Les fournisseurs de dispositifs de rétroaction d'énergie pour convertisseurs de fréquence rappellent que le freinage par simple consommation d'énergie est actuellement largement utilisé dans les systèmes de contrôle de vitesse par conversion de fréquence CA. Or, ce type de freinage présente des inconvénients tels que le gaspillage d'énergie électrique, un échauffement important des résistances et des performances de freinage rapide médiocres. Lorsque les moteurs asynchrones subissent des freinages fréquents, le freinage par rétroaction constitue une méthode très efficace d'économie d'énergie et permet d'éviter les dommages causés à l'environnement et aux équipements lors du freinage. Des résultats satisfaisants ont été obtenus dans des secteurs tels que les locomotives électriques et l'extraction pétrolière. Avec l'émergence continue de nouveaux dispositifs d'électronique de puissance, l'amélioration constante de leur rentabilité et la prise de conscience croissante des enjeux d'économie d'énergie et de réduction de la consommation, les perspectives d'application sont vastes.
Le dispositif de freinage à récupération d'énergie est particulièrement adapté aux applications où la puissance du moteur est élevée (supérieure ou égale à 100 kW), où le moment d'inertie de l'équipement (gd²) est important et où le système fonctionne de manière continue et répétée sur de courtes périodes. La réduction de la vitesse, de la haute à la basse vitesse, est importante, le temps de freinage est court et un freinage puissant est requis. Afin d'optimiser l'efficacité énergétique et de réduire les pertes d'énergie lors du freinage, il est également nécessaire de récupérer l'énergie de décélération et de la réinjecter dans le réseau électrique.
Principe de freinage par rétroaction
Dans un système de régulation de vitesse à fréquence variable, la décélération et l'arrêt du moteur sont obtenus par une réduction progressive de la fréquence. Lorsque la fréquence diminue, la vitesse synchrone du moteur diminue en conséquence. Cependant, en raison de l'inertie mécanique, la vitesse du rotor reste constante, et sa variation de vitesse présente un certain délai. À ce moment-là, la vitesse réelle est supérieure à la vitesse de consigne, ce qui entraîne une situation où la force contre-électromotrice e du moteur est supérieure à la tension continue u aux bornes du convertisseur de fréquence (e > u). Le moteur électrique se comporte alors comme un générateur, capable non seulement de s'autoalimenter, mais aussi d'injecter de l'électricité dans le réseau. Ceci permet non seulement un freinage efficace, mais aussi la conversion de l'énergie cinétique en énergie électrique, qui peut être réinjectée dans le réseau pour récupérer de l'énergie, réalisant ainsi un double avantage. Bien entendu, un dispositif de récupération d'énergie est indispensable pour la commande automatique. De plus, le circuit de récupération d'énergie doit comprendre des inductances AC et DC, des absorbeurs de résistance et de capacité, des commutateurs électroniques, etc.
Comme on le sait, le pont redresseur des convertisseurs de fréquence classiques est triphasé et non contrôlable, ce qui empêche un transfert d'énergie bidirectionnel entre le circuit CC et l'alimentation. La solution efficace à ce problème consiste à utiliser la technologie des onduleurs actifs, dont la partie redresseur est un redresseur réversible, également appelé convertisseur côté réseau. En contrôlant cet onduleur, l'énergie électrique régénérée est convertie en courant alternatif de même fréquence, phase et amplitude que le réseau, puis réinjectée dans celui-ci pour réaliser le freinage. Auparavant, les onduleurs actifs utilisaient principalement des circuits à thyristors, qui ne peuvent fonctionner en toute sécurité qu'en présence d'une tension de réseau stable et exempte de défauts (fluctuations de tension inférieures à 10 %). En effet, lors d'une opération de freinage de la production d'énergie, si la durée de freinage de la tension de réseau dépasse 2 ms, un défaut de commutation peut survenir et endommager les composants. De plus, en mode de contrôle profond, cette méthode présente un faible facteur de puissance, un taux d'harmoniques élevé et des commutations superposées, ce qui entraîne une distorsion de la forme d'onde de la tension du réseau. Parallèlement, elle se caractérise par une complexité de contrôle et un coût élevés. Face à l'application pratique des dispositifs entièrement contrôlés, des convertisseurs réversibles à commande par hacheur utilisant la modulation de largeur d'impulsion (PWM) ont été développés. Ainsi, la structure de l'onduleur côté réseau est identique à celle de l'onduleur classique, les deux utilisant la PWM.
L'analyse précédente montre que, pour obtenir un freinage par retour d'énergie efficace de l'onduleur, il est essentiel de contrôler l'onduleur côté réseau. Le texte qui suit décrit l'algorithme de commande de cet onduleur, utilisant des dispositifs entièrement contrôlés et la méthode de commande PWM.
algorithme de contrôle
L'algorithme de commande des onduleurs côté réseau utilise généralement une commande vectorielle, où vdc, v*dc et Δvdc représentent respectivement la valeur mesurée, la valeur de consigne et l'erreur de commande de la tension du bus CC ; id, i*d et Δid représentent respectivement la valeur mesurée, la valeur de consigne et l'erreur de commande de l'axe d de l'onduleur côté réseau ; iq, i*q et Δiq représentent respectivement la valeur mesurée, la valeur de consigne et l'erreur de commande du courant de l'axe q du convertisseur côté réseau ; Δv*d, v*d et v*q représentent respectivement la consigne de déviation de la tension de sortie de l'axe d, la consigne de la tension de sortie de l'axe d et la consigne de la tension de sortie de l'axe q de l'onduleur côté réseau ; EABC, V*ABC et IABC représentent respectivement les valeurs de consigne instantanées du potentiel du réseau, de la tension de sortie du convertisseur côté réseau et des valeurs instantanées triphasées du courant de sortie ; φ représente respectivement l'amplitude et la phase du potentiel du réseau.
L'algorithme de commande vectorielle calcule la différence entre la tension mesurée du bus CC et la valeur de consigne, et détermine la valeur de consigne du courant d'axe d via un régulateur PI. Ensuite, en fonction de la phase mesurée de la tension du réseau, le courant de sortie mesuré de l'onduleur côté réseau est transformé de manière synchrone afin d'obtenir les valeurs mesurées des courants d'axe d et d'axe q. Après correction PI, la valeur de l'axe d est ajoutée à l'amplitude de la tension du réseau pour obtenir les valeurs de consigne des tensions d'axe d et d'axe q. Enfin, après transformation inverse synchrone, on obtient la sortie.
L'avantage de cet algorithme réside dans sa grande précision de contrôle et sa bonne réponse dynamique ; son inconvénient est la présence de nombreuses transformations de coordonnées et sa complexité, nécessitant une puissance de calcul élevée de la part du processeur de contrôle.
Ce système utilise une composition de redresseur PWM à suivi de courant. Cet algorithme simplifié multiplie directement la consigne de courant sur l'axe d par la valeur de référence sinusoïdale triphasée, obtenue à partir de la table de correspondance des phases de la tension du réseau mesurée, afin d'obtenir la consigne du courant de sortie triphasé. Il effectue ensuite un simple ajustement en pi pour obtenir la consigne de la tension de sortie triphasée et la transmettre. L'absence de calculs de transformation de coordonnées dans cet algorithme réduit considérablement les besoins en puissance de calcul du processeur de contrôle. En revanche, les caractéristiques intrinsèques du régulateur PI induisent une certaine erreur en régime permanent dans la régulation du courant alternatif, ce qui explique un facteur de puissance inférieur à celui d'un algorithme de contrôle vectoriel standard. Lors de variations dynamiques, les fluctuations de la tension du bus CC sont importantes, augmentant ainsi la probabilité de défaillances de la tension du bus CC et d'autres défauts lors de ces variations rapides.
Caractéristiques de freinage par retour d'information
À proprement parler, l'onduleur côté réseau ne peut être simplement qualifié de « redresseur », car il remplit à la fois les fonctions de redresseur et d'onduleur. Grâce à l'utilisation de dispositifs d'arrêt automatique, l'amplitude et la phase du courant alternatif sont contrôlées par modulation de largeur d'impulsion (PWM) appropriée, ce qui permet d'obtenir un courant d'entrée proche d'une sinusoïde et de garantir un facteur de puissance du système toujours proche de 1. Lorsque la puissance récupérée par l'onduleur lors du freinage du moteur augmente la tension continue, la phase du courant d'entrée alternatif peut être inversée par rapport à celle de la tension d'alimentation pour assurer un fonctionnement régénératif. Cette puissance récupérée est alors réinjectée dans le réseau électrique alternatif, tandis que le système maintient la tension continue à la valeur souhaitée. Dans ce cas, l'onduleur côté réseau fonctionne en mode actif. Ceci facilite la mise en œuvre d'un flux de puissance bidirectionnel et offre une grande réactivité. Par ailleurs, cette topologie permet au système de contrôler précisément les échanges de puissance réactive et active entre les circuits alternatif et continu, avec un rendement pouvant atteindre 97 % et des avantages économiques significatifs. Les pertes thermiques représentent 1 % de la consommation d'énergie au freinage et ne polluent pas le réseau électrique. Le facteur de puissance est proche de 1, ce qui est respectueux de l'environnement. Par conséquent, le freinage par rétroaction peut être largement utilisé pour optimiser la consommation d'énergie dans les systèmes de transmission à courant alternatif à modulation de largeur d'impulsion (PWM), notamment lorsque des freinages fréquents sont nécessaires. La puissance du moteur électrique étant élevée, l'économie d'énergie est significative. Selon les conditions de fonctionnement, l'économie d'énergie moyenne atteint environ 20 %. Le seul inconvénient de la mise en œuvre d'une commande par rétroaction réside dans la complexité du système de contrôle.
En résumé, il apparaît clairement que le système de récupération d'énergie présente des avantages considérables par rapport au freinage par consommation d'énergie et au freinage par courant continu. En réinjectant l'électricité régénérée dans le réseau grâce au freinage par récupération, il permet de réduire la consommation d'énergie et les coûts d'électricité. Par conséquent, dans le contexte actuel de pénuries d'électricité dues au développement économique rapide de diverses régions de Chine, la promotion et l'application du freinage par récupération revêtent une importance capitale pour les économies d'énergie.