Le fournisseur du dispositif de freinage du convertisseur de fréquence rappelle que ce dernier est équipé d'une résistance dynamique dont le rôle principal est de dissiper une partie de l'énergie stockée dans le condensateur du bus CC, afin d'éviter une surtension. En théorie, un condensateur emmagasinant une grande quantité d'énergie pourrait être restitué pour alimenter un moteur et ainsi éviter le gaspillage d'énergie. Cependant, la capacité et la tension de tenue d'un condensateur sont limitées. Lorsque la tension du condensateur atteint un certain seuil, il risque d'être endommagé, voire l'IGBT. Il est donc nécessaire de dissiper l'énergie via la résistance de freinage de manière opportune. Cette dissipation, bien que nécessaire, est une solution incontournable.
Le condensateur de bus est une zone tampon qui peut contenir une quantité limitée d'énergie.
Une fois le courant alternatif triphasé redressé et connecté aux condensateurs, la tension nominale du bus en pleine charge est d'environ 1,35 fois la tension nominale, soit 380 * 1,35 = 513 volts. Cette tension fluctue naturellement en temps réel, mais ne peut jamais descendre en dessous de 480 volts, sous peine de déclencher une alarme de sous-tension. Les condensateurs du bus sont généralement composés de deux ensembles de condensateurs électrolytiques de 450 V connectés en série, avec une tension de tenue théorique de 900 V. Si la tension du bus dépasse cette valeur, le condensateur explosera ; la tension du bus ne peut donc en aucun cas atteindre 900 V.
En réalité, la tension de tenue d'un IGBT triphasé de 380 volts est de 1200 volts, ce qui implique souvent un fonctionnement en dessous de 800 volts. En cas de surtension, un problème d'inertie se pose : si la résistance de freinage est activée immédiatement, la tension du bus ne diminue pas rapidement. C'est pourquoi de nombreux convertisseurs de fréquence sont conçus pour démarrer aux alentours de 700 volts, via un dispositif de freinage, afin de réduire la tension du bus et d'éviter une surtension.
Le principe fondamental de la conception des résistances de freinage consiste à prendre en compte la résistance des condensateurs et des modules IGBT afin d'éviter que ces deux composants essentiels ne soient endommagés par la haute tension du bus. Si ces deux types de composants sont endommagés, le convertisseur de fréquence ne fonctionnera pas correctement.
Un stationnement rapide nécessite une résistance au freinage, et une accélération instantanée en nécessite également une.
L'augmentation de la tension du bus du convertisseur de fréquence est souvent due au freinage électronique du moteur. Ce freinage permet aux IGBT de suivre une séquence de conduction spécifique, exploitant le courant d'inductance élevé du moteur (qui ne varie pas brutalement) et générant instantanément une haute tension pour charger le condensateur du bus. Le moteur ralentit alors rapidement. Si la résistance de freinage ne dissipe pas l'énergie du bus à temps, la tension continue d'augmenter, mettant en danger la sécurité du convertisseur de fréquence.
Si la charge est légère et qu'un freinage rapide n'est pas nécessaire, l'utilisation d'une résistance de freinage est inutile. Même si une résistance de freinage était installée, le seuil de tension de fonctionnement du dispositif de freinage ne serait pas atteint et la résistance resterait inactive.
Outre la nécessité d'augmenter la résistance et le système de freinage pour un freinage rapide lors de la décélération sous forte charge, il est également indispensable, pour répondre aux exigences de forte charge et de démarrage très rapide, de coordonner le système de freinage et la résistance au démarrage. Auparavant, j'ai testé un convertisseur de fréquence pour piloter une presse à poinçonner spéciale, avec un temps d'accélération de 0,1 seconde. Dans ces conditions, lors d'un démarrage à pleine charge, même si la charge n'était pas très importante, le temps d'accélération trop court entraînait de fortes fluctuations de la tension du bus, pouvant provoquer des surtensions ou des surintensités. L'ajout ultérieur d'un système de freinage externe et d'une résistance de freinage a permis au convertisseur de fréquence de fonctionner normalement. L'analyse a révélé que le problème venait du temps de démarrage trop court : la tension du condensateur du bus se décharge instantanément, le redresseur se chargeant immédiatement d'un courant important, ce qui provoque une augmentation brutale de la tension du bus. Il en résulte de fortes fluctuations de tension sur le bus, pouvant dépasser 700 volts en un instant. L'ajout d'une résistance de freinage permet d'éliminer rapidement cette haute tension fluctuante, ce qui permet au convertisseur de fréquence de fonctionner normalement.
Il existe également un cas particulier de commande vectorielle, lorsque le couple et la vitesse du moteur sont de sens opposés, ou lors d'un fonctionnement à vitesse nulle avec un couple maximal. Par exemple, lors de la chute d'une charge lourde par une grue et de son arrêt en suspension, ou lors du rebobinage, la commande du couple est nécessaire. Le moteur doit alors fonctionner en mode générateur, et le courant continu est rechargé dans le condensateur du bus. Grâce à la résistance de freinage, cette énergie est dissipée de manière opportune afin de maintenir l'équilibre et la stabilité de la tension du bus.
De nombreux petits convertisseurs de fréquence, tels que ceux de 3,7 kW, sont souvent équipés d'unités de freinage et de résistances de freinage intégrées, probablement dans le but de réduire la capacité du bus, alors que les résistances et les unités de freinage de faible puissance ne sont pas si coûteuses.