Armoire de variateur de vitesse (VFD) : CEM, harmoniques et mise à la terre

Armoire de variateur de vitesse (VFD) : CEM, harmoniques et mise à la terre

Les variateurs de vitesse permettent d’importantes économies d’énergie en pilotant la vitesse des moteurs, mais du point de vue du tableautier ils constituent à la fois une source de perturbations puissante et une charge thermique et harmonique notable. Dans une armoire mal conçue, l’analyseur donne des valeurs erronées, les différentiels déclenchent sans raison apparente, les roulements moteur s’usent prématurément et le site dépasse ses limites de qualité de l’énergie. Cet article traite de la CEM, des harmoniques et de la thermique avec des règles applicables sur le terrain.

Ce qui se passe réellement dans une armoire de variateur

Un variateur redresse la tension du réseau, la stocke sur un bus continu et génère par commutation IGBT une tension à modulation de largeur d’impulsion et à fréquence variable pour le moteur. Ces fronts de commutation s’établissent en quelques microsecondes et provoquent des courants de fuite haute fréquence le long du câble moteur. Parallèlement, le redresseur absorbe un courant non sinusoïdal en impulsions et amplifie nettement les harmoniques de rang 5 et 7. La conception de l’armoire doit contenir ces deux effets à la source.

Conception CEM : blindage et reprise à 360 degrés

Le câble moteur doit être blindé et le blindage repris aux deux extrémités, en sortie de variateur et dans la boîte à bornes du moteur, par des presse-étoupe ou colliers CEM assurant un contact circonférentiel complet. Une reprise par simple queue de cochon crée une inductance en haute fréquence et annule l’essentiel du bénéfice du blindage. Dans l’armoire, les câbles de puissance et de signal circulent dans des goulottes distinctes et se croisent à angle droit lorsque le croisement est inévitable. La platine de montage doit être en métal nu, avec un contact réalisé sur une zone décapée plutôt qu’au moyen de rondelles crantées sur une surface peinte.

Réduction des harmoniques : self, 12 pulses et redresseur actif

Le moyen le plus économique de réduire la distorsion harmonique consiste à installer une self de ligne ou une self de bus continu de 3 ou 5 pour cent d’impédance, ce qui ramène à elle seule la distorsion de courant d’environ 80 pour cent à près de 35 pour cent. Lorsque les limites sont plus strictes, on envisage un filtre harmonique passif, un redresseur à 12 pulses ou un variateur à redresseur actif. Ce dernier abaisse la distorsion sous 5 pour cent et autorise le freinage régénératif, au prix d’un coût et d’une charge thermique supérieurs. Le choix dépend de la puissance de court-circuit du site et des limites de raccordement imposées par le gestionnaire de réseau.

Mise à la terre, courants de fuite et courants de roulement

Les variateurs génèrent par construction un courant de fuite permanent : les différentiels de type AC sont donc exclus et il faut retenir au minimum le type B. Entre variateur et moteur, un conducteur de protection dédié doit être posé en complément du blindage, avec une section vérifiée pour la condition de court-circuit. La tension de mode commun s’accumule sur l’arbre moteur et peut provoquer des amorçages destructeurs dans les roulements : roulements isolés, balais de mise à la terre d’arbre ou filtres dv/dt sont à envisager sur les câbles longs et les fortes puissances. Si la longueur du câble moteur dépasse la limite du constructeur, un filtre sinus s’impose en sortie.

Bilan thermique, implantation et règles de câblage

Les pertes d’un variateur représentent typiquement 2 à 3 pour cent de la puissance assignée et se transforment directement en chaleur dans l’enveloppe : un variateur de 110 kW dissipe à lui seul près de 3 kW. La ventilation forcée devient donc souvent insuffisante et un climatiseur ou un échangeur air-eau s’impose. Les variateurs se disposent de préférence côte à côte plutôt qu’empilés verticalement, en respectant toujours les volumes libres déclarés par le constructeur. Les câbles de puissance doivent rester courts et les câbles blindés physiquement séparés des câbles de signal dans les goulottes.

Points clés: armoire de variateur de vitesse

• Reprendre le blindage sur 360 degrés — Une queue de cochon ajoute de l’inductance en haute fréquence et annule l’essentiel du blindage.
• Prévoir une self pour chaque variateur — Une self de 3 à 5 pour cent divise par deux la distorsion harmonique pour un coût minime.
• Retenir des différentiels de type B — Les variateurs produisent un courant de fuite à composante continue qui aveugle les types AC et A.
• Baser le bilan thermique sur les pertes — Environ 3 pour cent de la puissance assignée devient de la chaleur et impose souvent un refroidissement actif.
• Source normative — catalogue des publications IEC: iec.ch.

Questions fréquentes

Quel différentiel convient à une armoire de variateur ?

En raison de l’étage redresseur, le courant de fuite n’est pas sinusoïdal et comporte une composante continue. Cette composante peut aveugler les appareils de type AC et A, si bien qu’un dispositif de type B ou B+ s’impose. Le courant différentiel assigné doit en outre valoir au moins le double de la fuite normale du variateur, et un appareil par variateur reste souvent la solution la plus propre.

Quelle longueur maximale pour le câble moteur ?

La limite dépend du constructeur, de la fréquence de découpage et du type de câble, et se situe typiquement entre 50 et 150 mètres en câble blindé. Au-delà, la capacité du câble augmente le courant de sortie, les réflexions de tension sollicitent l’isolation du moteur et un filtre dv/dt ou sinus devient obligatoire. La longueur doit être vérifiée dès la conception avec les tableaux du constructeur.

Une armoire de variateur nécessite-t-elle toujours une climatisation ?

Pas systématiquement, mais cela devient rapidement inévitable à mesure que la puissance installée augmente. Au-delà d’environ 50 kW de puissance totale, la ventilation naturelle ou forcée ne maintient généralement plus la température interne sous le seuil de déclassement du variateur. La décision finale doit reposer sur un bilan thermique selon la CEI 60890 et sur la température ambiante réelle.

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