Dans le secteur de l'énergie électrique, les convertisseurs de fréquence sont principalement utilisés pour économiser l'énergie et améliorer les processus de production. En tant que dispositifs d'économie d'énergie et de régulation de vitesse pour les moteurs, ils sont largement utilisés dans la métallurgie, l'énergie, la distribution d'eau, le pétrole, la chimie, le charbon et d'autres domaines. Le principe de l'unité de récupération d'énergie du convertisseur de fréquence repose sur l'inversion active. Dans un convertisseur de fréquence classique, cette unité réinjecte l'énergie récupérée dans le réseau via des onduleurs triphasés antiparallèles, au niveau du redresseur non commandé de l'étage d'entrée du convertisseur. Le circuit principal de l'unité de récupération d'énergie est principalement composé d'un pont d'onduleur constitué de thyristors, d'IGBT, de modules IPM et de quelques circuits périphériques.
L'extrémité de sortie du pont onduleur est reliée aux bornes d'entrée R, S et T du convertisseur de fréquence par l'intermédiaire de trois inductances. Son extrémité d'entrée est reliée à la borne positive du côté CC du convertisseur de fréquence universel par une diode d'isolation, garantissant ainsi un flux d'énergie unidirectionnel vers le réseau électrique. Les inductances servent à équilibrer la différence de potentiel, à limiter le courant et à filtrer le courant, jouant un rôle essentiel dans la réinjection de l'énergie récupérée sur le réseau électrique.
Le fonctionnement du système est le suivant : lorsque le moteur tourne, le dispositif d’onduleur actif est inactif et les tubes de commutation de l’onduleur sont tous bloqués et à l’arrêt ; lorsque le moteur est en mode de production d’énergie régénérative, l’énergie est réinjectée dans le réseau par le moteur et le dispositif d’onduleur actif doit être mis en marche pour fonctionner.
L'activation de l'onduleur actif lors de la récupération d'énergie est commandée par la valeur de la tension continue Ud du convertisseur de fréquence. En effet, lorsque le moteur fonctionne à plein régime, la tension continue du convertisseur de fréquence reste quasiment constante. Lors du freinage moteur, l'énergie récupérée charge le condensateur de stockage d'énergie du bus continu du convertisseur, ce qui provoque une élévation de la tension du bus continu. La mesure de la valeur de Ud permet de déterminer l'état du moteur et de commander l'onduleur actif pour réaliser la récupération d'énergie.
Lorsque l'énergie est renvoyée au réseau CC par le moteur, provoquant une surtension du bus CC supérieure à la tension de crête du réseau électrique, le pont redresseur du convertisseur de fréquence universel se coupe en raison de la tension inverse. Lorsque la tension du bus CC continue d'augmenter et dépasse la tension de démarrage de l'onduleur actif, ce dernier se met en marche et réinjecte de l'énergie dans le réseau depuis le réseau CC. Lorsque la tension du bus CC retombe à la tension de fonctionnement de l'onduleur, ce dernier s'arrête.
En utilisant un onduleur actif pour renvoyer au réseau électrique l'énergie régénérative générée lors de la décélération et du freinage du moteur, un convertisseur de fréquence universel peut surmonter le faible rendement et la difficulté à répondre aux exigences de freinage rapide et de rotation avant/arrière fréquentes causés par l'utilisation traditionnelle de résistances de freinage, permettant ainsi au convertisseur de fréquence universel de fonctionner dans les quatre quadrants.
1) Système de contrôle par rétroaction énergétique
Un système complet de contrôle par rétroaction d'énergie doit satisfaire aux conditions de contrôle de phase, de tension, de courant, etc., ce qui exige que le processus de rétroaction soit synchronisé avec la phase du réseau et que l'onduleur actif ne soit démarré que lorsque la tension du bus CC dépasse une certaine valeur ; le système doit être capable de contrôler l'amplitude du courant de rétroaction, contrôlant ainsi le couple de freinage du moteur et permettant un freinage précis.
2) Deux types d'unités de rétroaction d'énergie pour convertisseurs de fréquence universels
Auparavant, le circuit principal des systèmes de rétroaction d'énergie était principalement composé de thyristors et d'IGBT. Ces dernières années, de nouveaux types de systèmes de rétroaction d'énergie ont également intégré des modules intelligents, tels que les IPM, afin de simplifier leur structure.
(1) Unité de rétroaction d'énergie à thyristor :
Le circuit principal de rétroaction d'énergie est composé de thyristors, constituant ainsi une des premières unités de rétroaction d'énergie. Il est utilisé non seulement dans les convertisseurs de fréquence, mais aussi dans le freinage de certains systèmes de régulation de vitesse réversibles à courant continu.
① Fonctionnement direct du convertisseur de fréquence universel : Lorsque le moteur est en marche, le redresseur du convertisseur fonctionne, tandis que le thyristor de l’unité de rétroaction d’énergie est bloqué. Le redresseur fonctionne alors en sens direct. La partie onduleur contrôlable est activée, la partie de redressement inverse non contrôlable est bloquée et le convertisseur fonctionne en sens direct.
2. Fonctionnement inverse du convertisseur de fréquence universel : Lorsque le moteur est en mode générateur, le redresseur du convertisseur de fréquence est bloqué et les thyristors de l’unité de rétroaction d’énergie sont activés. La partie onduleur contrôlable reste activée, la partie redressement inverse non contrôlable est active et le convertisseur fonctionne en sens inverse.
(2) Unité de rétroaction d'énergie IGBT :
Le circuit principal de rétroaction d'énergie est composé de transistors IGBT, couramment utilisés dans les convertisseurs de fréquence. La diode de roue libre intégrée aux IGBT ne peut servir de redresseur en raison de la limitation de la diode d'isolation connectée au côté continu. Son coût est supérieur à celui d'un système de rétroaction d'énergie à thyristors.
① Fonctionnement direct du convertisseur de fréquence universel : lorsque le moteur est en marche, le redresseur du convertisseur fonctionne, tandis que le transistor IGBT de l’unité de rétroaction d’énergie est bloqué. Le redresseur fonctionne alors en sens direct. Les transistors IGBT de l’onduleur sont activés et la partie de redressement inverse non commandée est bloquée. L’onduleur fonctionne alors en sens direct.
2. Fonctionnement inverse du convertisseur de fréquence universel : Lorsque le moteur est en mode générateur, le redresseur du convertisseur de fréquence est bloqué et les transistors IGBT de l’unité de rétroaction d’énergie sont activés. Les transistors IGBT de l’onduleur restent activés et la partie redresseuse non contrôlée fonctionne, ce qui provoque un fonctionnement inverse de l’onduleur.