Comment mesurer la tension de sortie d'un variateur à fréquence variable (VFD) vers un moteur

Découvrez la séquence de mesure étape par étape pour évaluer les facteurs de sorties d'un variateur à fréquence variable lors du dépannage des signaux électriques

Lors du dépannage des signaux électriques dans un système de moteur/variateur, raisonnez en termes d'entrée par rapport à la sortie. Un variateur à fréquence variable (VFD) transforme le secteur d'entrée de la tension constante et la fréquence en une gamme de tension et de fréquence qui peuvent varier pour contrôler le couple de moteur. Pour effectuer un dépannage au niveau de l'entrée, il faut commencer par tester la source d'alimentation et sa qualité.

Pour effectuer un dépannage au niveau de la sortie, il faut commencer par mesurer la tension et la fréquence transformées. Cet article vous montre les étapes de la séquence de mesure pour évaluer les facteurs de sortie d'un VFD :

  • Bus DC
  • Tension / courant / fréquence de sortie
  • Déséquilibre
  • Rapport Volts/Hertz
  • Réflexions de sortie

La Figure 1 illustre les composants du convertisseur AC vers DC de l'entrée VFD et le signal modulé de largeur d'impulsion de sortie, ainsi que la liaison DC entre les deux. Dans un VFD, l'onduleur de modulation de largeur d'impulsion (PWM) régule à la fois la tension et la fréquence vers le moteur. La tension et la fréquence vers le moteur varient en modulant la largeur d'impulsion de sortie, effet obtenu en contrôlant le commutateur à semi-conducteur.

Figure 1 Imaginez un système de moteur/variateur comme une unité composée de trois segments : entrée, sortie et charge ; cela vous aide à connaître les mesures et étapes de dépannage spécifiques à adopter dans chaque segment.
Figure 1. Imaginez un système de moteur/variateur comme une unité composée de trois segments : entrée, sortie et charge ; cela vous aide à connaître les mesures et étapes de dépannage spécifiques à adopter dans chaque segment.

Les diodes d'entrée fournissent un tampon DC constant à la section de l'onduleur de commutation. Il équivaut à 1,414 fois le pic de la tension d'entrée. Le condensateur agit comme un filtre qui réduit l'ondulation dans la section DC.

Les appareils de contrôle dans la section de l'onduleur sont généralement des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT), de nos jours, ils disposent de suffisamment d'énergie pour supporter des charges pouvant atteindre les 500 ch.

Étape 1 : mesurer la tension du bus DC

Figure 2. Connexion d'un oscilloscope pour mesurer la tension tampon DC positive et négative.
Figure 2. Connexion d'un oscilloscope pour mesurer la tension tampon DC positive et négative.
Figure 3. Ces deux écrans affichent un exemple de forme d'onde couplée DC et de forme d'onde couplée AC provenant d'un oscilloscope utilisé pour inspecter les tensions globales DC et d'ondulation
Figure 3. Ces deux écrans affichent un exemple de forme d'onde couplée DC et de forme d'onde couplée AC provenant d'un oscilloscope utilisé pour inspecter les tensions globales DC et d'ondulation
Figure 3. Ces deux écrans affichent un exemple de forme d'onde couplée DC et de forme d'onde couplée AC provenant d'un oscilloscope utilisé pour inspecter les tensions globales DC et d'ondulation
Figure 4. Utilisez un oscilloscope avec des entrées électriquement isolées et conformes aux normes de sécurité pour effectuer des mesures différentielles sur les sorties triphasées.
Figure 4.Utilisez un oscilloscope avec des entrées électriquement isolées et conformes aux normes de sécurité pour effectuer des mesures différentielles sur les sorties triphasées.
Figure 5. Mesurez le courant de chaque phase à l'aide de pinces de courant adaptées.
Figure 5. Mesurez le courant de chaque phase à l'aide de pinces de courant adaptées.

Un oscilloscope peut être utilisé pour mesurer la valeur absolue d'une tension DC redressée ; lorsqu'il est couplé DC, il peut également être utilisé pour zoomer sur un signal pour visualiser l'étendue de l'ondulation (voir la Figure 2).

  • Mesurez la tension du bus DC aux bornes + et - à l'aide de l'oscilloscope ou du multimètre numérique (DMM).
  • Utilisez le couplage des entrées AC ou DC pour mesurer les tensions absolues ou d'ondulation.
  • Assurez-vous que l'oscilloscope et la sonde ont la puissance appropriée à la mesure du niveau de tension.

Interprétation des mesures sur le bus DC

La tension du bus DC est relative à la tension de crête de l'entrée secteur.

  • La tension du bus DC est égale à ~1,414 x la tension secteur efficace. Par exemple, pour un variateur de vitesse de 480 V AC, la tension du bus DC doit être égale à ~ 678 V DC.
  • Une tension DC trop faible peut entraîner un déclenchement du variateur. C'est probablement dû à une tension d'entrée secteur trop faible ou à une onde sinusoïdale au niveau de l'entrée distordue par les sommets aplanis.
  • Si les pics de l'ondulation ont un niveau répétitif différent, il est possible qu'une des diodes de redressement soit défectueuse (cela dépend de la charge). Les tensions fluctuantes supérieures à 40 V peuvent être causées par un mauais foncitonnement des condensateurs ou par une capacité nominale du variateur de vitesse trop faible pour le moteur et la charge connectés (voir la Figure 3).

Étape 2 : mesurer la tension et le déséquilibre

  • Utilisez un oscilloscope équipé d'une fonction VPWM connecté entre les trois bornes du moteur (voir la Figure 4).
  • Comparez les relevés d'oscilloscope aux valeurs du variateur de vitesse.
  • La chute de tension entre le variateur et les bornes du moteur ne doit pas dépasser 3 %.
  • Un déséquilibre supérieur à 2 % est problématique.
  • Utilisez un oscilloscope multivoie pour contrôler le déséquilibre de tension du moteur au niveau des trois phases de sortie.
  • Mesurez la tension sur chaque borne et enregistrez la tension mesurée pour la prochaine étape.
  • Mesurez le déséquilibre de tension à pleine charge.

Étape 3 : mesurer le déséquilibre du courant

Utilisez un oscilloscope avec une pince de courant sur les trois bornes de sortie du variateur de vitesse, séparément, pour mesurer l'absorption de courant au niveau de chaque borne (voir la Figure 5).

Étant donné que la mesure de courant s'effectue dans un environnement à haut niveau d'énergie et électriquement bruyant, veillez à utiliser la pince de courant adéquate. Si la configuration des tests ne permet pas d'évaluer le déséquilibre automatiquement, consultez l'encadré « Calculer le déséquilibre manuellement ».

Le niveau de déséquilibre ne doit pas dépasser 10 %.

  • À chaque fois que le déséquilibre de tension atteint 1 %, le déséquilibre d'intensité au niveau du moteur est de 3 à 4 %.
  • Si le déséquilibre de tension est faible, un déséquilibre d'intensité excessif peut indiquer un court-circuit au niveau d'un enroulement moteur ou d'une phase avec la terre.
  • Généralement, le déséquilibre de courant pour les moteurs triphasés ne doit pas dépasser 10%.
  • Un déséquilibre de tension peut provoquer un déséquilibre de courant.
  • Si le déséquilibre de tension est compris dans des limites acceptables, tout déséquilibre de courant excessif détecté peut indiquer un court-circuit au niveau d'un enroulement moteur ou un court-circuit d'une des phases avec la terre.

Étape 4 : rapport Volts/Hertz

Le rapport de la tension sur la fréquence (mesurée en hertz) détermine le niveau de couple produit par un moteur à induction AC. Un rapport constant maintient le champ magnétique à l'intérieur du moteur à un niveau constant. Il en résulte un couple constant.

Au-dessus de la fréquence nominale de 60 Hz, la tension n'augmente plus et le couple décroît (voir Figure 6).

Figure 6. La tension et la fréquence dans des applications à puissance en chevaux variable et à couple constant peuvent être mesurées facilement pour vérifier la programmation correcte du variateur et le fonctionnement du moteur.
Figure 6. La tension et la fréquence dans des applications à puissance en chevaux variable et à couple constant peuvent être mesurées facilement pour vérifier la programmation correcte du variateur et le fonctionnement du moteur.
Figure 7. Configuration pour connecter l'entrée de l'oscilloscope afin de mesurer la tension de sortie et une pince de courant afin de mesurer la fréquence de sortie.
Figure 7. Configuration pour connecter l'entrée de l'oscilloscope afin de mesurer la tension de sortie et une pince de courant afin de mesurer la fréquence de sortie.
Figure 8. Notez les pics de tension sur le front descendant de ce signal à modulation de largeur d'impulsion (PWM) capturés par un oscilloscope.
Figure 8. Notez les pics de tension sur le front descendant de ce signal à modulation de largeur d'impulsion (PWM) capturés par un oscilloscope.

Pour mesurer le rapport volts/hertz, utilisez un multimètre numérique équipé d'une fonction VPWM, où VPWM reflète l'amplitude de la fréquence fondamentale, ou un oscilloscope. L'oscilloscope doit afficher simultanément la fréquence de la sortie PWM (modulation de largeur d'impulsion) et une tension comparable aux indications de la plaque signalétique du moteur (voir la Figure 7).

Utilisez une pince de courant pour mesurer la fréquence. Celle-ci doit être d'environ 7,6 pour un moteur de 460 V et d'environ 3,8 pour un moteur de 230 V.

Étape 5 : réflexions de sortie

Des réflexions se produisent à cause d'une désadaptation ou d'un changement d'impédance dans le trajet de transmission du courant (voir la Figure 8). Dans un circuit de variateur de vitesse, le pic de réflexion peut être aussi élevé que le niveau de tension du bus DC.

On peut comparer ce phénomène avec ce qui se produit lorsque le débit d'eau d'un tuyau d'arrosage est temporairement modifié par quelqu'un qui marche dessus. La pression de sortie du tuyau d'arrosage est modifiée et augmente lorsque la pression accumulée est relâchée. Utiliser un câble excessivement long (> 30 m) peut également se traduire par des réflexions sur la longueur, mesurables en tant que transitoires.

La réflexion en elle-même se manifeste sous forme de pics sur l'affichage d'un oscilloscope dans une large gamme de formes d'onde, d'amplitudes et de durées. En règle générale, des réflexions ou transitoires supérieurs à 50 % de la tension nominale sont problématiques.

Une des solutions possibles consiste à raccourcir les conducteurs entre le moteur et l'onduleur. Une autre consiste à augmenter la qualité du câblage, en réduisant ainsi l'impédance ou en passant à des moteurs à onduleur avec une valeur d'isolation de 1 600 V ou supérieure qui peut supporter les transitoires.

La plupart des réflexions sont provoquées par la commutation rapide de la tension DC par l'IGBT (dV/dt). L'IGBT est un élément du variateur qui fonctionne comme un interrupteur Marche/Arrêt très rapide. L'IGBT fournit une tension DC comme signal PWM (modulation de largeur d'impulsion) à une charge inductive. Ceci crée des tensions inductives très élevées sur une courte durée (le temps de la commutation), également appelées dV/dt.

L'IGBT est doté d'une diode de roue libre intégrée pour compenser cet effet. Les transitoires sont cependant visibles lorsque la « détection de pointes de tension » de l'oscilloscope est activée.

Figure 9. Capture d'écran d'un oscilloscope montrant un signal de variateur à modulation de largeur d'impulsions avec des réflexions excessives (tracé de l'entrée B).
Figure 9. Capture d'écran d'un oscilloscope montrant un signal de variateur à modulation de largeur d'impulsions avec des réflexions excessives (tracé de l'entrée B)."

Mesurer et interpréter les réflexions de sortie

La plupart des multimètres numériques ne sont pas équipés d'une bande passante de débit et de fréquence d'échantillonnage pour détecter les transitoires de sortie rapides et courts. Pour cette raison, utilisez un oscilloscope connecté aux bornes du moteur comme illustré dans la Figure 3. Le tracé de l'entrée B à la Figure 9 montre l'aspect que prennent les réflexions excessives dans l'affichage de la forme d'onde. Connaître l'aspect d'une distorsion spécifique permet de réduire le temps nécessaire à l'identification de la cause première.

Conclusion

L'identification de la cause première des défaillances du système de variateur de vitesse nécessite des tests et des mesures réalisés de façon systématique sur des points clés du système. En ce qui concerne la source d'alimentation en particulier, séparez l'entrée et la sortie d'alimentation et appliquez des techniques de mesure et des critères d'évaluation différents à chacune. Avec un peu de connaissances, ces mesures peuvent mener le dépannage vers la véritable cause première, pour améliorer le système le plus rapidement possible.