Configuration d’un pont IGBT

Convertisseur réseau Convertisseur réseau

Teneur en harmoniques

réseau* redr

=U U

3.4 Configuration d’un pont IGBT

3.4.1 Principes généraux de fonctionnement des variateurs régénératifs à IGBT

La récupération de l’énergie de freinage avec un pont IGBT met en oeuvre le même principe que le transport d’électricité au sein d’un réseau, où plusieurs générateurs et charges sont interconnectés. On peut considérer qu’au point de connexion le réseau est un gros générateur synchrone de fréquence fixe. Le pont d’entrée IGBT du variateur (appelé convertisseur réseau) peut être considéré comme un autre réseau de tension alter-native connecté au générateur par l’intermédiaire d’une self. Le transfert d’énergie entre les deux réseaux alternatifs de tension U et interconnectés peut être calculé à partir de la formule (3.4).

(3.4)

Figure 3.5. Forme d’onde type du courant réseau et teneur en harmoniques d’un convertisseur réseau à IGBT.

3.4.2 Rôle des variateurs régénératifs à IGBT

Les variateurs régénératifs à IGBT présentent trois caractéris-tiques principales. Primo, ils maintiennent la tension du bus continu stable indépendamment de la valeur absolue et du sens de transfert de la puissance. Les variateurs alimentant les moteurs c.a. fonctionnent ainsi de manière optimale quel que soit le point de fonctionnement, ceci grâce à la stabilité de la tension du bus continu. Celle-ci est stable lorsque la puissance d’entrée du bus continu est égale à sa puissance de sortie. Ce contrôle du transfert de puissance se fait en contrôlant l’angle de puissance entre les deux réseaux alternatifs.

Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable

La formule indique que pour transférer de l’énergie entre les deux réseaux, il doit y avoir un déphasage de l’angle entre les tensions de ces deux réseaux c.a. Pour contrôler le transfert de puissance entre les deux réseaux, l’angle doit être contrôlé.

Figure 3.6. Transition rapide du mode générateur au mode moteur.

Secundo, les variateurs régénératifs à IGBT minimisent le cou-rant réseau requis pour fonctionner à cosφ = 1.0. Pour cela, on contrôle la tension de sortie du convertisseur réseau à IGBT.

Dans certaines applications, ce dernier doit aussi fonctionner comme une charge inductive ou capacitive.

Tertio, ils minimisent la teneur en harmoniques du courant réseau.

Les principaux critères de conception dans ce cas sont la valeur d’impédance de la self et le choix de la méthode de contrôle.

3.4.3 Contrôle de la puissance par le contrôle direct de couple

La technologie DTC est une méthode de commande à vitesse variable des moteurs c.a. La logique de commande bloque et débloque les semi-conducteurs IGBT directement sur la base de l’écart entre le couple moteur réel et la référence couple définie par l’utilisateur (Guide technique No. 1). Ce même principe peut être appliqué à un convertisseur réseau contrôlant le transfert d’énergie entre le réseau et le variateur, et vice versa. L’énergie correspond au couple multiplié par la fréquence angulaire, qui est constante dans le réseau ; cela signifie qu’en contrôlant le couple, on contrôle également le transfert d’énergie.

Figure 3.7. Schéma de régulation d’un variateur régénératif à IGBT et technologie DTC.

Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable

Temps / ms

Mesure c.c.

Puissance

Puissance / kW, tension / 10 * V

Echelon de charge

REF_cple Contrôle direct couple et hystérésis fl ux REF_fl ux

La commande DTC, associée à la technologie IGBT, contri-bue à réduire les harmoniques de courant. C’est ainsi qu’un convertisseur réseau à IGBT peut être utilisé pour remplacer des convertisseurs 12 pulses ou 18 pulses fonctionnant en mode 1Q, qui sont couramment utilisés pour réduire les harmoniques de courant côté réseau. Un variateur régénératif à IGBT consti-tue ainsi une solution idéale non seulement lorsqu’il s’agit de récupérer l’énergie de freinage, mais aussi pour faire face à un problème d’harmoniques de courant.

Principaux avantages d’un variateur régénératif à IGBT:

– Faible taux d’harmoniques en courant injectés dans le réseau aussi bien en mode moteur qu’en mode générateur.

– Performances dynamiques élevées pendant les régimes transitoires côté charge.

– Possibilité d’augmenter la tension continue par rapport à la tension alternative d’entrée. Cette fonction peut servir à com-penser un réseau faible ou à augmenter le couple maximum du moteur dans la zone de défluxage.

– Compensation totale des chutes de tension réseau avec la fonction de surplus de tension (boost).

– Possibilité de contrôler le facteur de puissance.

– Fonction de gestion des pertes réseau avec synchronisation automatique sur le réseau.

– La tension du bus continu reste quasi constante en mode moteur et en mode freinage. Aucune contrainte électrique supplémentaire n’est imposée à l’isolation du moteur pendant le freinage.

Figure 3.8. Fonction de surplus de tension (boost).

Principaux inconvénients d’un variateur régénératif à IGBT:

– Coût d’investissement plus élevé.

– Capacité de freinage non disponible lors d’une perte réseau.

– Présence d’harmoniques de tension haute fréquence du fait de la fréquence de commutation élevée. Ces composantes de tension de plusieurs kHz peuvent exciter les petits conden-sateurs utilisés dans d’autres dispositifs électriques. Par une conception et un montage appropriés des transformateurs d’alimentation de différents dispositifs, on supprime ces problèmes.

Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable

Temps / ms

Tension c.c. réelle Référence de tension c.c.

Tension / V

,

entr

entr

I

Quand faut-il recourir à un variateur régénératif à IGBT?

– Quand le freinage est continu ou fréquent.

– Quand la puissance de freinage est très élevée.

– Quand l’espace disponible est limité et ne permet pas d’ins-taller des résistances de freinage encombrantes.

– Quand les harmoniques réseau doivent être limités.

3.4.4 Dimensionner un variateur régénératif à IGBT

Le dimensionnement d’un redresseur à IGBT est basé sur les besoins en puissance. Supposons que la puissance requise en mode moteur est 130 kW et la puissance de freinage 100 kW.

Pour dimensionner le convertisseur réseau à IGBT, on prend la valeur supérieure, 130 kW. La tension moteur est 400 V. La valeur mini de la tension réseau est 370 V.

Dans ce cas, la fonction de boost de tension peut être utilisée;

la tension du bus continu est augmentée pour correspondre à une tension alternative de 400 V. Toutefois, le courant d’entrée requis est calculé sur la base des 370 V. En supposant des pertes de 5 % dans le moteur et dans le variateur, la puissance totale à prélever sur le réseau est de 136,5 kW. Le courant d’entrée est calculé avec la formule:

(3.6) Le variateur régénératif à IGBT est sélectionné uniquement sur la base de la valeur de courant calculée.