La principale différence entre un moteur alimenté par un convertisseur de fréquence et un moteur alimenté par un courant sinusoïdal à fréquence industrielle réside dans la large plage de fréquences de fonctionnement du premier, des basses aux hautes fréquences, et dans la forme d'onde non sinusoïdale du courant. L'analyse de Fourier de la tension d'alimentation révèle que le courant d'alimentation contient plus de 2N harmoniques, en plus de la composante fondamentale (onde de commande) (chaque moitié de l'onde de commande étant composée de N ondes de modulation). Lorsque le convertisseur SPWM alimente le moteur, le courant qui le traverse apparaît comme une sinusoïde avec des harmoniques superposées. Ce courant harmonique génère une composante de flux magnétique pulsée dans le circuit magnétique du moteur asynchrone, qui se superpose au flux magnétique principal. Cette composante pulsée tend à saturer le circuit magnétique, ce qui a les conséquences suivantes sur le fonctionnement du moteur :
1. Un flux magnétique pulsé est généré
Les pertes augmentent et le rendement diminue. En effet, le courant de sortie d'une alimentation à fréquence variable contient un grand nombre d'harmoniques d'ordre élevé, ce qui entraîne une consommation accrue de cuivre et de fer et, par conséquent, une réduction du rendement. Même la technologie de modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM), largement utilisée actuellement, ne fait qu'atténuer les harmoniques de bas ordre et réduire le couple pulsatoire du moteur, étendant ainsi sa plage de fonctionnement stable à basse vitesse. Les harmoniques d'ordre élevé, quant à elles, non seulement ne diminuent pas, mais augmentent. En général, comparée à une alimentation sinusoïdale à fréquence industrielle, l'efficacité est réduite de 1 % à 3 % et le facteur de puissance de 4 % à 10 %. Les pertes harmoniques du moteur alimenté par une alimentation à fréquence variable constituent donc un problème majeur.
b) Génération de vibrations et de bruit électromagnétiques. La présence d'harmoniques d'ordre élevé génère également des vibrations et du bruit électromagnétiques. La réduction de ces vibrations et de ce bruit constitue déjà un problème pour les moteurs alimentés par un courant sinusoïdal. Pour un moteur alimenté par un onduleur, le problème se complexifie en raison de la nature non sinusoïdale de l'alimentation.
c) Un couple pulsatoire basse fréquence apparaît à basse vitesse. La synthèse de la force magnétomotrice harmonique et du courant harmonique du rotor engendre un couple électromagnétique harmonique continu et un couple électromagnétique harmonique alternatif. Ce dernier provoque des pulsations du moteur, affectant ainsi sa stabilité à basse vitesse. Même en utilisant la modulation SPWM, un certain niveau d'harmoniques de bas rang subsiste par rapport à une alimentation sinusoïdale à fréquence industrielle, générant un couple pulsatoire à basse vitesse et perturbant le fonctionnement du moteur.
2. Générer une tension impulsionnelle et une tension (courant) axiale à l'isolation
a) Une surtension se produit. Lorsque le moteur fonctionne, la tension appliquée se superpose souvent à la surtension générée lors de la commutation des composants du convertisseur de fréquence, et cette surtension est parfois élevée, provoquant des chocs électriques répétés sur la bobine et endommageant l'isolation.
b) Génération de tension et de courant axiaux. La génération de tension sur l'arbre est principalement due au déséquilibre du circuit magnétique et au phénomène d'induction électrostatique. Ce phénomène est négligeable dans les moteurs classiques, mais plus marqué dans les moteurs alimentés par une source de courant à fréquence variable. Une tension sur l'arbre trop élevée détériore le film d'huile entre l'arbre et le palier, réduisant ainsi la durée de vie de ce dernier.
c) La dissipation thermique est affectée lors du fonctionnement à basse vitesse. En raison de la large plage de variation de vitesse des moteurs à fréquence variable, ces derniers fonctionnent souvent à basse vitesse et à basse fréquence. Dans ce cas, la vitesse étant très faible, le refroidissement assuré par le système de ventilation intégré utilisé par les moteurs classiques est insuffisant, ce qui réduit l'efficacité de la dissipation thermique et nécessite l'utilisation d'un système de refroidissement par ventilateur externe.
Les forces mécaniques sont sujettes à la résonance ; en général, tout dispositif mécanique produit un phénomène de résonance. Cependant, un moteur fonctionnant à fréquence et vitesse constantes doit éviter la résonance avec sa fréquence propre mécanique, qui est de 50 Hz. Lorsqu'un moteur est alimenté par un convertisseur de fréquence, sa plage de fréquences de fonctionnement est large et chaque composant possède sa propre fréquence propre, ce qui peut facilement entraîner une résonance à une fréquence particulière.
Date de publication : 25 février 2025