L’introduction de circuits de commande dans les moteurs électriques pour les applications industrielles a présenté de nombreux avantages, notamment une consommation d’énergie bien moindre et une productivité nettement supérieure. Cependant, cette complexité accrue exige de prendre en compte un plus grand nombre de variables dans le processus de conception. Dans cet article d’Analog Devices, découvrez comment protéger l’alimentation électrique des variateurs de vitesse et dériver les rails d’alimentation en aval.
Les variateurs de vitesse (VSD) nécessitent des conceptions de circuit en amont spécifiques pour fournir l’alimentation de commande principale et les alimentations électriques destinées à l’électronique de l’onduleur, à savoir les pilotes de grille et les circuits de détection de courant (voir le blog précédent dans la série). Ceux-ci sont mis en évidence de manière graphique dans la figure 1, qui montre une vue globale d’une architecture VSD courante.
Figure 1 : Architecture détaillée d’un variateur de vitesse
Ce blog aborde deux autres sujets importants relatifs à l’alimentation électrique dans le bloc du VSD mis en évidence dans la figure 1 :
- Protection de l’alimentation de commande principale
- Dérivation des rails d’alimentation de point de charge (POL) basse tension en aval
Protection de l’alimentation de commande
Dans un VSD, la protection de l’alimentation de commande principale (généralement 24 V) contre les transitoires et les conditions anormales est extrêmement importante. La raison en est qu’il existe généralement deux voies pour ce rail d’alimentation. La première voie est celle décrite dans le dernier blog, dans laquelle l’alimentation de commande 24 V est dérivée de l’alimentation secteur CA ou du bus CC haute tension via une étape de conversion de puissance isolée. Cependant, ce rail 24 V peut aussi, en général, être alimenté directement depuis une entrée d’alimentation auxiliaire connectée au VSD. La plupart des environnements d’automatisation distribuent des alimentations 24 V autour des armoires de commande pour divers équipements de contrôle. En général, le VSD exploite cette alimentation. Cette entrée auxiliaire 24 V est habituellement équipée d’une diode OR avec alimentation 24 V dérivée du convertisseur afin qu’une seule source d’alimentation soit active à la fois.
L’avantage est que, même si l’alimentation secteur CA s’arrête ou est coupée, l’alimentation auxiliaire 24 V continue généralement à fonctionner. L’électronique de contrôle du VSD peut ainsi rester sous tension, ce qui permet de redémarrer rapidement le VSD sans perdre d’informations contextuelles. L’inconvénient est que les alimentations électriques VSD sont désormais exposées à toutes les transitoires de tension existant sur le système d’alimentation 24 V de l’usine. Celles-ci peuvent être causées par la commutation de charges qui excitent des suroscillations sur les câbles de distribution, des événements de foudre qui se propagent dans le système, des décharges électrostatiques provoquées par des champs électriques proches ou par un contact humain, ainsi que des interférences électromagnétiques captées sur les câbles. Cette entrée d’alimentation auxiliaire nécessite donc une solide protection.
La norme de sécurité fonctionnelle des VSD IEC 61800-5-2 Annexe A (Section B.3.2) montre un sous-système d’alimentation (PS) et de contrôleur de tension (VM) recommandé pour ce type de rail 24 V CC. Il s’agit d’une protection contre une variété de défauts courants tels que l’inversion de polarité, la surintensité et les transitoires de tension.
Figure 2 : Protection d’alimentation auxiliaire recommandée selon la norme CEI 61800-5-2
Comme les transitoires impliquées peuvent être de niveau d’énergie et de durée variables, la conception d’un circuit discret peut prendre du temps et constituer une source d’erreurs. Elle peut aussi présenter une fiabilité médiocre à long terme. Les solutions intégrées telles que la gamme de parasurtenseurs d’Analog Devices intègrent toutes les exigences de la norme CEI 61800, y compris la détection et la protection contre les inversions de polarité d’entrée, la détection et la protection contre les surintensités, les courts-circuits et les courants d’appel, ainsi que la déconnexion des transitoires haute tension.
Figure 3 : Implémentation du parasurtenseur d’Analog Devices selon la norme CEI 61800-5-2
La figure 3 illustre l’utilisation des solutions de parasurtenseurs d’Analog Devices comme exemple de mise en œuvre des recommandations de la norme CEI 61800-5-2 en matière de protection. Des composants tels que le LT4363 ou la variante du LTC4381 avec MOSFET intégré peuvent offrir des solutions de protection robustes et fiables pour l’alimentation de commande principale.
Puissance de point de charge (POL) basse tension
En aval de l’alimentation de commande principale se trouvent les rails d’alimentation basse tension (< 12 V). Il s’agit en grande partie des alimentations de point de charge (POL) qui alimentent directement les principaux dispositifs de contrôle (CPU, FPGA), d’autres composants numériques (mémoire, émetteurs-récepteurs, interfaces) des circuits analogiques (ADC, DAC, amplis-op, etc.), ainsi que des périphériques et terminaux d’E/S. La conception spécifique de ces architectures d’alimentation est propre à chaque VSD et il est difficile de faire des généralisations. Toutefois, des approches types de ces alimentations électriques sont illustrées dans les figures 4 et 5. Dans la figure 4, des régulateurs de commutation à un étage sont utilisés pour certains rails basse tension clés, avec un régulateur à faible chute de tension (LDO) en aval, ajouté pour les rails analogiques sensibles au bruit ou les rails à courant très faible à des niveaux de tension inférieurs.
Figure 4 : Modèle de commutateur à un étage
Sur la figure 5, un seul rail intermédiaire est généré (dans ce cas 5 V). Il est ensuite abaissé en rails individuels selon les besoins des dispositifs POL. Le besoin potentiel de séquencement de démarrage ou de suivi des rails d’alimentation est également illustré ici, ce qui peut être important dans les systèmes multicontrôleurs complexes utilisés dans de nombreux VSD.
Figure 5 : Modèle de commutateur à plusieurs étages
La conception de l’architecture d’alimentation électrique POL est complexe et implique de nombreux compromis liés à l’efficacité globale, au coût, à l’espace et au bruit. Des outils tels que LTpowerCAD, LTpowerPlanner et LTSPICE d’Analog Devices permettent de faciliter considérablement la conception.
Récapitulatif
Ce blog sur le sujet des alimentations électriques au sein du VSD a souligné l’importance des circuits de protection pour l’alimentation de commande principale et abordé les difficultés liées à la conception de l’alimentation basse tension de POL.