Maîtriser les problèmes de basse tension dans les onduleurs : Solutions et dépannage

Problèmes de sous-tension des convertisseurs de fréquence

 一、Preface

        Dans le domaine de la production industrielle hautement automatisée d'aujourd'hui, les convertisseurs de fréquence, en tant qu'équipement crucial de contrôle de la puissance, sont largement utilisés dans divers scénarios tels que la régulation de la vitesse du moteur, exerçant un impact significatif sur l'efficacité de la production et la qualité du produit. Cependant, au cours du processus de fonctionnement, les convertisseurs de fréquence peuvent rencontrer divers problèmes, dont celui de la sous-tension, assez courant et gênant. Il peut entraîner un fonctionnement instable de l'équipement, des interruptions de production, voire des dommages à l'équipement. Par conséquent, une compréhension approfondie des causes du problème de sous-tension dans les convertisseurs de fréquence et la maîtrise de solutions efficaces sont d'une importance capitale pour assurer la continuité et la stabilité de la production industrielle.

二、Causes du problème de sous-tension dans les convertisseurs de fréquence

 (A) Problèmes du côté de l'alimentation électrique

1. Fluctuations de la tension du réseau

         Le réseau électrique industriel est un système complexe dont la tension n'est pas toujours stable. Pendant les périodes de pointe de la consommation d'électricité, un grand nombre d'équipements fonctionnent simultanément, ce qui entraîne une forte augmentation de la charge du réseau. Par exemple, dans les grandes usines de fabrication, lorsque plusieurs lignes de production sont démarrées simultanément et que de nombreux équipements électriques tels que des moteurs et des dispositifs de chauffage fonctionnent en même temps, la tension du réseau diminue en raison de la forte charge. Cette baisse peut entraîner une chute de la tension d'entrée du convertisseur de fréquence en dessous de sa plage de fonctionnement normale, ce qui déclenche un problème de sous-tension. En outre, le démarrage ou l'arrêt d'un gros équipement dans le réseau produira également des baisses ou des fluctuations de tension. Par exemple, le démarrage instantané d'un gros compresseur dans une usine provoquera des fluctuations de tension évidentes dans le réseau, ce qui affectera le fonctionnement normal des convertisseurs de fréquence situés à proximité.

         En outre, les pannes ou les travaux de maintenance sur le réseau électrique externe peuvent également provoquer des problèmes de tension. Par exemple, lorsqu'une sous-station procède à des inspections de lignes, à des mises à niveau d'équipements ou à des réparations de pannes, la tension d'alimentation peut changer de manière anormale. Ces changements peuvent ne pas être notifiés à l'avance aux utilisateurs, ce qui rend le convertisseur de fréquence vulnérable aux situations de sous-tension sans aucune préparation.

2. Problèmes liés aux lignes électriques

         Si les lignes d'alimentation électrique entre le réseau et le convertisseur de fréquence présentent des défauts, la tension d'entrée du convertisseur de fréquence s'en trouvera directement affectée. Les câbles utilisés à long terme peuvent présenter une diminution des performances d'isolation et une augmentation de la résistance en raison du vieillissement, de l'humidité ou de dommages mécaniques. Lorsque le courant passe dans ces câbles endommagés, selon la loi d'Ohm (U = IR), une chute de tension significative se produit sur les lignes, entraînant une diminution de la tension reçue par le convertisseur de fréquence. Ce problème de chute de tension est particulièrement prononcé dans le cas d'une alimentation électrique sur une longue distance ou d'une mauvaise qualité de câble.

         Si les composants de connexion, tels que les interrupteurs et les fusibles, ont un mauvais contact ou fonctionnent mal, cela entraînera également des pertes de tension. Par exemple, les contacts d'un interrupteur peuvent s'oxyder et s'user après une utilisation prolongée, ce qui entraîne une augmentation de la résistance de contact. Lorsque le courant passe, une chute de tension supplémentaire est générée au niveau de ces pièces, ce qui rend la tension d'entrée du convertisseur de fréquence insuffisante.

 (B) Raisons liées à la charge

1. Impact du démarrage du moteur

         Lorsqu'un moteur démarre, surtout s'il s'agit d'un moteur de forte puissance ou d'un moteur à forte charge au démarrage, le courant de démarrage est extrêmement élevé. En effet, au moment du démarrage du moteur, le rotor n'a pas encore commencé à tourner, ce qui équivaut à un état de court-circuit. Selon le principe électromagnétique du moteur, le courant de démarrage peut être plusieurs fois supérieur au courant nominal. Par exemple, lorsqu'un gros moteur industriel démarre, le courant de démarrage peut atteindre 5 à 7 fois le courant nominal. Lorsque ce courant important circule dans les lignes d'alimentation, une chute de tension importante se produit sur la résistance interne de l'alimentation et sur la résistance de la ligne, entraînant une baisse instantanée de la tension d'entrée du convertisseur de fréquence. Si la capacité de réglage de la tension du convertisseur de fréquence est insuffisante ou si le seuil de protection de la tension est bas, il est facile de déclencher l'alarme de sous-tension.

2. Rétroaction énergétique causée par des changements soudains de charge

         Dans certains scénarios d'applications industrielles spéciales, la charge peut changer soudainement. Par exemple, pendant qu'une grue descend un objet lourd ou qu'une centrifugeuse décélère, le moteur est en phase de production d'énergie et convertit l'énergie mécanique en énergie électrique qu'il renvoie au convertisseur de fréquence. Si le système de freinage du convertisseur de fréquence n'est pas configuré correctement ou ne peut pas gérer efficacement ces énergies de retour, la tension du bus CC augmentera. Pour protéger l'équipement, le mécanisme de protection à l'intérieur du convertisseur de fréquence peut prendre certaines mesures, comme couper une partie du circuit ou ajuster l'état de fonctionnement du module de puissance. Cependant, si ce processus n'est pas géré correctement, la tension peut chuter trop rapidement par la suite, ce qui déclenche un problème de sous-tension.

 (C) Facteurs environnementaux

1. Effets de la température

         Les températures environnementales extrêmes peuvent affecter le système d'alimentation électrique. Dans un environnement à haute température, la résistance de la ligne électrique augmente avec la température. Selon la formule du coefficient de température de la résistance (R = R_0(1 + αΔT), où R_0 est la résistance initiale, α est le coefficient de température de la résistance et ΔT est le changement de température), cela entraînera une augmentation de la chute de tension sur la ligne. Parallèlement, les températures élevées peuvent également affecter les performances des composants électroniques de l'équipement d'alimentation électrique, tels que les changements dans la valeur de capacité des condensateurs et les changements dans les caractéristiques de conduction des dispositifs semi-conducteurs, qui affectent indirectement la tension d'alimentation du convertisseur de fréquence.

         Dans un environnement froid, les performances de certains systèmes d'alimentation de secours alimentés par batterie peuvent diminuer. Par exemple, le taux de réaction chimique des batteries au plomb ralentit dans un environnement à basse température, la capacité de la batterie diminue et la tension de sortie diminue également en conséquence. Si l'alimentation de secours du convertisseur de fréquence est affectée par les basses températures, en cas de problème avec l'alimentation principale, elle peut ne pas être en mesure de fournir une tension suffisante, ce qui entraîne une situation de sous-tension.

2. Interférences électromagnétiques

         L'environnement industriel est rempli de diverses sources d'interférences électromagnétiques, telles que les gros moteurs, les transformateurs et les équipements de chauffage à haute fréquence. Les champs électromagnétiques générés par ces équipements peuvent se coupler aux lignes d'alimentation électrique et affecter la transmission des signaux de tension. Par exemple, lorsqu'une machine à souder à haute fréquence fonctionne à proximité, le champ électromagnétique à haute fréquence qu'elle génère peut induire une tension supplémentaire sur la ligne d'alimentation du convertisseur de fréquence, interférant avec le signal de tension normal ou introduisant du bruit dans le circuit de détection de la tension, ce qui fait que le convertisseur de fréquence évalue mal la valeur de la tension et déclenche à tort la protection contre les sous-tensions.

三、Solutions au problème de sous-tension dans les convertisseurs de fréquence

 (A) Solutions aux problèmes liés à l'alimentation électrique

1. Stabilisation de la tension d'alimentation

         Dans les endroits où la tension du réseau fluctue fréquemment, un régulateur de tension automatique (AVR) peut être installé. Le régulateur échantillonne la tension d'entrée et utilise ensuite des composants tels que des transformateurs et des thyristors pour ajuster automatiquement la tension de sortie afin de la maintenir dans une plage stable. Par exemple, pour un environnement de réseau avec une plage de fluctuation de tension de ±15%, un régulateur de tension automatique approprié peut stabiliser la tension de sortie dans une plage de ±2%, fournissant une alimentation électrique fiable pour le convertisseur de fréquence.

         Un système d'alimentation sans interruption (ASI) peut être utilisé pour les équipements clés dont les exigences en matière de stabilité de la tension sont extrêmement élevées. L'ASI peut non seulement fournir une tension de sortie stable lorsque la tension du réseau fluctue, mais aussi continuer à alimenter le convertisseur de fréquence pendant un certain temps lorsque l'alimentation du réseau est coupée, garantissant ainsi un arrêt sûr et ordonné de l'équipement, évitant les dommages à l'équipement et l'interruption de la production provoquée par des coupures de courant soudaines. Lors du choix d'un onduleur, la capacité et les caractéristiques de sortie doivent être déterminées en fonction des caractéristiques de puissance et de charge du convertisseur de fréquence.

2. Maintenance et optimisation des lignes électriques

         L'inspection et l'entretien réguliers des lignes d'alimentation sont des mesures importantes pour prévenir les problèmes de sous-tension. Vérifiez l'aspect des câbles pour déceler tout signe de dommage ou de vieillissement, en particulier au niveau des jonctions de câbles, afin de vous assurer qu'ils sont solidement connectés, sans jeu, sans oxydation, etc. Les câbles gravement endommagés ou vieillis doivent être remplacés à temps. Entre-temps, la disposition des lignes peut être optimisée pour essayer de raccourcir la longueur des lignes d'alimentation électrique, de réduire la résistance des lignes et de diminuer la chute de tension.

         Inspectez et entretenez régulièrement les éléments de connexion tels que les interrupteurs et les fusibles. Nettoyez les contacts des interrupteurs, vérifiez leur état d'usure et remplacez les contacts très usés. Assurez-vous que l'intensité et la tension nominales des fusibles répondent aux exigences du circuit et que les connexions sont fiables afin de réduire les pertes de tension inutiles.

 (B) Solutions aux problèmes liés à la charge

1. Optimisation du processus de démarrage du moteur

         Pour les moteurs présentant des courants de démarrage importants, la technologie de démarrage progressif peut être adoptée. Un démarreur progressif contrôle l'angle de conduction des thyristors pour augmenter progressivement la tension aux bornes du moteur, ce qui permet au moteur de démarrer lentement et de limiter ainsi le courant de démarrage. Par exemple, en utilisant la méthode de démarrage par rampe de tension, pendant le processus de démarrage, la tension du moteur augmente progressivement jusqu'à la tension nominale en fonction du temps de rampe défini, ce qui peut limiter le courant de démarrage dans une plage raisonnable, réduisant efficacement l'impact sur la tension du réseau pendant le démarrage et diminuant le risque de sous-tension dans le convertisseur de fréquence.

         En outre, les méthodes de démarrage traditionnelles telles que le démarrage étoile-triangle et le démarrage par abaissement de tension de l'autotransformateur peuvent également être envisagées. La méthode de démarrage appropriée doit être sélectionnée en fonction de la situation spécifique du moteur. Par ailleurs, lors de la sélection du moteur, les caractéristiques de la charge doivent être pleinement prises en compte, et un moteur avec une puissance et un couple de démarrage appropriés doit être choisi pour éviter un impact excessif sur la tension du convertisseur de fréquence pendant le démarrage du moteur.

2. Amélioration du freinage et de la gestion du retour d'énergie

         En fonction des caractéristiques de la charge et de la puissance du moteur, l'unité de freinage et la résistance de freinage doivent être configurées de manière raisonnable. Dans les équipements tels que les grues et les centrifugeuses où il existe un retour d'énergie, il convient de calculer avec précision la valeur de résistance et la puissance de la résistance de freinage afin de s'assurer que l'unité de freinage peut consommer efficacement et en temps voulu l'énergie renvoyée par le moteur. Par exemple, pour un moteur de grue de puissance spécifique, sélectionner, par un calcul précis, une résistance de freinage d'une valeur de résistance et d'une puissance appropriées, et vérifier régulièrement son état de fonctionnement, par exemple si le fil de résistance est cassé ou si la température est anormale.

         Pour certains grands systèmes ayant des exigences élevées en matière de retour d'énergie, la technologie AFE (Active Front End) ou les unités de retour d'énergie peuvent être envisagées. Ces technologies peuvent renvoyer l'énergie électrique renvoyée par le moteur vers le réseau, réalisant ainsi un flux d'énergie bidirectionnel, ce qui permet non seulement de résoudre le problème de sous-tension, mais aussi d'améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie.

 (C) Mesures pour faire face aux facteurs environnementaux

1. Contrôle et protection de la température

         Dans un environnement à haute température, il convient d'assurer une dissipation efficace de la chaleur pour l'équipement d'alimentation et le convertisseur de fréquence. Des systèmes de climatisation, des équipements de ventilation ou des radiateurs peuvent être installés pour garantir que l'équipement fonctionne dans une plage de température appropriée. Pour les câbles exposés à un environnement à haute température, il est possible d'utiliser des câbles résistant aux températures élevées ou d'isoler les câbles afin de réduire l'impact de la température sur la résistance du câble.

         Dans un environnement froid, des mesures de réchauffement doivent être prises pour le système d'alimentation électrique de secours alimenté par batterie. Par exemple, placer la batterie d'accumulateurs dans une boîte isolée et installer un dispositif de chauffage pour s'assurer que la batterie d'accumulateurs peut maintenir de bonnes performances dans un environnement à basse température et fournir une tension stable au convertisseur de fréquence en cas de besoin.

2. Protection contre les interférences électromagnétiques

         Des câbles blindés doivent être utilisés pour les lignes d'alimentation du convertisseur de fréquence, et la couche de blindage doit être correctement mise à la terre. Les câbles blindés peuvent réduire efficacement les interférences des champs électromagnétiques externes sur les signaux de tension. Parallèlement, des filtres peuvent être installés sur les lignes d'alimentation pour filtrer les signaux d'interférence à haute fréquence. Par exemple, l'utilisation d'un filtre passe-bas permet d'empêcher les interférences électromagnétiques à haute fréquence d'entrer dans le circuit d'alimentation du convertisseur de fréquence, ce qui garantit la précision de la détection de la tension et réduit le déclenchement intempestif de la protection à minimum de tension causé par les interférences électromagnétiques.

 四、Sommaire

        Le problème de sous-tension des convertisseurs de fréquence est une question complexe impliquant de multiples facteurs, depuis les fluctuations de tension et les défauts de ligne du côté de l'alimentation électrique, jusqu'aux impacts du démarrage du moteur et aux problèmes de retour d'énergie liés à la charge, puis aux influences de la température et des interférences électromagnétiques dans les facteurs environnementaux. Chacun de ces liens peut déclencher une situation de sous-tension. Grâce à une analyse approfondie de ces causes, nous avons proposé une série de solutions ciblées, notamment la stabilisation de la tension d'alimentation, l'optimisation des lignes, l'amélioration de la gestion du démarrage et du freinage du moteur, la gestion des changements de température de l'environnement et la protection contre les interférences électromagnétiques, etc. Dans la production industrielle réelle, les techniciens doivent prendre en compte divers facteurs et, en fonction de l'environnement de production spécifique et des caractéristiques de l'équipement, appliquer ces mesures avec souplesse pour prévenir et résoudre efficacement le problème de sous-tension des convertisseurs de fréquence, assurer le fonctionnement stable des convertisseurs de fréquence et, par conséquent, garantir le bon déroulement de l'ensemble du processus de production, réduire les pertes économiques et les retards de production causés par les défaillances de l'équipement et améliorer la fiabilité et l'efficacité de la production industrielle.