Chapitre 10 · Sujet 3 sur 5
Les variateurs de fréquence
Principe du variateur de fréquence, intérêt énergétique sur les pompes et ventilateurs, et règles d'installation (CEM, harmoniques, différentiels).
Niveau 1
L'essentiel
- Un variateur de fréquence alimente le moteur avec une tension et une fréquence variables : la vitesse du moteur suit la fréquence.
- Il permet un démarrage et un arrêt progressifs, et une vitesse adaptée au besoin réel.
- Sur une pompe ou un ventilateur, réduire un peu la vitesse réduit fortement la consommation.
- Le câble entre le variateur et le moteur doit être blindé, avec un blindage raccordé correctement à la masse aux deux extrémités.
- Les variateurs produisent des courants de fuite et des perturbations : le choix du différentiel et le câblage demandent de l'attention.
Comprendre
Comment ça marche
Le variateur contient trois étages :
- un redresseur qui transforme l'alternatif du réseau en continu ;
- un bus continu avec des condensateurs qui stockent l'énergie ;
- un onduleur à transistors qui recrée une tension alternative de fréquence et de tension réglables, par impulsions très rapides (modulation de largeur d'impulsion).
La vitesse du moteur dépend de la fréquence : à 25 Hz, un moteur 4 pôles tourne environ deux fois moins vite qu'à 50 Hz.
Pourquoi c'est économique
Un ventilateur qui tourne toujours à pleine vitesse, avec un registre à moitié fermé pour réduire le débit, gaspille de l'énergie. Avec un variateur, on réduit la vitesse : le débit baisse et la puissance baisse beaucoup plus vite. C'est l'application la plus rentable des variateurs dans les bâtiments (ventilation, pompes de chauffage, tours de refroidissement).
Les précautions de câblage
- Câble moteur blindé, aussi court que possible, séparé des câbles de commande et de données.
- Blindage raccordé sur 360° aux presse-étoupes ou colliers de masse, pas par une simple « queue de cochon ».
- Pas de contacteur entre variateur et moteur qui s'ouvrirait en marche, sauf si le fabricant le prévoit.
- Ne pas installer de condensateurs de compensation sur la sortie du variateur.
Le différentiel
Le variateur contient des filtres qui laissent passer un courant de fuite vers la terre, et un défaut côté moteur peut produire un courant de fuite continu ou à haute fréquence. Un différentiel ordinaire peut déclencher sans raison ou, plus grave, ne pas fonctionner correctement. Le RGIE impose de prendre des précautions pour que ce courant continu n'empêche pas le différentiel de protéger les personnes. Le type de différentiel se choisit donc selon la notice du variateur (voir Les protections différentielles).
Sur le terrain
Dans une école à Liège, la pompe de chauffage de 5,5 kW tournait à pleine vitesse jour et nuit, avec une vanne de réglage partiellement fermée. L'installateur pose un variateur commandé par la pression différentielle du réseau de chauffage. La nuit et en mi-saison, la pompe tourne à 60 ou 70 % de sa vitesse. Le relevé du sous-compteur montre une baisse nette de la consommation de la pompe dès le premier mois.
Erreurs fréquentes
- Utiliser un câble non blindé ou raccorder le blindage d'un seul côté par un fil long.
- Faire passer le câble moteur dans le même chemin de câbles que les câbles de données sans séparation.
- Installer un différentiel inadapté en amont du variateur.
- Placer un contacteur en sortie du variateur et l'ouvrir pendant que le moteur tourne.
- Faire tourner longtemps un moteur autoventilé à très basse vitesse sous fort couple : il chauffe car son ventilateur tourne moins vite.
Niveau supérieur
L'essentiel
- En commande scalaire, le variateur maintient U/f à peu près constant pour garder le flux magnétique, donc le couple disponible.
- Lois de similitude pour pompes et ventilateurs : débit ∝ n, pression ∝ n², puissance ∝ n³.
- Le redresseur à diodes absorbe un courant riche en harmoniques (rangs 5, 7, 11, 13 pour un pont triphasé) ; on les réduit par self de ligne ou de bus, filtre ou redresseur actif.
- Les fronts de tension rapides en sortie sollicitent l'isolation du moteur et génèrent des courants de mode commun ; longueur de câble, filtres dv/dt ou sinus et choix du moteur en tiennent compte.
Approfondir
Loi U/f
Pour un moteur 400 V, 50 Hz : U/f = 400 / 50 = 8 V/Hz. À 30 Hz, le variateur applique environ 8 × 30 = 240 V. Au-delà de 50 Hz, la tension ne peut plus augmenter : on entre dans la zone de défluxage, où le couple disponible diminue. À très basse fréquence, une compensation de la chute ohmique du stator (« boost ») est nécessaire. La commande vectorielle améliore la précision de couple et de vitesse.
Lois de similitude
Pour une pompe centrifuge ou un ventilateur, sur un réseau sans pression statique dominante :
Q2 / Q1 = n2 / n1 ; H2 / H1 = (n2 / n1)² ; P2 / P1 = (n2 / n1)³
Ces lois sont théoriques : la présence d'une hauteur statique (pompe de relevage), le rendement du variateur et du moteur à charge partielle réduisent l'économie réelle. Elles donnent toutefois le bon ordre de grandeur. La mesure de l'économie se fait par sous-comptage (voir GTB et suivi énergétique).
Harmoniques et facteur de puissance
Le variateur présente un cos φ du fondamental proche de 1 côté réseau, mais un facteur de puissance global plus faible à cause des harmoniques. Les harmoniques chauffent les câbles et les transformateurs et peuvent faire résonner une batterie de condensateurs de compensation (voir Énergie réactive et compensation du cos φ) : on utilise alors des batteries à selfs anti-harmoniques.
Courants de fuite et différentiels
Les filtres CEM d'entrée relient les phases à la terre par des condensateurs : un courant de fuite permanent circule. En cas de défaut d'isolement côté moteur ou bus continu, le courant de défaut peut contenir une composante continue lisse, que certains types de différentiels ne détectent pas. Le RGIE ne nomme pas de type, mais impose l'une des mesures suivantes quand du matériel peut produire des composantes continues en aval d'un différentiel : matériel qui n'en produit pas, matériel de classe II, alimentation par transformateur de séparation, différentiel dont le fonctionnement reste garanti avec une composante continue, ou différentiel coordonné avec un dispositif de détection de courant continu qui met le matériel hors service (RGIE, Livre 1, 5.3.5.3 f). Pour un variateur triphasé, cela conduit en pratique au type B préconisé par la plupart des fabricants. Le RGIE demande aussi de choisir les différentiels et de répartir les charges pour que les courants de fuite normaux ne provoquent pas de coupure intempestive (RGIE, Livre 1, 5.3.5.3 d).
Moteur et câble
- À basse vitesse, l'autoventilation diminue : pour un couple constant à basse vitesse, on prévoit un moteur surdimensionné ou une ventilation forcée.
- Les courants de palier induits par la tension de mode commun peuvent endommager les roulements des moteurs de forte puissance (roulements isolés, filtres).
- Avec un câble long, des surtensions apparaissent aux bornes du moteur par réflexion : filtre dv/dt ou sinus selon les préconisations.
Exemple chiffré
Ventilateur de groupe de traitement d'air : 7,5 kW absorbés à pleine vitesse, 4000 h/an. On réduit la vitesse à 80 % pendant toute la durée de fonctionnement.
- Puissance théorique à 80 % : P = 7,5 × 0,8³ = 7,5 × 0,512 = 3,84 kW.
- Énergie à pleine vitesse : 7,5 × 4000 = 30 000 kWh.
- Énergie à 80 % : 3,84 × 4000 = 15 360 kWh.
- Économie théorique : 30 000 − 15 360 = 14 640 kWh, soit 48,8 %.
Le débit n'a baissé que de 20 %. En réalité, les pertes du variateur (quelques pour cent) et le rendement moindre du moteur réduisent un peu ce gain.
Vitesse : moteur 4 pôles alimenté à 40 Hz → ns = 60 × 40 / 2 = 1200 tr/min, soit 80 % de 1500 tr/min. Tension appliquée en U/f constant : 8 × 40 = 320 V.
Erreurs fréquentes
- Appliquer la loi en n³ à une pompe de relevage dominée par la hauteur statique.
- Oublier que le facteur de puissance global d'un variateur n'est pas égal au cos φ du fondamental.
- Ajouter une batterie de condensateurs classique dans un réseau très chargé en variateurs, sans étude harmonique.
- Choisir le différentiel sans consulter la notice du variateur, alors que le RGIE exige une mesure contre les composantes continues.
- Faire fonctionner un moteur au-delà de 50 Hz en s'attendant au même couple.