Si vous dirigez une entreprise qui s'appuie sur des changeurs de fréquence CA (également appelés variateurs de fréquence, ou VFD, en abrégé), vous avez probablement déjà été confronté au problème de la surchauffe de l'équipement. Je fournis des changeurs de fréquence CA à des usines, des petits ateliers de fabrication et même des installations commerciales depuis plus de 10 ans maintenant, et l'une des questions les plus fréquentes que je reçois de la part des clients est : « De quelle quantité de refroidissement ai-je réellement besoin pour cet appareil ? Ce n'est pas seulement une question jetable : ignorez la bonne dissipation de la chaleur, et vous risquez des pannes prématurées de pièces, des temps d'arrêt imprévus et une facture de réparation bien plus élevée que si vous aviez prévu un refroidissement à l'avance. Décomposons cela en termes simples, sans surcharge de jargon technique, et associons ce que j'ai appris en travaillant avec tous les types d'applications de moteur.
Tout d'abord, commençons par les bases : qu'est-ce qu'un changeur de fréquence CA et pourquoi génère-t-il de la chaleur en premier lieu ? Si vous débutez dans ce domaine, un changeur de fréquence CA ajuste la vitesse d'un moteur électrique en modifiant la fréquence et la tension de l'alimentation qui y arrive. C'est bien plus efficace que de faire tourner un moteur à pleine vitesse en permanence pour des tâches qui n'en ont pas besoin, comme un tapis roulant qui n'a besoin que d'une demi-vitesse pour les charges légères, ou un ventilateur qui ralentit les jours doux. Mais voici le problème : aucun appareil électrique n’est efficace à 100 %. Même les meilleurs changeurs de fréquence CA perdent environ 2 à 5 % de l’énergie qu’ils consomment sous forme de chaleur. Pour le contexte, si vous avez un moteur de 10 chevaux (HP) fonctionnant à pleine vitesse, le changeur de fréquence consommera environ 7 457 watts de puissance (puisque 1 HP = ~ 745,7 watts) et gaspillera environ 150 à 370 watts sous forme de chaleur. Si vous augmentez cela jusqu'à un système de 100 HP, cela représente 1 500 à 3 700 watts de chaleur uniquement provenant du disque lui-même. Multipliez cela par le nombre d’heures par jour pendant lesquelles le disque fonctionne, et cette chaleur s’accumule rapidement.
C'est pourquoi répondre correctement aux exigences de dissipation thermique ne consiste pas seulement à « garder le disque au frais », il s'agit également de protéger l'ensemble du système. J'ai déjà vu des clients faire des économies ici : une petite boulangerie avec laquelle j'ai travaillé il y a quelques années a installé un VFD bon marché sur leur pétrin à pâte, l'a coincé dans une armoire électrique exiguë sans ventilation supplémentaire, et en 6 mois, l'IGBT du lecteur (transistor bipolaire à grille isolée, le principal composant d'alimentation) a grillé à cause d'une surchauffe. Ils ont fini par devoir remplacer non seulement le variateur, mais également le moteur du mélangeur, ce qui leur a coûté bien plus cher que s'ils avaient ajouté un petit ventilateur ou un dissipateur thermique au placard lors de l'installation.
Maintenant, comment calculer la dissipation thermique exacte dont vous avez besoin pour votre changeur de fréquence AC spécifique ? Il ne s'agit pas d'un chiffre unique, c'est pourquoi je dis toujours aux clients de commencer par deux facteurs clés : la puissance nominale du variateur et son efficacité de fonctionnement. La plupart des changeurs de fréquence CA modernes ont un taux d'efficacité compris entre 95 % et 98 %, la formule de perte de chaleur est donc assez simple : Perte de chaleur = (Puissance d'entrée du variateur) x (1 - Efficacité). Voyons cela avec un exemple réel. Supposons que vous disposiez d'un changeur de fréquence CA de 5 HP alimentant une pompe (vous pouvez consulter notre petit modèle axé sur le moteur à l'adresse /vector- Frequency-converter/Economic-Frequency-converter/vfd-for-small-motors.html pour référence sur les unités de faible puissance). La puissance d'entrée pour un disque de 5 HP est d'environ 3 728 watts. S'il est efficace à 96 %, cela signifie qu'il perd 4 % de cette puissance sous forme de chaleur : 3 728 x 0,04 = ~149 watts. C'est la quantité de chaleur que le disque lui-même dégage. Mais attendez, nous n'avons pas fini. Vous devez également tenir compte de la chaleur du moteur et de tout autre composant électrique à proximité dans le même boîtier. Un moteur à induction de 5 CV, par exemple, perd environ 1 à 3 % de sa puissance sous forme de chaleur lorsqu'il fonctionne à pleine charge, alors ajoutez-y 37 à 111 watts supplémentaires, plus toute chaleur provenant du câblage ou d'autres commandes dans le placard. Au total, votre chaleur totale à dissiper est d'environ 200 à 260 watts pour ce petit système.
Pour les systèmes plus grands, par exemple un changeur de fréquence CA de 100 HP alimentant un système de convoyeur dans un entrepôt, les calculs changent, mais la logique reste la même. Un disque de 100 HP a une puissance d’entrée d’environ 74 570 watts. Avec un rendement de 97 %, cela représente 2 237 watts de chaleur provenant du seul disque. Ajoutez les 745 à 2 237 watts de perte de chaleur d'un moteur de 100 CV et vous obtenez plus de 3 000 watts au total à dissiper. C'est un chiffre important, c'est pourquoi les gros disques nécessitent généralement un refroidissement dédié plutôt qu'un simple ventilateur dans la même pièce.
Mais voici une erreur que beaucoup de gens commettent : ils utilisent la puissance nominale du disque à pleine vitesse pour calculer la perte de chaleur, mais la plupart des applications ne fonctionnent pas à pleine vitesse 100 % du temps. Si votre VFD ne fonctionne qu'à une vitesse de 50 %, son efficacité augmente légèrement (jusqu'à environ 97-98 %) et sa puissance d'entrée diminue, donc les pertes de chaleur diminuent également. Par exemple, si ce disque de 5 HP fonctionne à une vitesse de 50 %, sa puissance d'entrée est d'environ 1 864 watts, son efficacité est de 97 %, donc la perte de chaleur n'est que d'environ 56 watts. C'est pourquoi je dis toujours aux clients d'utiliser leur charge de fonctionnement moyenne réelle, et non la valeur nominale maximale, lorsqu'ils déterminent leurs besoins en refroidissement. Il est facile de surdimensionner le refroidissement, mais cela gaspille de l'énergie et de l'argent : sous-dimensionnez-le et vous obtenez les mêmes problèmes de surchauffe dont nous avons parlé plus tôt.
Parlons ensuite des différentes manières de dissiper cette chaleur, car la méthode que vous utilisez dépend de votre configuration. Le plus basique est le refroidissement passif : un dissipateur thermique fixé aux composants internes du disque, qui laisse la chaleur se propager dans l'air ambiant. Cela fonctionne très bien pour les petits disques de faible puissance (moins de 5 HP) installés dans des espaces ouverts et bien ventilés. Mais si vous disposez d'un petit moteur intégré dans un panneau de commande étroit avec d'autres équipements, le refroidissement passif ne suffit pas. C'est là qu'intervient le refroidissement par air forcé : un petit ventilateur monté sur ou à proximité du disque qui souffle de l'air frais sur le dissipateur thermique ou extrait l'air chaud du boîtier. Pour les disques de taille moyenne (5 à 50 HP), l'air pulsé est l'option idéale : il est abordable, facile à installer et fonctionne pour la plupart des configurations commerciales et industrielles légères.
Pour les disques plus gros (plus de 50 HP) ou les disques installés dans des espaces clos avec des températures ambiantes élevées (comme une chaufferie ou un entrepôt en Arizona en été), vous aurez besoin d'un refroidissement liquide. Celui-ci utilise une boucle de liquide de refroidissement pour évacuer la chaleur des composants internes du lecteur, puis fait passer ce liquide de refroidissement à travers un échangeur de chaleur pour libérer la chaleur dans l'air extérieur. Le refroidissement liquide est plus coûteux au départ, mais il est beaucoup plus efficace pour les systèmes haute puissance et maintient le disque à une température constante, quelle que soit la température extérieure. J'ai vu des clients possédant des disques de plus de 100 HP dans des entrepôts non conditionnés économiser des milliers de dollars sur les coûts de réparation en passant du refroidissement à air pulsé au refroidissement liquide.
Un autre élément à prendre en compte est la température ambiante. Les exigences en matière de dissipation thermique doublent si la température moyenne de votre salle de contrôle est supérieure de 10 °F à la température standard (77 °F ou 25 °C, qui est la norme industrielle pour le fonctionnement du variateur). Si votre espace est chaud pendant la majeure partie de l’année, vous aurez besoin d’une capacité de refroidissement supplémentaire pour compenser cela. Par exemple, si vous êtes dans une usine où les salles de contrôle restent à environ 90°F (32°C) toute l'année, le disque de 5 CV que j'ai mentionné plus tôt et qui ne nécessitait que 150 watts de perte de chaleur à 77°F aura désormais besoin d'environ 200 watts de refroidissement. De petits ajustements comme celui-là s’additionnent, en particulier pour les systèmes qui fonctionnent 24h/24 et 7j/7.
Revenons maintenant aux raisons pour lesquelles cela est important pour vous en tant qu'acheteur. Que vous remplaciez un ancien changeur de fréquence CA ou équipiez une nouvelle machine, une bonne dissipation de la chaleur prolongera la durée de vie de votre variateur et évitera les temps d'arrêt imprévus. Je dis toujours aux clients de se poser trois questions avant de finaliser leur configuration : 1) Quelle est la puissance thermique totale du variateur, du moteur et de tout autre composant dans le même boîtier ? 2) Quelle est la température ambiante à l'endroit où le variateur sera installé ? 3) À quelle fréquence le variateur fonctionne-t-il à pleine charge ou à charge partielle ? Si vous pouvez répondre à ces questions, vous saurez exactement de quel refroidissement vous avez besoin.
Et si vous ne savez pas par où commencer, c'est pour cela que je suis là. J'ai travaillé avec tous les types d'applications, des petits mélangeurs de boulangerie aux systèmes de convoyeurs de 200 HP, et je peux vous aider à dimensionner votre variateur et à calculer vos besoins de refroidissement sans souci. Notre équipe est spécialisée dans les changeurs de fréquence CA pour toutes les tailles de moteurs, y compris les petites unités axées sur le moteur liées à /vector- Frequency-converter/Economic-Frequency-converter/ac- Frequency-changer.html, afin que vous sachiez que vous obtenez un variateur conçu pour gérer les conditions thermiques réelles.
Attendez, un petit mot pour éviter une autre erreur courante : n'oubliez pas de prendre en compte l'espace autour du lecteur. Même si vous disposez d'un niveau de refroidissement suffisant, si votre VFD est entassé dans un panneau sans espace pour que l'air circule, la chaleur s'accumulera. Je recommande généralement de laisser au moins 6 pouces d'espace de tous les côtés du lecteur pour la circulation de l'air. Ces 6 pouces ne semblent peut-être pas un gros problème, mais cela peut faire la différence entre un disque qui fonctionne pendant 10 ans et un autre qui meurt en 2 ans.
En fin de compte, la chaleur est le plus grand ennemi des changeurs de fréquence AC. J'ai vu tellement de clients lésiner sur le refroidissement pour économiser quelques dollars d'avance, pour finir par payer pour un nouveau disque et des temps d'arrêt sur toute la ligne. Si vous êtes à la recherche d'un nouveau changeur de fréquence CA ou si vous avez besoin d'aide pour déterminer vos besoins en matière de dissipation thermique, contactez notre équipe pour discuter de votre projet : pas d'argumentaire de vente, juste des conseils directs basés sur des années de travail avec des équipements comme le vôtre. Ne laissez pas une mauvaise gestion de la chaleur faire dérailler vos opérations ; faisons les choses correctement du premier coup.
RÉFÉRENCES
- Entraînements de moteur : Comprendre les principes fondamentaux des entraînements à fréquence variable CA, National Electrical Manufacturers Association (NEMA)
- Directives de dissipation thermique pour les variateurs de fréquence industriels, norme 61800-5-1 de la Commission électrotechnique internationale (CEI)
- Guide d'application VFD pour petits moteurs, Industrial Motor and Control Association (IMCA)