Dans le secteur de la transmission électrique des industries chimiques, l'utilisation de variateurs de fréquence pour les centrifugeuses est très courante. Du fait de divers procédés et équipements d'entraînement, le phénomène de récupération d'énergie se produit fréquemment. Dans les convertisseurs de fréquence classiques, deux méthodes principales permettent de gérer cette énergie : (1) sa dissipation dans une résistance de freinage placée en parallèle avec un condensateur sur le circuit CC, appelée freinage par puissance ; (2) sa réinjection dans le réseau électrique, appelée freinage par rétroaction (ou freinage régénératif). Le principe du bus CC commun repose sur un convertisseur de fréquence universel utilisant la méthode de conversion CA-CC-CA. Lorsque le moteur est au freinage, l'énergie de freinage est réinjectée côté CC. Afin d'optimiser la gestion de cette énergie de freinage régénérative, il est courant de connecter les sorties CC de chaque convertisseur de fréquence. Par exemple, lorsqu'un convertisseur est en mode freinage et un autre en mode accélération, les énergies se compensent. Cet article propose un schéma d'utilisation d'un convertisseur de fréquence universel avec un bus CC commun dans les centrifugeuses des entreprises chimiques, et détaille son application au système de rétroaction des centrifugeuses. Actuellement, plusieurs solutions existent pour utiliser un bus CC commun : (1) Un redresseur indépendant commun peut être non inverseur ou inverseur. Le premier consomme de l'énergie via une résistance de freinage externe, tandis que le second réinjecte intégralement l'énergie excédentaire du bus CC directement dans le réseau électrique, ce qui présente un meilleur rendement énergétique et une plus grande protection de l'environnement. Son inconvénient réside dans son coût plus élevé. (2) Le convertisseur de fréquence principal est connecté au bus CC d'un convertisseur de fréquence principal partagé sur le réseau électrique. Le convertisseur de fréquence secondaire n'a pas besoin d'être connecté au réseau, et donc aucun module redresseur. Le convertisseur principal est connecté à une résistance de freinage externe. (3) Chaque convertisseur de fréquence est connecté au réseau électrique. Chaque convertisseur est équipé de circuits redresseurs et onduleurs, ainsi que de résistances de freinage externes, et les barres omnibus CC sont interconnectées. Cette configuration est souvent utilisée lorsque la puissance de chaque convertisseur de fréquence est proche. Après démontage, ils peuvent continuer à fonctionner indépendamment les uns des autres. Le bus CC commun présenté dans cet article constitue la troisième méthode et offre des avantages significatifs par rapport aux deux premières : a) Le bus CC partagé permet de réduire considérablement la redondance des unités de freinage, grâce à une structure simple et rationnelle, et se révèle économiquement fiable. b) La tension CC intermédiaire du bus CC partagé est constante et le condensateur combiné offre une capacité de stockage d'énergie élevée, ce qui permet de réduire les fluctuations du réseau électrique.c. Chaque moteur fonctionne dans des états différents, avec une rétroaction d'énergie complémentaire, optimisant ainsi les caractéristiques dynamiques du système. d. Les différentes interférences harmoniques générées par les divers convertisseurs de fréquence du réseau électrique peuvent s'annuler mutuellement, réduisant ainsi le taux de distorsion harmonique du réseau. 2. Schéma du système de régulation de vitesse à fréquence variable avant rénovation 2.1 Présentation du système de commande des centrifugeuses Douze centrifugeuses ont été rénovées, chacune dotée d'un système de commande identique. Le convertisseur de fréquence est un Emerson série EV2000 de 22 kW, à couple constant, et les unités de rétroaction sont toutes des unités de freinage à rétroaction IPC-PF-1S alimentées. Tous les systèmes de commande sont centralisés et comportent huit unités similaires. Le schéma du système est présenté sur la figure 1. Comme illustré, chaque convertisseur de fréquence nécessite une unité de freinage par rétroaction, et leurs systèmes de commande respectifs sont totalement indépendants. 2.2 Analyse du fonctionnement du freinage : lors du freinage de la centrifugeuse, le moteur passe en mode de freinage régénératif. L’énergie mécanique stockée dans le système est alors convertie en énergie électrique par le moteur, puis renvoyée au circuit CC de l’onduleur via les six diodes de roue libre. L’onduleur est alors en régime redressé. Si aucune mesure de dissipation d’énergie n’est prise au niveau du convertisseur de fréquence, cette énergie entraînerait une augmentation de la tension du condensateur de stockage d’énergie du circuit intermédiaire. La tension du bus CC du condensateur augmenterait alors également. Lorsqu’elle atteint 680 V, l’unité de freinage se déclenche, c’est-à-dire qu’elle réinjecte l’énergie électrique excédentaire dans le réseau. La tension du bus CC de chaque convertisseur de fréquence est ainsi maintenue en dessous de 680 V (environ 690 V), et le convertisseur ne signale aucun défaut de surtension. La courbe de courant de l'unité de freinage d'un convertisseur de fréquence unique pendant le freinage est illustrée à la figure 2, pour une durée de freinage de 3 minutes. L'instrument de test est un analyseur de qualité de l'énergie monophasé FLUKE 43B et le logiciel d'analyse est « FlukeView Power Quality Analyzer Version 3.10.1 ». Figure 2 : Courbe de courant de l'unité de freinage en fonctionnement. On constate que l'unité de freinage fonctionne à chaque freinage, avec un courant maximal de 27 A. Son courant nominal est de 45 A. L'unité de freinage fonctionne donc à mi-charge. 3. Schéma modifié du système de régulation de vitesse du convertisseur de fréquence 3.1 Méthodes de gestion du bus CC commun Un aspect important de l'utilisation d'un bus CC partagé est la prise en compte du contrôle du convertisseur de fréquence, des défauts de transmission, des caractéristiques de la charge et de la maintenance du circuit principal d'entrée lors de la mise sous tension. Le plan comprend une ligne d'arrivée triphasée (en conservant la même phase), un bus CC, un groupe de convertisseurs de fréquence universels, une unité de freinage commune ou un dispositif de retour d'énergie, et quelques composants auxiliaires.Pour un convertisseur de fréquence universel, la figure 3 présente une solution courante. Le schéma du circuit principal, après sélection du troisième schéma de transformation, est également illustré sur cette figure. Les interrupteurs Q1 à Q4 constituent les dispositifs de protection de la ligne d'arrivée de chaque convertisseur, et KM1 à KM4 sont les contacteurs de mise sous tension. KMZ1 à KMZ3 sont des contacteurs parallèles pour le bus CC. Les centrifugeuses n° 1 et n° 2 partagent un système de freinage et forment un groupe, de même que les centrifugeuses n° 3 et n° 4. Lorsque les deux groupes fonctionnent correctement, ils peuvent être connectés en parallèle. Le fonctionnement dépend également de la séquence d'intervention des opérateurs sur site : les centrifugeuses n° 1 et n° 2, ainsi que les centrifugeuses n° 3 et n° 4, freinent à des moments différents. En fonctionnement normal, les centrifugeuses n° 1 et n° 3 sont généralement regroupées, de même que les centrifugeuses n° 2 et n° 4. Les quatre centrifugeuses ne freinent généralement pas simultanément. En raison de l'environnement complexe des chantiers, le réseau électrique est souvent sujet à des vibrations et à l'apparition d'harmoniques d'ordre élevé. Il est possible d'augmenter l'impédance de l'alimentation et d'absorber les surtensions et les pics de tension générés par la mise en service d'équipements à proximité, assurant ainsi le bon fonctionnement du redresseur du convertisseur de fréquence. Chaque convertisseur de fréquence peut également être équipé d'une inductance de ligne pour se prémunir efficacement contre ces perturbations. Dans le cadre de cette rénovation, l'équipement d'origine n'étant pas doté d'inductances de ligne, aucun dispositif de contrôle des harmoniques n'a été installé. Figure 3 : Schéma du convertisseur de fréquence et du système de freinage modifiés.Il peut également servir à augmenter l'impédance de l'alimentation et à absorber les surtensions et les pics de tension générés par l'alimentation principale lors de la mise en service d'équipements à proximité, assurant ainsi le bon fonctionnement du redresseur du convertisseur de fréquence. Chaque convertisseur de fréquence peut également utiliser une inductance de ligne pour se prémunir efficacement contre ces facteurs. Dans le cadre de la rénovation de ce projet, l'équipement d'origine n'étant pas équipé d'inductances de ligne, aucun dispositif de ce type ni autre dispositif de contrôle des harmoniques n'a été installé. Figure 3 : Schéma du convertisseur de fréquence et du système de freinage modifiés.Il peut également servir à augmenter l'impédance de l'alimentation et à absorber les surtensions et les pics de tension générés par l'alimentation principale lors de la mise en service d'équipements à proximité, assurant ainsi le bon fonctionnement du redresseur du convertisseur de fréquence. Chaque convertisseur de fréquence peut également utiliser une inductance de ligne pour se prémunir efficacement contre ces facteurs. Dans le cadre de la rénovation de ce projet, l'équipement d'origine n'étant pas équipé d'inductances de ligne, aucun dispositif de ce type ni autre dispositif de contrôle des harmoniques n'a été installé. Figure 3 : Schéma du convertisseur de fréquence et du système de freinage modifiés.
3.2 Schéma du système de commande : Le circuit de commande est illustré à la figure 4. Après la mise sous tension des quatre convertisseurs de fréquence et leur disponibilité opérationnelle, l’option de sortie du relais de défaut de convertisseur de fréquence est réglée sur « Convertisseur de fréquence prêt à fonctionner ». Le raccordement en parallèle des convertisseurs de fréquence n’est possible que lorsqu’ils sont sous tension et en fonctionnement normal. En cas de défaut sur l’un d’eux, le contacteur du bus CC reste ouvert. Les bornes de sortie TA et TC du relais de défaut de convertisseur de fréquence sont normalement ouvertes. Après la mise sous tension, lorsque le convertisseur de fréquence est « prêt à fonctionner », les contacts TA et TC de chaque convertisseur se ferment, et le contacteur de bus CC se ferme successivement. Sinon, le contacteur se déconnectera. 3.3 Caractéristiques du système (1) Utilisation d'un convertisseur de fréquence complet au lieu de l'ajout de plusieurs onduleurs au pont redresseur. (2) Suppression des ponts redresseurs, unités de charge, batteries de condensateurs et onduleurs séparés. (3) Chaque convertisseur de fréquence peut être isolé du bus CC sans affecter les autres systèmes. (4) Contrôle de la connexion du convertisseur de fréquence au bus CC commun par des contacteurs à verrouillage. (5) Protection des condensateurs du convertisseur de fréquence connectés au bus CC par une commande en chaîne. (6) Tous les convertisseurs de fréquence montés sur la barre omnibus doivent être alimentés par la même alimentation triphasée. (7) Déconnexion rapide du convertisseur de fréquence du bus CC après un dysfonctionnement afin de localiser plus précisément la panne. 3.4 Principaux paramètres du convertisseur de fréquence : Sélection du canal de commande de fonctionnement F0.03=1, fréquence de fonctionnement maximale F0.05=50, temps d'accélération F0.10=300, temps de décélération F0.11=300, sélection de la sortie du relais de défaut F7.12=15, fonction de sortie AO1 F7.26=23,5, données de test modifiées. À l'arrêt, tension d'entrée : triphasée 380 V CA, tension du bus : 530 V CC, tension du bus CC : 650 V. Lorsqu'une machine accélère, la tension du bus diminue et l'autre machine décélère. La tension du bus CC fluctue entre 540 et 670 V, et le dispositif de freinage ne s'active pas pendant ce temps. La tension CC à laquelle le dispositif de freinage fonctionne généralement est de 680 V, comme illustré sur la figure 5 pour les tests et l'analyse. Figure 5 : Schéma de surveillance du courant de fonctionnement du dispositif de freinage modifié. 4. Analyse des économies d'énergie. Comparé au freinage par résistance, le freinage par rétroaction est une solution économe en énergie, mais il nécessite que chaque convertisseur de fréquence soit équipé d'un dispositif de freinage lorsque le freinage est nécessaire. Il est inévitable que plusieurs convertisseurs de fréquence doivent être équipés de plusieurs dispositifs de freinage, et le prix du dispositif de freinage n'est pas très différent de celui du convertisseur de fréquence, mais le taux de continuité de fonctionnement n'est pas très élevé.L'utilisation généralisée de variateurs de fréquence à bus CC partagé dans les centrifugeuses a permis de résoudre efficacement le problème de synchronisation entre les variateurs (« l'un ne peut pas accélérer, l'autre freiner »). Cette solution réduit les réglages répétitifs du système de freinage, diminue le nombre de cycles de fonctionnement et les perturbations sur le réseau électrique, améliorant ainsi la qualité de l'énergie. La réduction des investissements, l'augmentation de l'utilisation des équipements et les économies d'énergie sont des avantages considérables. 5. Conclusion : L'utilisation généralisée de variateurs de fréquence universels à bus CC partagé résout efficacement les problèmes de consommation d'énergie asynchrone et de temps de retour d'information, ce qui est essentiel pour réduire les investissements, les perturbations sur le réseau et améliorer l'utilisation des équipements.