Comment fonctionne un variateur de vitesse (VDF) ?

Les variateurs de vitesse sont aujourd’hui partout dans nos entreprises. Leur principale fonction est de contrôler la vitesse des moteurs électriques afin d’adapter leur fonctionnement aux besoins réels des installations. Cette technologie offre de nombreux avantages, notamment en matière d’économies d’énergie, de précision de contrôle et de réduction de l’usure mécanique.

Cependant, leur fonctionnement reste encore souvent méconnu. Comprendre les principes qui se cachent derrière ces équipements permet non seulement de choisir la solution la plus adaptée à une application donnée lors de ce que vous devez acheter du matériel, mais également de faciliter les opérations de mise en service, de diagnostic et de dépannage.

Mais alors, comment un variateur de vitesse parvient-il à contrôler aussi précisément la rotation d’un moteur ?

La réponse dépend en partie de la technologie utilisée. Il existe sur le marché de nombreux types de variateurs. Monophasés, triphasés, destinés aux moteurs synchrones ou asynchrones et même à courant continu. Afin de mieux comprendre les principes fondamentaux de fonctionnement, nous allons nous concentrer dans cet article sur les variateurs triphasés, qui sont les plus répandus dans les applications industrielles et donc ceux sur lesquels vous êtes le plus susceptible de tomber.

Quel que soit leur type, les variateurs sont généralement constitués de deux parties distinctes. Une partie puissance, chargée de traiter l’énergie destinée au moteur, et une partie commande, qui permet le pilotage et la communication.

Le variateur lui-même peut être alimenté soit par le câble d’alimentation principal, soit par un câble de puissance secondaire ou un bus dédié à son fonctionnement.

Cette particularité est importante à connaître lors des interventions. En effet, même après la coupure de l’alimentation principale, certaines parties du variateur peuvent rester sous tension. Avant toute manipulation, il est donc indispensable de vérifier l’absence de tension sur l’ensemble des circuits concernés afin de garantir la sécurité de l’intervenant.

Partie puissance

Comme vous le savez sans doute, la vitesse d’un moteur alternatif dépend principalement de la fréquence du courant qui l’alimente. Plus cette fréquence est élevée, plus le moteur tourne rapidement. À l’inverse, une fréquence plus faible entraîne une diminution de sa vitesse de rotation.

Pour y parvenir, le variateur ne se contente pas de modifier directement la fréquence électrique du réseau. Il doit d’abord transformer puis reconstruire le signal électrique grâce à plusieurs étages d’électroniques de puissance.

La partie puissance d’un variateur est généralement composée de trois blocs principaux qui travaillent successivement.

Le redresseur

Comme son nom l’indique, cette partie permet de redresser le courant électrique. On utilise un pont de diodes ou de transistors selon le niveau de technologie pour obtenir un courant continu.

En réalité, quand on parle de courant continu, cela ne correspond pas forcément à une courbe parfaitement plate. La définition d’un courant continu repose avant tout sur le fait que le courant circule toujours dans le même sens. Sa valeur peut être constante, comme dans le cas d’une batterie, mais elle peut également varier dans le temps tout en conservant la même polarité. On parle alors de courant continu pulsé (voir Fig.1).

Le bus continu

Ce courant étant encore difficilement exploitable en l’état, il est nécessaire de lisser la courbe afin d’obtenir une tension plus stable et donc plus facilement utilisable. Pour ce faire, nous utilisons des condensateurs permettant d’absorber les variations et de fournir une tension plus régulière à la troisième partie.

Le bus continu permet également de stocker de l’énergie. Cela évite que les appels de courant du moteur se répercutent directement sur le réseau. C’est notamment le cas lorsque le moteur ralentit, car il peut renvoyer de l’énergie vers le variateur, que le bus continu absorbe temporairement.

L’onduleur

L’onduleur est la dernière partie du variateur. Son rôle est de transformer la tension continue issue du bus continu en une tension alternative.

Pour cela, il utilise généralement des IGBT qui commutent très rapidement. En découpant la tension continue, il recrée une forme d’onde alternative dont on peut faire varier la fréquence et la tension. C’est cette variation qui permet de contrôler la vitesse du moteur.

On nomme ce signal MLI pour Modulation de Largeur d’Impulsion (voir Fig. 1).

Cette commutation très rapide des IGBT présente cependant un inconvénient. Elle génère des perturbations électromagnétiques qui peuvent affecter les équipements situés à proximité du variateur. Afin de limiter ces phénomènes et de garantir le bon fonctionnement des installations, les constructeurs doivent respecter certaines exigences de compatibilité électromagnétique définies par la norme IEC 61800-3.

Le synoptique ci-dessous illustre le chemin parcouru par l’énergie électrique à travers ces différents étages avant d’alimenter le moteur.

Partie commande

Contrairement à la partie puissance, la commande est souvent différente selon les modèles de variateurs et les fonctionnalités utilisées. Elle dépend également du type d’application et du niveau de précision attendu.

On retrouve toutefois des fonctions communes dans la majorité des cas. La partie commande a pour rôle de piloter la partie puissance en fonction des consignes envoyées et des informations renvoyées par le système.

La consigne de vitesse et le mode de régulation

Pour contrôler la vitesse d’un moteur via un variateur, il faut une consigne. Celle-ci correspond à la vitesse demandée et peut être envoyée en local, directement depuis le variateur, ou à distance via un automate (API) ou un système de supervision.

Une fois la consigne envoyée, le variateur peut fonctionner selon deux modes principaux.

En boucle ouverte, le variateur applique directement la fréquence de sortie en fonction de la consigne, sans retour d’information sur la vitesse réelle du moteur. C’est le mode le plus simple, utilisé lorsque la précision n’est pas critique.

En boucle fermée, un capteur (codeur ou tachymètre) mesure la vitesse réelle du moteur. Cette information est renvoyée au variateur, généralement via l’automate ou directement selon l’architecture, afin d’ajuster en permanence la commande. Le système corrige alors les écarts entre la consigne et la vitesse réelle, notamment en cas de variation de charge.

Les autres fonctions de commande

La commande ne se limite pas à la consigne de vitesse. Elle gère également les ordres de fonctionnement du moteur, comme le démarrage, l’arrêt ou encore l’inversion du sens de rotation. Ces ordres sont généralement transmis via des entrées logiques ou via un bus de communication.

Dans les systèmes industriels modernes, le variateur échange en permanence avec l’automate ou le système de supervision. Il peut recevoir des consignes mais aussi remonter des informations comme la vitesse estimée, le courant moteur, la température ou les éventuels défauts.

Enfin, la partie commande joue un rôle important dans la sécurité du système. Elle surveille en continu le fonctionnement du moteur et peut déclencher des alarmes ou mettre l’installation en sécurité en cas de surcharge, de surchauffe ou de dysfonctionnement.

Paramétrage

Il existe de très nombreuses variantes de moteurs, avec des caractéristiques très différentes les unes des autres.

Les variateurs doivent donc être suffisamment flexibles pour être compatibles avec ces récepteurs. Pour que ces équipements puissent parfaitement s’adapter à ces différentes technologies, il faut dans un premier temps choisir un variateur adapté à la plage de puissance du récepteur ainsi qu’au type de moteur à commander. Dans un second temps, il faut adapter le variateur via les paramètres disponibles.

En ce qui concerne les paramètres, certains sont présents sur la quasi-totalité des variateurs tandis que d’autres sont plus spécifiques ou optionnels.

Parmi les paramètres que l’on retrouve régulièrement figurent les caractéristiques électriques du moteur : la puissance nominale, le courant nominal, la tension nominale, la vitesse de rotation à 50 Hz (fréquence du réseau), le cos φ ainsi que les autres informations présentes sur la plaque signalétique du moteur.

Vous devrez également paramétrer l’identité réseau du variateur. L’objectif est de lui attribuer une adresse IPv4 ainsi que les paramètres de communication nécessaires, tels que le masque de sous-réseau, la passerelle par défaut et, selon l’architecture du réseau, d’autres paramètres spécifiques.

Exemple concret :

Prenons un moteur asynchrone de convoyeur industriel. Il s’agit d’un moteur de 3 kW, 400 V, 50 Hz, avec un courant nominal de 7 A et une vitesse de 1450 tr/min.

Ces données sont reprises depuis la plaque signalétique et saisies dans le variateur afin d’adapter correctement la commande et les protections du moteur.

Dans ce cas, un variateur de type Schneider Electric Altivar 320 (ATV320 3 kW 400 V) ou équivalent est adapté pour ce type d’application.

Le variateur est ensuite intégré au réseau industriel via une adresse IP (par exemple 192.168.1.20) afin de communiquer avec le réseau. Puis on ajuste les autres paramètres tels que les accélérations, les décélérations et autres.

Attention ! Cette étape doit être réalisée hors réseau ou en respectant la procédure définie par l’entreprise. Une erreur d’adressage IP peut provoquer un conflit réseau, entraîner la perte de communication avec les équipements et aller jusqu’à l’arrêt des machines ou d’une ligne de production.

Lois de commande des variateurs

Un des paramètres importants est ce qu’on appelle la loi de commande, Il en existe 3 et on le détermine en fonction de l’application que l’on veut piloter. Cette loi détermine la manière dont le variateur pilote le moteur afin d’obtenir les performances souhaitées en termes de vitesse, de précision et de couple.

Commande scalaire U/f

La commande scalaire, que l’on appelle aussi la commande U/f, est la méthode la plus simple et la plus utilisée. Son principe consiste à faire varier la tension (U) proportionnellement à la fréquence (f) afin de conserver un fonctionnement correct du moteur.

C’est une solution robuste, facile à mettre en œuvre et qui nécessite peu de réglages. Elle convient parfaitement aux applications ne demandant pas une grande précision, comme les ventilateurs, les pompes ou les convoyeurs simples. En revanche, les performances sont plus limitées lors des démarrages ou lorsque la charge varie fortement.

Commande vectorielle

La commande vectorielle est une évolution de la commande scalaire. Elle permet au variateur de contrôler plus précisément le comportement du moteur en agissant séparément sur le flux magnétique et sur le couple.

Grâce à des calculs internes et à un modèle du moteur, le variateur est capable d’obtenir une meilleure précision de vitesse et un meilleur contrôle du couple, même à basse vitesse. Cette technologie est particulièrement utilisée sur les machines nécessitant des variations de charge importantes ou une régulation précise, comme les systèmes de levage, les extrudeuses ou certaines machines-outils.

Contrôle direct du couple (DTC)

Enfin, le contrôle direct du couple, ou DTC (Direct Torque Control), est une méthode de commande plus avancée. Contrairement aux autres lois de commande, elle ne cherche pas directement à contrôler la tension ou le courant appliqué au moteur, mais agit directement sur le couple et le flux magnétique.

Cette méthode permet d’obtenir des temps de réponse très rapides ainsi qu’une excellente précision de contrôle. Les variations de charge sont compensées presque instantanément.

Le DTC est principalement utilisé dans les applications exigeantes telles que les grues, les ascenseurs, les laminoirs ou les équipements industriels nécessitant un contrôle très précis du moteur.

Loi de commande	Principe	Grandeurs contrôlées
Commande scalaire U/f	Maintenir le rapport tension/fréquence constant pour garder le flux moteur stable	Tension (U) et fréquence (f) uniquement
Commande vectorielle	Séparation du flux et du couple via un modèle mathématique du moteur	Flux + couple (contrôle indirect via courants)
DTC (Direct Torque Control)	Contrôle direct du couple et du flux sans boucle de courant classique	Couple et flux directement

Cette manière de commander les moteurs nécessite généralement davantage de paramètres moteur pour fonctionner de manière optimale et son coût est plus élevé. Le choix de la loi de commande dépend donc des besoins de l’application et du niveau de précision recherché.

Glossaire

Composants

• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) : composant de puissance utilisé pour commuter très rapidement de fortes tensions et courants dans l’onduleur.
• Codeur (encoder) : capteur de position/vitesse qui transforme la rotation du moteur en signal électrique exploitable.
• Tachymètre : capteur mesurant directement la vitesse de rotation du moteur.

Termes techniques

• Appel de courant : augmentation brutale du courant demandé par le moteur, typiquement au démarrage ou lors d’une variation de charge importante.
• Courant continu pulsé : courant qui garde toujours la même polarité mais dont la valeur n’est pas parfaitement lissée.
• MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion) : technique de découpage du signal continu pour synthétiser une tension alternative de fréquence et amplitude variables.
• Flux magnétique moteur : champ magnétique interne du moteur responsable de la création du couple électromagnétique.
• Couple moteur : effort mécanique produit par le moteur pour entraîner une charge.
• Boucle ouverte : mode de commande sans retour d’information sur la vitesse réelle du moteur.
• Boucle fermée : mode de commande avec retour d’information (codeur, tachymètre) permettant de corriger l’erreur entre consigne et vitesse réelle.
• CEM (Compatibilité électromagnétique) : ensemble de normes limitant les perturbations électromagnétiques produites et subies par les équipements.
• Surcharge moteur : situation où le moteur dépasse son courant nominal sur une durée prolongée.

Normes 61800

• IEC 61800-1 : exigences générales pour les systèmes d’entraînement à vitesse variable (définitions et caractéristiques globales).
• IEC 61800-2 : exigences fonctionnelles et spécifications des variateurs à courant alternatif (AC drives).
• IEC 61800-3 : compatibilité électromagnétique (CEM). Elle définit les limites d’émissions et les niveaux d’immunité aux perturbations électromagnétiques.
• IEC 61800-4 : exigences pour les systèmes d’entraînement à courant continu (DC drives).
• IEC 61800-5-1 : exigences de sécurité électrique, incluant protection contre les chocs électriques, échauffements et isolation.
• IEC 61800-5-2 : exigences de sécurité fonctionnelle (fonctions de sécurité comme arrêt sûr, limitation de vitesse, etc.).
• IEC 61800-7 : architecture de communication et profils de commande (interopérabilité entre variateurs et systèmes industriels).

FAQ