thumb|Petit variateur de vitesse. thumb|Électronique du variateur de vitesse ci-dessus.

Un variateur électronique de vitesse (en anglais variable frequency drive ou VFD) est un dispositif destiné à régler la vitesse et le couple d'un moteur électrique, en faisant varier les paramètres de son alimentation : la valeur de la tension et, pour les moteurs à courant alternatif, le plus souvent la fréquence de la tension délivrées à la sortie de celui-ci.

Durant les quatre dernières décennies, les progrès de l'électronique de puissance ont permis de réduire le coût et la taille des variateurs de vitesse. Ils concernent à la fois les interrupteurs à semi-conducteurs utilisés, la topologie, les méthodes utilisées en contrôle-commande et en simulation, le matériel et les logiciels employés pour la commande.

Les dispositifs de l'électronique de puissance à la base de leur réalisation sont le hacheur, le gradateur, l'onduleur et le couplage redresseurs/onduleurs.

Principe et description thumb|Principe du variateur de vitesse.

Un variateur de vitesse est constitué d'un moteur électrique, d'un contrôleur et d'une interface utilisateur. Il fait partie d'un système d'entraînement.

Pour démarrer les moteurs électriques et contrôler leur vitesse, les démarreurs rhéostatiques, les variateurs de vitesse mécaniques et les groupes tournants (groupe Ward Leonard) ont été les premières solutions. En raison des progrès de l'électronique de puissance, les variateurs électroniques se sont imposés dans l’industrie comme des solutions économiques, fiables et sans entretien. Historiquement, le variateur électronique pour moteur à courant continu a été la première solution offerte puis sont apparus des convertisseurs de fréquence fiables et économiquesDaniel Clenet ; Cahier technique n° 208 ; Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques ; Schneider Electric ; 11-2003 ; https://download.schneider-electric.com/files?p_Doc_Ref=CT208&p_enDocType=Cahier+Technique&p_File_Name=CT208.pdf.

Interface utilisateur L'interface utilisateur permet de démarrer et d'arrêter le moteur ainsi que d'en ajuster la vitesse. Elle peut aussi inclure le fonctionnement du moteur en sens inverse, un sélecteur pour choisir entre commande manuelle et automatique, respectivement locale ou à distance, de la vitesse. L'interface dispose d'un affichage qui donne des informations sur le statut du moteur. Des touches permettent à l'utilisateur de communiquer avec l'interface. Des ports d'entrée et de sortie sont souvent fournis pour connecter d'autres périphériques, signaux... Un port série, par exemple, sert à configurer le contrôleur à partir d'un ordinateur.

Quadrants de fonctionnement d'un moteur électrique thumb | Quadrants d'un moteur asynchrone. Les moteurs électriques peuvent fonctionner de quatre manières différentes, appelées quadrants et définis comme suitBasics of AC Drives, pp. Hardware - Part 1: slides 9-10 of 11 : quadrant 1 : en . Le moteur tourne dans le sens avant, c'est-à-dire celui de la fréquence du réseau. Le couple est positif, autrement dit le moteur fournit du couple au rotor ; quadrant 2 : en . Le moteur tourne dans le sens arrière, le couple est positif ; quadrant 3 : en . Le moteur tourne dans le sens opposé à celui de la fréquence du réseau. Le couple est négatif ; quadrant 4 : en . Le moteur tourne dans le sens avant, mais le couple est négatif, le moteur freine le rotor.

Les variateurs de fréquence peuvent, selon les cas, être construits pour autoriser le fonctionnement dans un, deux ou quatre quadrants. Dans le premier cas, seul le quadrant 1 est géré. Un freinage n’est possible que par l’adjonction d’une résistance absorbant le courant généré par le moteur. Le freinage n’est pas piloté. Les ventilateurs ou les pompes centrifugeuses utilisent ce genre de fonctionnement. Si les quadrants 1 et 2 sont gérés, le moteur peut accélérer et freiner en inversant le sens de rotation. Si les quadrants 1 et 4 sont gérés, le moteur peut accélérer et freiner en sens avant. Les dispositifs quatre quadrants gèrent tous les cas possibles.

Les principales fonctions des variateurs de vitesse électroniques

Contrôle des accélérations La mise en vitesse du moteur est contrôlée au moyen d’une fonction du temps généralement réglable nommée rampe d’accélération, ce qui permet de choisir la durée de mise en vitesse approprié à l’application. le plus souvent cette rampe est linéaire ou en forme de « S ». La rampe en « S » est utilisée soit dans les applications comportant une charge mécanique fortement inertielle ou des dispositifs qui manipulent les liquides ou encore des objets fragileshttps://product-help.schneider-electric.com/Machine%20Expert/V1.1/fr/m241pto/m241pto/M241Lib-PTO-Configuration/M241Lib-PTO-Configuration-5.htm#.

Afin d'éviter de forts courants d'enclenchement au démarrage des moteurs, les variateurs de fréquence appliquent tout d'abord une fréquence et une tension faibles au moteur. Elles sont ensuite augmentées progressivement. Les méthodes de démarrage permettent typiquement au moteur de développer 150 % de son couple nominal, tout en limitant le courant à 50 % de sa valeur nominale à faible vitesse. Un variateur de fréquence peut aussi être configuré pour produire un couple de 150 % de sa valeur nominale, de la vitesse nulle à la vitesse nominale. Cette configuration a cependant tendance à faire chauffer le moteur si la période de faible vitesse se prolonge. L'ajout de ventilateurs est une option pour dissiper la chaleur produite.

Régulation de vitesse Un régulateur de vitesse est un variateur asservi en boucle fermée. La vitesse du moteur est définie par une consigne. La valeur de la consigne est en permanence comparée à un signal de retour, image de la vitesse du moteur délivré par le capteur (génératrice tachymétrique ou un générateur d’impulsions électriques ou capteur opto-électroniques monté en bout d’arbre du moteur).

Si un écart est détecté à la suite d'une variation de la vitesse réelle, le variateur agit de façon à ramener la vitesse à sa valeur de consigne.

Variation de vitesse Un variateur de vitesse peut ne pas être régulateur. C’est un système plus simple qui possède une commande mais en boucle ouverte, c'est-à-dire sans comparaison avec la vitesse réelle. Cette dernière peut donc varier en fonction des perturbations comme des fluctuations de la tension d’alimentation ou de la charge mécanique.

Décélération contrôlée Quand un moteur est mis hors tension, sa décélération résulte uniquement du couple résistant de la machine et de son inertie propre (décélération naturelle). Les démarreurs et variateurs électroniques permettent de contrôler la décélération au moyen d’une fonction du temps, rampe de décélération, généralement indépendante de la rampe d’accélération.

Si la décélération souhaitée est plus rapide que la décélération naturelle, le variateur commande le moteur afin d'augmenter le couple résistant, on parle alors de freinage électrique. Ce dernier peut s’effectuer, soit par renvoi d’énergie au réseau d’alimentation pour les variateurs de fréquence quatre quadrants, soit par dissipation dans une résistance de freinage (freinage rhéostatique). Dans le cas contraire, le moteur doit développer un couple moteur pour continuer à entraîner la charge jusqu’à l’arrêt.

Inversion du sens de marche L’inversion de la tension d’alimentation (variateurs pour moteur à courant continu) ou l’inversion de l’ordre des phases d’alimentation du moteur (variateurs pour moteur à courant alternatif) est réalisée automatiquement par le variateur.

Freinage d’urgence Ce freinage consiste à arrêter un moteur indépendamment de la rampe de ralentissement. Pour les variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones, on peut le réaliser de manière économique par injection de courant continu dans le moteur. Toute l’énergie mécanique est alors dissipée dans le rotor de la machine et, du fait de l'échauffement qui en résulte, ce freinage ne peut être qu’occasionnel. Pour un variateur pour moteur à courant continu, on referme l'induit sur une résistance de charge adaptée (freinage rhéostatique).

Protections intégrées Les variateurs assurent en général la protection thermique des moteurs et de leurs propres composants. Les variateurs sont, d’autre part, le plus souvent équipés de protections contre : les courts-circuits entre phases et entre phase et terre ; les surtensions et les chutes de tension ; les déséquilibres importants de phases.

Variateur pour moteur électrique à courant alternatif

Les moteurs électriques à courant alternatif utilisés dans les variateurs de vitesse sont principalement des moteurs asynchrones triphasés. Il est également possible d'employer des moteurs monophasés, mais ce cas est plus rare. Les moteurs synchrones présentent des avantages dans certaines situations, toutefois les asynchrones sont globalement moins coûteux et adaptés à la plupart des utilisations. Les moteurs des variateurs de vitesse sont souvent conçus pour avoir une vitesse de fonctionnement fixe. Les surtensions imposées par les variateurs de vitesse rendent indispensable une conception adaptée au moteur. Des normes internationales décrivent les contraintes à observerNEMA Guide, p. 13.

Contrôleur Principe Le contrôleur du variateur de vitesse est un composant d'électronique de puissance à base de semi-conducteurs. Il est souvent composé d'un redresseur, d'un circuit intermédiaire en tension continue. Dans le premier cas, ils convertissent la tension alternative du réseau électrique en une tension de sortie également alternative mais de phase et d'amplitude souhaitées pour le moteur électrique. Les variateurs de vitesse en source de tension sont les plus répandus. Dans le cas où une tension continue est disponible, les variateurs de vitesse sont seulement composés d'un onduleur. Les redresseurs sont généralement des ponts de diodes (ou de Graetz) double alternance triphasés à six pulsations. Dans le cas d'un variateur fonctionnant en source de tension, le circuit intermédiaire est constitué d'une capacité montée en parallèle, qui sert à la fois à lisser la tension et à servir de tampon entre les deux sources de tension que sont le redresseur et l'onduleur. La tension continue est ainsi constante à l'entrée de l'onduleur. Celui-ci la transforme en une tension sinusoïdale pour alimenter le moteur. Les onduleurs en source de tension ont un facteur de puissance plus élevé et fournissent une tension ayant moins d'harmoniques que ceux en source de courant (pour plus de détails se référer à la partie topologies génériques ci-dessous). Il est également possible d'avoir un contrôleur fonctionnant en convertisseur de phase, avec seulement une phase en entrée et trois phases en sortie.

Les composants à semi-conducteurs ont réalisé des progrès importants ces cinquante dernières années. Leurs tension, courant et fréquence de commutation admissibles ont considérablement augmenté. L'arrivée sur le marché des IGBT en 1983 a marqué une évolution importante. Ils se sont imposés comme les composants semi-conducteurs les plus utilisés dans les onduleurs associés aux variateurs de fréquence. Les contrôleurs ont bénéficié de ces progrès.

Stratégies de commande

Différentes stratégies de commande existent. La plus simple est la commande scalaire, qui consiste à maintenir constant le rapport tension sur fréquence (U/Hz) aux bornes du moteur. En d'autres termes, le flux magnétique dans le moteur est constant. Le couple par contre ne l'est pas. La commande scalaire est suffisante pour de nombreuses applications, mais elle a de faibles performances. Les fonctionnements en basse vitesse, dynamiques, demandant un positionnement précis, en sens opposé... sont mal supportés. Des variantes de la commande scalaire utilisent un rapport tension / fréquence dépendant de la situation.