Le fournisseur du système de freinage à convertisseur de fréquence rappelle que, dans la production industrielle, afin d'optimiser l'efficacité énergétique et de réduire les pertes d'énergie lors du freinage, il est également nécessaire de récupérer l'énergie de décélération et de la réinjecter dans le réseau électrique. Actuellement, face aux pénuries d'électricité que connaissent diverses régions de Chine en raison de son développement économique rapide, la promotion et l'application des freins à récupération d'énergie revêtent une importance capitale pour les économies d'énergie. Par conséquent, l'accélération de la recherche et de la production de produits similaires en Chine présente un intérêt pratique considérable.
Actuellement, le freinage par simple consommation d'énergie est largement utilisé dans les systèmes de variation de fréquence en courant alternatif. Cependant, il présente des inconvénients tels que le gaspillage d'énergie électrique, un échauffement important des résistances et des performances de freinage rapide médiocres. Lorsque les moteurs asynchrones subissent des freinages fréquents, le freinage par rétroaction constitue une méthode très efficace d'économie d'énergie et permet d'éviter les dommages à l'environnement et aux équipements lors du freinage. Des résultats satisfaisants ont été obtenus dans des secteurs tels que les locomotives électriques et l'extraction pétrolière. Avec l'émergence continue de nouveaux dispositifs d'électronique de puissance, l'amélioration de la rentabilité et la prise de conscience croissante des enjeux d'économie d'énergie et de réduction de la consommation, les perspectives d'application sont vastes.
Le dispositif de freinage à récupération d'énergie est particulièrement adapté aux applications où la puissance du moteur est élevée (supérieure ou égale à 100 kW), où le moment d'inertie de l'équipement (gd²) est important et où le système fonctionne de manière continue et répétée sur de courtes périodes. La réduction de la vitesse, de la haute à la basse vitesse, est importante, le temps de freinage est court et un freinage puissant est requis. Afin d'optimiser l'efficacité énergétique et de réduire les pertes d'énergie lors du freinage, il est également nécessaire de récupérer l'énergie de décélération et de la réinjecter dans le réseau électrique.
Principe de freinage par rétroaction
Dans un système de régulation de vitesse à fréquence variable, la décélération et l'arrêt du moteur sont obtenus par une réduction progressive de la fréquence. Lorsque la fréquence diminue, la vitesse synchrone du moteur diminue en conséquence. Cependant, en raison de l'inertie mécanique, la vitesse du rotor reste constante, et sa variation de vitesse présente un certain délai. À ce moment-là, la vitesse réelle est supérieure à la vitesse de consigne, ce qui entraîne une situation où la force contre-électromotrice e du moteur est supérieure à la tension continue u aux bornes du convertisseur de fréquence (e > u). Le moteur électrique se comporte alors comme un générateur, qui non seulement ne nécessite pas d'alimentation du réseau, mais peut également y injecter de l'électricité. Ceci permet non seulement un freinage efficace, mais aussi la conversion de l'énergie cinétique en énergie électrique, qui peut être réinjectée dans le réseau pour récupérer de l'énergie, réalisant ainsi d'une pierre deux coups. Bien entendu, un dispositif de rétroaction d'énergie est nécessaire pour la commande automatique afin d'y parvenir, comme illustré dans le schéma de la figure 1. De plus, le circuit de rétroaction d'énergie doit également comprendre des réacteurs AC et DC, des absorbeurs de capacité de résistance, des commutateurs électroniques, etc.
Principe et caractéristiques du freinage par rétroaction du convertisseur de fréquence
Figure 1 Schéma du circuit de freinage par rétroaction du convertisseur de fréquence
Comme on le sait, le pont redresseur des convertisseurs de fréquence classiques est triphasé et non commandable, ce qui empêche un transfert d'énergie bidirectionnel entre le circuit CC et l'alimentation. La solution la plus efficace à ce problème consiste à utiliser la technologie des onduleurs actifs, dont la partie redresseur est un redresseur réversible, également appelé convertisseur côté réseau. En commandant cet onduleur, l'énergie électrique régénérée est convertie en courant alternatif de même fréquence, phase et amplitude que le réseau, puis réinjectée dans celui-ci pour réaliser le freinage. Auparavant, les onduleurs actifs utilisaient principalement des circuits à thyristors, qui ne peuvent fonctionner en toute sécurité qu'en présence d'une tension réseau stable et exempte de défauts (fluctuations de tension inférieures à 10 %). En effet, lors d'une opération de freinage de la production d'énergie, si la durée de freinage de la tension réseau dépasse 2 ms, un défaut de commutation peut survenir et endommager les composants. De plus, en mode de contrôle profond, cette méthode présente un faible facteur de puissance, un taux d'harmoniques élevé et des commutations superposées, ce qui entraîne une distorsion de la forme d'onde de la tension du réseau. Parallèlement, elle se caractérise par une complexité de contrôle et un coût élevés. Face à l'application pratique des dispositifs entièrement contrôlés, des convertisseurs réversibles à commande par hacheur utilisant la modulation de largeur d'impulsion (PWM) ont été développés. Ainsi, la structure de l'onduleur côté réseau est identique à celle de l'onduleur classique, les deux utilisant la PWM.
L'analyse ci-dessus montre que, pour parvenir véritablement à un freinage par rétroaction d'énergie de l'onduleur, la clé réside dans le contrôle de l'onduleur côté réseau.
Caractéristiques de freinage par retour d'information
À proprement parler, l'onduleur côté réseau ne peut être simplement qualifié de « redresseur », car il remplit à la fois les fonctions de redresseur et d'onduleur. Grâce à l'utilisation de dispositifs d'arrêt automatique, l'amplitude et la phase du courant alternatif sont contrôlées par modulation de largeur d'impulsion (PWM) appropriée, ce qui permet d'obtenir un courant d'entrée proche d'une sinusoïde et de garantir un facteur de puissance du système toujours proche de 1. Lorsque la puissance récupérée par l'onduleur lors du freinage du moteur augmente la tension continue, la phase du courant d'entrée alternatif peut être inversée par rapport à celle de la tension d'alimentation pour assurer un fonctionnement régénératif. Cette puissance récupérée est alors réinjectée dans le réseau électrique alternatif, tandis que le système maintient la tension continue à la valeur souhaitée. Dans ce cas, l'onduleur côté réseau fonctionne en mode actif. Ceci facilite la mise en œuvre d'un flux de puissance bidirectionnel et offre une grande réactivité. Par ailleurs, cette topologie permet au système de contrôler précisément les échanges de puissance réactive et active entre les circuits alternatif et continu, avec un rendement pouvant atteindre 97 % et des avantages économiques significatifs. Les pertes thermiques représentent 1 % de la consommation d'énergie au freinage et ne polluent pas le réseau électrique. Le facteur de puissance est proche de 1, ce qui est respectueux de l'environnement. Par conséquent, le freinage par rétroaction peut être largement utilisé pour optimiser la consommation d'énergie dans les systèmes de transmission à courant alternatif à modulation de largeur d'impulsion (PWM), notamment lorsque des freinages fréquents sont nécessaires. La puissance du moteur électrique étant élevée, l'économie d'énergie est significative. Selon les conditions de fonctionnement, l'économie d'énergie moyenne peut atteindre 20 % ou plus.