1. Composants d'alimentation principaux : Le "Hub de conversion d'énergie" de l'armoire

1.1 Convertisseur de fréquence (Le cœur de l'armoire)

• Fonction : Reçoit une alimentation à fréquence fixe (50/60 Hz) et utilise des modules de puissance IGBT internes pour commuter rapidement le courant, le convertissant en une sortie triphasée avec une fréquence et une tension réglables. Cela permet aux moteurs à courant alternatif d'obtenir une régulation de vitesse progressive, un démarrage progressif (évitant les chocs mécaniques dus à un démarrage brusque) et une efficacité énergétique.
• Sélection : Déterminée par la puissance nominale du moteur, le courant à pleine charge et le type de charge (par exemple, charges de ventilateur/pompe avec couple variable par rapport aux charges de convoyeur/treuil avec couple constant).
• Étude de cas : Système de ventilateurs d'une station d'épuration :
  Une station d'épuration municipale a installé des onduleurs de 75 kW pour ses ventilateurs d'aération. Auparavant, les ventilateurs fonctionnaient à pleine vitesse 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, consommant une énergie excessive. En adaptant la fréquence de sortie de l'onduleur à la demande réelle d'oxygène (ajustée via des capteurs de qualité de l'eau), l'usine a réduit la consommation d'énergie des ventilateurs de 32 % par an. La fonction de démarrage progressif a également éliminé la "surtension de courant" qui déclenchait autrefois les anciens disjoncteurs de l'usine lors du démarrage.

1.2 Disjoncteur

• Fonction : Sert d'interrupteur principal, assurant l'isolement et la protection contre les courts-circuits. En cas de court-circuit grave (par exemple, un enroulement de moteur endommagé), il se déclenche en quelques millisecondes pour couper l'alimentation principale, évitant ainsi un incendie ou une défaillance des composants.
• Position : Généralement installé à l'avant de l'entrée d'alimentation de l'armoire.
• Étude de cas : Chaîne de montage automobile :
  Le système de convoyeur d'une usine automobile a subi un court-circuit lorsqu'un éclat de métal est tombé dans le boîtier du moteur. Le disjoncteur principal de 200 A de l'armoire de l'onduleur s'est déclenché instantanément, coupant l'alimentation du convoyeur défectueux. Cela a empêché d'endommager l'onduleur et d'autres composants en amont, limitant les temps d'arrêt à seulement 45 minutes (contre environ 8 heures si le court-circuit s'était propagé).

1.3 Contacteur

• Fonction : Utilise un petit courant de commande pour commuter de grands courants de puissance, protégeant ainsi les circuits de commande fragiles. Les types courants dans les armoires d'onduleur comprennent :
  • Contacteur de circuit principal : Contrôle l'alimentation de l'onduleur (parfois omis dans les conceptions simplifiées, le disjoncteur assurant ce rôle).
  • Contacteur de commutation fréquence secteur/onduleur : Commute le moteur sur l'alimentation secteur (50/60 Hz) en cas de défaillance de l'onduleur, assurant ainsi la continuité de la production.
  • Contacteur de boucle de commande : Gère les équipements auxiliaires tels que les ventilateurs de refroidissement ou les radiateurs.
• Étude de cas : Convoyeur de congélation d'une usine de transformation alimentaire :
  Une usine d'aliments surgelés utilise des onduleurs pour réguler la vitesse des convoyeurs afin d'optimiser la congélation. Lors d'une défaillance soudaine de l'onduleur, le contacteur fréquence secteur/onduleur a automatiquement basculé le convoyeur sur l'alimentation secteur. Cela a empêché 2 tonnes de poulet partiellement congelé de se gâter et a maintenu la chaîne de production en marche jusqu'à ce que l'onduleur soit réparé (une fenêtre de 6 heures).

1.4 Protecteur de surcharge

• Fonction : L'onduleur lui-même offre une protection contre les surcharges, mais cela échoue lorsque le moteur fonctionne sur l'alimentation secteur (mode dérivation). Un relais thermique ou un disjoncteur de protection du moteur est ajouté pour protéger le moteur en mode dérivation.
• Étude de cas : Station de recharge de chariots élévateurs d'entrepôt :
  Un entrepôt logistique utilise des chargeurs de chariots élévateurs entraînés par onduleur. Lorsque le mode dérivation de l'onduleur a été activé pour la maintenance, une batterie de chariot élévateur défectueuse a fait tirer au moteur 150 % de son courant nominal. Le protecteur de surcharge s'est déclenché en moins de 20 secondes, empêchant le moteur de surchauffer et de brûler, ce qui a permis d'économiser 1 200 $ de remplacement du moteur.

2. Éléments de compensation et de suppression : Les "Gardiens de la qualité de l'énergie"

2.1 Réacteur d'entrée/sortie

• Réacteur d'entrée (Réacteur de fil d'entrée) : Installé entre le réseau et l'onduleur.
  • Fonction : Réduit la pollution harmonique de l'onduleur (qui peut perturber d'autres équipements tels que les capteurs ou les automates programmables), atténue les pics de tension côté réseau et augmente le facteur de puissance (réduisant ainsi les factures d'électricité).
• Réacteur de sortie : Installé entre l'onduleur et le moteur.
  • Fonction : Supprime les harmoniques haute fréquence de l'onduleur, réduit le courant de charge capacitif dans les longs câbles, prolonge la durée de vie de l'isolation du moteur et réduit les interférences électromagnétiques (EMI). Essentiel pour les câbles de moteur de plus de 50 mètres.
• Étude de cas : Installation de panneaux solaires (ferme isolée) :
  Une ferme isolée utilise un onduleur de 100 kW pour convertir l'énergie solaire pour les pompes d'irrigation. Le câble du moteur s'étend sur 80 mètres de l'armoire à la pompe. Sans réacteur de sortie, les harmoniques haute fréquence ont provoqué la surchauffe et la défaillance du moteur de la pompe tous les 3 mois. Après l'installation d'un réacteur de sortie de 100 A, la température de fonctionnement du moteur a chuté de 12 °C et sa durée de vie a été prolongée à plus de 2 ans.

2.2 Filtre CEM

• Fonction : Bloque les interférences électromagnétiques (EMI) haute fréquence de l'onduleur, l'empêchant de se propager via les lignes électriques ou l'air et de perturber les équipements sensibles (par exemple, les automates programmables, les capteurs de température ou les appareils de communication sans fil). Assure la conformité aux normes CEM (par exemple, CE, FCC).
• Étude de cas : Salle blanche d'une usine pharmaceutique :
  Les mélangeurs entraînés par onduleur d'une usine pharmaceutique provoquaient des EMI qui perturbaient les capteurs de pression de la salle blanche. Cela a entraîné de fausses alarmes et des arrêts inutiles. L'installation de filtres CEM sur les armoires d'onduleur a éliminé les interférences, réduisant les fausses alarmes de 90 % et assurant la conformité aux réglementations strictes de la FDA en matière de salles blanches.

2.3 Parafoudre

• Fonction : Absorbe les surtensions dues à la foudre ou à la commutation du réseau, protégeant ainsi les onduleurs et les composants électroniques coûteux.
• Étude de cas : Onduleur de tour de télécommunications extérieure :
  L'armoire d'onduleur extérieure d'une entreprise de télécommunications alimente les ventilateurs de refroidissement de la tour. Lors d'un orage, une surtension induite par la foudre a frappé le réseau. Le parafoudre a dévié l'excès de tension vers la terre, laissant l'onduleur et les ventilateurs intacts. Sans cela, l'onduleur de 8 000 $ aurait été détruit, entraînant une panne de la tour de 24 heures.

3. Composants de contrôle et de mesure : Le "Cerveau et les sens intelligents"

3.1 API (Automate Programmable Industriel)

• Fonction : Le "cerveau" des systèmes d'onduleur complexes. Il reçoit les signaux des boutons, des capteurs ou des ordinateurs de niveau supérieur, puis contrôle le démarrage/l'arrêt, la vitesse et la direction de l'onduleur via une logique prédéfinie. Il permet également la liaison avec d'autres équipements (par exemple, convoyeurs, pompes).
• Étude de cas : Chaîne d'embouteillage automatisée :
  La chaîne d'embouteillage d'une usine de boissons utilise un API pour coordonner deux onduleurs, un pour le convoyeur d'alimentation des bouteilles et un pour la machine de capsulage. L'API ajuste la vitesse de la machine de capsulage en fonction du débit des bouteilles du convoyeur (détecté par un capteur photoélectrique). Cela a réduit les bourrages de bouteilles de 40 % et augmenté l'efficacité de la production de 15 %.

3.2 Relais

• Fonction : Isole, convertit ou amplifie les signaux de commande dans les circuits basse tension. Par exemple, la sortie 24 V d'un API commande un relais, qui déclenche ensuite une bobine de contacteur de 220 V (protégeant l'API de la haute tension).
• Étude de cas : Système CVC pour un centre commercial :
  Les ventilateurs CVC entraînés par onduleur d'un centre commercial utilisent des relais pour basculer entre les modes "jour" (haute vitesse) et "nuit" (basse vitesse). L'API envoie un signal de 24 V à un relais, qui active le contacteur pour la vitesse du ventilateur en mode nuit. Cette configuration simple assure une commutation de mode fiable sans risquer d'endommager l'API en raison de courants haute tension.

3.3 Alimentation à découpage

• Fonction : Convertit l'alimentation secteur CA 220 V/380 V en CC 24 V stable, alimentant ainsi les composants basse tension tels que les API, les IHM, les capteurs et les relais.
• Étude de cas : Contrôle de la température d'un four industriel :
  Un four industriel utilise un onduleur pour réguler la vitesse de son ventilateur (contrôlant ainsi la répartition de la chaleur). L'alimentation à découpage fournit 24 V au capteur de température et à l'API du four. Même lorsque la tension du réseau fluctuait (entre 200 V et 240 V), l'alimentation à découpage maintenait une sortie stable de 24 V, assurant ainsi des relevés de température précis et une vitesse de ventilateur constante.

3.4 IHM (Interface Homme-Machine)

• IHM de base (boutons, indicateurs, commutateurs de transfert) : Offre un contrôle manuel (par exemple, boutons d'arrêt d'urgence) et une rétroaction d'état (par exemple, un voyant vert pour "onduleur en marche").
• IHM à écran tactile : Fournit une interface graphique pour le réglage des paramètres (par exemple, réglage de la fréquence de l'onduleur), la surveillance de l'état en temps réel (par exemple, courant du moteur), les alarmes de défaut (par exemple, "surtension") et l'enregistrement des données historiques.
• Étude de cas : Parc d'onduleurs d'usine :
  Une usine de fabrication avec 15 armoires d'onduleur a installé des IHM à écran tactile. Les opérateurs peuvent désormais régler les vitesses des ventilateurs, afficher les données de consommation d'énergie et dépanner les défauts (par exemple, "E05 : Surcharge") directement à partir de l'IHM, réduisant ainsi le temps de résolution des problèmes mineurs de 1 heure à 10 minutes.

3.5 Instruments de mesure

• Fonction : Affiche les paramètres du système en temps réel (tension, courant, fréquence, puissance) pour que les opérateurs puissent surveiller les performances et détecter les anomalies.
• Étude de cas : Onduleur onduleur d'un centre de données :
  Le système onduleur d'un centre de données utilise un onduleur pour fournir une alimentation de secours. Les ampèremètres et les voltmètres de l'armoire affichent le courant et la tension de sortie de l'onduleur. Lors d'une récente panne de courant, les opérateurs ont remarqué que le courant atteignait 120 % de la valeur nominale, ce qui les a incités à arrêter les serveurs non critiques, empêchant ainsi l'onduleur de se déclencher et assurant une alimentation ininterrompue pour les équipements informatiques essentiels.

4. Autres composants auxiliaires : Les "Stabilisateurs cachés"

4.1 Transformateur de courant/tension

• Fonction : Réduit les courants/tensions élevés de la boucle principale (par exemple, 500 A/400 V) en signaux petits et sûrs (par exemple, 5 A/100 V) pour la mesure par les instruments, les API ou l'onduleur lui-même.
• Étude de cas : Machine à rouler d'une aciérie :
  La machine à rouler d'une aciérie utilise un onduleur de 600 A. Un transformateur de courant réduit le courant principal de 600 A en un signal de 5 A, qui est envoyé à un API. L'API utilise ce signal pour détecter les surcharges, déclenchant une alarme si le courant dépasse 550 A. Cela a empêché la machine à rouler de se coincer en raison d'une charge excessive.

4.2 Unité de freinage et résistance de freinage

• Fonction : Lorsque le moteur génère de l'énergie (par exemple, une grue abaissant une lourde charge ou un ventilateur s'arrêtant progressivement), l'énergie régénérative retourne au bus CC de l'onduleur, provoquant des pics de tension. L'unité de freinage active la résistance de freinage pour dissiper cette énergie sous forme de chaleur, empêchant ainsi l'onduleur de se déclencher en raison d'une surtension.
• Étude de cas : Grue de chantier :
  Une grue de chantier utilise un onduleur pour contrôler sa vitesse de levage/abaissement. Lors de l'abaissement d'une poutre en acier de 10 tonnes, le moteur agit comme un générateur, renvoyant de l'énergie à l'onduleur. L'unité de freinage et la résistance ont dissipé cette énergie, maintenant la tension du bus CC stable. Sans eux, l'onduleur se serait déclenché plus de 10 fois par jour, interrompant ainsi la construction.