Les fournisseurs d'unités de retour d'énergie rappellent que les convertisseurs de fréquence rencontrent fréquemment divers problèmes lors de leur mise en service et de leur utilisation, parmi lesquels la surtension est la plus courante. En cas de surtension, afin de prévenir tout dommage au circuit interne, la fonction de protection contre les surtensions du convertisseur de fréquence s'active, entraînant son arrêt et, par conséquent, un dysfonctionnement de l'équipement.
Il est donc impératif de prendre des mesures pour éliminer les surtensions et prévenir les pannes. Les causes de surtension variant selon les applications des convertisseurs de fréquence et des moteurs, des mesures adaptées doivent être mises en œuvre en fonction de chaque situation.
Génération de surtension dans le convertisseur de fréquence et freinage régénératif
La surtension d'un convertisseur de fréquence désigne la situation où la tension du convertisseur dépasse la tension nominale pour diverses raisons, ce qui se manifeste principalement au niveau de la tension continue du bus CC du convertisseur de fréquence.
En fonctionnement normal, la tension continue du convertisseur de fréquence correspond à la valeur moyenne après redressement triphasé double alternance. Calculée sur la base d'une tension secteur de 380 V, la tension continue moyenne Ud = 1,35 U<sub>ligne</sub> = 513 V.
En cas de surtension, le condensateur de stockage d'énergie du bus CC se charge. Lorsque la tension atteint environ 700 V (selon le modèle), la protection contre les surtensions du convertisseur de fréquence s'active.
Il existe deux principales causes de surtension dans les convertisseurs de fréquence : la surtension d’alimentation et la surtension régénérative.
Une surtension d'alimentation se produit lorsque la tension du bus CC dépasse sa valeur nominale en raison d'une tension d'alimentation excessive. De nos jours, la tension d'entrée de la plupart des convertisseurs de fréquence peut atteindre 460 V ; les surtensions dues à l'alimentation sont donc extrêmement rares.
Le principal sujet abordé dans cet article est la régénération de la surtension.
Les principales raisons de la génération d'une surtension régénérative sont les suivantes : lorsque la charge de GD2 (couple du volant moteur) décélère, le temps de décélération défini par le convertisseur de fréquence est trop court ;
Lors de sa descente, le moteur est soumis à des forces extérieures (ventilateurs, machines d'étirement, etc.) ou à des charges potentielles (ascenseurs, grues, etc.). De ce fait, sa vitesse réelle dépasse la vitesse de consigne du variateur de fréquence, ce qui signifie que la vitesse du rotor excède la vitesse de synchronisme. Dans ce cas, le glissement du moteur est négatif et le sens de rotation de l'enroulement rotorique par rapport au champ magnétique tournant est opposé à celui du moteur. Le couple électromagnétique ainsi généré constitue un couple de freinage qui s'oppose à la rotation. Le moteur électrique fonctionne donc en mode générateur et l'énergie cinétique de la charge est convertie en énergie électrique.
L'énergie de récupération est chargée dans le condensateur de stockage d'énergie CC de l'onduleur via la diode de roue libre, ce qui provoque une élévation de la tension du bus CC, appelée surtension de récupération. Le couple généré lors de cette surtension est opposé au couple initial ; il s'agit du couple de freinage. Par conséquent, la surtension de récupération correspond également au freinage par récupération.
En d'autres termes, l'élimination de l'énergie régénérative augmente le couple de freinage. Si l'énergie régénérative est faible, l'onduleur et le moteur ont une capacité de freinage régénératif de 20 %, et cette partie de l'énergie électrique est consommée par l'onduleur et le moteur. Si cette énergie dépasse la capacité de consommation du convertisseur de fréquence et du moteur, le condensateur du circuit CC se surcharge et la protection contre les surtensions du convertisseur de fréquence se déclenche, entraînant l'arrêt du système. Pour éviter cela, il est nécessaire de dissiper cette énergie rapidement, tout en augmentant le couple de freinage : c'est le principe du freinage régénératif.
Mesures de prévention des surtensions des convertisseurs de fréquence
Les mesures à prendre varient en fonction des causes de surtension. En cas de surtension survenant lors du stationnement, si aucune contrainte particulière n'est imposée quant à la durée ou au lieu de stationnement, il est possible de résoudre le problème en prolongeant le temps de décélération du variateur de fréquence ou en optant pour le stationnement libre. Le stationnement libre consiste à déconnecter le variateur de fréquence de l'interrupteur principal, permettant ainsi au moteur de tourner librement jusqu'à son arrêt.
Si certaines exigences s'appliquent en matière de durée ou de lieu de stationnement, la fonction de freinage CC peut être utilisée.
La fonction de freinage CC consiste à ralentir le moteur à une certaine fréquence, puis à appliquer une alimentation CC à l'enroulement du stator du moteur pour former un champ magnétique statique.
L'enroulement du rotor du moteur coupe ce champ magnétique et génère un couple de freinage, qui convertit l'énergie cinétique de la charge en énergie électrique et la dissipe sous forme de chaleur dans le circuit du rotor. C'est pourquoi ce type de freinage est également appelé freinage par dissipation d'énergie. Le freinage en courant continu comprend en réalité deux phases : le freinage par récupération d'énergie et le freinage par dissipation d'énergie. Cette méthode de freinage n'atteint que 30 à 60 % de l'efficacité du freinage par récupération d'énergie, et le couple de freinage est relativement faible. La dissipation d'énergie dans le moteur pouvant entraîner une surchauffe, la durée du freinage ne doit pas être excessive.
De plus, la fréquence de démarrage, la durée et la tension de freinage du freinage à courant continu sont toutes réglées manuellement et ne peuvent être ajustées automatiquement en fonction du niveau de tension de récupération. Par conséquent, le freinage à courant continu ne peut être utilisé en cas de surtension générée en fonctionnement normal et ne peut servir qu'au freinage lors des manœuvres de stationnement.
Pour résoudre la surtension causée par le couple excessif du volant moteur (GD2) lors de la décélération (passage d'une vitesse élevée à une vitesse basse sans arrêt), il est possible d'allonger la durée de la décélération. Cette méthode exploite le principe du freinage régénératif. L'allongement de la durée de la décélération permet de contrôler la vitesse de charge de l'onduleur grâce à la tension régénérative de la charge, optimisant ainsi l'utilisation de sa capacité de freinage régénératif. En revanche, pour les charges qui amènent le moteur en état de récupération d'énergie sous l'effet de forces externes (y compris la libération d'énergie potentielle), fonctionnant normalement en mode de freinage, l'énergie régénérative est trop importante pour être consommée par le convertisseur de fréquence. Par conséquent, il est impossible d'utiliser le freinage en courant continu ou d'allonger la durée de la décélération.
Comparé au freinage par courant continu, le freinage régénératif offre un couple de freinage supérieur, dont l'amplitude est automatiquement régulée par l'unité de freinage du convertisseur de fréquence en fonction du couple de freinage requis par la charge (c'est-à-dire du niveau d'énergie régénérée). De ce fait, le freinage régénératif est particulièrement adapté pour fournir le couple de freinage nécessaire à la charge en fonctionnement normal.
Méthode de freinage régénératif par conversion de fréquence :
1. Type de consommation d'énergie :
Cette méthode consiste à insérer une résistance de freinage en parallèle dans le circuit CC d'un convertisseur de fréquence et à commander l'activation/désactivation d'un transistor de puissance en détectant la tension du bus CC. Lorsque cette tension atteint environ 700 V, le transistor de puissance conduit, transférant l'énergie régénérée à la résistance et la dissipant sous forme d'énergie thermique, ce qui empêche la montée en tension CC. Du fait de l'impossibilité d'utiliser l'énergie régénérée, cette méthode est classée comme une méthode à consommation d'énergie. Contrairement au freinage CC, elle dissipe l'énergie au niveau de la résistance de freinage, située à l'extérieur du moteur, évitant ainsi la surchauffe de ce dernier et permettant un fonctionnement plus fréquent.
2. Type d'absorption par bus CC parallèle :
Ce système convient aux systèmes d'entraînement multimoteurs (tels que les machines d'étirage), où chaque moteur nécessite un convertisseur de fréquence, plusieurs convertisseurs de fréquence partagent un convertisseur côté réseau et tous les onduleurs sont connectés en parallèle à un bus CC commun. Dans ce système, un ou plusieurs moteurs fonctionnent généralement au freinage. Le moteur au freinage est entraîné par les autres moteurs pour générer de l'énergie régénérée, qui est ensuite absorbée par le moteur en fonctionnement via un bus CC parallèle. Si l'absorption est insuffisante, l'énergie excédentaire est dissipée par une résistance de freinage partagée. L'énergie régénérée est ainsi partiellement absorbée et utilisée, mais n'est pas réinjectée dans le réseau électrique.
3. Type de rétroaction énergétique :
Le convertisseur côté réseau de l'onduleur à récupération d'énergie est réversible. Lorsqu'une énergie est produite par récupération d'énergie, le convertisseur réversible la réinjecte dans le réseau, permettant ainsi son utilisation optimale. Cependant, cette méthode exige une grande stabilité de l'alimentation électrique ; en cas de coupure de courant soudaine, une inversion de polarité peut se produire.