Les fournisseurs de dispositifs de récupération d'énergie pour convertisseurs de fréquence rappellent que, dans les systèmes de régulation de fréquence traditionnels composés de convertisseurs de fréquence, de moteurs asynchrones et de charges mécaniques, lorsque la charge potentielle transmise par le moteur diminue, celui-ci peut se trouver en mode de freinage régénératif. De même, lors de la décélération du moteur (y compris à l'arrêt), la fréquence peut chuter brutalement, mais, du fait de l'inertie mécanique du moteur, celui-ci peut se trouver en mode de régénération. Deux méthodes permettent de gérer l'énergie régénérée du convertisseur de fréquence : la méthode de décharge d'énergie par résistance et la méthode de rétroaction inverse. Cette dernière repose sur une structure « double MLI » composée d'éléments de commutation entièrement commandés, mais son coût élevé limite son utilisation à grande échelle. Nous présentons ci-dessous une nouvelle méthode de rétroaction pour la récupération d'énergie dans un convertisseur de fréquence.
Principe de fonctionnement de la rétroaction énergétique
La récupération d'énergie consiste à réinjecter au réseau électrique l'énergie électrique accumulée aux deux extrémités du condensateur de filtrage, générée par le moteur en mode de freinage régénératif. Pour fonctionner correctement, le circuit de récupération doit satisfaire deux conditions :
(1) Lorsque le convertisseur de fréquence fonctionne normalement, le dispositif de rétroaction est inactif. Ce dispositif n'est actif que lorsque la tension du bus CC dépasse une certaine valeur. Dès que la tension du bus CC revient à la normale, le dispositif de rétroaction doit être désactivé rapidement, sous peine de surcharger le circuit redresseur.
(2) Le courant de rétroaction de l'onduleur doit être contrôlable.
Section onduleur
Les thyristors V1 à V6 forment un pont onduleur triphasé. Les thyristors présentent l'avantage d'un faible coût, d'une commande simple, d'un fonctionnement fiable et d'une technologie éprouvée. Cependant, ce sont des composants semi-commandés ; le circuit onduleur qui les compose doit impérativement respecter un angle d'inversion minimal supérieur à 30°, sous peine de risquer une défaillance de l'onduleur et d'entraîner une tension nominale du bus CC supérieure à la tension de l'onduleur. Le circuit onduleur à thyristors peut démarrer l'onduleur par l'émission d'une impulsion de déclenchement, mais ne peut pas l'arrêter par simple suppression de cette impulsion. Une suppression de l'impulsion de déclenchement en cours d'inversion peut avoir des conséquences graves, notamment une défaillance de l'onduleur. Il est donc nécessaire d'utiliser une méthode de coupure du circuit CC pour arrêter l'onduleur.
Le transformateur de tension (VT) remplit une double fonction : il commande le démarrage et l’arrêt du circuit de l’onduleur. À l’activation du VT, la tension continue est appliquée au pont de l’onduleur pour démarrer ce dernier ; à sa désactivation, le circuit continu est coupé et l’onduleur s’arrête (l’impulsion de déclenchement est alors optionnelle). La tension nominale du bus continu est d’environ 600 V (avec une fluctuation de ± 10 % de la tension du réseau). Le démarrage et l’arrêt de l’onduleur dépendent de la tension du bus continu et utilisent une régulation par hystérésis. Lorsque la tension du bus continu dépasse 1,2 × 600 V, l’onduleur démarre ; lorsqu’elle est inférieure à 1,1 × 600 V, il s’arrête. Le VT contrôle également l’intensité du courant de l’onduleur.
Contrôle du courant de l'onduleur
Lors de l'inversion du courant, la tension du bus continu et la tension de l'onduleur sont connectées en parallèle avec la même polarité, la tension du bus étant supérieure à celle de l'onduleur. L'inductance L permet d'équilibrer la différence de potentiel. La commande du transformateur de tension peut être réalisée par modulation de largeur d'impulsion (PWM) avec hystérésis de courant ; c'est cette méthode qui est utilisée ici.
Lorsque iL < I<sub>L-IL</sub>, VT conduit. La tension continue est appliquée à l'inductance L et au pont inverseur, induisant un courant dans le chemin ①, et le courant iL commence à augmenter. Lorsque iL dépasse I<sub>L+IL</sub>, VT se bloque et le courant continue de circuler dans l'inductance à travers la diode D. Le courant iL commence alors à diminuer. Lorsque iL retombe à I<sub>L-IL</sub>, VT conduit à nouveau et iL recommence à augmenter. Grâce à l'alternance de commutation de VT, le courant de l'onduleur iL est maintenu à une valeur de consigne I<sub>3</sub>. De plus, quelle que soit la variation de la valeur de crête de la tension de l'onduleur, l'inductance L peut rester très faible grâce à la commande par interrupteur haute fréquence.
En résumé, la conduction du VT doit satisfaire simultanément deux conditions : (1) la tension CC Uc est supérieure à la limite supérieure de tension fixée ; (2) lorsque le courant de l'onduleur iL est inférieur à la limite inférieure de courant fixée.
L'arrêt du VT doit répondre à l'une des deux conditions suivantes : (1) la tension CC Uc est inférieure à la limite inférieure de tension définie ; (2) lorsque le courant de l'onduleur iL dépasse la limite supérieure définie.
Afin d'éviter les commutations fréquentes de VT, une commande à hystérésis est utilisée pour la tension Uc et le courant iL, et la largeur de la boucle est la différence entre les limites supérieure et inférieure définies.
Calcul de l'inductance
Pour simplifier le calcul et ignorer la variation instantanée de la tension de l'onduleur Vd Β, qui est considérée comme une quantité constante, l'équation suivante peut être obtenue : L diL dt=Uc Ud Β La résolution de l'équation donne t1=2ILL Uc Ud Β, où IL - largeur d'hystérésis du courant ;
Uc - tension continue ; Ud Β - valeur moyenne de la tension de l'onduleur.
Dans l'intervalle t2, VT est désactivé et la tension continue de circuler à travers D.
L'équation est la suivante : L diL dt = - Ud Β. Solution : t2 = 2ILL Ud Β. Période de découpage : T = t1 + t2 = 2ILLUc Ud Β (Uc Ud Β). Fréquence de découpage : f = Ud Β (Uc Ud Β) / 1ILLUc. Inductance : L = Ud Β (Uc Ud Β) / 2ILUCf. Cette équation montre que lorsque f est très élevée, L est très faible. Ceci diffère des circuits d'onduleurs à thyristors classiques. La formule ci-dessus peut servir de base pour le choix de l'inductance.
Calcul du courant de décharge du condensateur
Ce n'est que lorsque VT est conducteur qu'un courant de décharge peut sortir du condensateur. Par conséquent, la valeur moyenne du courant de décharge est : Ic = t1 TI 3 L. En substituant cette formule dans la formule du cycle de découpage, on obtient : Ic = Ud Β Uc I 3 L