Un variateur de fréquence est un appareil électronique qui permet de faire varier la vitesse d'un moteur électrique en modifiant la fréquence du courant alternatif qui l'alimente. Contrairement à un simple interrupteur, il ne se contente pas d'allumer ou d'éteindre le moteur : il contrôle précisément sa vitesse, son accélération et son ralentissement.

Les variateurs de fréquence sont principalement utilisés avec les moteurs asynchrones triphasés, mais certains modèles peuvent également piloter d'autres types de moteurs électriques.

Le principe de fonctionnement

Le réseau électrique fournit un courant alternatif de 50 Hz. Si un moteur est directement relié au réseau, sa vitesse dépend essentiellement de cette fréquence et du nombre de pôles de son stator.

Le variateur de fréquence crée un nouveau courant alternatif dont il peut modifier la fréquence et la tension. Le moteur n'est donc plus alimenté directement par le réseau, mais par le variateur.

En diminuant la fréquence, le moteur tourne plus lentement. En l'augmentant, sa vitesse augmente, dans les limites prévues par sa conception.

Les principales étapes de fonctionnement

Le fonctionnement d'un variateur comporte généralement trois étapes successives.

Le redressement

Le courant alternatif provenant du réseau est d'abord transformé en courant continu grâce à un pont de diodes ou à un redresseur commandé.

Le filtrage

Ce courant continu est ensuite stabilisé par des condensateurs qui réduisent les ondulations de tension et constituent une petite réserve d'énergie.

L'onduleur

Enfin, un onduleur composé de transistors de puissance recrée un courant alternatif dont la fréquence et la tension sont entièrement contrôlées par l'électronique de commande.

La variation de vitesse

La vitesse d'un moteur dépend directement de la fréquence du courant qui alimente son stator.

Par exemple, si la fréquence est réduite de 50 Hz à 25 Hz, le champ magnétique tournant tourne environ deux fois moins vite. Le rotor suit ce mouvement et la vitesse du moteur diminue dans les mêmes proportions.

Cette méthode permet d'obtenir une variation de vitesse continue, beaucoup plus précise qu'un simple changement d'engrenages ou de poulies.

Le contrôle de la tension

Lorsque la fréquence diminue, le variateur réduit généralement aussi la tension appliquée au moteur afin de conserver un fonctionnement efficace et d'éviter une surchauffe des enroulements.

Le rapport entre la tension et la fréquence est ainsi maintenu proche de sa valeur nominale sur une large plage de fonctionnement.

Le démarrage progressif

Un moteur branché directement sur le réseau absorbe souvent un courant très important au moment de son démarrage.

Le variateur augmente progressivement la fréquence et la tension, ce qui permet un démarrage progressif. Les appels de courant sont fortement réduits et les contraintes mécaniques sur les arbres, les engrenages et les courroies sont limitées.

Le freinage

Le variateur peut également ralentir progressivement le moteur en diminuant la fréquence du courant qu'il fournit.

Certains modèles sont capables de récupérer une partie de l'énergie produite pendant le freinage. Cette énergie peut être dissipée dans une résistance ou renvoyée vers le réseau électrique selon le type d'installation.

Les protections

Les variateurs surveillent en permanence le fonctionnement du moteur. Ils peuvent détecter une surcharge, un échauffement anormal, un court-circuit, une perte de phase ou une tension d'alimentation incorrecte.

En cas d'anomalie, ils arrêtent automatiquement le moteur afin de protéger l'installation.

Les avantages des variateurs de fréquence

Le contrôle précis de la vitesse améliore le confort d'utilisation, réduit les à-coups mécaniques, augmente la durée de vie des machines et diminue les besoins de maintenance.

Lorsque toute la puissance du moteur n'est pas nécessaire, le variateur réduit sa vitesse. La consommation d'énergie diminue alors souvent de manière importante, en particulier pour les pompes, les ventilateurs et les systèmes de ventilation.

Les applications

Les variateurs de fréquence sont utilisés dans les ascenseurs, les tapis roulants, les machines-outils, les pompes, les compresseurs, les systèmes de ventilation, les climatiseurs, les pompes à chaleur, les robots industriels, les convoyeurs, les grues, les véhicules électriques et de nombreuses installations automatisées.

Ils permettent d'adapter en permanence la vitesse des moteurs aux besoins réels de l'installation tout en améliorant les performances et en réduisant la consommation d'énergie.