Les fournisseurs de dispositifs de récupération d'énergie rappellent qu'en raison de la complexité de la transmission de puissance électrique, les moteurs électriques fonctionnent fréquemment dans les deux sens de marche, souvent en surcharge et avec une commutation continue entre fonctionnement électrique et freinage ; leur sécurité et leur fiabilité sont donc primordiales. La technologie de conversion de fréquence des moteurs à courant alternatif est devenue de plus en plus sophistiquée, et l'utilisation de convertisseurs de fréquence pour la régulation de vitesse des moteurs asynchrones à courant alternatif est devenue la technologie d'économie d'énergie la plus importante pour la régulation de vitesse des moteurs.
La régulation de vitesse en courant alternatif a évolué depuis les années 1970, passant de la régulation par tension statorique à la régulation par pôles série à rotor bobiné, puis à la régulation par embrayage électromagnétique, jusqu'aux années 1980, où elle s'est étendue à la régulation par fréquence variable. Grâce à la fiabilité croissante et au coût réduit de la régulation par courant alternatif, le remplacement de la régulation par courant continu est devenu inévitable.
1. Convertisseur de fréquence et économies d'énergie
Pour réguler la vitesse des moteurs asynchrones en dessous de leur fréquence fondamentale, on utilise généralement une méthode de commande à rapport tension/fréquence constant et compensation de la chute de tension statorique. Si la vitesse est réglée au-dessus de la fréquence fondamentale, on privilégie une commande à tension constante et fréquence variable. La combinaison de ces deux méthodes permet d'obtenir les caractéristiques de commande de vitesse à tension et fréquence variables des moteurs asynchrones. Conformément à l'algorithme DIT et au principe de symétrie, si x(n) est décomposé en deux groupes dans le domaine temporel, alors dans le domaine fréquentiel, X(k) forme des groupes d'échantillonnage pairs et impairs, constituant ainsi une autre structure FFT couramment utilisée, appelée FFT à échantillonnage dans le domaine fréquentiel (DIF-FFT). Proposé initialement par Sande et Turky, cet algorithme est également connu sous le nom d'algorithme de Sande-Turky.
Le circuit de freinage d'un variateur de fréquence est conçu pour répondre aux besoins de freinage des moteurs asynchrones. Dans un système d'entraînement à fréquence variable, pour ralentir et arrêter un moteur asynchrone, on utilise la méthode de réduction progressive de la fréquence de sortie du variateur afin de diminuer la vitesse synchrone du moteur et ainsi le ralentir. Lors de la décélération, la vitesse synchrone étant inférieure à la vitesse réelle du moteur, la phase du courant rotorique s'inverse, générant un couple de freinage, c'est-à-dire un freinage par récupération d'énergie. Pour les variateurs de fréquence de grande et moyenne puissance, un dispositif de récupération d'énergie est généralement utilisé pour réinjecter l'énergie excédentaire dans le réseau électrique, afin d'économiser de l'énergie. Pour les variateurs de faible puissance, un circuit de freinage est généralement utilisé pour récupérer cette énergie. En ingénierie, le traitement de l'énergie de freinage régénératif comprend généralement des méthodes telles que le stockage, la rétroaction sur le réseau électrique et la décharge par résistance, en fonction de la capacité et des scénarios d'application des convertisseurs de fréquence classiques.
2. Application de la technologie de contrôle de vitesse à fréquence variable dans la commande d'automatisation électrique
2.1. Caractéristiques de la commande de vitesse à fréquence variable
Tous les dispositifs Cyclone II utilisent des plaquettes de 300 mm et sont fabriqués selon les procédés TSMC 90 nm à faible constante diélectrique (low-K) pour garantir une vitesse élevée et un faible coût. Grâce à l'utilisation de régions de silicium minimisées, les dispositifs de la série Cyclone II peuvent prendre en charge des systèmes numériques complexes avec une seule puce, à un coût équivalent à celui d'un circuit intégré dédié. Les convertisseurs de fréquence universels hautes performances présentent plusieurs architectures matérielles pour répondre à différents besoins d'ingénierie : convertisseurs de fréquence indépendants, convertisseurs de fréquence à bus CC commun et convertisseurs de fréquence avec unités de rétroaction d'énergie. Le convertisseur de fréquence indépendant est un type de convertisseur de fréquence qui intègre l'unité redresseuse et l'unité onduleur dans un seul boîtier. C'est actuellement le convertisseur de fréquence le plus répandu et il alimente généralement un seul moteur électrique, pour des charges industrielles courantes. La méthode de configuration utilisée combine JTAG et AS ; le circuit de configuration doit donc répondre aux exigences des deux protocoles. La puce de configuration est une EPCS1. Conformément à la méthode de connexion et aux caractéristiques des broches spécifiques mentionnées ci-dessus. Pour l'entraînement de charges telles que les ascenseurs, les monte-charges et les laminoirs réversibles à l'aide de convertisseurs de fréquence universels haute performance, un fonctionnement en quatre quadrants est nécessaire ; il faut donc configurer un système de récupération d'énergie. Ce système a pour fonction de réinjecter dans le réseau électrique l'énergie récupérée lors du freinage du moteur électrique.
2.2. Application de la technologie de contrôle de vitesse à fréquence variable dans la commande d'automatisation électrique industrielle
(1) Unité de modélisation adaptative du moteur. Cette unité identifie automatiquement les paramètres de base du moteur à partir de la tension et du courant qui lui sont appliqués. Elle constitue un élément clé de la commande directe du couple. Dans la plupart des applications industrielles, si la précision de la régulation de vitesse est supérieure à 0,5 %, une boucle de rétroaction de vitesse fermée peut être utilisée.
(2) Comparateur de couple et comparateur de flux magnétique. La fonction de ce type de comparateur est de comparer la valeur de retour avec sa valeur de référence toutes les 20 ms et de fournir l'état du couple ou du champ magnétique à l'aide d'un régulateur à hystérésis à deux points.
(3) Sélecteur d'optimisation d'impulsions. Nous avons sélectionné la puce Cyclone II EP2C5Q208C8 pour le traitement de l'information, puis conçu l'implémentation FPGA de la source de signal pour la modulation OFDM. Nous avons écrit un circuit composé de cinq modules, implémentant principalement la transformée de Fourier rapide (FFT) de mappage de constellation, l'insertion d'un préfixe cyclique, un module tampon et des fonctions de conversion numérique-analogique (D/A). Une source de signal OFDM a ainsi été conçue, et les fonctions de chaque module ont été simulées et vérifiées. La source de signal OFDM a finalement été finalisée, incluant la simulation logicielle et la vérification matérielle sur FPGA. En raison de la variabilité importante de la capacité des condensateurs électrolytiques, ces derniers sont soumis à des tensions inégales. Par conséquent, une résistance d'égalisation de tension de même valeur est connectée en parallèle à chaque condensateur afin d'éliminer l'influence de cette variabilité. Afin d'éviter que le courant de charge (courant d'appel) traversant le condensateur n'endommage le circuit redresseur et ne provoque d'autres dommages lors de la mise sous tension, des mesures de suppression du courant d'appel ont également été intégrées au circuit de stockage.
La conservation de l'énergie et la réduction de la consommation sont essentielles pour diminuer les coûts de production, et la réduction des coûts est un levier efficace pour renforcer la compétitivité des produits. Outre l'ajout de ces modules fonctionnels, il est également nécessaire d'optimiser en continu la conception finale tout au long du processus, afin d'améliorer les performances et de réaliser des économies de ressources. L'objectif est d'intégrer l'ensemble du système sur une seule puce FPGA, de réaliser d'importantes économies d'énergie et d'améliorer les conditions de fabrication.