Les onduleurs sont des dispositifs de conversion d’énergie utilisés dans un large éventail de domaines, allant des appareils électroménagers aux équipements industriels.Ils sont reconnus comme une technologie fondamentale qui soutient tant la vie quotidienne que les activités industrielles, notamment pour le fonctionnement économe en énergie des climatiseurs et des réfrigérateurs, le contrôle de la vitesse de rotation des moteurs en usine ou encore l’accélération et la décélération en douceur des ascenseurs. En revanche, il est rare d’avoir l’occasion de comprendre de manière systématique la structure interne de ces appareils ou le mécanisme de leur interaction avec les moteurs.Dans cet article, nous vous expliquons pas à pas les principes fondamentaux des onduleurs, depuis leur définition et leur fonctionnement jusqu’à leur rôle dans la commande des moteurs, en passant par des exemples concrets d’application et les points à prendre en compte lors de leur mise en œuvre. Nous avons rassemblé ici les connaissances indispensables aux ingénieurs chargés de la sélection et de la définition des spécifications des moteurs de précision, afin de leur fournir les bases nécessaires à leurs décisions de conception.
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Définition et principe de fonctionnement de base d’un onduleur
Un onduleur est un dispositif qui convertit l’énergie électrique afin d’assurer le fonctionnement d’un moteur. En acquérant d’abord une vue d’ensemble de ce dispositif, vous pourrez mieux comprendre la commande des moteurs et les exemples d’application qui seront abordés dans la seconde partie.Dans ce chapitre, nous allons présenter successivement la définition et le rôle de l’onduleur, sa structure interne, ainsi que la différence avec le convertisseur, avec lequel il est souvent confondu. Commençons par aborder les principes de base de son fonctionnement.
Contenu abordé dans cette section
- Définition et rôle de l’onduleur
- Structure de base d’un onduleur
- La différence entre un onduleur et un convertisseur
En comprenant chacun de ces points, vous pourrez saisir avec précision le rôle que joue le variateur dans la commande du moteur.
Définition et rôle de l’onduleur
Un onduleur est un dispositif de conversion d’énergie qui transforme le courant continu en courant alternatif. Le courant continu (CC) est un courant dont le sens de circulation reste constant, tandis que le courant alternatif (CA) est un courant dont le sens de circulation s’inverse périodiquement.L’onduleur ne se contente pas de convertir ces deux formes d’électricité ; il se distingue notamment par sa capacité à régler à volonté la tension et la fréquence du courant alternatif qu’il produit.
Cette fonctionnalité de réglage répond à deux besoins : le contrôle de la vitesse de rotation des moteurs et le fonctionnement économe en énergie des appareils électroménagers.En utilisant le courant alternatif, le fait de modifier la fréquence entraîne une variation de la vitesse de rotation du moteur connecté, ce qui permet un réglage précis de la vitesse en fonction des conditions de fonctionnement. La fréquence est la valeur qui indique le nombre de fois par seconde où l’onde alternative se répète ; elle est exprimée en Hz (hertz).
Leurs applications s’étendent des appareils électroménagers au secteur industriel : outre les produits courants tels que les climatiseurs, les réfrigérateurs ou les cuisinières à induction, les onduleurs sont également intégrés dans les machines industrielles qui entraînent des pompes ou des ventilateurs. Dans le cas des climatiseurs, par exemple, il est possible de faire varier la vitesse de rotation du moteur du compresseur en fonction de la température ambiante, ce qui permet un fonctionnement ne consommant que l’énergie nécessaire.Lorsque la température se rapproche de la température de consigne, la vitesse de rotation est réduite, ce qui permet de limiter le gaspillage d’énergie.
Un onduleur est un dispositif qui combine la conversion de l’énergie électrique et le réglage de la puissance de sortie. Il est utilisé dans de nombreux domaines en tant que base pour la commande des moteurs et le fonctionnement économe en énergie.
Structure de base d’un onduleur
La structure de base d’un onduleur se compose de trois parties : le convertisseur, qui transforme le courant alternatif en courant continu ; le circuit de lissage, qui stabilise la tension ; et l’onduleur, qui génère un courant alternatif à la fréquence souhaitée à partir du courant continu.
La raison pour laquelle le système est composé de trois parties tient au fait que le courant alternatif fourni aux foyers et aux usines est d’abord converti en courant continu, puis reconverti en courant alternatif à la fréquence souhaitée. Ce procédé, qui passe par le courant continu plutôt que par une conversion directe en courant alternatif, permet de régler librement la fréquence et la tension de sortie.
Les fonctions des différentes parties sont les suivantes.
| Composants | Fonctions principales |
| Module de conversion | Convertit le courant alternatif entrant en courant continu |
| Circuit de lissage | Permet de limiter les fluctuations de la tension continue après conversion et de la stabiliser |
| Module onduleur | Convertit le courant continu en courant alternatif à une fréquence et une tension quelconques |
La génération du courant alternatif au niveau du convertisseur s’effectue grâce au fonctionnement en commutation des dispositifs à semi-conducteurs. La commutation désigne l’action consistant à ouvrir et fermer le passage du courant à grande vitesse ; c’est en ajustant l’intervalle entre ces ouvertures et fermetures que l’on produit la forme d’onde alternative souhaitée. Les dispositifs à semi-conducteurs sont des composants électroniques qui contrôlent le flux électrique.
La structure de base d’un onduleur repose sur la coordination entre le convertisseur, le circuit de lissage et l’onduleur, qui génèrent une forme d’onde alternative grâce à la commutation des semi-conducteurs. La conversion stable de l’énergie et le réglage précis de la puissance de sortie sont assurés par l’ensemble de cette structure.
La différence entre un onduleur et un convertisseur
La différence entre un onduleur et un convertisseur réside dans le sens de la conversion de l’énergie électrique. L’onduleur convertit le courant continu en courant alternatif, tandis que le convertisseur convertit le courant alternatif en courant continu. Bien que leurs noms soient similaires, ce qui peut prêter à confusion, leurs rôles sont diamétralement opposés.
La raison pour laquelle leur fonction est inverse tient au fait que leur utilisation prévue est différente. Le convertisseur a pour rôle de transformer le courant alternatif fourni par le réseau en courant continu utilisable à l’intérieur des appareils électroniques, tandis que l’onduleur a pour rôle de produire, à partir du courant continu, un courant alternatif adapté à l’utilisation prévue.
Voici un résumé des différences entre les deux.
[Différence entre un onduleur et un convertisseur]
- Onduleur : conversion du courant continu en courant alternatif
- Convertisseur : conversion du courant alternatif en courant continu
- Ces deux éléments sont utilisés conjointement au sein d’un même appareil
À l’intérieur d’un onduleur, la fonction de convertisseur est également intégrée. L’alimentation fournie par les prises électriques des foyers ou des usines étant en courant alternatif, elle est d’abord convertie en courant continu par le convertisseur, puis transformée en courant alternatif souhaité par l’onduleur. Ces deux fonctions de conversion ne s’opposent pas, mais fonctionnent de manière coordonnée dans le cadre d’un processus continu.
Les onduleurs et les convertisseurs, bien qu’ils se distinguent par le sens inverse de la conversion, sont en réalité utilisés conjointement. Il est important de bien comprendre la répartition des rôles entre ces deux composants pour appréhender le fonctionnement global du système ; cela vous permettra de mieux suivre les explications sur la commande des moteurs qui suivront.
Le lien entre le variateur et le moteur
La commande des moteurs constitue l’un des domaines d’application phares des variateurs de fréquence. Les fonctions de conversion de puissance et de régulation de la puissance de sortie permettent de contrôler librement la vitesse de rotation des moteurs.Dans ce chapitre, nous vous expliquerons successivement le mécanisme de régulation de la vitesse de rotation des moteurs, les avantages liés à l’adoption d’un onduleur, ainsi que des exemples d’application par type d’utilisation. Nous présenterons ces informations de manière structurée afin de vous permettre d’évaluer l’adéquation de cette technologie à vos propres besoins.
Contenu abordé dans cette section
- Mécanisme de régulation de la vitesse de rotation du moteur
- Les trois avantages de l’installation d’un onduleur
- Exemples d’utilisation des onduleurs par application
En retraçant le cheminement depuis le fonctionnement jusqu’aux avantages, en passant par des exemples concrets, vous obtiendrez une vision globale du lien entre l’onduleur et le moteur.
Mécanisme de régulation de la vitesse de rotation du moteur
Le réglage de la fréquence est au cœur du mécanisme de contrôle de la vitesse de rotation d’un moteur. La vitesse de rotation d’un moteur à courant alternatif variant en fonction de la fréquence du réseau, il est possible de régler avec précision la vitesse de rotation du moteur en modifiant la fréquence de sortie à l’aide d’un onduleur.
La particularité de la commande par variateur réside dans l’exploitation de la relation de couplage entre la fréquence et la vitesse de rotation. Un moteur qui ne pouvait auparavant fonctionner qu’à une vitesse constante peut désormais être exploité sur une large plage de vitesses, de la vitesse lente à la vitesse élevée. Il est également possible d’obtenir un démarrage en douceur à partir de l’arrêt et de maintenir une vitesse adaptée à l’application visée.
La commande V/f est l’un des modes de commande de base des variateurs. Il s’agit d’un mode de commande qui modifie la puissance de sortie tout en maintenant constant le rapport entre la tension (V) et la fréquence (f) ; il est utilisé pour la commande de vitesse générale. La commande vectorielle est un autre mode de commande des variateurs ; le choix se fait en fonction de l’application.
La commande de moteur par variateur consiste à modifier la fréquence d’alimentation afin de réguler la vitesse de rotation du moteur. Grâce à des modes de commande tels que la commande V/f, il est possible d’obtenir une régulation de vitesse précise sur une large plage de fonctionnement.
Les trois avantages de l’installation d’un onduleur
L’intégration d’un variateur dans la commande d’un moteur présente des avantages tant en termes de rendement que de stabilité de fonctionnement. Les principaux avantages peuvent être résumés comme suit.
[Les trois avantages liés à l’installation d’un onduleur]
- Réduction de la consommation électrique grâce à un fonctionnement économe en énergie
- Réglage précis du régime
- Stabilisation du fonctionnement grâce à la prévention des accélérations et des arrêts brusques
Ces avantages découlent tous de la capacité à contrôler la vitesse de rotation du moteur exactement selon les besoins. En matière d’économies d’énergie, il est possible de réduire la vitesse de rotation en fonction des conditions de fonctionnement, ce qui permet de limiter la surconsommation d’électricité. Dans les climatiseurs et les machines industrielles, on peut s’attendre à une réduction de la consommation électrique grâce à une alimentation électrique adaptée à la charge. De plus, la stabilité de fonctionnement s’en trouve améliorée.
La possibilité de modifier progressivement la vitesse de rotation permet de concevoir des systèmes garantissant un fonctionnement fluide, sans accélération ni arrêt brusque, notamment pour les ascenseurs et les convoyeurs d’usine. Un fonctionnement réduisant la sollicitation des équipements et les vibrations contribue également à la stabilité de leur fonctionnement.
Les avantages en matière d’économies d’énergie, de régulation de la vitesse et de stabilité de fonctionnement font de l’onduleur une technologie phare dans le domaine de la commande des moteurs. Il s’agit d’une configuration de plus en plus adoptée dans de nombreux secteurs, car elle permet de concilier qualité de fonctionnement et rendement.
Exemples d’utilisation des onduleurs par application
Si l’on examine leur utilisation par application, les variateurs sont utilisés dans différents domaines, où leur rôle varie selon le secteur. Des appareils électroménagers aux équipements industriels, en passant par les véhicules ferroviaires, les variateurs sont intégrés dans de nombreuses applications où des moteurs sont utilisés.
Voici quelques exemples d’utilisation typiques.
| Domaines | Principaux domaines d’application | Rôle des onduleurs |
| Électroménager | Climatiseurs et réfrigérateurs | Fonctionnement économe en énergie grâce au réglage de la vitesse de rotation |
| Équipements de manutention | Ascenseurs et convoyeurs | Contrôle des accélérations et décélérations en douceur |
| Équipements industriels | Pompes et ventilateurs | Régulation de la vitesse en fonction de la charge |
| Matériel roulant ferroviaire | Voitures de train et de Shinkansen | Contrôle de la vitesse des moteurs des véhicules ferroviaires |
Les performances requises varient selon les domaines. Dans le domaine de l’électroménager, l’accent est mis sur l’économie d’énergie ; dans celui des équipements de manutention, sur la fluidité des mouvements ; et dans celui des équipements industriels, sur la capacité à s’adapter aux variations de charge.Le variateur VVVF utilisé dans les véhicules ferroviaires, dont l’acronyme signifie « tension variable, fréquence variable » (Variable Voltage Variable Frequency), est un système qui contrôle le moteur du véhicule en modifiant simultanément la tension et la fréquence.
Même pour un même variateur, les niveaux de précision de commande et de fiabilité requis varient en fonction de l’application.Les spécifications requises pour les moteurs intégrés variant également d’un domaine à l’autre, une analyse tenant compte des caractéristiques spécifiques de l’application constitue le point de départ de la conception.
Points à prendre en compte lors de l’installation d’un variateur et étude des caractéristiques techniques du moteur
Comprendre les caractéristiques de l’équipement et procéder à une sélection adaptée à l’application permet d’optimiser ses performances en exploitation. Cependant, si les variateurs sont efficaces pour la commande des moteurs et les économies d’énergie, il convient également de prêter attention aux points à prendre en compte lors de leur mise en œuvre.Dans ce chapitre, nous présenterons successivement les points à prendre en compte lors de l’utilisation d’un variateur, la manière de choisir son type et son mode de commande, ainsi que les critères de sélection des micromoteurs en fonction de leur application. Nous examinerons ces éléments afin de vous fournir des bases pour vos décisions de conception.
Contenu abordé dans cette section
- Précautions à prendre lors de l’utilisation d’un onduleur
- Types d’onduleurs et comment choisir un mode de commande
- Points à prendre en compte lors de l’étude des spécifications des micromoteurs en fonction de leur application
En maîtrisant les points à prendre en compte, les critères de sélection et les caractéristiques techniques des moteurs, il vous sera plus facile de déterminer s’ils conviennent à vos besoins.
Précautions à prendre lors de l’utilisation d’un onduleur
Parmi les points à prendre en compte lors de l’utilisation d’un onduleur, il convient de mentionner le bruit, les harmoniques et la production de chaleur. Le fonctionnement en commutation des composants semi-conducteurs s’accompagne de facteurs susceptibles d’avoir une incidence sur les équipements périphériques.
Ces phénomènes trouvent leur origine dans les caractéristiques de fonctionnement liées à la mise sous tension et hors tension rapide du courant. Le bruit électrique et les courants harmoniques, dont la fréquence diffère de la fréquence fondamentale, sont des phénomènes qui surviennent au cours du processus de commutation.On entend par « harmoniques » les composantes du courant correspondant à des multiples entiers de la fréquence fondamentale. La chaleur générée par le fonctionnement de l’appareil constitue également l’un des facteurs à prendre en compte.
Parmi les mesures à prendre pour remédier à ces points à surveiller, on peut citer la réévaluation de l’environnement d’installation et du câblage, ainsi que l’utilisation de filtres. Un câblage conçu pour limiter la propagation du bruit et l’installation de filtres réduisant l’impact des harmoniques permettent d’assurer un fonctionnement qui minimise les répercussions sur les équipements périphériques. En ce qui concerne la production de chaleur, il convient d’envisager de prévoir un espace d’installation adapté à la dissipation thermique.
En prenant en compte les points à surveiller concernant le bruit, les harmoniques et la dissipation thermique, et en mettant en œuvre des mesures adaptées, notamment en matière d’environnement et de câblage, vous pourrez exploiter de manière stable les performances de l’onduleur. Il est donc nécessaire d’intégrer ces mesures dès la phase de planification de l’installation.
Types d’onduleurs et comment choisir un mode de commande
Le choix du type de variateur et du mode de commande dépend de la précision de commande requise et de l’application prévue. Les variateurs se classent selon deux critères : le type de circuit et le mode de commande ; ils sont sélectionnés en fonction du moteur avec lequel ils seront associés et de l’usage prévu.
Les principales catégories sont les suivantes.
| Axe de classification | Catégories | Caractéristiques |
| Type de circuit | Type tension / Type courant | Classification selon le type de puissance de sortie |
| Mode de commande | Commande V/f | Compatible avec les systèmes de commande de vitesse génériques |
| Mode de commande | Commande vectorielle | Permet un positionnement de haute précision et une réponse rapide |
La classification par type de circuit repose sur la manière dont la puissance de sortie est gérée.Le mode « tension » consiste à réguler la tension, tandis que le mode « courant » consiste à réguler le courant ; leur utilisation dépend de l’application visée. Le choix du mode de régulation repose sur les performances recherchées. La régulation V/f est généralement recommandée pour la régulation de vitesse générale, tandis que la régulation vectorielle est considérée comme plus adaptée aux applications nécessitant un positionnement précis ou une réponse rapide.
La méthode de base pour choisir un variateur consiste à sélectionner la combinaison la mieux adaptée à l’application, en tenant compte à la fois du type de circuit et du mode de commande. En définissant clairement la précision de commande requise, vous pourrez plus facilement déterminer le mode le plus approprié.
Points à prendre en compte lors de l’étude des spécifications des micromoteurs en fonction de leur application
Lors de l’étude des spécifications des micromoteurs en fonction de leur application, il convient de prendre en compte également le côté « moteur » lorsqu’il est associé à un variateur. Les performances globales de l’équipement dépendent en effet des spécifications tant du variateur que du moteur.
Les spécifications requises pour les moteurs varient en fonction de l’application. Il s’agit notamment d’appareils nécessitant une miniaturisation, d’équipements de précision exigeant un faible niveau de vibrations, de mécanismes de commande nécessitant une réactivité rapide, ainsi que d’appareils fonctionnant sur batterie, dont le fonctionnement à basse tension est une condition préalable.
Nous allons passer en revue quelques exemples de moteurs pouvant être utilisés dans des applications de précision.
| Domaines d’application | Caractéristiques techniques prioritaires | Moteurs disponibles |
| Appareils médicaux | Faibles vibrations et grande fiabilité | Moteurs sans noyau |
| Équipements optiques | Réactivité et faibles vibrations | Moteur sans noyau |
| Équipements de sécurité | Fonctionnement à basse tension et longue durée de vie | Moteurs sans noyau |
| Équipements de loisirs (servomoteurs, etc.) | Longue durée de vie, faibles vibrations, fonctionnement silencieux | Moteurs sans balais |
Les moteurs sans noyau, de par leur structure dépourvue de noyau magnétique, présentent un effet de dentelage réduit et offrent une réactivité permettant des démarrages et des arrêts rapides ; ils sont donc utilisés dans des applications de précision où la fiabilité est primordiale, telles que les appareils médicaux. Leur capacité à démarrer à basse tension en fait également une solution adaptée aux équipements de sécurité, comme les clés électroniques alimentées par batterie.Les moteurs sans balais ne présentent aucune usure des balais et du commutateur, ce qui leur confère une longue durée de vie. L’absence de contacts mécaniques leur permet de fonctionner avec de faibles vibrations et en silence, ce qui constitue un atout majeur pour les applications nécessitant un entraînement continu, telles que les servomoteurs.
Même si les spécifications des micromoteurs ne sont pas encore définitivement fixées, il est possible de nous consulter en tenant compte de l’application et de l’environnement d’utilisation. Chez C.I. Takiron Co., Ltd., nos techniciens vous écouteront pour cerner votre application et vous proposeront une solution adaptée à vos besoins. Pour toute consultation concernant l’étude des spécifications ou la personnalisation, veuillez nous contacter via le formulaire de contact.
Résumé
Un onduleur est un dispositif de conversion de puissance qui transforme le courant continu en courant alternatif et permet de régler à volonté la tension et la fréquence de sortie. Il est utilisé en combinaison avec un convertisseur, dont le sens de conversion est inverse, au sein d’un même appareil.Intégrés au contrôle des moteurs, ils offrent des avantages tels qu’un fonctionnement économe en énergie, un réglage précis de la vitesse de rotation et une stabilisation du fonctionnement grâce à la prévention des accélérations et des arrêts brusques. Il s’agit d’une technologie largement utilisée dans de nombreux domaines, allant des appareils électroménagers aux équipements industriels. En revanche, lors de leur mise en œuvre, il est nécessaire de prendre en compte les problèmes de bruit et d’harmoniques, ainsi que de sélectionner les schémas de circuits et les modes de contrôle adaptés à l’application.Pour tirer pleinement parti des performances de l’ensemble du système, il est également indispensable d’étudier les spécifications du moteur avec lequel il sera associé. Les spécifications des micromoteurs requis pour des applications de précision, telles que les équipements médicaux, optiques ou de sécurité, variant selon l’utilisation, il est utile de procéder par étapes, en commençant par la définition des exigences.
Informations sur les produits et demandes de renseignements
Pour plus d’informations sur les micromoteurs de C.I. Takiron, veuillez consulter le site Web suivant.
- Site du produit : https://cik-ele.com/
- Moteurs sans noyau : https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Moteur sans balais : https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Moteurs à engrenages : https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codeur : https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Si vous rencontrez des difficultés pour choisir un petit moteur dans le cadre du développement de vos produits, n’hésitez pas à nous contacter via le formulaire de contact. Nos techniciens vous écouteront pour comprendre votre application et vos exigences, puis vous proposeront la solution la mieux adaptée.
- Contact : https://cik-ele.com/contact/
