Les moteurs sont largement utilisés. Avant qu’il n’y ait pas de convertisseur de fréquence, nous utilisions le plus de moteurs à fréquence industrielle.

I. Les moteurs asynchrones ordinaires sont conçus selon une fréquence constante et une tension constante, et il est impossible de répondre pleinement aux exigences de conversion de fréquence et de régulation de vitesse. Voici l'influence du variateur de fréquence sur le moteur :

1. Rendement et échauffement du moteur. Quel que soit le type de convertisseur de fréquence, différents niveaux de tension et de courant harmoniques sont générés pendant le fonctionnement, ce qui entraîne un fonctionnement du moteur sous tension et courant non sinusoïdaux. Prenons l'exemple d'un onduleur PWM sinusoïdal couramment utilisé : ses harmoniques de bas rang sont pratiquement nulles, tandis que les harmoniques de rang supérieur restantes, environ deux fois plus élevées que la fréquence porteuse, sont de 2u + 1 (u étant le taux de modulation). Ces harmoniques supérieures entraînent une augmentation des pertes par effet Joule dans le stator, dans le rotor (et dans l'aluminium), ainsi que des pertes fer et des pertes additionnelles. Les pertes par effet Joule dans le rotor sont les plus importantes. Le moteur asynchrone tournant à une vitesse synchrone proche de sa fréquence fondamentale, les harmoniques de rang supérieur provoquent un glissement important des barres du rotor, ce qui engendre des pertes rotoriques élevées. De plus, les pertes par effet Joule dues à l'effet de peau doivent être prises en compte. Ces pertes entraînent une surchauffe du moteur, réduisant son rendement et sa puissance de sortie. Si un moteur asynchrone triphasé ordinaire fonctionne dans des conditions de puissance de sortie non sinusoïdale par le convertisseur de fréquence, son élévation de température augmentera généralement de 10 à 20 %.

2. La rigidité diélectrique du moteur. Actuellement, de nombreux onduleurs de petite et moyenne taille utilisent la commande PWM. Leur fréquence porteuse, de l'ordre de plusieurs milliers à plus de dix kilohertz, soumet l'enroulement statorique du moteur à une forte montée en tension, équivalente à l'application d'une impulsion de tension abrupte. L'isolation entre spires du moteur est ainsi soumise à des contraintes plus importantes. De plus, la tension d'impulsion rectangulaire générée par l'onduleur PWM se superpose à la tension de fonctionnement du moteur, ce qui menace l'isolation de masse. Cette dernière subit alors un vieillissement accéléré sous l'effet de surtensions répétées.

3. Bruit et vibrations électromagnétiques harmoniques. Lorsque des moteurs asynchrones ordinaires sont alimentés par des variateurs de fréquence, les vibrations et le bruit induits par des facteurs électromagnétiques, mécaniques, de ventilation et autres se complexifient. Les différentes harmoniques temporelles présentes dans l'alimentation à fréquence variable interfèrent avec les harmoniques spatiales inhérentes à la partie électromagnétique du moteur, générant ainsi diverses forces d'excitation électromagnétiques. Lorsque la fréquence de l'onde de force électromagnétique est identique ou proche de la fréquence de vibration naturelle du corps du moteur, un phénomène de résonance se produit, augmentant ainsi le bruit. Compte tenu de la large plage de fréquences de fonctionnement du moteur et de l'importante variation de vitesse, il est difficile pour la fréquence des différentes ondes de force électromagnétiques d'éviter la fréquence de vibration naturelle de chaque composant du moteur.

4. Adaptabilité du moteur aux démarrages et freinages fréquents. Alimenté par un variateur de fréquence, le moteur peut démarrer à très basse fréquence et tension sans courant d'appel et être freiné rapidement grâce aux différents modes de freinage du variateur. Ces conditions, propices aux démarrages et freinages fréquents, soumettent les systèmes mécanique et électromagnétique du moteur à des forces alternatives cycliques, engendrant fatigue et vieillissement accéléré de la structure mécanique et de l'isolation.

5. Problème de refroidissement à basse vitesse. Tout d'abord, l'impédance du moteur asynchrone n'est pas idéale. À basse fréquence, les pertes dues aux harmoniques d'ordre élevé de l'alimentation sont relativement importantes. Ensuite, lorsque la vitesse des moteurs asynchrones classiques diminue, le volume d'air de refroidissement diminue proportionnellement au cube de la vitesse, ce qui dégrade le refroidissement du moteur à basse vitesse, provoque une forte élévation de température et rend difficile l'obtention d'un couple constant.

II. Tles caractéristiques du moteur de conversion de fréquence

1. Conception électromagnétique. Pour les moteurs asynchrones classiques, les principaux paramètres de performance pris en compte lors de la refonte sont la capacité de surcharge, les performances au démarrage, le rendement et le facteur de puissance. Concernant le moteur à conversion de fréquence, le glissement critique étant inversement proportionnel à la fréquence d'alimentation, le démarrage est possible dès que le glissement critique est proche de 1. Par conséquent, la capacité de surcharge et les performances au démarrage sont moins critiques. L'enjeu principal réside dans l'amélioration de la réponse du moteur aux variations de l'alimentation électrique, notamment son adaptabilité aux alimentations non sinusoïdales. La méthode employée est généralement la suivante :

1) Réduisez autant que possible la résistance du stator et du rotor. La réduction de la résistance du stator permet de diminuer les pertes par effet Joule fondamentales et de compenser ainsi l'augmentation des pertes par effet Joule due aux harmoniques d'ordre élevé.

2) Afin de supprimer les harmoniques d'ordre supérieur du courant, il est nécessaire d'augmenter l'inductance du moteur de manière appropriée. Cependant, la réactance de fuite de l'encoche du rotor est importante, l'effet de peau l'est également, et les pertes par effet Joule dues aux harmoniques d'ordre élevé augmentent. Par conséquent, le dimensionnement de la réactance de fuite du moteur doit tenir compte de l'adaptation d'impédance sur toute la plage de vitesses.

3) Le circuit magnétique principal du moteur à fréquence variable est généralement conçu pour fonctionner sans saturation. Il faut tenir compte du fait que les harmoniques d'ordre élevé accentuent la saturation du circuit magnétique. Il faut également considérer qu'à basses fréquences, la tension de sortie du convertisseur de fréquence doit être augmentée afin d'accroître le couple de sortie.

2. Conception structurelle. Lors de la conception de la structure, l'influence des caractéristiques non sinusoïdales de la puissance sur l'isolation, les vibrations et le refroidissement du moteur à fréquence variable est principalement prise en compte. De manière générale, les points suivants doivent être considérés :

1) Qualité d'isolation , généralement de classe F ou supérieure, pour renforcer l'isolation de la terre et la résistance de l'isolation des spires, en particulier la capacité de l'isolation à résister à la tension d'impact.

2) En ce qui concerne les vibrations et le bruit du moteur , il est nécessaire de prendre pleinement en compte la rigidité des composants du moteur et de l'ensemble, et d'essayer d'augmenter sa fréquence naturelle pour éviter la résonance avec chaque onde de force.

3) Méthode de refroidissement : Généralement, la ventilation forcée est utilisée pour le refroidissement, c'est-à-dire que le ventilateur de refroidissement du moteur principal est entraîné par un moteur indépendant.

4) Afin de prévenir les courants d'arbre , des mesures d'isolation des roulements doivent être mises en œuvre pour les moteurs d'une puissance supérieure à 160 kW. En effet, une asymétrie du circuit magnétique et un courant axial peuvent facilement se produire. Lorsque les courants générés par d'autres composants haute fréquence interagissent, le courant axial augmente considérablement, ce qui peut endommager les roulements. C'est pourquoi des mesures d'isolation sont généralement appliquées.

5) Pour les moteurs à fréquence variable à puissance constante, lorsque la vitesse dépasse 3 000 tr/min, il convient d'utiliser une graisse spéciale haute température afin de compenser l'échauffement des roulements. Un moteur à fréquence variable peut fonctionner en continu dans la plage de 0.1 Hz à 130 Hz. Un moteur classique peut fonctionner dans la plage de 20 à 65 Hz pour un moteur à 2 pôles et de 25 à 75 Hz pour un moteur à 4 pôles. Un moteur à 6 pôles est conçu pour un fonctionnement continu dans la plage de 30 à 85 Hz, et un moteur à 8 pôles pour un fonctionnement continu dans la plage de 35 à 100 Hz.

Sélection du moteur : 

Tout d'abord, la puissance du moteur doit être sélectionnée en fonction de la puissance moyenne et de la puissance maximale requise par la charge lorsqu'elle est en mouvement, convertie côté arbre moteur (il peut y avoir un réducteur, une poulie et d'autres dispositifs de réduction) , et la capacité de surcharge du moteur doit également être prise en compte. Le fabricant du moteur peut fournir la courbe caractéristique de couple du moteur, et les caractéristiques du moteur changeront à différentes températures. À propos : l'ordre de sélection consiste bien entendu à sélectionner d'abord le moteur, puis à sélectionner le variateur de fréquence en fonction du moteur, car le but ultime du contrôle n'est pas le variateur de fréquence ou le moteur, mais la charge mécanique.