Produits de support requis pour maximiser l'impact de l'utilisation des VFD et des VSD - Partie 1

La 1re partie de cette série d'articles examine les éléments à prendre en compte lors de la sélection de câbles de raccordement moteur, de réacteurs de sortie, de résistances de freinage, de réacteurs de ligne et de filtres antiparasites. La 2e partie traite des différences entre les VSD/VFD et les servovariateurs, des possibilités d'utilisation des servomoteurs rotatifs et linéaires CA et CC, de la manière dont les unités de démarrage/arrêt progressif s'intègrent dans les opérations industrielles, et de l'utilisation des convertisseurs CC pour alimenter des périphériques tels que des capteurs, des interfaces homme-machine (IHM) et des dispositifs de sécurité.

L'utilisation de variateurs de vitesse et de variateurs de fréquence (VSD/VFD) est nécessaire pour maximiser le rendement et la durabilité des opérations industrielles, mais elle n'est pas suffisante. Pour tirer le meilleur parti des VSD/VFD, des composants supplémentaires sont nécessaires, notamment des câbles hautes performances, des résistances de freinage, des filtres antiparasites, des réacteurs de ligne, des réacteurs de sortie, et plus.

Le câblage est omniprésent et critique. Un câble mal spécifié reliant le VSD/VFD au moteur peut considérablement dégrader les performances du système. D'autres éléments tels que les résistances de freinage, les filtres et les réacteurs varient d'une installation à l'autre et peuvent être très importants pour un déploiement réussi.

Par exemple, certains systèmes fonctionnent dans des zones où il est nécessaire de contrôler les interférences électromagnétiques (EMI), et peuvent bénéficier de l'utilisation de filtres antiparasites conformes à la norme EN 61800-3 catégorie C2. Les applications nécessitant une décélération rapide requièrent des résistances de freinage. Les réacteurs de ligne peuvent améliorer le facteur de puissance et augmenter le rendement, et les réacteurs de sortie peuvent permettre l'utilisation de câbles plus longs.

Cet article commence par un aperçu d'éléments à prendre en compte lors de la sélection de câbles de raccordement moteur et présente des options de câblage typiques de LAPP et de Belden. Il passe ensuite en revue les facteurs qui ont un impact sur la sélection des réacteurs de sortie, des résistances de freinage, des réacteurs de ligne et des filtres antiparasites, avec des exemples de dispositifs d'ABB, de Schneider Electric, d'Omron, de Delta Electronics, de Panasonic et de Siemens.

Les câbles moteur sont disponibles dans différentes configurations pour répondre aux exigences d'applications spécifiques. Ils sont typiquement composés de trois conducteurs d'alimentation principaux, souvent isolés avec du polyéthylène réticulé (XLPE). Certains ont des fils de mise à la terre non isolés. Différents fils de signalisation et de nombreuses possibilités de blindage par tresse et par feuille sont disponibles. L'assemblage complet est enveloppé dans une gaine extérieure robuste offrant une résistance environnementale (Figure 1).

Figure 1 : Les câbles moteur VFD sont disponibles dans un vaste choix de configurations. (Source de l'image : Belden)

Même les câbles les plus simples, comme le câble de base de Belden portant la référence 29521C 0105000, sont des assemblages complexes de conducteurs, de blindages et d'isolants. Ces câbles comportent trois conducteurs en cuivre de 14 AWG (7x22 brins) recouverts d'un isolant XLPE, et trois fils de terre en cuivre non isolés de 18 AWG (7x26 brins). Ces six fils sont entourés d'un double ruban de blindage hélicoïdal qui fournit une couverture à 100 %, et l'assemblage de câble complet est enveloppé dans une gaine en polychlorure de vinyle (PVC) pour la protection environnementale.

Les câbles de base de Belden sont adaptés à une utilisation dans les zones dangereuses de classe 1, division 2, telles que définies dans le National Electrical Code (NEC). La classe 1 fait référence aux installations dans lesquelles sont manipulés des gaz, des vapeurs et des liquides inflammables. La division 2 spécifie que ces matières inflammables ne sont généralement pas présentes dans des concentrations suffisamment élevées pour être inflammables.

Certaines séries de câbles, comme la série ÖLFLEX VFD 1XL de LAPP, sont disponibles avec et sans fils de signalisation. Pour les applications pouvant bénéficier de câbles de signalisation, le câble 701710 de LAPP est idéal. Il comprend trois conducteurs d'alimentation, un conducteur de terre et une paire de fils de signalisation. Les conducteurs d'alimentation ont un calibre de 16 AWG (26x30) avec un isolant XLPE (plus). Les paires de signalisation sont blindées individuellement par une feuille.

L'assemblage complet est blindé avec un ruban barrière, une feuille triple couche (couverture à 100 %) et une tresse en cuivre étamé (couverture à 85 %). La gaine extérieure est composée d'un élastomère thermoplastique (TPE) spécialement formulé pour résister aux solutions de désinfection et qui est typiquement utilisé dans les industries alimentaires, chimiques et connexes.

Outre la transmission fiable et efficace de l'alimentation et des signaux, les câbles VFD doivent être capables de supporter les pics de haute tension et les interférences électromagnétiques (EMI) résultant du fonctionnement haute fréquence du variateur. Bien que les câbles VFD soient conçus pour contenir et gérer les pics de haute tension et les EMI, ils ont leurs limites (Figure 2). C'est là que les réacteurs de charge réduisent les pics de haute tension et les EMI.

Figure 2 : Des pics de haute tension non contrôlés peuvent percer l'isolant et entraîner une défaillance du câble. (Source de l'image : LAPP)

Pour une discussion plus détaillée sur la sélection des câbles VFD, voir l'article Spécification et utilisation de câbles VFD pour améliorer la fiabilité et la sécurité et réduire les émissions de carbone.

Réacteurs de charge

Les réacteurs de charge, également appelés réacteurs de sortie, sont connectés à proximité de la sortie du variateur pour réduire l'impact des pics de haute tension et des EMI, et ils protègent l'isolant des fils dans le câble et le moteur. Les VSD/VFD produisent une sortie haute fréquence (généralement entre 16 et 20 kHz). La commutation haute fréquence entraîne des temps de montée de tension de quelques microsecondes, provoquant des pics de haute tension qui peuvent dépasser la tension nominale de crête du moteur, entraînant un claquage de l'isolant.

Selon le type de moteur utilisé, des réacteurs de charge sont souvent recommandés si la longueur du câble VFD dépasse 30 m (100 pieds). Il existe des exceptions. Par exemple, si le moteur est conforme à la norme NEMA MG-1 Partie 31, il peut être possible d'avoir un câble de 90 m (300 pieds) sans utiliser de réacteur de charge.

Quel que soit le type de moteur, un réacteur de charge est généralement recommandé si la longueur du câble dépasse 90 m. Si la distance dépasse 150 m, un filtre spécialement conçu est généralement recommandé. Dans les environnements sensibles aux EMI, l'utilisation d'un réacteur de charge pour toutes les applications est généralement une bonne pratique.

Les réacteurs de charge sont souvent conçus pour être utilisés avec des modèles de variateurs spécifiques. Par exemple, le réacteur de charge 3G3AX-RAO04600110-DE d'Omron est répertorié pour 11 A et 4,6 mH, et conçu pour être utilisé avec des moteurs 5,5 kW triphasés 400 V entraînés par le VFD 3G3MX2-A4040-V1 de l'entreprise.

Résistances de freinage et surcharges thermiques

En plus d'un réacteur de charge, une résistance de freinage et un dispositif de blocage en cas de surcharge thermique peuvent être des ajouts essentiels du côté sortie d'un VSD/VFD. Les résistances de freinage permettent un couple de freinage transitoire maximum en absorbant l'énergie de freinage. La plupart des résistances de freinage dissipent l'énergie, tandis que certaines sont utilisées dans le cadre d'un système de freinage régénératif qui capture et recycle l'énergie.

Les résistances de freinage dissipatif sont répertoriées pour des applications spécifiques. La résistance de freinage 8 Ω VW3A7755 de Schneider Electric peut dissiper jusqu'à 25 kW, tandis que la résistance de freinage 100 Ω BR300W100 de Delta Electronics est répertoriée pour 300 W.

Les applications de résistance de freinage sont définies à l'aide d'un pourcentage de dissipation d'énergie (ED%). La valeur ED% définie garantit que la résistance peut dissiper efficacement la chaleur générée durant le freinage. La valeur ED% est définie par rapport à la dissipation de crête, à l'intervalle de freinage (T1) et au temps de cycle global (T0) dans la Figure 3.

Figure 3 : Définition du pourcentage de dissipation d'énergie (ED%). (Source de l'image : Delta Electronics)

En fonction de l'intensité du freinage, la valeur ED% est spécifiée pour garantir que l'unité de freinage et la résistance de freinage disposent d'un temps suffisant pour dissiper la chaleur générée par le freinage. Si la résistance de freinage surchauffe en raison d'une dissipation thermique inadéquate, sa résistance augmente, réduisant le flux de courant et le couple de freinage absorbé.

Les résistances de freinage peuvent être définies par différents cycles de dissipation :

• Freinage léger, où la puissance de freinage est limitée à 1,5 fois le couple nominal (Tn) pendant 0,8 s toutes les 40 s. Utilisation avec des machines à inertie limitée, comme les machines de moulage par injection
• Freinage moyen, où la puissance de freinage est limitée à 1,35 Tn pendant 4 s toutes les 40 s. Utilisation avec des machines à haute inertie, comme les presses à volant d'inertie et les centrifugeuses industrielles
• Freinage intense où la puissance de freinage est limitée à 1,65 Tn pendant 6 s et Tn pendant 54 s toutes les 120 s. Utilisation avec des machines à très haute inertie, souvent accompagnées de mouvements verticaux, comme les palans et les grues

En plus d'une résistance de freinage, la plupart des systèmes incluent une unité de surcharge thermique connectée à la résistance de freinage par mesure de sécurité, comme le relais de surcharge thermique TF65-33 d'ABB Control. L'unité de surcharge thermique protège la résistance et le système d'entraînement contre les freinages trop fréquents ou trop forts. Lorsqu'une surcharge thermique est détectée, le variateur est mis hors tension. La désactivation de la fonction de freinage uniquement pourrait entraîner de graves dommages au niveau du variateur.

Protection sur l'entrée du variateur

Les réacteurs de ligne et les filtres sur l'entrée du variateur limitent respectivement les harmoniques basse fréquence et les EMI haute fréquence (Figure 4). Les réacteurs de ligne contribuent à réduire la distorsion harmonique de l'alimentation d'entrée CA, causée par les circuits de variateur. Ils peuvent s'avérer particulièrement utiles dans les applications devant répondre aux exigences de la norme IEEE-519 relative au contrôle des harmoniques dans les systèmes d'alimentation. Les réacteurs de ligne atténuent également les perturbations sur le réseau électrique telles que les pointes d'énergie, les pointes de tension et les transitoires, augmentant ainsi la fiabilité de fonctionnement et évitant les arrêts dus aux surtensions.

Figure 4 : Les filtres antiparasites limitent les EMI haute fréquence, tandis que les réacteurs de ligne limitent les harmoniques basse fréquence. (Source de l'image : Siemens)

Les exemples de réacteurs de ligne incluent l'inductance 2 mH DV0P228 répertoriée pour 8 A qui fait partie de la famille Minas de variateurs triphasés et d'accessoires de Panasonic, et l'inductance 2,5 mH 6SL32030CE132AA0 de Siemens répertoriée pour des variateurs jusqu'à 1,1 kW consommant jusqu'à 4 A de courant d'entrée et fonctionnant sur une alimentation triphasée de 380 V_CA -10 % à 480 V_CA +10 %.

Filtres antiparasites

Des filtres antiparasites sont requis pour prendre en charge la compatibilité électromagnétique (CEM) et fournir une protection EMI dans la plupart des applications. Selon l'environnement spécifique, deux classifications de filtres EMI, classe A et classe B, sont utilisées respectivement dans les environnements industriels et commerciaux (bâtiments). La classe B exige un niveau de filtrage plus élevé que la classe A car les environnements commerciaux (bureaux, administration, etc.) incluent généralement des systèmes électroniques plus sensibles aux EMI.

Les normes CEM pertinentes incluent la norme EN 55011, qui détaille les limites d'émissions pour les équipements industriels, scientifiques et médicaux, et la norme CEI/EN 61800-3, qui s'applique spécifiquement aux variateurs de vitesse.

Les VFD/VSD sont disponibles avec et sans filtres antiparasites intégrés. S'ils disposent d'un filtre, il peut s'agir d'un filtre de classe A ou de classe B. En fonction de l'environnement et de facteurs d'installation tels que la longueur des câbles, même un variateur avec un filtre intégré peut nécessiter un filtrage supplémentaire. Un variateur répertorié pour fonctionner en environnements de classe A peut également être utilisé dans des environnements de classe B en ajoutant un filtre en option.

La norme CEI/EN 61800-3 définit les exigences CEM en fonction des environnements et des catégories. Les bâtiments résidentiels sont définis comme le premier environnement tandis que les installations industrielles connectées au réseau de distribution moyenne tension via leurs transformateurs constituent le deuxième environnement.

Les quatre catégories définies dans la norme EN 61800-3 incluent les suivantes :

• C1 pour les systèmes d'entraînement pour des tensions nominales < 1000 V pour une utilisation illimitée dans le premier environnement
• C2 pour les systèmes d'entraînement stationnaires pour des tensions nominales < 1000 V pour une utilisation dans le deuxième environnement et une utilisation possible dans le premier environnement
• C3 pour les systèmes d'entraînement pour des tensions nominales < 1000 V pour une utilisation exclusive dans le deuxième environnement
• C4 avec exigences particulières pour les systèmes d'entraînement pour des tensions nominales ≥ 1000 V et des courants nominaux ≥ 400 A dans le deuxième environnement

Des filtres antiparasites génériques sont disponibles, mais comme les réacteurs de ligne, les filtres antiparasites sont souvent conçus pour être utilisés avec des familles de variateurs spécifiques. Par exemple, le filtre antiparasite VW3A4708 de Schneider Electric est répertorié pour 200 A (Figure 5). Il est conçu pour les VSD Altivar et les servovariateurs Lexium de l'entreprise. Il est répertorié pour des tensions secteur de 200 V_CA à 480 V_CA et offre un indice de protection IP20. Sa classification EN 61800-3 dépend de la longueur du câble moteur :

• Catégorie C1 avec jusqu'à 50 m de câble blindé
• Catégorie C2 avec jusqu'à 150 m de câble blindé
• Catégorie C3 avec jusqu'à 300 m de câble blindé

Figure 5 : Filtre antiparasite 200 A répertorié pour des tensions secteur de 200 V_CA à 480 V_CA. (Source de l'image : Schneider Electric)

Conclusion

Les VSD et VFD sont des systèmes importants pour maximiser le rendement des opérations industrielles et minimiser les émissions de gaz à effet de serre. Ces variateurs requièrent plusieurs composants de support pour garantir des installations efficaces et fiables, conformes aux normes internationales en vigueur, notamment des câbles VFD, des réacteurs de sortie, des résistances de freinage, des réacteurs de ligne et des filtres antiparasites.