Les fournisseurs d'équipements de support pour convertisseurs de fréquence rappellent que dans les systèmes de régulation de fréquence traditionnels composés de convertisseurs de fréquence classiques, de moteurs asynchrones et de charges mécaniques, lorsque la charge 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. Cependant, en raison de l'inertie mécanique du moteur, celui-ci peut se trouver en mode de récupération d'énergie. L'énergie mécanique stockée dans le système de transmission est alors convertie en énergie électrique par le moteur et renvoyée au circuit CC de l'onduleur via ses six diodes de roue libre. L'onduleur est alors en régime redressé. Si aucune mesure n'est prise pour dissiper l'énergie dans le convertisseur de fréquence, cette énergie entraînera une surtension au niveau du condensateur de stockage d'énergie du circuit intermédiaire. En cas de freinage trop rapide ou si la charge mécanique est un appareil de levage, cette surtension peut endommager le convertisseur de fréquence. Il est donc important d'en tenir compte.
En général, pour les convertisseurs de fréquence, il existe deux méthodes les plus couramment utilisées pour le traitement de l'énergie régénérée :
(1) La dissipation dans la « résistance de freinage » artificiellement placée en parallèle avec le condensateur dans le circuit CC est appelée état de freinage dynamique ;
(2) Si l'énergie est réinjectée dans le réseau électrique, on parle de freinage par rétroaction (ou freinage régénératif). Il existe une autre méthode de freinage, le freinage en courant continu, qui peut être utilisée lorsqu'un stationnement précis est nécessaire ou lorsque le moteur de frein tourne de manière irrégulière avant le démarrage, en raison de facteurs externes.
De nombreux experts ont abordé la conception et l'application du freinage par variateur de fréquence dans des ouvrages et publications, notamment ces derniers temps avec de nombreux articles consacrés au « freinage par retour d'énergie ». L'auteur présente ici une nouvelle méthode de freinage qui combine un fonctionnement sur quatre quadrants avec « freinage par retour d'énergie » et un rendement élevé, tout en offrant les avantages du « freinage par consommation d'énergie » pour un réseau électrique dépolluant et une fiabilité accrue.
Freinage à consommation d'énergie
La méthode consistant à utiliser la résistance de freinage placée dans le circuit CC pour absorber l'énergie électrique régénérative du moteur est appelée freinage par consommation d'énergie.
Its advantage is simple construction; No pollution to the power grid (compared to feedback control), low cost; The disadvantage is low operating efficiency, especially during frequent braking, which will consume a large amount of energy and increase the capacity of the braking resistor.
Generally, in general frequency converters, low-power frequency converters (below 22kW) are equipped with a built-in brake unit, which only requires an external brake resistor. High power frequency converters (above 22kW) require external brake units and brake resistors.
Feedback braking
To achieve energy feedback braking, conditions such as voltage control at the same frequency and phase, feedback current control, etc. are required. It adopts active inverter technology to invert regenerated electrical energy into AC power of the same frequency and phase as the power grid and return it to the grid, thereby achieving braking.
The advantage of feedback braking is that it can operate in four quadrants, and electric energy feedback improves the efficiency of the system. Its disadvantages are:
(1) This feedback braking method can only be used under stable grid voltage that is not prone to faults (with grid voltage fluctuations not exceeding 10%). Because during the operation of power generation braking, if the voltage fault time of the power grid is greater than 2ms, commutation failure may occur and the components may be damaged.
(2) During feedback, there is harmonic pollution to the power grid.
(3) The control is complex and the cost is high.
New braking method (capacitor feedback braking)
Main circuit principle
The rectification part uses a common uncontrollable rectifier bridge for rectification, the filtering circuit uses a universal electrolytic capacitor, and the delay circuit uses either a contactor or a thyristor. The charging and feedback circuit consists of a power module IGBT, a charging and feedback reactor L, and a large electrolytic capacitor C (with a capacity of about a few tenths of a meter, which can be determined according to the operating system of the frequency converter). The inverter part is composed of power module IGBT. The protection circuit is composed of IGBT and power resistor.
1) Electric motor power generation operation status
The CPU monitors the input AC voltage and DC circuit voltage (μ d) in real-time, and determines whether to send a charging signal to VT1. Once μ d is higher than the corresponding DC voltage value (such as 380VAC -530VDC) of the input AC voltage, the CPU turns off VT3 and charges the electrolytic capacitor C through pulse conduction of VT1. At this time, the reactor L and the electrolytic capacitor C are divided to ensure that the electrolytic capacitor C operates within a safe range. When the voltage on electrolytic capacitor C approaches a dangerous value (such as 370V) while the system is still in a power generation state, and the electrical energy is continuously sent back to the DC circuit through the inverter, the safety circuit plays a role in achieving energy consumption braking (resistance braking), controlling the turn off and turn on of VT3, and thus realizing the consumption of excess energy by resistor R. Generally, this situation does not occur.
(2) Electric motor operation status
When the CPU detects that the system is no longer charging, it pulse conducts VT3, creating an instantaneous left positive and right negative voltage on reactor L. Combined with the voltage on electrolytic capacitor C, the energy feedback process from the capacitor to the DC circuit can be achieved. The CPU controls the switching frequency and duty cycle of VT3 by detecting the voltage on electrolytic capacitor C and the voltage in the DC circuit, thereby controlling the feedback current and ensuring that the DC circuit voltage ν d does not become too high.
System difficulties
(1) Selection of reactors
(a)、 We consider the particularity of the operating conditions and assume that a certain fault occurs in the system, causing the potential energy load carried by the motor to accelerate freely and fall. At this time, the motor is in a power generation operation state,
The regenerated energy is sent back to the DC circuit through six freewheeling diodes, causing an increase in ∆ d and quickly putting the inverter in a charging state. At this time, the current will be very high. So the selected reactor wire diameter should be large enough to pass the current at this time.
(b)、 In the feedback loop, in order to release as much electrical energy as possible before the next charge of the electrolytic capacitor, selecting a regular iron core (silicon steel sheet) cannot achieve the goal. It is best to choose an iron core made of ferrite material. Looking at the current value considered above, it can be seen how large this iron core is. It is unknown whether there is such a large ferrite iron core on the market. Even if there is one, its price will definitely not be very low.
So the author suggests using one reactor for each charging and feedback circuit.
(2) Difficulties in control
(a) Dans le circuit CC du convertisseur de fréquence, la tension ν<sub>d</sub> est généralement supérieure à 500 V CC, tandis que la tension de tenue du condensateur électrolytique C n'est que de 400 V CC. Cela indique que la régulation de ce processus de charge diffère de la méthode de freinage par résistance. La chute de tension instantanée générée aux bornes de la réactance est ν<sub>c</sub> = ν<sub>d</sub> - ν<sub>L</sub>, et la tension de charge instantanée du condensateur électrolytique C est ν<sub>c</sub> = ν<sub>d</sub> - ν<sub>L</sub>. Afin de garantir le fonctionnement du condensateur électrolytique dans une plage de tension sûre (≤ 400 V), il est nécessaire de contrôler efficacement la chute de tension ν<sub>L</sub> aux bornes de la réactance, laquelle dépend de la vitesse de variation instantanée de l'inductance et du courant.
(b)、 Pendant le processus de rétroaction, il est également nécessaire d'empêcher la décharge d'énergie électrique du condensateur électrolytique C de provoquer une tension de circuit CC excessive à travers le réacteur, ce qui entraîne une protection contre les surtensions dans le système.
Principaux scénarios d'application
C’est précisément grâce à la supériorité de cette nouvelle méthode de freinage (freinage par retour de condensateur) des convertisseurs de fréquence que de nombreux utilisateurs ont récemment proposé d’équiper leurs équipements de ce système. Avec l’élargissement du champ d’application des convertisseurs de fréquence, cette technologie présente un fort potentiel de développement. Elle est notamment utilisée dans des secteurs tels que les monte-charges de mines (pour le transport de personnes ou le chargement de matériaux), les wagonnets de mines inclinés (à un ou deux tubes) et les engins de levage. Dans tous les cas, des dispositifs de récupération d’énergie peuvent être utilisés lorsque cela s’avère nécessaire.