Variateur de vitesse : fonctionnement et électronique de puissance

Pompes de relevage, centrales de traitement d'air, convoyeurs, compresseurs de pompe à chaleur : le variateur est devenu l'organe de commande le plus courant des moteurs. Il démarre en douceur, règle la vitesse au besoin réel de la machine et fait baisser la facture d'énergie, à condition d'être bien câblé, bien protégé et bien paramétré. Ce cours d'électronique de puissance, de niveau BTS électrotechnique, part des composants, passe par les convertisseurs et arrive au variateur tel qu'on le raccorde sur le terrain. Il suppose connus la vitesse de synchronisme et le glissement, vus dans le cours sur le moteur asynchrone triphasé.

Variateur de vitesse : le fonctionnement en trois étages

Sur le réseau, un moteur asynchrone tourne à une vitesse imposée par la fréquence, 50 Hz, et par son nombre de pôles. Pour changer sa vitesse sans perdre de couple, il faut lui fournir une tension dont on choisit la fréquence et l'amplitude : le variateur, ou convertisseur de fréquence, fabrique ce « mini-réseau » réglable.

Le premier étage est un redresseur, le plus souvent un pont de six diodes sur les variateurs triphasés, de quatre diodes sur les petits modèles alimentés en 230 V. Le deuxième est le bus continu : une batterie de condensateurs qui lisse la tension redressée et sert de réserve d'énergie. Un circuit de précharge limite le courant d'appel quand on met le variateur sous tension. Le troisième est l'onduleur : six IGBT associés à des diodes de roue libre, qui découpent la tension du bus pour alimenter les trois phases du moteur. Une carte de commande à microprocesseur pilote les IGBT, mesure courants et tension du bus, et assure les protections. La plupart des variateurs ajoutent un filtre CEM en entrée et un hacheur de freinage sur le bus, qui renvoie l'énergie de freinage dans une résistance.

Retenez dès maintenant que les condensateurs du bus se chargent à la valeur crête du réseau et gardent une tension dangereuse après la coupure. Avant d'ouvrir un variateur ou de toucher à ses bornes de puissance, on consigne, on attend le temps de décharge indiqué par le fabricant, puis on mesure la tension entre les bornes du bus continu. La démarche de consignation est détaillée dans le cours sur l'habilitation électrique.

Les composants de l'électronique de puissance : diode, thyristor, IGBT

En électronique de puissance, les semi-conducteurs travaillent en interrupteurs : ils sont soit fermés (passants, avec une faible chute de tension), soit ouverts (bloqués). Ils ne fonctionnent pas en régime linéaire, sinon ils dissiperaient une puissance énorme. Ce qui les distingue, c'est ce que l'on peut commander.

La diode se choisit d'après son courant moyen et sa tension inverse maximale. Le thyristor est une diode dont on commande l'amorçage : en le retardant d'un angle α, on règle une tension moyenne. Une fois amorcé, on ne sait plus l'éteindre ; il s'arrête seul quand le courant s'annule, ce qui arrive à chaque alternance en alternatif. L'IGBT, lui, se ferme et s'ouvre sur ordre, des milliers de fois par seconde, avec une commande en tension qui consomme très peu : c'est lui qui rend possible la MLI.

Redresseur à pont de diodes : monophasé, triphasé et valeurs moyennes

Le redresseur transforme une tension alternative en tension de signe constant. Le montage de référence est le pont de Graetz, ou pont de diodes, décrit dans notre fiche sur le pont de diodes. Ce qui compte au BTS, c'est de savoir tracer la tension de sortie et calculer sa valeur moyenne.

Pont monophasé PD2

Avec quatre diodes, les deux alternances sont redressées : la sortie est une suite d'arches de sinusoïde. Sur charge résistive, sa valeur moyenne vaut :

Umoy = 2 Û / π = 0,9 × U

avec Û la valeur maximale et U la valeur efficace de la tension alternative (Û = U × √2). Sur le 230 V : Û = 230 × 1,414 = 325 V, et Umoy = 0,9 × 230 ≈ 207 V. L'ondulation se fait à 2 × f, soit 100 Hz. Pour mémoire, le simple redressement à une diode ne garde qu'une alternance sur deux et donne Umoy = Û / π ≈ 0,45 × U.

Pont triphasé PD3

Avec six diodes sur un réseau triphasé, la tension de sortie suit à chaque instant le plus grand écart entre deux phases. Elle comporte six arches par période et ondule donc à 6 × f, soit 300 Hz. Sa valeur moyenne vaut :

Umoy = 3 √2 U / π ≈ 1,35 × U

avec U la tension composée (entre phases). Sur le 400 V : Umoy ≈ 1,35 × 400 = 540 V. La tension ne descend jamais sous 0,866 fois sa valeur crête : elle est déjà presque continue.

Ce que change le condensateur

Dans un variateur, le pont débite sur des condensateurs, qui se chargent presque jusqu'à la valeur crête et se déchargent peu entre deux arches : la tension du bus s'approche de U × √2, soit 565 V en théorie sur un réseau 400 V et autour de 560 V en pratique. Le revers est que les diodes ne conduisent plus que pendant de brèves pointes, près du sommet de chaque arche : le courant absorbé n'est plus sinusoïdal, ce qui crée des harmoniques.

Le hacheur : régler une tension continue

Le hacheur transforme une tension continue fixe en tension continue réglable. Le hacheur série, ou abaisseur, place un interrupteur commandé entre la source E et la charge, avec une diode de roue libre qui prend le relais du courant quand l'interrupteur s'ouvre. L'interrupteur est fermé pendant α × T sur chaque période T ; α, compris entre 0 et 1, est le rapport cyclique. La tension moyenne en sortie vaut :

Umoy = α × E

Une inductance en série lisse le courant. Son ondulation crête à crête, en conduction continue, vaut ΔI = α × (1 − α) × E / (L × f), maximale pour α = 0,5 où elle vaut E / (4 × L × f). Augmenter la fréquence ou l'inductance réduit donc l'ondulation. Dans le variateur, le même principe sert au hacheur de freinage : quand le moteur freine et renvoie de l'énergie, la tension du bus monte, et le hacheur dérive cette énergie dans une résistance pour éviter le défaut « surtension bus ». Le hacheur parallèle, ou élévateur, produit à l'inverse une tension supérieure à celle de la source.

L'onduleur MLI : fabriquer une tension alternative de fréquence variable

L'onduleur fait le chemin inverse du redresseur. Il comporte trois bras de deux IGBT, un par phase du moteur ; dans chaque bras, un seul IGBT conduit à la fois, et la sortie est reliée tantôt au + du bus, tantôt au −. Commuter une seule fois par demi-période donnerait une tension en créneaux, très riche en harmoniques, qui ferait chauffer et vibrer le moteur.

La modulation de largeur d'impulsions (MLI, ou PWM en anglais) règle ce problème. Les IGBT commutent à la fréquence de découpage, de quelques kilohertz à une quinzaine de kilohertz selon les modèles et le réglage. Dans chaque période de découpage, la durée de liaison au + varie : longue quand on veut une tension instantanée élevée, courte quand on la veut faible. La tension de sortie reste une suite d'impulsions à la tension du bus, mais sa valeur moyenne glissante dessine une sinusoïde, le fondamental. Le principe de la modulation est détaillé dans notre fiche sur le signal PWM.

Les enroulements du moteur, inductifs, filtrent les impulsions : le courant y est presque sinusoïdal. La commande règle indépendamment la fréquence du fondamental et son amplitude. La fréquence de découpage est un compromis : plus elle est élevée, plus le moteur est silencieux, mais plus les IGBT chauffent et plus les perturbations augmentent.

Retenez une limite : un variateur ne peut pas fournir au moteur une tension efficace supérieure à celle du réseau qui l'alimente. Un variateur alimenté en 230 V monophasé délivre du triphasé 230 V : il alimente un moteur 230/400 V couplé en triangle, pas en étoile.

Variateur de fréquence : loi U/f et contrôle vectoriel

La vitesse du moteur asynchrone suit la fréquence : Ns = 60 × f / p. À 25 Hz, un moteur 4 pôles (p = 2) a une vitesse de synchronisme de 750 tr/min. Mais le flux dans le moteur est proportionnel au rapport U / f : garder 400 V à 25 Hz doublerait le flux, saturerait le circuit magnétique et ferait s'envoler le courant. On baisse donc la tension dans la même proportion que la fréquence.

La loi U/f, ou commande scalaire

C'est la commande la plus simple : le variateur maintient U / f = constante. Pour un moteur 400 V / 50 Hz, le rapport vaut 8 V/Hz : 200 V à 25 Hz, 80 V à 10 Hz. Le flux restant constant, le moteur peut fournir son couple nominal sur toute la plage de 0 à 50 Hz ; on parle de zone à couple constant. À très basse fréquence, la chute de tension dans la résistance des enroulements n'est plus négligeable : le variateur ajoute un peu de tension, c'est le boost ou compensation RI. Au-dessus de 50 Hz, la tension a atteint celle du réseau et ne peut plus suivre : le flux diminue, c'est le défluxage, et le couple disponible baisse à peu près comme 50 / f. La puissance reste alors sensiblement constante.

Propriété utile pour les calculs : à couple constant, l'écart Ns − N reste à peu près le même quelle que soit la fréquence ; les caractéristiques couple-vitesse se déplacent parallèlement. Sans compensation, la vitesse réelle dépend donc de la charge, et le couple à très basse vitesse est médiocre. La loi U/f suffit pour les pompes et ventilateurs, et c'est elle qu'on utilise quand un variateur alimente plusieurs moteurs en parallèle.

Le contrôle vectoriel de flux, en quelques mots

Le contrôle vectoriel va plus loin. À partir d'un modèle du moteur, construit pendant l'autoréglage, et des courants qu'il mesure, le variateur sépare dans le courant statorique la part qui crée le flux et celle qui produit le couple, et les régule chacune. Le moteur asynchrone se pilote alors presque comme un moteur à courant continu : couple élevé dès les basses vitesses, vitesse stable quand la charge varie. Sans capteur, il couvre la plupart des applications ; avec un codeur sur l'arbre, en boucle fermée, il tient le couple jusqu'à l'arrêt. Au BTS, on attend de savoir le situer et le choisir, pas d'en écrire les équations.

Paramétrer un variateur : les réglages de base

Les noms de menus changent d'une marque à l'autre, mais une mise en service suit toujours le même fil. La première règle est de partir de la plaque signalétique du moteur, pas de valeurs usine.

Une fois ces réglages faits, on essaie à vide si possible, on vérifie le sens de rotation (il s'inverse par paramètre ou en permutant deux phases en sortie, jamais en entrée), puis on contrôle en charge le courant affiché par le variateur. Un variateur arrêté sur défaut affiche un code : la notice est le premier outil de dépannage, avant le multimètre.

Démarreur progressif ou variateur de vitesse ?

Les deux appareils se ressemblent dans l'armoire, mais ils ne font pas le même travail. Le démarreur progressif est un gradateur : sur chaque phase, deux thyristors tête-bêche ne laissent passer qu'une partie de chaque alternance. La tension efficace monte progressivement jusqu'à celle du réseau, mais la fréquence reste à 50 Hz. Le courant de démarrage baisse à peu près comme la tension, le couple comme son carré : à 60 % de la tension, il reste environ 36 % du couple de démarrage. En fin de démarrage, un contacteur de court-circuitage (by-pass) prend souvent le relais des thyristors.

La question à se poser : la machine doit-elle changer de vitesse en fonctionnement ? Si non, et si elle démarre à faible charge, le démarreur progressif suffit. Sinon, il faut un variateur. Sur les pompes et ventilateurs, l'argument énergétique pèse lourd : la puissance absorbée varie à peu près comme le cube de la vitesse, et réduire la vitesse de 20 % la divise environ par deux (0,8³ ≈ 0,51), là où une vanne ne fait que freiner le fluide.

CEM et câbles blindés : câbler un variateur proprement

Chaque commutation d'un IGBT fait passer la tension de sortie de 0 au niveau du bus en un temps très court. Le câble moteur se comporte comme un condensateur entre ses conducteurs et la terre : à chaque front, un courant de fuite haute fréquence part vers la terre et revient au variateur par les masses. Sans précautions, il perturbe capteurs, automates et liaisons de communication, et fait déclencher les différentiels. La compatibilité électromagnétique, ou CEM, consiste à maîtriser ce chemin.

Les règles de câblage se retrouvent dans toutes les notices. Le câble moteur est blindé, conducteur de protection inclus dans le câble. Son blindage est raccordé à la masse aux deux extrémités, sur la plus grande surface possible : collier sur la plaque de masse côté variateur, presse-étoupe CEM à reprise de blindage à 360° côté moteur. Un blindage torsadé en « queue de cochon » perd l'essentiel de son efficacité. Les câbles de puissance et de commande cheminent séparément, et se croisent à angle droit quand ils doivent se croiser. Les consignes analogiques passent en câble blindé à paires torsadées, et le variateur est fixé sur une plaque de fond métallique non peinte, reliée à la terre.

La longueur du câble moteur est limitée par le fabricant : au-delà, les courants capacitifs et les réflexions d'onde créent des surtensions aux bornes du moteur, et il faut ajouter une inductance ou un filtre de sortie. Le filtre CEM d'entrée, souvent intégré, dérive lui aussi du courant vers la terre ; en schéma IT, les fabricants demandent en général de le déconnecter. Ne placez jamais de condensateurs de compensation ou de contacteur manœuvré en charge entre le variateur et le moteur.

Harmoniques et différentiel compatible : type F et type B

Le courant absorbé par pointes par le redresseur se décompose en sinusoïdes de fréquences multiples de 50 Hz, les harmoniques. Un variateur triphasé à pont de six diodes produit surtout les rangs 5, 7, 11 et 13 ; un variateur monophasé produit en plus un fort rang 3, qui s'additionne dans le neutre. Ils échauffent câbles et transformateurs ; une inductance de ligne ou sur le bus continu en réduit nettement le taux. Le taux de distorsion et les remèdes font l'objet du chapitre 30, consacré aux harmoniques ; notre fiche sur les harmoniques électriques en donne les bases.

La protection différentielle doit tenir compte de la forme du courant de défaut. En aval d'un redresseur, un défaut d'isolement peut produire un courant à la fréquence de sortie du variateur, un courant haché, voire un courant continu lissé si le défaut touche le bus. Un différentiel de type AC, prévu pour le seul courant alternatif sinusoïdal, peut ne pas le voir. D'où les choix résumés par les fabricants, par exemple dans le guide Legrand de la NF C 15-100 :

Même bien choisi, un différentiel peut déclencher sans défaut à cause des courants de fuite haute fréquence, qui s'additionnent quand plusieurs variateurs sont sur le même appareil : on répartit les variateurs et on respecte les longueurs de câble. Et un défaut à composante continue peut perturber un différentiel de type A ou AC placé en amont : la coordination se vérifie dans la documentation du fabricant. Le fonctionnement des différents types est repris dans le cours sur le disjoncteur et le différentiel.

Les points qui tombent à l'examen

Au BTS électrotechnique, l'électronique de puissance revient sous forme de questions courtes insérées dans une étude de cas : une station de pompage, une centrale de traitement d'air, un convoyeur. Quelques résultats reviennent presque à chaque session.

Les valeurs moyennes des redresseurs. 0,9 × U pour le PD2, 1,35 × U (tension composée) pour le PD3, et, pour les ponts à thyristors en conduction continue, les mêmes valeurs multipliées par cos α : Umoy = 1,35 × U × cos α pour un PD3 tout thyristors. Au-delà de α = 90°, la tension moyenne devient négative et le pont renvoie de l'énergie au réseau : c'est le fonctionnement en onduleur assisté, utilisé pour freiner les gros moteurs à courant continu. On demande aussi la fréquence d'ondulation (2f ou 6f) et le courant moyen dans une diode, qui vaut le tiers du courant de sortie pour un PD3 et la moitié pour un PD2.

Le hacheur. Umoy = α × E, l'ondulation de courant ΔI = α (1 − α) E / (L f), et sa valeur maximale E / (4 L f). Le sujet donne souvent un oscillogramme sur lequel il faut lire T, α et les valeurs extrêmes du courant.

La loi U/f et le point de fonctionnement. Calculer la tension à une fréquence donnée, la vitesse de synchronisme, puis la vitesse réelle en conservant l'écart Ns − N à couple constant. Savoir aussi que la zone au-delà de 50 Hz est à puissance constante et que le couple y diminue.

Le bilan énergétique d'une pompe. Débit proportionnel à la vitesse, hauteur au carré, puissance au cube : ces lois de similitude, approximatives, servent à chiffrer l'économie d'un variateur face à une vanne.

Les choix d'installation. Justifier le câble blindé, choisir le type de différentiel, expliquer pourquoi le relais thermique devient inutile (sauf plusieurs moteurs sur un même variateur) et pourquoi un moteur autoventilé ne doit pas tourner longtemps lentement à fort couple sans ventilation forcée ou sonde de température.

Les erreurs qui reviennent

La plus dangereuse est d'intervenir sur un variateur juste après l'avoir coupé. L'afficheur s'éteint, mais les condensateurs du bus restent chargés à plusieurs centaines de volts pendant le temps de décharge indiqué sur l'appareil. On attend, puis on vérifie l'absence de tension sur le bus avec un appareil adapté.

Vient ensuite le mauvais couplage du moteur. Un variateur monophasé 230 V sur un moteur 230/400 V couplé en étoile : le moteur ne reçoit que 230 V pour des enroulements prévus en étoile sous 400 V, il manque de couple et chauffe. Il faut le coupler en triangle et saisir les données de plaque correspondantes.

Troisième erreur : commander le moteur en coupant l'alimentation du variateur. Un contacteur de ligne sert à isoler, pas à démarrer et arrêter le moteur plusieurs fois par heure ; chaque mise sous tension sollicite le circuit de précharge. La marche et l'arrêt passent par les entrées de commande. De même, un contacteur en sortie ne s'ouvre jamais pendant que le variateur débite.

Quatrième erreur : bâcler le blindage. Un câble blindé dont le blindage n'est raccordé qu'à une extrémité, ou par une longue tresse, ne protège presque rien. Les déclenchements intempestifs du différentiel et les mesures analogiques instables viennent très souvent de là.

Exercices corrigés d'électronique de puissance

Ces exercices sont de niveau BTS. Posez le calcul avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Redresseur monophasé. Un pont de diodes PD2 est alimenté en 230 V, 50 Hz, et débite sur une résistance de 50 Ω. Calculez la valeur maximale de la tension, la tension moyenne en sortie, le courant moyen dans la charge, le courant moyen dans une diode et la fréquence de l'ondulation.

Exercice 2. Bus continu d'un variateur triphasé. Un variateur est alimenté en 400 V triphasé. Calculez la tension moyenne en sortie du pont PD3 sans condensateur, puis la valeur vers laquelle tend la tension du bus avec les condensateurs. Quelle est la fréquence de l'ondulation ?

Exercice 3. Hacheur série. Un hacheur série est alimenté sous E = 540 V. Il commute à f = 10 kHz, avec un rapport cyclique α = 0,4, et débite dans une charge avec une inductance de lissage L = 20 mH. Calculez la tension moyenne de sortie, l'ondulation du courant, puis l'ondulation maximale possible.

Exercice 4. Loi U/f. Un moteur asynchrone 400 V, 50 Hz, 4 pôles, tourne à 1 460 tr/min à sa charge nominale. Il est piloté par un variateur en loi U/f, avec une consigne de 30 Hz, le couple résistant restant égal au couple nominal. Calculez la tension appliquée, la vitesse de synchronisme et la vitesse probable du moteur.

Exercice 5. Économie d'énergie sur une pompe. Une pompe centrifuge absorbe 10 kW à 50 Hz. Le process n'a besoin que de 80 % du débit. On compare un étranglement par vanne (la puissance absorbée reste proche de 10 kW) et un variateur. La pompe tourne 4 000 heures par an. Estimez l'économie annuelle avec le variateur, en négligeant ses pertes.

Exercice 6. Démarreur progressif. Un moteur développe au démarrage direct un couple égal à 2,2 fois son couple nominal et appelle 7 fois son courant nominal. Un démarreur progressif limite la tension à 50 % au début du démarrage. Estimez le courant et le couple de démarrage. La machine demande au décollage 0,8 fois le couple nominal : démarre-t-elle ?

Exercice 7. Choix du matériel. Sur un chantier de maison individuelle, une pompe à chaleur monophasée à compresseur piloté par variateur est raccordée sur un circuit dédié. Dans l'atelier voisin, un compresseur d'air de 7,5 kW est commandé par un variateur triphasé 400 V. Quel type de différentiel protège chaque circuit ? Quel câble prévoyez-vous entre le variateur de l'atelier et son moteur, et comment raccordez-vous son blindage ?

Sources

• Schneider Electric, Cahier technique n° 208, Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques (éduscol STI) : redresseur, bus continu, onduleur MLI, loi U/f, contrôle vectoriel, gradateur.
• Schneider Electric, Cahier technique n° 149, La CEM : la compatibilité électromagnétique (éduscol STI).
• Legrand, NF C 15-100, révision du 23 août 2024 : points clés, choix des interrupteurs différentiels AC, A, F et B.
• Hager, Interrupteurs et disjoncteurs différentiels type F.

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