Les fournisseurs d'équipements de support pour convertisseurs de fréquence rappellent que dans un système de contrôle de fréquence traditionnel composé de convertisseurs de fréquence universels, de moteurs asynchrones et de charges mécaniques, lorsque la charge d'énergie du moteur est déchargée, celui-ci peut se trouver dans un état de freinage par récupération d'énergie ; ou lorsque le moteur ralentit de sa vitesse élevée à sa vitesse basse (y compris à l'arrêt), la fréquence peut chuter, mais en raison de l'inertie mécanique du moteur, celui-ci peut se trouver dans un état de récupération d'énergie, et l'énergie mécanique stockée dans le système de transmission est convertie en électricité par le moteur électrique, laquelle est renvoyée au circuit CC de l'onduleur via les six diodes de courant continu de celui-ci.
En général, les convertisseurs de fréquence utilisent deux méthodes de traitement de l'énergie renouvelable les plus courantes :
(1) « Résistance au freinage » en parallèle avec le condensateur artificiellement placé dans le circuit CC, appelé état de freinage dynamique ;
(2) Pour revenir au réseau, on parle alors de freinage par retour d'état (ou freinage régénératif). Il existe également une méthode de freinage, le freinage en courant continu, utilisable dans les situations exigeant un stationnement précis ou une rotation irrégulière du frein moteur avant le démarrage, en raison de facteurs externes.
Dans les ouvrages et publications, de nombreux experts ont abordé la conception et l'application du freinage par onduleur, et plus particulièrement récemment le sujet du « freinage par rétroaction d'énergie ». L'auteur propose aujourd'hui une nouvelle méthode de freinage qui combine les avantages du « freinage par rétroaction » fonctionnant dans les quatre quadrants, offrant un rendement élevé, et ceux du « freinage par consommation d'énergie » pour un réseau non polluant et une grande fiabilité.
Frein à énergie
L'utilisation de la résistance de freinage définie dans le circuit CC pour absorber l'énergie électrique renouvelable du moteur est appelée freinage par consommation d'énergie.
Ses avantages sont une construction simple ; aucune pollution du réseau (comparativement au retour d'information), un faible coût ; son inconvénient est un faible rendement opérationnel, notamment lorsque des freinages fréquents consomment beaucoup d'énergie et que la capacité de résistance au freinage augmente.
En général, les convertisseurs de fréquence de faible puissance (moins de 22 kW) intègrent un système de freinage ; il suffit d'ajouter une résistance de freinage. Les convertisseurs de fréquence de forte puissance (plus de 22 kW) nécessitent un système de freinage externe et une résistance de freinage.
Frein à retour d'information
Pour réaliser un freinage par retour d'énergie, il est nécessaire de contrôler la tension, la fréquence et la phase, ainsi que le courant de retour, entre autres conditions. L'utilisation de la technologie d'inversion active permet de réinjecter l'électricité renouvelable dans le réseau avec une puissance alternative de même fréquence et phase, assurant ainsi le freinage.
L'avantage du freinage par rétroaction est qu'il peut fonctionner dans les quatre quadrants, comme illustré à la figure 3 ; la rétroaction d'énergie électrique améliore l'efficacité du système. Ses inconvénients sont les suivants :
(1) Cette méthode de freinage par rétroaction ne peut être utilisée que sous une tension de réseau stable et peu sujette aux pannes (fluctuations de tension inférieures à 10 %). En effet, lors du fonctionnement du frein de production d'énergie, une coupure de tension réseau de plus de 2 ms peut entraîner un déphasage et endommager le dispositif.
(2) Dans la rétroaction, il y a pollution harmonique sur le réseau.
(3) Contrôle complexe, coût élevé.
Nouveau type de freinage (freinage à rétroaction capacitive)
Principe du circuit principal
La partie redressement utilise un pont redresseur non commandable classique. Le circuit de filtrage utilise un condensateur électrolytique classique. Le circuit de temporisation utilise un contacteur ou un transistor à effet de champ au silicium. Le module de puissance de charge et de rétroaction est composé d'un IGBT, d'une résistance de charge et de rétroaction L et d'un condensateur électrolytique de forte capacité C (dont la capacité est proche de zéro et peut être déterminée en fonction du système d'exploitation du convertisseur de fréquence). La partie onduleur est constituée d'un module de puissance IGBT. Le circuit de protection est composé d'un IGBT et d'une résistance de puissance.
(1) État de fonctionnement de la production d'énergie du moteur électrique
Le processeur surveille en temps réel la tension alternative d'entrée et la tension continue du circuit νd afin de déterminer s'il convient d'envoyer un signal de charge à VT1. Lorsque νd dépasse une certaine valeur de la tension alternative d'entrée correspondant à la tension continue (par exemple, 380 V CA - 530 V CC), le processeur coupe VT3. La conduction par impulsions de VT1 permet alors la charge du condensateur électrolytique C. À ce moment-là, la résistance L est intégrée au condensateur électrolytique C, garantissant ainsi son fonctionnement dans une plage de sécurité.
(2) État de fonctionnement électrique du moteur électrique
Lorsque le processeur détecte que le système n'est plus chargé, il génère l'impulsion VT3, ce qui induit une tension négative instantanée aux bornes de la résistance L (comme illustré sur l'icône). Cette tension, ajoutée à celle du condensateur électrolytique C, permet la récupération d'énergie du condensateur vers le circuit continu. Le processeur contrôle la fréquence de commutation de VT3 et le taux de décharge en fonction de la tension aux bornes du condensateur C et du circuit continu, régulant ainsi le courant de récupération afin d'éviter une surtension νd.
Difficultés du système
(1) Sélection de la résistance
(a) Nous prenons en compte les particularités des conditions de travail, en supposant que le système présente une sorte de défaillance, entraînant l'accélération libre de la charge du bit contenu dans le moteur, lorsque le moteur est en état de fonctionnement de production d'énergie,
L'énergie renouvelable est réinjectée dans le circuit CC via six diodes de courant continu, ce qui provoque une augmentation de νd et charge rapidement le convertisseur de fréquence. À ce moment-là, le courant est important. Le diamètre du fil résistif choisi doit donc être suffisamment grand pour permettre le passage du courant.
(b) Dans la boucle de rétroaction, afin que le condensateur électrolytique libère le maximum d'énergie électrique possible avant la charge suivante, le choix d'un noyau de fer ordinaire (plaque d'acier au silicium) ne permet pas d'atteindre cet objectif. Il est préférable de choisir un noyau de fer en oxyde ferreux. Compte tenu de la valeur élevée du courant, on peut se demander quelle taille de noyau de fer il faudrait. Je ne sais pas s'il existe un noyau de fer aussi grand sur le marché, et même s'il en existe un, son prix ne sera certainement pas bon marché.
Par conséquent, je suggère que les circuits de charge et de rétroaction utilisent chacun une résistance électrique.
(2) Difficultés de contrôle
(a) Dans le circuit CC du convertisseur de fréquence, la tension νd est généralement supérieure à 500 V CC, tandis que la tension aux bornes de la résistance du condensateur électrolytique C n'est que de 400 V CC. On constate que la régulation de ce processus de charge diffère de la méthode de freinage par résistance. La tension transitoire aux bornes de la résistance est réduite à νc = νd - νL. Afin de garantir le fonctionnement du condensateur électrolytique dans sa plage de sécurité (≤ 400 V), il est nécessaire de contrôler efficacement la chute de tension νL aux bornes de la résistance. Cette chute de tension νL dépend de l'inductance et de la vitesse de variation instantanée du courant.
(b) Dans le processus de rétroaction, l'énergie électrique libérée par le condensateur électrolytique C doit également être empêchée de provoquer une tension de circuit CC excessive à travers la résistance, afin que le système apparaisse une protection contre les surtensions.
Principales applications et exemples d'application
Grâce aux avantages de ce nouveau type de freinage (freinage par rétroaction capacitive) pour convertisseurs de fréquence, de nombreux utilisateurs ont récemment proposé d'équiper leurs équipements de ce système. En raison de sa complexité technique, on ignore si une telle méthode de freinage existe à l'étranger. À l'heure actuelle, seule la société Shandong Fengguan Electronics Co., Ltd. a adopté ce nouveau type de freinage par rétroaction capacitive pour ses ascenseurs miniers, abandonnant ainsi le freinage par rétroaction classique (deux ascenseurs sont encore en service). Ce convertisseur de fréquence à freinage par rétroaction capacitive fonctionne depuis longtemps sans problème dans les mines de charbon de Ningyang (Shandong) et de Taiyuan (Shanxi), comblant ainsi le manque de solutions existantes en Chine.
Avec l'expansion du champ d'application des convertisseurs de fréquence, cette technologie s'avère très prometteuse, notamment pour les cages d'ascenseur minières (manipulées ou à chargement), les camions miniers à puits biseautés (à un ou deux cylindres), les engins de levage et d'autres secteurs industriels. En bref, elle permet de répondre aux besoins en dispositifs de récupération d'énergie.