Chapitre 3 - Différents modes de freinage électrique des
3.2 Hacheur et résistance de freinage
3.2.2 Principe de fonctionnement du hacheur de freinage
(3.3) Ces valeurs s’appliquent en général à tous les convertisseurs de fréquence basse tension modernes, indépendamment de leur puissance nominale. Dans la pratique, cela signifie que le contrôleur de surtension et “sa cheville ouvrière” le régulateur de couple du moteur c.a. doivent réagir très rapidement. De même, la mise en service de la fonction de renvoi de l’énergie de freinage du hacheur de freinage doit également être très rapide.
3.2.2 Principe de fonctionnement du hacheur de freinage
La deuxième solution pour limiter la tension du bus continu consiste à dissiper l’énergie de freinage dans une résistance via un hacheur de freinage. Celui-ci est un interrupteur électrique qui connecte le bus continu à une résistance dans laquelle l’énergie de freinage est convertie en chaleur. Les hacheurs de freinage sont automatiquement activés lorsque la tension du bus continu franchit une valeur spécifiée qui dépend de la tension nominale du variateur.
Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable
UDC+
Figure 3.2 Exemple de raccordement d’un hacheur de freinage.
UDC = bornes du bus continu; R = bornes de la résistance.
Principaux avantages de la solution avec résistance et hacheur de freinage:
– Montage électrique simple et technologie maîtrisée.
– Hacheur et résistance constituent un investissement faible.
– Le hacheur continue de fonctionner en cas de perte réseau.
Un freinage peut être indispensable en cas de coupure de l’alimentation réseau (ex., ascenseur ou autres applications avec arrêt de sécurité).
Principaux inconvénients de la solution avec résistance et ha-cheur de freinage:
– L’énergie de freinage est gaspillée en pure perte si la chaleur ne peut être utilisée.
– Le hacheur et les résistances de freinage sont encombrants.
– Peut exiger un investissement dans un système de refroidis-sement et de récupération de la chaleur.
– Les hacheurs de freinage sont généralement dimensionnés pour un cycle donné (ex., 100 % de puissance pendant une minute toutes les 10 minutes.), des temps de freinage longs exi-gent un dimensionnement plus précis du hacheur de freinage.
– Risque accru d’incendie du fait des résistances qui chauf-fent et de la présence éventuelle de poussières et d’agents chimiques dans l’air ambiant.
– Le niveau de tension plus élevé du bus continu pendant le freinage accroît les contraintes électriques sur l’isolation du moteur.
Quand faut-il recourir à un hacheur de freinage?
– Quand le cycle de freinage est occasionnel.
– Quand la quantité d’énergie de freinage est faible par rapport à l’énergie en mode moteur.
– Quand un freinage est requis en cas de perte réseau.
Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable
Udc 3
Pont moteur Pont générateur
Udc 3
Quand faut-il envisager d’autres solutions qu’un hacheur et une résistance de freinage?
– Quand le freinage est continu ou se répète à intervalles ré-guliers.
– Quand la quantité totale d’énergie de freinage est importante par rapport à l’énergie requise en mode moteur.
– Quand la puissance de freinage instantanée est élevée, ex., plusieurs centaines de kW pendant plusieurs minutes.
– Quand l’air ambiant contient des poussières ou autres com-posants métalliques ou potentiellement combustibles ou explosibles.
3.3 Ponts de thyristors en montage antiparallèle
Dans un convertisseur de fréquence, les ponts redresseurs à diodes peuvent être remplacés par deux redresseurs à thyristors en montage antiparallèle. Cette configuration permet d’adapter le pont redresseur au mode de fonctionnement: moteur ou générateur.
Un redresseur à thyristors est principalement constitué de deux ponts de thyristors 6 pulses. Le pont moteur convertit la tension alternative triphasée en tension continue. Il alimente les ondu-leurs via le circuit intermédiaire. Le pont générateur reconvertit la tension continue en tension alternative chaque fois qu’il faut renvoyer sur le réseau l’énergie de freinage récupérée du moteur.
Figure 3.3 Schéma du redresseur à thyristors en montage antiparallèle.
Un seul pont fonctionne à la fois, l’autre étant alors bloqué.
L’angle d’allumage des thyristors est constamment régulé pour maintenir la tension du circuit intermédiaire au niveau désiré.
La sélection pont moteur/pont générateur et la régulation de la tension du circuit intermédiaire sont basées sur la mesure du courant réseau, de la tension réseau et de la tension du circuit intermédiaire. La self c.c. filtre les pointes de courant du circuit intermédiaire.
Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable
Principaux avantages du pont de thyristors en montage anti-parallèle:
– Solution techniquement maîtrisée.
– Plus économique qu’une solution à composants IGBT.
– La tension continue peut être régulée à une valeur inférieure à celle du réseau, ce qui peut être intéressant dans des ap-plications spécifiques.
Principaux inconvénients du pont de thyristors en montage antiparallèle:
– La tension du bus continu est toujours inférieure à la ten-sion alternative du réseau, ceci pour conserver une marge de commutation. La tension fournie au moteur reste donc inférieure à la tension d’entrée. On peut, toutefois, installer un autotransformateur élévateur sur le réseau pour résoudre ce problème.
– En cas de perte réseau, il y a un risque de fusion des fusibles, suite à un défaut de commutation des thyristors.
– Le cosφ varie avec la charge.
– Le taux de distorsion harmonique total (THD) est supérieur à celui des variateurs régénératifs à IGBT.
– Le courant déformé circule dans d’autres impédances du réseau et peut provoquer une distorsion de tension indési-rable pour les autres dispositifs alimentés à partir du point où existe la distorsion de tension.
– La puissance de freinage n’est pas disponible pendant une perte réseau.
Figure 3.4. Exemple de forme d’onde de courant et de tension du pont en montage antiparallèle pendant le freinage.
Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable
Tension / V, courant / A
Temps / ms
Tension de phase sinusoïdale Tension de phase déformée Courant réseau
,
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.
3.5 Bus continu commun
Lorsqu’une application comporte plusieurs entraînements dont certains fonctionnent en mode générateur et d’autres en mode moteur, le bus continu commun constitue une solution très efficace pour réutiliser l’énergie de freinage. Un système d’entraînement à bus continu commun comporte un redresseur séparé convertissant la tension alternative en tension continue et, pour alimenter les moteurs c.a., des onduleurs raccordés au bus continu commun, ce dernier servant à récupérer l’énergie de freinage et à la mettre à la disposition des autres moteurs.
La configuration de base d’un système à bus continu commun est illustrée à la figure (3.9).
Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable
Section alimentation Sections freinage Sections onduleurs
Unité de freinage (option)
Bus continu commun
Fig. 3.9. Configuration de base d’un système à bus continu commun.
Principaux avantages du système à bus continu commun:
– Méthode simple de répartition de la puissance entre plusieurs entraînements.
– Faibles pertes de conversion de l’énergie de freinage grâce au bus continu commun.
– Même si la puissance de freinage instantanée est plus élevée que la puissance en mode moteur, pas besoin de dimension-ner le hacheur et la résistance de freinage pour la puissance de freinage maximale.
– Si la puissance de freinage est requise pendant de longues périodes, plusieurs redresseurs peuvent être utilisés.
Principaux inconvénients du système à bus continu commun avec un redresseur 1Q:
– La puissance instantanée en mode moteur doit être supérieure ou égale à la puissance de freinage.
– Un hacheur et une résistance de freinage sont indispensables si la puissance de freinage instantanée est supérieure à la puissance en mode moteur.
– Si le nombre de moteurs est faible, l’onduleur dédié pour déconnecter le dispositif du bus continu constitue un surcoût.
Quand faut-il recourir à un système à bus continu commun avec redresseur 1Q:
– Quand le nombre d’entraînements est élevé.
– Quand la puissance en mode moteur est toujours supérieure à la puissance de freinage ou quand seulement une faible puissance de freinage est requise pour le hacheur de freinage.
Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable
Coût temps de freinage (h/jour) puissance moyenne de freinage (kW) prix de l'énergie (euros/kWh) *
*
= *
Chapitre 4 - Evaluer le coût global des
différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l’équipement
Il est désormais impératif de pouvoir calculer le coût global de cycle de vie des équipements générateurs d’économies d’éner-gie. Un convertisseur de fréquence sert à réguler la vitesse et le couple des moteurs. Cette fonction de base permet la maîtrise des consommations d’énergie par rapport aux autres solutions de commande des moteurs. Dans les applications de pompage et de ventilation, le freinage est rarement utilisé. Toutefois, les variateurs de vitesse modernes sont de plus en plus utilisés dans des applications avec cycles de freinage.
Nous nous sommes jusqu’ici intéressés aux aspects techniques.
Examinons maintenant l’intérêt économique du freinage élec-trique.
4.1 Calculer le coût direct de l’énergie
Le coût direct de l’énergie peut être par exemple calculé sur la base du prix de l’énergie et d’une estimation du temps et de la puissance de freinage quotidiens. Le prix de l’énergie varie d’un pays à l’autre, mais on peut partir d’un prix moyen de 0,05 euro par kW/h. Le coût annuel de l’énergie est calculé avec la formule suivante:
(4.1) Prenons un entraînement de 100 kW fonctionnant 8000 heures par an et freinant avec une puissance moyenne de 50 kW pen-dant 5 minutes toutes les heures, c’est-à-dire 667 heures par an.
Le coût annuel direct de l’énergie de freinage est de 1667 euros.
4.2 Evaluer le coût d’investissement
Les investissements matériels diffèrent selon le mode de freinage.
Les éléments suivants doivent être pris en compte.
Hacheur de freinage:
– Le coût d’achat du hacheur et de la résistance de freinage, y compris l’espace supplémentaire requis pour leur installation.
– Le coût d’achat d’un équipement de refroidissement supplé-mentaire pour le hacheur de freinage.
début fin)
( (ndébut
_
nfin)
c
Freinage électrique avec un variateur à thyristors ou IGBT:
– Surcoût à l’achat d’un variateur régénératif à thyristors ou IGBT par rapport à un variateur de même puissance sans fonction de freinage électrique.
Bus continu commun:
– Surcoût du hacheur et de la résistance de freinage, y compris l’espace supplémentaire requis pour leur installation éven-tuelle dans un système à bus continu commun.
– Différence de coût entre un système à bus continu commun et un système correspondant mono-entraînement.
4.3 Evaluer le coût global
Le coût global du cycle de vie permet d’évaluer la rentabilité d’un investissement. Le prix de l’énergie et des variateurs de vitesse varie selon le pays, le fournisseur d’électricité, la taille de l’entreprise, les taux d’intérêt, les délais d’amortissement et les facteurs macroéconomiques. Les valeurs absolues des exemples suivants servent uniquement à illustrer les méthodes de calcul.
Cas 1 - Freinage occasionnel Prenons le cas suivant:
La puissance en mode moteur est de 200 kW pour une vitesse de rotation de 1500 tr/min. Sur un ordre d’arrêt d’urgence, l’entraînement doit s’arrêter sur rampe en 10 secondes. Par expérience, on sait qu’un arrêt d’urgence intervient une fois par mois. L’inertie J du système d’entraînement est 122 kgm2. Lors d’un arrêt d’urgence, le couple de charge peut être négligé.
Mode de calcul du couple de freinage requis par le moteur:
(4.2)
Le couple moyen d’un moteur de 200 kW tournant à 1500 tr/
min est d’environ 1200 Nm. Un moteur c.a. standard contrôlé directement par un variateur peut fonctionner à un couple at-teignant 200% du couple nominal. Pour des valeurs de couple supérieures, un moteur de courant nominal proportionnellement plus élevé doit être sélectionné.
Evaluer le coût global des différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l’équipement
0,05 euros/kWh , euros Coût
,
cin
fr.maxi
c
La puissance de freinage est à son maximum au début du cycle de freinage.
(4.3) Le hacheur et la résistance de freinage doivent supporter ins-tantanément le courant correspondant à une puissance de 300 kW. La puissance de freinage moyenne se calcule comme suit.
(4.4)
(4.5) Coût de la résistance de freinage:
Le hacheur de freinage requis doit supporter une puissance de freinage maxi de 300 kW. Si le variateur comporte une fonction de limitation de puissance, la résistance de freinage peut être dimensionnée pour 150,3 kW. Surcoût du hacheur et de la ré-sistance de freinage = 4000 euros.
La résistance de freinage nécessite 0,4 m2 de surface au sol supplémentaire. Coût du m² = 500 euros.
En raison de la faible énergie thermique totale et du nombre réduit de freinages d’urgence, le coût des dispositifs de refroidissement supplémentaires est négligeable.
Dépenses d’investissement supplémentaires:
– Hacheur et résistance de freinage en armoire: 4000 euros.
– Surface au sol 0,4 m2 * 500 euros/m2: 200 euros.
Coût total de l’énergie perdue au cours d’un freinage:
(4.6) Dans ce cas, le coût de l’énergie de freinage est négligeable.
Coût du variateur 4Q:
Le surcoût à l’investissement pour le freinage électrique avec un pont de thyristors en montage antiparallèle par rapport à un variateur avec hacheur de freinage est de 7000 euros. Comme prévu, les économies d’énergie ne peuvent servir à justifier l’in-vestissement supplémentaire.
Evaluer le coût global des différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l’équipement
Coût = 2,4 (h/jour , euros/kWh euros Cas 2 - Application de levage
Prenons le cas suivant:
Engin de levage d’une puissance en montée de 100 kW. Il ab-sorbe la puissance maxi en mode moteur et en mode
Engin de levage d’une puissance en montée de 100 kW. Il ab-sorbe la puissance maxi en mode moteur et en mode