Moteurs à fréquence variable et moteurs à fréquence secteur — Différences dans la conception électromagnétique et les systèmes d'isolation

La différence essentielle entre les moteurs à fréquence secteur et les moteurs à fréquence variable réside dans la divergence fondamentale de leurs objectifs de conception : les moteurs à fréquence secteur sont optimisés uniquement pour les conditions de fonctionnement nominales sous une alimentation à fréquence secteur fixe (généralement 50 Hz/60 Hz) et sont initialement conçus pour obtenir un fonctionnement stable à une fréquence unique et une vitesse fixe. En revanche, les moteurs à fréquence variable sont conçus sur mesure pour des conditions de travail à fréquence variable qui s'adaptent à une large plage de fréquences (par exemple, 0 à 100 Hz) et à une régulation dynamique de la vitesse ; ils doivent garantir la fiabilité et l’efficacité à différentes vitesses et charges. Cette différence dans les objectifs de conception transparaît directement dans des dimensions clés telles que la structure électromagnétique, le système d'isolation et la conception thermique, définissant finalement les caractéristiques de performance et les scénarios d'application des deux types de moteurs.

Du point de vue de la conception électromagnétique, la section transversale des conducteurs d'enroulement dans les moteurs à fréquence secteur est dimensionnée uniquement en fonction du courant nominal, sans tenir compte des problèmes de perte lors du fonctionnement à haute fréquence. Leurs noyaux de fer sont principalement constitués de tôles d'acier au silicium conventionnelles, qui ont tendance à générer d'importantes pertes par courants de Foucault et par hystérésis à hautes fréquences. De plus, l'entrefer entre le stator et le rotor est relativement petit, ce qui rend les harmoniques haute fréquence susceptibles d'induire des pertes supplémentaires. D'autre part, pour faire face à une large plage de fréquences, les moteurs à fréquence variable utilisent des enroulements enroulés avec plusieurs brins de conducteurs minces pour réduire l'effet de peau à haute fréquence, adoptent des tôles d'acier au silicium à faibles pertes pour minimiser les pertes de fer et élargissent de manière appropriée l'entrefer. Ces mesures réduisent le couple supplémentaire et les pertes provoquées par les harmoniques haute fréquence, améliorant ainsi la stabilité opérationnelle à basse vitesse.

Les différences dans les systèmes d’isolation sont tout aussi critiques. Les moteurs à fréquence de ligne adoptent pour la plupart des matériaux d'isolation conventionnels de classe B ou de classe F, dont les valeurs de résistance à la température ne peuvent répondre qu'aux exigences des conditions de fonctionnement à fréquence de ligne nominale. Lorsqu'elles sont exposées à des environnements à haute fréquence, les tensions à haute fréquence ont tendance à induire des décharges partielles et à accélérer le vieillissement de l'isolation.

En revanche, les moteurs à fréquence variable sont équipés de systèmes d'isolation spécialisés résistant aux hautes fréquences et au corona (généralement une isolation de classe H). Un vernis isolant anti-corona est sélectionné et les bobinages utilisent des fils magnétiques résistants au corona dédiés aux moteurs à fréquence variable. De plus, un traitement d’isolation renforcé est appliqué aux extrémités du bobinage. Ces conceptions empêchent efficacement les défaillances d'isolation causées par des claquages ​​de tension à haute fréquence ou des décharges partielles, prolongeant ainsi la durée de vie des moteurs dans des conditions de fonctionnement à fréquence variable.