorie de fonctionnement donnée (par exemple S1, HD/ND – Heavy Duty/Normal Duty),
  • vérifiez le courant de surcharge (par exemple 150 % pendant un certain temps) autorisé par l’onduleur,
  • prendre en compte la charge réelle du processus – un onduleur fonctionnant en permanence à proximité de la limite de courant sera plus enclin aux pannes.

Une simple erreur, telle que la sélection d’un onduleur “sur contact” sur la base de la seule puissance en watts, sans analyser le courant, peut entraîner des arrêts fréquents dus à des surcharges, en particulier lors d’un démarrage sous charge.

Tension d’alimentation et configuration du bobinage

La plupart des installations industrielles européennes utilisent des onduleurs alimentés en 3×400 V CA, fonctionnant avec des moteurs adaptés au fonctionnement en étoile/triangle (par exemple 400/690 V). Pour les variateurs plus petits, il existe également des variateurs alimentés en 1×230 V, qui génèrent 3×230 V à la sortie pour les moteurs connectés de manière appropriée.

  • Avant de raccorder l’onduleur, vérifiez toujours les tensions d’enroulement autorisées sur la plaque du moteur,
  • la configuration de la connexion (étoile/triangle) doit être compatible avec la tension de sortie de l’onduleur,
  • dans le cas de moteurs rembobinés ou modifiés, il est essentiel de vérifier la documentation d’entretien.

Une tension de fonctionnement incorrecte peut entraîner une surchauffe, une baisse du couple et, dans les cas extrêmes, une détérioration de l’isolation.

Caractéristiques de charge – la clé d’un fonctionnement stable de l’entraînement

La nature de la charge mécanique détermine en grande partie la manière de sélectionner un variateur pour une application particulière. Le même moteur peut nécessiter un variateur différent et une configuration différente s’il entraîne une pompe, un convoyeur ou une machine à commande numérique.

sélection du câble pour l'onduleur

Charges telles que les pompes et les ventilateurs – couple au carré

Les applications telles que les pompes centrifuges et les ventilateurs se caractérisent par ce que l’on appelle un couple quadratique – la demande de couple augmente à mesure que la vitesse augmente. Dans ce cas, le variateur permet de réaliser des économies d’énergie très importantes grâce à la possibilité de réduire la vitesse lorsque la demande est plus faible.

  • La régulation scalaire (U/f) avec un contrôleur PID intégré est souvent utilisée,
  • Les fonctions importantes comprennent la protection contre le fonctionnement à sec, la cavitation ou le blocage du rotor (selon la fonctionnalité de l’onduleur),
  • le choix de l’onduleur doit tenir compte des rampes de démarrage et de freinage en douceur afin de limiter les coups de bélier dans le système.

Convoyeurs à bande et lignes de convoyage – couple constant

Les convoyeurs, les alimentateurs, les extrudeuses et les mélangeurs fonctionnent généralement avec une caractéristique de couple plus “plate” – le couple de charge est similaire sur toute la plage de vitesse. Dans ce cas, une plus grande réserve de couple de démarrage et un contrôle précis de la vitesse sont souvent nécessaires.

  • Dans la pratique, la commande vectorielle (sans capteur ou avec codeur, selon l’application) est recommandée,
  • Les résistances de freinage sont souvent utilisées pour permettre un arrêt contrôlé en cas d’inertie élevée,
  • il est important de définir correctement les rampes d’accélération et les limites de courant afin de ne pas provoquer d’arrêts inutiles.

Applications dynamiques – CNC, grues, ponts roulants

Les machines à commande numérique, les grues, les ponts roulants et les systèmes de positionnement nécessitent une dynamique élevée, un contrôle précis du couple et une réponse rapide de l’entraînement aux variations de la vitesse réglée.

  • des onduleurs à contrôle vectoriel avancé sont utilisés, souvent en coopération avec un encodeur,
  • un réglage très précis des paramètres du moteur est nécessaire (appelé autotuning),
  • l’interface avec les systèmes de sécurité (fonctions STO, SS1, SLS – selon le type d’onduleur) est importante.

Comment choisir la puissance de l’onduleur et comment dimensionner l’onduleur pour le moteur ?

Lors des calculs de conception, la question se pose souvent : comment calculer la taille du convertisseur dont j’ai besoin? L’hypothèse de base est que la puissance et le courant de l’onduleur doivent être au moins égaux à la puissance nominale du moteur, avec une marge de sécurité adéquate.

Par exemple, pour une application industrielle standard, on peut estimer que :

  • Puissance de l’onduleur ≈ 1,1 × la puissance du moteur à faible charge et dans des conditions favorables,
  • puissance du variateur ≈ 1,2-1,3 × puissance du moteur en cas de démarrage brutal ou de température ambiante élevée (reportez-vous toujours à la documentation du fabricant du variateur pour connaître les valeurs exactes).

En pratique, comment dimensionner un variateur pour un moteur signifie : comparez non seulement la puissance, mais surtout le courant nominal dans le mode de fonctionnement approprié (service intensif / service normal), puis vérifiez la surcharge admissible, la plage de température de fonctionnement et le type de charge. Ce sont ces paramètres qui devraient en fin de compte influencer le choix du bon onduleur.

Sélection de l’onduleur en fonction de l’environnement d’exploitation – température, poussière, humidité

L’environnement de fonctionnement a un impact considérable sur la durée de vie de l’électronique de puissance. La plupart des fabricants précisent dans la documentation la plage de température ambiante dans laquelle l’onduleur peut fonctionner sans déclassement (souvent jusqu’à 40°C, par exemple). Au-delà de cette plage, il est généralement nécessaire de réduire le courant de sortie autorisé ou d’utiliser un refroidissement supplémentaire – toujours en accord avec les directives du fabricant.

  • Température élevée – lors de l’installation dans l’armoire de commande, il faut tenir compte de l’échauffement des composants, d’une ventilation adéquate et d’un espacement minimal entre les onduleurs. Le dépassement de la température autorisée peut entraîner une réduction de la durée de vie des condensateurs et des composants de puissance.
  • Poussière et saleté – dans les environnements poussiéreux (bois, métal, ciment, plastiques), il est recommandé d’utiliser des onduleurs avec un indice IP plus élevé ou de les installer dans des armoires étanches avec filtration forcée de l’air. La poussière sur les dissipateurs thermiques et les canaux de refroidissement est très souvent l’une des principales causes de surchauffe.
  • Humidité et brouillard d’huile – en cas d’humidité élevée et de présence de brouillard d’huile, il est conseillé de choisir des onduleurs dotés d’une protection supplémentaire du circuit imprimé (revêtement conforme) et de suivre les recommandations du fabricant en matière d’installation et de protection contre la condensation.

Sélection des câbles pour les onduleurs – CEM, blindage, longueur des câbles

Le choix correct du câble pour le variateur est crucial pour réduire les interférences électromagnétiques, assurer le bon fonctionnement des protections et protéger l’isolation du moteur. Dans la pratique, on utilise des câbles de moteur spéciaux adaptés au variateur.

  • Il est recommandé d’utiliser des câbles blindés adaptés aux convertisseurs de fréquence,
  • Le blindage du câble doit être correctement mis à la terre (selon les recommandations du fabricant de l’onduleur) – souvent des deux côtés, en respectant les règles de compatibilité électromagnétique de l’installation,
  • Évitez de faire passer les câbles du moteur en parallèle avec les câbles de commande et de signal sur de longues distances et, si nécessaire, utilisez un espacement approprié ou des chemins de câbles séparés,
  • la longueur maximale admissible du câble du moteur doit toujours être vérifiée dans la documentation du modèle d’onduleur concerné ; les fabricants spécifient souvent des limites distinctes pour le fonctionnement avec et sans filtre.

Si la longueur du câble d’alimentation du moteur est importante, le fabricant peut recommander l’utilisation de composants supplémentaires tels que des filtres dV/dt ou des filtres sinusoïdaux. Il convient de prendre ces recommandations au sérieux, car elles ont un impact direct sur la durée de vie de l’isolation des enroulements et sur le niveau d’interférence dans le réseau.

Sélection d’un filtre pour un onduleur – quand et lequel utiliser ?

Le choix correct du filtre pour le variateur vise à protéger le moteur lui-même et les autres appareils de l’installation contre les interférences générées par les transistors de puissance à commutation rapide (IGBT). Dans les documents techniques des variateurs, les fabricants indiquent précisément pour quelle longueur de câble, quel type de moteur et quelles exigences CEM des filtres supplémentaires doivent être utilisés.

  • Filtres CEM – utilisés pour répondre aux exigences des normes de compatibilité électromagnétique (par exemple, EN 61800-3). Ils sont souvent intégrés à l’onduleur ou disponibles en tant que modules optionnels. Le choix doit se faire en fonction de la classe d’environnement (industriel, installations publiques, etc.).
  • Filtres dV/dt – ils contribuent à réduire la forte augmentation de tension aux bornes du moteur, ce qui est particulièrement important pour les câbles plus longs et les moteurs dont l’isolation est plus ancienne. De nombreux fabricants recommandent leur utilisation au-delà de certaines longueurs de câble (les valeurs seuils doivent toujours être vérifiées dans le manuel de l’onduleur en question, car elles varient selon les séries et les fabricants).
  • Filtres sinusoïdaux – filtrent la forme d’onde de sortie du variateur pour lui donner une forme quasi sinusoïdale. Ils sont recommandés, entre autres, pour les câbles de moteur très longs ou lors de l’alimentation de moteurs plus sensibles aux surtensions, selon les recommandations du fabricant du variateur et du moteur.

Lors du choix d’un filtre, il est toujours conseillé de suivre les directives spécifiques du fabricant de l’onduleur en question et de tenir compte des exigences de l’installation (par exemple, fonctionnement dans le réseau public, niveau d’interférence autorisé pour d’autres appareils, spécificités du moteur).

sélection de l'onduleur pour le moteur

Lutte scalaire ou lutte antivectorielle – que choisir dans la pratique ?

L’un des éléments qui déterminent souvent le choix du variateur est le mode de contrôle. Il détermine la façon dont le variateur “voit” le moteur et comment il contrôle le couple et la vitesse.

  • Contrôle scalaire (U/f) – la relation tension/fréquence est maintenue selon une caractéristique prédéfinie. Une solution simple, stable et suffisante pour de nombreuses applications de ventilateurs et de pompes. Elle fonctionne bien lorsque des couples élevés à des vitesses très faibles ou un positionnement précis ne sont pas nécessaires.
  • Contrôle vectoriel sans capteur – le variateur utilise un modèle mathématique du moteur pour contrôler le couple et la vitesse avec plus de précision. Il offre une très bonne dynamique et la possibilité de fonctionner à des vitesses plus faibles avec un couple plus élevé, ce qui est bénéfique, par exemple, pour les convoyeurs, les mélangeurs ou certaines machines de traitement.
  • Commande vectorielle avec encodeur – utilisée lorsqu’une grande précision de positionnement, une accélération et une décélération rapides et une répétabilité du mouvement sont nécessaires (par exemple, machines CNC, grues, ascenseurs, systèmes de transport avancés). Nécessite l’adaptation du variateur, du moteur et du codeur, ainsi qu’un réglage automatique.

Le choix du bon onduleur doit tenir compte non seulement de la puissance et du courant, mais aussi précisément du type de contrôle et de la possibilité de travailler avec un codeur ou des capteurs de position, si l’application l’exige.

Un exemple pratique : quel onduleur pour un moteur de 3 kW ?

Considérons un moteur de 3 kW, 400 V, 50 Hz, fonctionnant sur un convoyeur à bande avec des démarrages fréquents sous charge. À quoi ressemble en pratique la sélection d’un onduleur pour le moteur dans un tel cas ?

  • lisez le courant nominal du moteur (par exemple 6,5-7 A – valeur exacte sur la plaque),
  • nous vérifions dans quelle plage de courant les onduleurs d’une série donnée fonctionnent en mode Heavy Duty,
  • sélectionnez un onduleur avec un courant de sortie de réserve approprié (par exemple, 8-9 A en mode HD – selon la fiche technique),
  • nous vérifions la plage de température de fonctionnement, la possibilité de surcharge et les modes de contrôle vectoriel disponibles,
  • dans le cas d’un câble moteur plus long, vérifiez dans la documentation si le fabricant recommande un filtre dV/dt ou sinusoïdal.

Sur cette base, un modèle spécifique d’onduleur de 3,7 à 4 kW avec fonction de contrôle vectoriel peut être sélectionné, en tenant compte des exigences du fabricant et des spécificités du processus.

Sélection d’un onduleur – une liste de contrôle pratique pour l’ingénieur

La sélection correcte d’un onduleur est un processus qui nécessite une combinaison des données du catalogue, de la connaissance de l’application et de l’expérience du service. La liste suivante peut servir d’outil pratique à l’ingénieur ou au concepteur de l’UR :

  • lisez les données exactes figurant sur la plaque signalétique du moteur (puissance, courant, tension, fréquence, IP, classe d’isolation),
  • préciser le type de charge (pompe, ventilateur, convoyeur, machine à commande numérique, mélangeur, grue, etc,)
  • vérifier si un contrôle scalaire ou vectoriel est requis et si un codeur est nécessaire,
  • sélectionnez la puissance et le courant de l’onduleur avec une marge appropriée – conformément à la documentation du fabricant, pour le mode de fonctionnement correct (par exemple, Heavy Duty),
  • tenez compte des conditions environnementales (température, poussière, humidité, présence de brouillard d’huile),
  • prévoyez le bon choix de câble pour l’onduleur (câbles de moteur blindés, mise à la terre correcte, acheminement des câbles),
  • En fonction de la longueur du câble et des exigences CEM, planifiez le choix du filtre pour l’onduleur (CEM, dV/dt, éventuellement filtre sinusoïdal – selon les directives du fabricant),
  • configurer les paramètres de l’onduleur (autotuning, rampes, limites de courant, fonctions de protection) en fonction des exigences de l’application,
  • tester le système dans des conditions proches du fonctionnement réel (charge, température, cycles de démarrage/arrêt),
  • documenter les paramètres et le comportement de l’entraînement – cela facilitera les diagnostics et les interventions ultérieures.

Si votre établissement a besoin d’une sélection complète de variateurs pour l’alimentation des moteurs, d’une analyse d’une installation existante, d’une mise à niveau des variateurs ou d’un diagnostic du système, l’équipe de spécialistes de RGB Electronics peut prendre en charge le processus – de la sélection et des tests à la configuration, en passant par l’entretien et la réparation des variateurs de nombreux fabricants.

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