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.
Son avantage réside dans sa construction simple ; il ne pollue pas le réseau électrique (contrairement à la commande par rétroaction) et son coût est faible ; son inconvénient est son faible rendement, notamment lors de freinages fréquents, ce qui entraîne une forte consommation d'énergie et une augmentation de la capacité de la résistance de freinage.
En général, les convertisseurs de fréquence de faible puissance (moins de 22 kW) sont équipés d'un système de freinage intégré et ne nécessitent qu'une résistance de freinage externe. Les convertisseurs de fréquence de forte puissance (plus de 22 kW) requièrent un système de freinage externe et une résistance de freinage.
Freinage par retour d'information
Pour réaliser un freinage par rétroaction d'énergie, il est nécessaire de contrôler la tension à la même fréquence et en phase, ainsi que le courant de rétroaction. Ce système utilise une technologie d'onduleur actif pour convertir l'énergie électrique régénérée en courant alternatif de même fréquence et phase que le réseau électrique et la réinjecter dans ce dernier, permettant ainsi le freinage.
L'avantage du freinage par rétroaction est qu'il peut fonctionner dans les quatre quadrants, et 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 non sujette aux défauts (avec des fluctuations de tension de réseau n'excédant pas 10 %). En effet, lors du freinage de la production d'énergie, si la durée du défaut de tension sur le réseau électrique dépasse 2 ms, un défaut de commutation peut survenir et endommager les composants.
(2) Lors de la rétroaction, il y a pollution harmonique sur le réseau électrique.
(3) Le contrôle est complexe et le coût est élevé.
Nouvelle méthode de freinage (freinage par rétroaction capacitive)
Principe du circuit principal
La partie redressement utilise un pont redresseur non commandable classique, le circuit de filtrage un condensateur électrolytique universel et le circuit de temporisation un contacteur ou un thyristor. Le circuit de charge et de rétroaction comprend un module IGBT de puissance, une inductance de charge et de rétroaction L et un condensateur électrolytique de forte capacité C (de l'ordre de quelques dixièmes de watt, à déterminer selon le système d'exploitation du convertisseur de fréquence). L'onduleur est composé d'un module IGBT de puissance. 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 (μd) et détermine s'il convient d'envoyer un signal de charge à VT1. Lorsque μd dépasse la valeur de tension continue correspondante (par exemple, 380 V CA - 530 V CC) de la tension alternative d'entrée, le processeur coupe VT3 et charge le condensateur électrolytique C par conduction pulsée via VT1. À ce moment-là, la réactance L et le condensateur électrolytique C sont isolés afin de garantir le fonctionnement de ce dernier dans une plage de sécurité. Si la tension aux bornes du condensateur électrolytique C atteint une valeur critique (par exemple, 370 V) alors que le système est encore en phase de production d'énergie et que l'énergie électrique est continuellement réinjectée dans le circuit continu via l'onduleur, le circuit de sécurité intervient pour limiter la consommation d'énergie (freinage par résistance), en commandant l'activation et la désactivation de VT3 et en dissipant ainsi l'énergie excédentaire grâce à la résistance R. En règle générale, cette situation est rare.
(2) État de fonctionnement du moteur électrique
Lorsque le processeur détecte que le système ne charge plus, il active par impulsion le transistor VT3, créant ainsi une tension positive instantanée à gauche et une tension négative à droite sur la réactance L. Combinée à la tension aux bornes du condensateur électrolytique C, cette tension permet la récupération d'énergie du condensateur vers le circuit CC. Le processeur contrôle la fréquence de commutation et le rapport cyclique de VT3 en fonction de la tension aux bornes du condensateur C et de la tension du circuit CC, régulant ainsi le courant de récupération et évitant une surtension dans le circuit CC (νd).
Difficultés du système
(1) Sélection des réacteurs
(a) Nous considérons la particularité des conditions de fonctionnement et supposons qu'un certain défaut se produise dans le système, provoquant l'accélération libre et la chute de la charge d'énergie potentielle supportée par le moteur. À ce moment-là, le moteur est en mode de production d'énergie.
L'énergie régénérée est renvoyée au circuit CC via six diodes de roue libre, ce qui augmente la variation de courant (∆d) et met rapidement l'onduleur en charge. À ce moment-là, le courant est très élevé. Le diamètre du fil réactant choisi doit donc être suffisamment important pour permettre le passage de ce courant.
(b) Dans la boucle de rétroaction, afin de libérer un maximum d'énergie électrique avant la prochaine charge du condensateur électrolytique, l'utilisation d'un noyau de fer classique (en tôle d'acier au silicium) est inadaptée. Il est préférable d'opter pour un noyau en ferrite. La valeur du courant mentionnée précédemment permet d'apprécier la taille de ce noyau. On ignore si un noyau en ferrite de cette taille est disponible sur le marché. Même s'il existe, son prix sera certainement élevé.
L'auteur suggère donc d'utiliser un réacteur pour chaque circuit de charge et de rétroaction.
(2) Difficultés de contrôle
(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.