Quels paramètres de protection d’adéquation doivent être définis lorsque le compresseur à air PMSM est utilisé conjointement avec un équipement variateur de fréquence ?

La production industrielle d'air comprimé constitue l'une des utilities les plus gourmandes en énergie dans l'automatisation industrielle, consommant jusqu'à 25 % de la puissance électrique totale d'une installation. Pour éliminer le gaspillage lié à l'arrêt continu inutile, les systèmes de compresseurs modernes utilisent un compresseur à air PMSM piloté par un variateur de fréquence dédié (VFD). Toutefois, les compresseurs à vis fonctionnent sous des transitoires pneumatiques extrêmes. La modulation des vannes d'admission provoque des cycles de résistance mécanique au couple allant de près de zéro à 100 % de la charge nominale en quelques millisecondes. Lorsque la demande d'air chute brusquement, une évacuation rapide de l'air comprimé peut, pendant un bref instant, entraîner le moteur en sens inverse via son arbre.

Transitoires de charge pneumatique et risques liés à la coordination entre le compresseur et l'entraînement

Cyclage rapide de pression dans les compresseurs industriels à vis

Les compresseurs à vis rotatifs subissent des changements brusques de résistance mécanique pendant le throttling à l’admission et l’activation du déchargeur. Le moteur d’entraînement doit fournir une réponse instantanée en couple lors de la mise en charge, tout en évitant un dépassement sévère du courant. Si les boucles de courant de l’onduleur présentent un retard, des courants transitoires élevés déclenchent des déclenchements intempestifs par surintensité (OC). Inversement, une décharge rapide peut régénérer de l’énergie cinétique dans le bus continu de l’onduleur, provoquant des défauts de survoltage (OV).

Risques de désaimantation du rotor, de survoltage et de résonance mécanique

Faire fonctionner un moteur à aimants permanents avec des paramètres d’onduleur non étalonnés présente des dangers graves. Des pics de courant statorique combinés à des températures de fonctionnement élevées exposent les aimants permanents en néodyme-fer-bore (NdFeB) à un risque de désaimantation irréversible. En outre, les balayages de fréquence variable entre 20 Hz et 80 Hz rencontrent inévitablement les fréquences de résonance mécanique propres aux têtes à vis des compresseurs et aux canalisations, ce qui accroît le risque de fatigue mécanique catastrophique. Pour protéger les équipements, ENNENG fournit des solutions industrielles robustes Compresseur d'air à aimants permanents synchrones (PMSM) couvrant des puissances allant de 5 kW à 5 MW et des plages de tension de fonctionnement de 110 V à 690 V, avec des configurations de protection de variateur étalonnées.

Autotuning des paramètres électriques et matrices de paramètres de protection

Identification précise du moteur : résistance statorique (Rs), inductance suivant l’axe direct (Ld), inductance suivant l’axe en quadrature (Lq) et constante de force contre-électromotrice (Ke)

Une coordination adéquate entre le variateur et le compresseur d’air PMSM exige une modélisation mathématique précise du moteur au sein du logiciel de commande vectorielle. La résistance statorique (Rs), l’inductance suivant l’axe direct (Ld), l’inductance suivant l’axe en quadrature (Lq) et la constante de force contre-électromotrice (Ke) doivent être déterminées avec exactitude à l’aide d’un autotuning rotatif ou statique du moteur. Comme les moteurs de compresseur à aimants permanents internes présentent une saillance magnétique (Lq > Ld), l’introduction précise des valeurs d’inductance permet à l’algorithme de commande orientée champ (FOC) de calculer sans erreur la position du rotor et de découpler le courant producteur de couple (Iq) du courant de flux (Id), éliminant ainsi les ondulations de courant et les oscillations de couple.

Lignes directrices relatives aux paramètres de protection de l'onduleur

• Paramètres de limitation du courant excessif : fixer la limite continue de courant thermique à 120 % du courant nominal du moteur, avec une limite crête transitoire à court terme strictement limitée à 150 % pendant 10 secondes afin de protéger les aimants en terres rares contre les champs entraînant une désaimantation.
• Gestion de la tension du bus CC : activer les régulateurs de tension de décélération actifs ou les hacheurs de freinage dynamique afin d’absorber l’énergie régénérative lors d’un délestage rapide de l’extrémité aéraulique, sans provoquer de déclenchement par surtension du bus CC.
• Réglage de la fréquence porteuse : calibrer la fréquence porteuse de modulation de largeur d’impulsion (PWM) entre 4 kHz et 6 kHz. Ce réglage équilibre un fonctionnement silencieux, une réduction des contraintes dv/dt sur l’isolation du moteur et une diminution de la dissipation thermique des IGBT de l’onduleur.
• Bandes interdites pour éviter les résonances : identifier, à l’aide d’une analyse vibratoire par accéléromètre, les fréquences mécaniques naturelles de résonance du groupe compresseur, puis programmer dans le logiciel de l’onduleur des bandes de fréquence interdites de ±1,5 Hz afin d’éviter tout maintien à des vitesses harmoniques critiques.

Normes de conformité en matière de sécurité et protocoles de mise en service

Conformité aux dispositions de sécurité NFPA 79 et IEC 61800-5-1

Les ensembles électriques des compresseurs industriels doivent respecter strictement les exigences de la norme NFPA 79 (norme électrique pour les machines industrielles) en ce qui concerne la protection des circuits dérivés des moteurs, la coupure thermique et les verrous d’urgence « safe-torque-off » (STO). Les variateurs de vitesse ajustables doivent satisfaire aux obligations de sécurité de la norme IEC 61800-5-1 relatives au confinement thermique et à la coordination de l’isolation. Les équipements compresseurs à air ENNENG dotés de moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) intègrent des capteurs de résistance thermique en platine PT100 à double canal intégrés dans les extrémités des enroulements du stator, transmettant directement des signaux analogiques de température aux circuits de protection du variateur.

Protocole de mise en service sur site en quatre étapes

• Autotuning précharge : déconnecter les courroies ou les accouplements du compresseur afin d’identifier les paramètres électriques rotatifs avant toute pressurisation pneumatique initiale.
• Coupures de température du programme : définir les limites d’alarme pour l’enroulement du stator de l’onduleur à 130 °C et les seuils de déclenchement automatique de défaut à 150 °C (bien en dessous des limites d’isolation de classe H à 180 °C).
• Balayage vibratoire par accéléromètre : effectuer des montées contrôlées de vitesse de 20 Hz à 80 Hz, en enregistrant les vitesses vibratoires maximales conformément à la norme ISO 10816 afin de programmer précisément les plages à éviter.
• Entretien du filtre d’admission : nettoyer mensuellement les capots d’admission d’air du moteur et les filtres du caisson du compresseur pour garantir un flux d’air de refroidissement sans obstruction.

Contactez-nous

Pour optimiser l’efficacité et la longévité opérationnelle des entraînements de compresseurs d’air à vitesse variable, une coordination parfaite entre la conception électromagnétique du moteur et le logiciel de commande de l’onduleur est indispensable. ENNENG collabore avec les fabricants de compresseurs et les ingénieurs des installations industrielles afin de fournir des solutions d’entraînement pour compresseurs à aimants permanents préconfigurées et hautement fiables. Contactez notre équipe d’ingénierie pour obtenir les paramètres d’appariement des entraînements et les sélections personnalisées de moteurs pour compresseurs :

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Q : Quels paramètres de protection de l’onduleur sont les plus critiques lorsqu’ils sont associés à un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) pour compresseur d’air ?

R : Les paramètres les plus critiques incluent la résistance statorique (Rs), les inductances des axes d et q, la constante de force contre-électromotrice (back-EMF) et les limites maximales de courant par phase. La mise en place de coupures rapides contre les surintensités (généralement 150 % de la valeur crête pendant 10 secondes), de constantes de temps thermiques contre les surcharges et de profils de décélération en cas de survoltage du bus continu permet d’éviter les déclenchements de l’onduleur et de protéger le moteur PMSM du compresseur d’air lors de rejets soudains de charge pneumatique.

Q : Comment les réglages de protection empêchent-ils la désaimantation permanente du rotor à aimants ?

R : Les réglages de protection empêchent la désaimantation en interverrouillant les capteurs thermiques statoriques (PT100/PTC) avec les courbes de réduction thermique de l’onduleur, afin de garantir que les températures continues des enroulements restent inférieures aux seuils de sécurité des aimants. En outre, la limitation des courants de sortie crête de l’onduleur évite la formation de champs magnétiques désaimantants transitoires sévères, qui pourraient dégrader les aimants en terres rares lors d’événements tels que les courts-circuits ou les blocages du rotor.

Q : Pourquoi la configuration de la bande de saut de fréquence de résonance est-elle essentielle dans les installations de PMSM pour compresseurs ?

R : Les compresseurs d’air comportent des ensembles mécaniques complexes, notamment des rotors à vis, des supports de roulements et des collecteurs de tuyauterie. Lorsqu’un PMSM pour compresseur d’air fonctionne à des vitesses variables (20 Hz – 80 Hz), les fréquences d’excitation peuvent coïncider avec des points de résonance mécanique. La programmation de bandes de saut empêche l’onduleur de stationner continuellement à ces vitesses harmoniques, éliminant ainsi les vibrations mécaniques destructrices et protégeant les joints d’étanchéité de l’arbre et les roulements.