Les fournisseurs de systèmes de freinage rappellent qu'avec le développement de l'automatisation industrielle, l'utilisation des variateurs de fréquence est de plus en plus fréquente. Afin d'optimiser la productivité, il est souvent nécessaire d'accroître les performances des variateurs de fréquence en y intégrant des équipements auxiliaires tels que des systèmes de freinage à consommation d'énergie et des résistances de freinage. Cet article analyse les méthodes de sélection optimale des systèmes de freinage à consommation d'énergie et des résistances de freinage dans les variateurs de fréquence, en s'appuyant sur leurs caractéristiques, leurs limitations et leur composition.
1. Freinage par consommation d'énergie du convertisseur de fréquence
La méthode de freinage par consommation d'énergie consiste à installer un composant de freinage côté courant continu du convertisseur de fréquence. Ce composant utilise l'énergie électrique régénérée par la résistance de freinage pour réaliser le freinage. Il s'agit de la méthode la plus directe et la plus simple pour traiter l'énergie régénérée. Cette énergie est consommée par la résistance via un circuit de freinage dédié et convertie en énergie thermique. On parle alors de freinage par résistance.
Le freinage par récupération d'énergie se caractérise par un circuit simple et un faible coût. Cependant, lors du freinage, la diminution de la vitesse du moteur entraîne une baisse de l'énergie cinétique du système d'entraînement, ce qui réduit la capacité de récupération et le couple de freinage du moteur. Par conséquent, dans les systèmes à forte inertie, un phénomène de « rampage » à basse vitesse est fréquent, affectant la précision du stationnement. De ce fait, le freinage par récupération d'énergie est uniquement adapté au stationnement avec des charges standard. Il comprend deux éléments : l'unité de freinage et la résistance de freinage.
(1) Unité de freinage
La fonction de l'unité de freinage est d'activer le circuit de dissipation d'énergie lorsque la tension Ud du circuit CC dépasse la limite spécifiée, permettant ainsi au circuit CC de dissiper l'énergie sous forme thermique après passage à travers la résistance de freinage. Il existe deux types d'unités de freinage : intégrées et externes. Les unités intégrées conviennent aux convertisseurs de fréquence basse puissance à usage général, tandis que les unités externes sont adaptées aux convertisseurs de fréquence haute puissance ou aux applications exigeant un freinage spécifique. En principe, leur fonctionnement est identique. L'unité de freinage fait office d'interrupteur pour la connexion de la résistance de freinage et comprend un transistor de puissance, un circuit de comparaison d'échantillonnage de tension et un circuit de commande.
(2) Résistance de freinage
La résistance de freinage est un dispositif permettant de dissiper l'énergie de récupération d'un moteur électrique sous forme d'énergie thermique. Ses deux caractéristiques principales sont sa valeur de résistance et sa capacité de puissance. En ingénierie, on distingue deux types de résistances couramment utilisés : les résistances ondulées et les résistances en alliage d'aluminium. Les résistances ondulées présentent des ondulations verticales en surface qui facilitent la dissipation thermique et réduisent l'inductance parasite. Un revêtement inorganique ignifuge protège efficacement les conducteurs du vieillissement et prolonge leur durée de vie. Les résistances en alliage d'aluminium offrent une meilleure résistance aux intempéries et aux vibrations que les résistances traditionnelles à cadre en porcelaine. Elles sont largement utilisées dans les environnements difficiles et exigeants. Leur installation est simple et sécurisée, et elles permettent facilement la fixation de dissipateurs thermiques. De plus, elles présentent un aspect esthétique.
Le processus de freinage par consommation d'énergie est le suivant : lorsqu'un moteur électrique décélère ou inverse son sens de rotation sous l'effet d'une force extérieure (y compris une traction), il fonctionne en mode générateur et l'énergie est réinjectée dans le circuit CC, ce qui provoque une augmentation de la tension du bus. L'unité de freinage mesure cette tension. Lorsque la tension CC atteint le seuil de conduction défini par l'unité de freinage, le transistor de puissance de cette dernière s'active et le courant circule dans la résistance de freinage. Cette dernière convertit l'énergie électrique en énergie thermique, réduisant ainsi la vitesse du moteur et la tension du bus CC. Lorsque la tension du bus chute en dessous du seuil de coupure défini par l'unité de freinage, le transistor de puissance de cette dernière se bloque et aucun courant ne circule dans la résistance de freinage.
La distance de câblage entre l'unité de freinage et le convertisseur de fréquence, ainsi qu'entre l'unité de freinage et la résistance de freinage, doit être aussi courte que possible (moins de 2 m). La section des câbles doit être compatible avec le courant de décharge de la résistance de freinage. En fonctionnement, la résistance de freinage génère une chaleur importante. Elle doit donc bénéficier d'une bonne dissipation thermique et être raccordée par des câbles résistants à la chaleur, sans contact direct avec celle-ci. La résistance de freinage doit être solidement fixée à l'aide de pastilles isolantes et son emplacement doit assurer une bonne dissipation thermique. Lors de l'installation dans une armoire électrique, la résistance de freinage doit être placée sur le dessus de l'armoire du convertisseur de fréquence.
2. Sélection de l'unité de freinage
En général, le freinage d'un moteur électrique engendre des pertes internes, de l'ordre de 18 % à 22 % du couple nominal. Par conséquent, si le couple de freinage requis est inférieur à 18 % à 22 % du couple nominal du moteur, il est inutile de connecter le dispositif de freinage.
Lors du choix d'un dispositif de freinage, le courant de fonctionnement maximal de ce dispositif est le seul critère de sélection.
3. Sélection optimisée de la résistance de freinage
Lors du fonctionnement de l'unité de freinage, la montée et la descente de la tension du bus CC dépendent de la constante RC, où R est la valeur de résistance de la résistance de freinage et C est la capacité du condensateur interne du convertisseur de fréquence.
La valeur de résistance de la résistance de freinage est trop élevée, ce qui entraîne un freinage lent. Si elle est trop faible, les composants du contacteur de freinage risquent d'être endommagés. Généralement, lorsque l'inertie de la charge n'est pas trop importante, on estime que jusqu'à 70 % de l'énergie consommée par le moteur lors du freinage est absorbée par la résistance de freinage, et 30 % par diverses pertes liées au moteur lui-même et à la charge.
La puissance dissipée par la résistance de freinage pour un freinage à basse fréquence représente généralement 1/4 à 1/5 de la puissance du moteur. Cette puissance doit être augmentée lors de freinages fréquents. Certains convertisseurs de fréquence de faible capacité intègrent des résistances de freinage, mais lors de freinages à haute fréquence ou sous charges importantes, ces résistances internes présentent une dissipation thermique insuffisante et sont susceptibles d'être endommagées. Dans ce cas, il convient d'utiliser des résistances de freinage externes de forte puissance. Toutes les résistances de freinage doivent présenter une faible inductance. Le câble de connexion doit être court et de type paire torsadée ou parallèle. Des mesures visant à réduire l'inductance sont nécessaires pour éviter que l'énergie inductive ne soit ajoutée au tube du contacteur de freinage, ce qui pourrait l'endommager. Une inductance trop élevée et une résistance trop faible peuvent également endommager le tube du contacteur de freinage.
La résistance au freinage est étroitement liée au couple du volant moteur, lequel varie en cours de fonctionnement. Par conséquent, il est difficile de calculer précisément la résistance au freinage ; on utilise généralement une valeur approximative à l’aide de formules empiriques.
RZ>=(2 × UD)/Dans la formule : Ie courant nominal du convertisseur de fréquence ; UD tension du bus CC du convertisseur de fréquence
En raison du mode de fonctionnement à court terme de la résistance de freinage, et en fonction des caractéristiques et des spécifications techniques de la résistance, la puissance nominale de la résistance de freinage dans le système de régulation de vitesse à fréquence variable peut généralement être calculée à l'aide de la formule suivante :
PB=K × Pav × η%, où PB est la puissance nominale de la résistance de freinage ; K est le coefficient de réduction de la résistance de freinage ; Pav est la consommation d'énergie moyenne pendant le freinage ; η est le taux d'utilisation du freinage.
Afin de réduire la résistance des résistances de freinage, de nombreux fabricants de convertisseurs de fréquence proposent des résistances de même valeur pour des moteurs de différentes puissances. Par conséquent, le couple de freinage obtenu varie considérablement. Par exemple, le convertisseur de fréquence Emerson série TD3000 est équipé d'une résistance de freinage de 3 kW et 20 Ω pour des moteurs de 22 kW, 30 kW et 37 kW. Lorsque le dispositif de freinage fonctionne sous une tension continue de 700 V, le courant de freinage est de :
IB=700/20=35A
La puissance de la résistance de freinage est :
PB0=(700)2/20=24,5 kW
Le système de freinage et la résistance de freinage utilisés dans la régulation de vitesse à fréquence variable sont des éléments essentiels au fonctionnement sûr et fiable de ce système, notamment pour la récupération d'énergie et les manœuvres de stationnement précises. Par conséquent, lors du choix d'un système de régulation de vitesse à fréquence variable adapté, il est impératif d'optimiser le choix du système de freinage et de la résistance de freinage. Ceci permet non seulement de réduire les risques de panne, mais aussi d'optimiser les performances dynamiques du système.