Variateurs de fréquence pour une alimentation en air frais économe en énergie
Un variateur de fréquence, également appelé VFD (Variable Frequency Drive), est un dispositif électronique qui permet de contrôler la vitesse et le couple d’un moteur électrique à courant alternatif en faisant varier la tension et la fréquence de son alimentation. Il permet un réglage précis de la vitesse du moteur, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications telles que la modulation de la vitesse des ventilateurs, où le débit d’air doit être régulé de manière efficace. L’utilisation d’un variateur de fréquence permet non seulement d’améliorer les performances du système, mais aussi de réduire la consommation d’énergie et l’usure des composants mécaniques. En particulier, l’association d’un variateur de fréquence à des capteurs CVC offre de nombreuses possibilités pour accroître l’efficacité énergétique d’un système de ventilation, en appliquant le principe de ventilation à la demande. Avec la ventilation à la demande, la vitesse du ventilateur est continuellement optimisée afin de fournir juste ce qu’il faut d’air frais. Dès que les capteurs CVC détectent une dégradation de la qualité de l’air, la vitesse du ventilateur augmente pour fournir davantage d’air frais. Lorsque la qualité de l’air redevient satisfaisante, la vitesse du ventilateur diminue à nouveau. De cette manière, le système de ventilation permet de réaliser des économies d’énergie tout en garantissant en permanence un apport suffisant en air frais.
Les moteurs électriques convertissent l’énergie électrique en mouvement Avant d’aborder en détail le principe du variateur de fréquence, il est utile de rappeler brièvement le fonctionnement d’un moteur électrique. Un moteur électrique est une machine qui convertit l’énergie électrique en mouvement (également appelé énergie cinétique). Concrètement, le moteur transforme principalement cette énergie en un mouvement rotatif de son arbre moteur. L’arbre moteur est la partie du moteur qui tourne lorsqu’il est en fonctionnement. On peut le comparer à l’essieu d’une roue : c’est cet arbre qui transmet la force de rotation du moteur à l’élément entraîné, comme une hélice de ventilateur ou une pompe. La vitesse de rotation du moteur peut être régulée à l’aide d’un régulateur de vitesse. Il existe une infinité de types de moteurs, mais on peut globalement les classer en deux grandes familles : les moteurs AC (à courant alternatif) et les moteurs EC (commutés électroniquement). Les moteurs EC intègrent toujours un régulateur de vitesse électronique. Pour les moteurs AC en revanche, il est nécessaire de prévoir un régulateur de vitesse externe. Plusieurs technologies de régulation de vitesse existent : les régulateurs à transformateur, les régulateurs à TRIAC, et les variateurs de fréquence. Chaque technologie fonctionne selon un principe différent et présente ses propres avantages et inconvénients. Puisque les variateurs de fréquence sont utilisés pour réguler la vitesse des moteurs AC, examinons plus en détail leur fonctionnement.
Moteur AC : courants électriques et magnétisme
Les moteurs électriques fonctionnent sur base de l’interaction entre le magnétisme et les courants électriques. En plus de l’énergie électrique, le fonctionnement d’un moteur nécessite donc également du magnétisme. Les moteurs synchrones à courant alternatif utilisent des aimants permanents, tandis que les moteurs asynchrones génèrent leurs propres champs magnétiques par induction — un phénomène qui résulte lui aussi de l’interaction entre électricité et magnétisme. Le stator — la partie fixe du moteur — contient une bobine. Lorsque le courant alternatif traverse cette bobine, un champ magnétique est généré. Étant donné que le courant est alternatif, la polarité du champ magnétique change constamment. Il en résulte un champ magnétique qui semble tourner en permanence. Ce mouvement circulaire a lieu à la même fréquence que la tension alternative. Le rotor — la partie mobile du moteur — suit ce champ magnétique variable. Dans le cas des moteurs synchrones, le rotor est composé d’aimants permanents. Les moteurs asynchrones, eux, utilisent un rotor en cage d’écureuil : il ressemble à une roue métallique avec des barres conductrices épaisses réparties longitudinalement, reliées entre elles à chaque extrémité par un anneau — un peu comme une roue de hamster en métal. Lorsqu’un tel rotor est placé dans un champ magnétique tournant, un courant électrique est induit dans les barres, ce qui crée à son tour un champ magnétique. L’ensemble de ces champs magnétiques et courants électriques génère inévitablement de la chaleur, une forme d’énergie perdue. Et cette chaleur est l’ennemi principal du moteur AC. En cas de surchauffe, il existe un risque de dommages internes par court-circuit. Il est donc crucial de détecter toute surchauffe à temps. Certains moteurs sont pour cela équipés de capteurs de température intégrés (de type TK ou PTC). Ces capteurs peuvent être surveillés par certains régulateurs de vitesse qui arrêtent le moteur à temps en cas de surchauffe, évitant ainsi des dégâts irréversibles.
Caractéristiques techniques du moteur AC
Pour sélectionner correctement le variateur de fréquence adapté à un moteur AC spécifique, il est essentiel de connaître les données suivantes :
• Tension d’alimentation – La tension électrique nécessaire au fonctionnement d’un moteur AC est appelée tension d’alimentation, exprimée en [VAC]. Cette alimentation peut être monophasée ou triphasée. Les options disponibles via le réseau électrique public sont :
▸ Monophasé 230 VAC
▸ Triphasé 230 VAC
▸ Triphasé 400 VAC
• Consommation de courant – Il s’agit de la quantité d’énergie électrique consommée par le moteur, exprimée en ampères [A]. Cette consommation augmente proportionnellement à la vitesse du moteur ou à la charge appliquée (par exemple, des pales de ventilateur plus grandes). Le courant maximal absorbé est généralement indiqué sur la plaque signalétique du moteur.
• Puissance du moteur – La puissance du moteur résulte de la combinaison entre la tension d’alimentation, le courant absorbé (maximum) et le rendement du moteur. Elle est exprimée en watts [W] ou kilowatts [kW]. Cette information figure elle aussi sur la plaque signalétique du moteur.
En plus de ces informations essentielles, on trouve généralement d’autres données sur la plaque signalétique du moteur. La vitesse de rotation de l’arbre moteur est exprimée en tours par minute [tr/min]. Le couple, c’est-à-dire la force que l’arbre moteur peut exercer en rotation, est exprimé en newton-mètres [Nm]. Prenons un exemple concret : un tracteur est équipé d’un moteur à faible vitesse de rotation, mais à couple élevé. C’est pourquoi un tracteur avance lentement, mais peut tirer des charges très lourdes dans un champ. À l’inverse, une voiture de Formule 1 est propulsée par un moteur à très haute vitesse de rotation (de nombreux tr/min), mais avec un couple inférieur à celui d’un tracteur. Cela convient parfaitement, car la voiture de course est très légère et nécessite donc relativement peu de force pour accélérer rapidement.
Différents types de régulateurs de vitesse
Comme mentionné précédemment, il existe plusieurs types de régulateurs de vitesse. Chaque type utilise une technologie différente, avec ses avantages et ses inconvénients propres. Cependant, le variateur de fréquence se distingue par son niveau d’avancement technologique. Les régulateurs simples ne font que réduire la tension appliquée au moteur. Le variateur de fréquence, quant à lui, offre bien plus de fonctionnalités… Les régulateurs par transformateur et les régulateurs TRIAC réduisent la vitesse du moteur en abaissant la tension qui lui est appliquée. Une tension plus faible entraîne une vitesse de rotation plus basse. Les régulateurs par transformateur diminuent la tension par paliers (généralement 5 paliers). Les régulateurs électroniques permettent quant à eux un contrôle de vitesse variable. Le grand avantage de ces deux types de régulateurs est leur simplicité de câblage et de mise en service. Une fois le moteur connecté, le régulateur est immédiatement opérationnel, sans configuration préalable. Le variateur de fréquence régule également la vitesse du moteur de manière continue (tout comme le régulateur TRIAC). Cependant, sa régulation est plus complexe (nous y reviendrons bientôt). Cette régulation avancée nécessite une configuration supplémentaire. Après le branchement, certains réglages doivent généralement être effectués sur le variateur de fréquence avant sa mise en service. Grâce aux entrées et sorties supplémentaires intégrées dans l’appareil, de nombreuses fonctions logiques et options supplémentaires peuvent être ajoutées.
Variateur de fréquence vs régulateur TRIAC
Alors, en quoi un variateur de fréquence diffère-t-il d’un régulateur TRIAC ? Un variateur de fréquence ne modifie pas seulement la tension appliquée au moteur, mais aussi la fréquence ! Un régulateur TRIAC « découpe » des segments de la tension fournie, mais ne change pas la fréquence, qui reste à 50 Hz. Cela entraîne une réduction du couple (la force exercée). Le moteur continue d’essayer de tourner à sa vitesse maximale, car la fréquence reste à sa valeur maximale. La fréquence génère le champ magnétique tournant qui détermine la vitesse du moteur. Baisser la tension sans changer la fréquence crée un risque de calage du moteur. Lorsque la tension diminue sans ajuster la fréquence, le moteur devient plus faible car il produit moins de couple — c’est la force qui permet de maintenir sa rotation. Si le couple devient trop faible, le moteur risque de ne plus pouvoir vaincre la résistance de la charge, comme les pales d’un ventilateur, et peut caler ou s’arrêter de tourner. C’est pourquoi réduire simplement la tension (comme le font les régulateurs TRIAC) peut s’avérer risqué, surtout à basse vitesse, comparé aux variateurs de fréquence qui ajustent simultanément la tension et la fréquence pour assurer un fonctionnement fluide du moteur.
Un variateur de fréquence maintient le rapport entre la tension et la fréquence constant (U/f = constant). Cela fait en sorte que le moteur reçoit toujours une tension optimisée (avec une consommation d’énergie réduite !). Grâce à ce rapport parfait, le moteur est toujours contrôlé de manière optimale. Cela rend également le variateur de fréquence nettement plus économe en énergie qu’un régulateur TRIAC ou un régulateur de vitesse par transformateur, surtout à basse vitesse. Lorsque la tension du moteur est réduite, la fréquence est également diminuée. Cela provoque une rotation plus lente du moteur tout en maintenant quasiment son couple maximal. Lorsque la vitesse du moteur est contrôlée par un variateur de fréquence, celui-ci reste puissant même à basse vitesse. Le risque de calage à faible vitesse est ainsi nettement réduit. En raison de la tension moteur non parfaitement sinusoïdale fournie par les régulateurs TRIAC, le moteur peut être bruyant, notamment à basse vitesse. Le variateur de fréquence crée une tension presque parfaitement sinusoïdale grâce à la technologie PWM (modulation de largeur d’impulsions), ce qui permet au variateur comme au moteur de fonctionner en silence total. Si les niveaux sonores restent trop élevés avec les réglages standard, ils peuvent être réduits davantage en augmentant la fréquence de commutation maximale dans les paramètres du variateur de fréquence (paramètre 17). Cependant, une fréquence de commutation plus élevée peut entraîner une usure plus rapide des roulements du moteur ainsi qu’une augmentation des émissions électromagnétiques (CEM).
Comment fonctionne un variateur de fréquence ?
D’un point de vue technique, un variateur de fréquence peut être divisé en trois blocs fonctionnels :
- 1. Le redresseur – C’est à ce niveau que la tension alternative d’entrée (monophasée ou triphasée) est convertie en courant continu (DC).
- 2. Le bus DC – Ce module agit comme un réservoir d’énergie. Le bus DC peut être considéré comme une grande batterie interne au variateur de fréquence.
- 3. L’onduleur – À ce stade, la tension continue est reconvertie en tension alternative (monophasée ou triphasée). La technologie utilisée pour cette conversion est la modulation de largeur d’impulsions ou PWM (Pulse Width Modulation). Des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistors) permettent de faire circuler le courant pendant de très courts instants successifs (on peut les comparer à des interrupteurs qui s’allument et s’éteignent extrêmement rapidement). L’enchaînement de ces impulsions très courtes forme une tension sinusoïdale presque parfaite. Les IGBT sont bien plus rapides que les TRIACs et peuvent commuter des courants bien plus élevés. Cependant, ils sont également plus coûteux que les TRIACs.
La grande différence entre un variateur de fréquence et un régulateur par transformateur ou TRIAC réside dans le fait que le variateur de fréquence convertit d’abord l’énergie d’entrée en tension continue, avant de la reconvertir en tension alternative. Les régulateurs TRIAC et les régulateurs à transformateur ne font que réduire la tension alternative fournie.
Compatibilité électromagnétique ou CEM
CEM signifie Compatibilité ÉlectroMagnétique. Tous les variateurs de fréquence utilisent des IGBT (les interrupteurs électroniques à haute vitesse) pour réguler la vitesse du moteur. Bien que ces interrupteurs soient très efficaces, ils génèrent également du bruit électrique — également appelé interférences électromagnétiques (EMI – ElectroMagnetic Interference) — qui peut se propager dans le réseau électrique du bâtiment. Les régulateurs TRIAC et les régulateurs à transformateur produisent beaucoup moins d’interférences électromagnétiques qu’un variateur de fréquence, car ils commutent à une fréquence bien plus faible. C’est pourquoi le filtre CEM joue un rôle essentiel pour maintenir la stabilité de l’environnement électrique du bâtiment lorsque des variateurs de fréquence y sont installés. Les interférences électromagnétiques (EMI) ne provoquent pas de bruit audible, mais elles peuvent perturber le fonctionnement d'autres dispositifs électroniques sensibles présents dans le bâtiment. Des systèmes tels que les alarmes incendie, les commandes d’éclairage, les réseaux de communication ou encore les équipements de bureau peuvent tous être affectés par cette perturbation invisible. C’est précisément là qu’intervient le filtre CEM. Ce filtre agit comme une barrière de protection, en bloquant le bruit électrique généré par le variateur de fréquence et en l’empêchant de se propager via l’alimentation électrique. Autrement dit, le filtre CEM permet au variateur de fonctionner sans perturber les autres équipements du bâtiment. Installer un filtre CEM n’est pas seulement une bonne pratique — c’est souvent une obligation. Dans les bâtiments commerciaux, industriels ou à usage mixte, les réglementations imposent généralement l’utilisation de filtres CEM lors de l’installation de variateurs de fréquence. Cela permet de garantir la conformité aux normes de sécurité électrique tout en assurant la fiabilité de l’ensemble des systèmes électroniques du bâtiment.
Gamme de variateurs de fréquence
Sentera est distributeur des variateurs de fréquence Invertek pour les applications CVC. La série Optidrive E3 est reconnue pour sa facilité d’utilisation, sa qualité excellente et ses réglages standards déjà optimisés pour les applications CVC. Cela simplifie la mise en service et la configuration. Tous les appareils sont équipés d’un filtre CEM intégré de catégorie C1 selon la norme EN61800-3:2004. Notre gamme de variateurs de fréquence se compose de trois variantes :
1. Variateurs de fréquence -E2 pour installation en armoire électrique Ils disposent de borniers pour connecter des signaux de commande externes. Ces variateurs sont équipés du panneau de commande standard (5 boutons poussoirs et un afficheur LED 7 segments). Les commandes de marche/arrêt externes et les signaux de consigne de vitesse 0-10 V peuvent être raccordés via le bornier. Le variateur utilise ces signaux externes pour réguler la vitesse du moteur. Le boîtier des appareils -E2 offre un degré de protection IP20 contre la pénétration de poussière et d’humidité. Nous recommandons vivement d’installer ces appareils dans une armoire électrique disposant d’une ventilation et d’un refroidissement suffisants afin d’assurer une bonne dissipation thermique.
du panneau de commande standard (5 boutons poussoirs et un afficheur LED 7 segments). Les commandes de marche/arrêt externes et les signaux de consigne de vitesse 0-10 V peuvent être raccordés via le bornier. Le variateur utilise ces signaux externes pour réguler la vitesse du moteur. Le boîtier des appareils -E2 offre un degré de protection IP20 contre la pénétration de poussière et d’humidité. Nous recommandons vivement d’installer ces appareils dans une armoire électrique disposant d’une ventilation et d’un refroidissement suffisants afin d’assurer une bonne dissipation thermique. 2. Variateurs de fréquence -E6-19 pour installation extérieure Ces variateurs de fréquence sont équipés de borniers pour connecter des signaux de commande externes. Ils disposent du panneau de commande standard (5 boutons poussoirs et un afficheur LED 7 segments). Les commandes externes de marche/arrêt ainsi que les signaux de consigne de vitesse 0-10 V peuvent être raccordés via le bornier. Le variateur utilise ces signaux externes pour piloter le moteur. Le boîtier des appareils -E6-19 offre un degré de protection IP66 contre la pénétration d’eau et de saletés. Grâce à ce boîtier robuste, ils peuvent être installés directement en extérieur, à proximité du moteur. Ils sont étanches à la poussière et conçus pour supporter des lavages à haute pression grâce à leur enveloppe en ABS étanche et leur dissipateur thermique résistant à la corrosion. Le boîtier en plastique polycarbonate robuste est conçu pour résister à la dégradation due aux rayons ultraviolets (UV), aux graisses, huiles et acides. Il est également suffisamment résistant pour ne pas devenir cassant à -20 °C. Il est cependant recommandé de protéger l’appareil de la pluie directe et du rayonnement solaire.
externes. Ils disposent du panneau de commande standard (5 boutons poussoirs et un afficheur LED 7 segments). Les commandes externes de marche/arrêt ainsi que les signaux de consigne de vitesse 0-10 V peuvent être raccordés via le bornier. Le variateur utilise ces signaux externes pour piloter le moteur. Le boîtier des appareils -E6-19 offre un degré de protection IP66 contre la pénétration d’eau et de saletés. Grâce à ce boîtier robuste, ils peuvent être installés directement en extérieur, à proximité du moteur. Ils sont étanches à la poussière et conçus pour supporter des lavages à haute pression grâce à leur enveloppe en ABS étanche et leur dissipateur thermique résistant à la corrosion. Le boîtier en plastique polycarbonate robuste est conçu pour résister à la dégradation due aux rayons ultraviolets (UV), aux graisses, huiles et acides. Il est également suffisamment résistant pour ne pas devenir cassant à -20 °C. Il est cependant recommandé de protéger l’appareil de la pluie directe et du rayonnement solaire. 3. Variateurs de fréquence -E6-19 pour installation en extérieur avec boutons de commande intégrés. Ces variateurs sont équipés d’un potentiomètre intégré pour le réglage de la vitesse, d’un interrupteur à 3 positions pour les commandes Marche arrière – ARRÊT – Marche avant, ainsi que d’un interrupteur général verrouillable. Le boîtier des appareils -E6-19 offre un degré de protection IP66 contre la pénétration d’eau et de poussière. Grâce à ce boîtier robuste, ils peuvent être installés directement en extérieur, à proximité du moteur. Ils sont étanches à la poussière et conçus pour un nettoyage haute pression grâce à leur enveloppe en ABS étanche et leur dissipateur thermique résistant à la corrosion. Le boîtier en plastique polycarbonate solide est conçu pour résister à la dégradation par les rayons ultraviolets (UV), aux graisses, huiles et acides. Il est également suffisamment robuste pour ne pas devenir cassant à -20 °C. Il est recommandé de protéger l’appareil de la pluie directe et de l’exposition au soleil.
réglage de la vitesse, d’un interrupteur à 3 positions pour les commandes Marche arrière – ARRÊT – Marche avant, ainsi que d’un interrupteur général verrouillable. Le boîtier des appareils -E6-19 offre un degré de protection IP66 contre la pénétration d’eau et de poussière. Grâce à ce boîtier robuste, ils peuvent être installés directement en extérieur, à proximité du moteur. Ils sont étanches à la poussière et conçus pour un nettoyage haute pression grâce à leur enveloppe en ABS étanche et leur dissipateur thermique résistant à la corrosion. Le boîtier en plastique polycarbonate solide est conçu pour résister à la dégradation par les rayons ultraviolets (UV), aux graisses, huiles et acides. Il est également suffisamment robuste pour ne pas devenir cassant à -20 °C. Il est recommandé de protéger l’appareil de la pluie directe et de l’exposition au soleil. Comment choisir le variateur de fréquence adapté à votre application ?
Une fois le type de variateur choisi, il faut également faire une sélection basée sur les caractéristiques techniques du moteur. Pour choisir le variateur adapté à votre application, vous aurez besoin des informations suivantes :
• Quelle est la tension d’alimentation disponible sur site ? Les tensions d’alimentation couramment disponibles sont :
C’est cette tension qui sera fournie au variateur de fréquence.
• Quelle tension le moteur nécessite-t-il ? (Cette information se trouve généralement sur la plaque technique du moteur.) Les moteurs AC sont généralement disponibles aux tensions suivantes :
C’est cette tension que le variateur de fréquence fournira au moteur AC (indépendamment de la tension d’alimentation du variateur).
• Quel est le courant du moteur ? Cette information figure également sur la plaque technique du moteur et s’exprime en ampères [A]. Le courant que le variateur de fréquence peut fournir doit être supérieur au courant du moteur. Dans le cas où plusieurs moteurs sont commandés par un seul variateur, la somme totale de tous les courants moteurs (avec une marge de sécurité) doit être inférieure au courant maximal que peut fournir le variateur. Habituellement, les indications de courant [A] et de puissance [kW] sur le moteur et sur le variateur correspondent. En cas de doute, il est conseillé de choisir un type de variateur pouvant fournir un courant supérieur au courant maximal du moteur.
Si vous avez des questions sur nos solutions de régulation de moteurs de ventilateurs, n’hésitez pas à contacter notre équipe à votre disposition