ABB drives. Guide technique No. 8 Le freinage électrique

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1 ABB drives Guide technique No. 8 Le freinage électrique

2 2 Le freinage électrique Guide technique No. 8

3 Guide technique No. 8 Le freinage électrique Copyright 2012 ABB. Toutes les dispositions, indications et caractéristiques sont susceptibles de modification sansréavis. 3AFE REV B FR Guide technique No. 8 Le freinage électrique 3

4 4 Le freinage électrique Guide technique No. 8

5 Table des matières Chapitre 1 - Introduction Généralités Les entraînements à vitesse variable régulés en vitesse et en couple...7 Chapitre 2 - Evaluer la puissance de freinage Principes généraux de calcul des besoins en freinage électrique Les types de charge Couple constant et couple quadratique Evaluer le couple et la puissance de freinage Synthèse et conclusions...14 Chapitre 3 - Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Freinage par contrôle du flux moteur Hacheur et résistance de freinage Le convertisseur de fréquence comme dispositif de stockage d énergie Principe de fonctionnement du hacheur de freinage Pont de thyristors en montage antiparallèle Configuration d un pont IGBT Principes généraux de fonctionnement des variateurs... régénératifs à IGB Rôle des variateurs régénératifs à IGBT Contrôle de la puissance par le contrôle direct de couple Dimensionner un variateur régénératif à IGBT Bus continu commun...24 Chapitre 4 - Evaluer le coût global des différents modes de freinage... électrique sur le cycle de vie de l équipement Calculer le coût direct de l énergie Evaluer le coût d investissement Evaluer le coût global...27 Chapitre 5 - Notations et définitions...31 Chapitre 6 - Index...32 Guide technique No. 8 Le freinage électrique 5

6 6 Le freinage électrique Guide technique No. 8

7 Chapitre 1 - Introduction 1.1 Généralités Ce guide est le huitième de la série des guides techniques publiés par ABB. Il décrit les différents modes de freinage des entraînements à vitesse variable, leurs avantages et inconvénients respectifs, tant du point de vue technique qu économique. 1.2 Les entraînements à vitesse variable régulés en vitesse et en couple En fonction de leurs caractéristiques couple/vitesse, on distingue essentiellement trois types d entraînement. Dans la majorité des cas, l entraînement à courant alternatif fonctionne dans un seul quadrant (1Q) où la vitesse et le couple ont toujours le même sens, à savoir l énergie (vitesse multipliée par le couple) est transférée du variateur au moteur et à la charge entraînée. A titre d exemple, citons les pompes et les ventilateurs qui sont des charges à couple quadratique (souvent désignées applications à couple variable). Les machines fonctionnant en mode 1Q comme les extrudeuses ou les convoyeurs sont des applications à couple constant: le couple ne varie pas nécessairement avec la vitesse. Deuxième cas: le fonctionnement dans deux quadrants (2Q) où le sens de rotation ne varie pas, alors que le sens du couple peut changer, l énergie pouvant circuler du variateur au moteur ou inversement. Un entraînement 1Q peut être amené à fonctionner en 2Q; ex., lorsqu un ventilateur décélère plus vite que sur ses pertes mécaniques propres. Dans de nombreux domaines d application, les machines doivent pouvoir être arrêtées en urgence et donc fonctionner en mode 2Q, même si la charge entraînée est de type 1Q. Troisième cas: les applications à quatre quadrants (4Q) où le sens de la vitesse et du couple varient indépendamment. Les exemples types sont les ascenseurs, les treuils et les engins de levage ; cependant, des équipements comme les machines de découpe, de pliage, de tissage et les bancs d essais peuvent exiger des inversions répétées de vitesse et de couple. Citons également les applications 1Q où l énergie circule essentiellement de la charge entraînée vers le variateur de vitesse, comme une dérouleuse ou un convoyeur en pente descendante. On admet communément que, pour réaliser des économies d énergie, les entraînements électriques à vitesse variable sont plus avantageux que les régulations mécaniques. Mais on oublie que, dans de nombreux cas, la charge freinée renvoie l énergie de freinage vers le variateur et que cette énergie peut également être source d économies. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 7

8 Introduction Décélération Accélération Accélération Décélération Figure 1.1 Quadrants (I à IV) de fonctionnement des entraînements à vitesse variable régulés en vitesse et en couple. 8 Le freinage électrique Guide technique No. 8

9 Chapitre 2 - Evaluer la puissance de freinage 2.1 Principes généraux de calcul des besoins en freinage électrique La puissance de freinage requise est fonction de la charge entraînée. En général, celle-ci doit être freinée dans un délai spécifié, ou bien certains cycles de l application exigent un fonctionnement en mode générateur à vitesse fixe ou légèrement variable. Il faut savoir que les dispositifs utilisés pour le freinage électrique sont dimensionnés en fonction de la puissance de freinage. La puissance de freinage mécanique dépend du couple de freinage et de la vitesse, cf. formule (2.1). Plus la vitesse est élevée, plus la puissance de freinage est élevée. Celle-ci est ensuite transférée sous une tension et un courant spécifiés. Plus la tension est élevée, moins il faut de courant pour le même niveau de puissance, cf. formule (2.2). Le courant est la principale composante de coût dans les entraînements c.a. basse tension. Dans la formule (2.2), le terme cosφ définit le niveau de courant moteur utilisé pour magnétiser ce dernier. Le courant magnétisant ne produisant aucun couple, il n est pas pris en compte. Par ailleurs, ce courant magnétisant du moteur n est pas prélevé sur l alimentation c.a. du convertisseur, donc le courant d entrée du convertisseur est inférieur au courant qu il fournit au moteur. Cela signifie que, côté réseau, le cosφ est en général proche de l unité. On notera que dans la formule (2.2), on suppose qu aucune perte n est générée lors de la conversion de la tension continue en tension alternative. Cette conversion entraîne, en réalité, quelques pertes qui peuvent, dans ce contexte, être négligées. méc C C (2.1) P élec (2.2) 2.2 Les types de charge On distingue principalement deux types de charge: à couple constant et à couple quadratique. Dans une application à couple quadratique, le couple est proportionnel au carré de la vitesse. De ce fait, la puissance varie selon le cube de la vitesse. Dans les applications à couple constant, la puissance est directement proportionnelle à la vitesse. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 9

10 Evaluer la puissance de freinage Couple constant et couple quadratique Couple constant: k: constante Ccharge k (2.3) P charge C k (2.4) Couple quadratique: Ccharge k (2.5) charge C k k (2.6) Evaluer le couple et la puissance de freinage En régime établi (l accélération angulaire a est égale à zéro), le moteur doit vaincre le couple de frottement (proportionnel à la vitesse angulaire) et le couple de la charge. Le couple et la puissance de freinage requis en fonction du temps varient beaucoup selon le type de charge. C mot C charge (2.7) où: J = moment d inertie de la charge α = accélération angulaire β = coefficient de frottement w = énergie de frottement Premier cas: supposons une charge à couple constant et un système d entraînement incapable de produire un couple de freinage, car fonctionnant en mode 1Q. Pour calculer le temps de freinage requis, l équation suivante peut être utilisée. Vous noterez dans la formule (2.7) que le couple requis pour l accélération (ou la décélération) de l inertie, le frottement et le couple de charge est de sens opposé au couple moteur. C charge (2.8) Dans la pratique, il est difficile de connaître avec précision l effet du frottement. En supposant un frottement nul, le temps calculé présente une marge de sécurité. 10 Le freinage électrique Guide technique No. 8

11 Evaluer la puissance de freinage Puissance [10*kW], temps [s], couple [100*Nm] Courbe de freinage naturel avec une charge constante Vitesse [tr/min] Temps cumulé Puissance de freinage naturel [kw]*1 Couple de freinage naturel [Nm]*100 Figure 2.1 Temps de freinage cumulé, puissance de freinage et couple en fonction de la vitesse. C charge n _ n ) début fin Ccharge début fin ) = (n début _ n ) En résolvant t, on obtient la formule suivante: fin (2.9) (2.10) En supposant une inertie de la charge de 60 kgm 2, un couple de charge de 800 Nm sur toute la plage de vitesse, une vitesse de rotation de la charge de 1000 tr/min et un couple moteur ramené à zéro, la charge atteint la vitesse nulle dans le temps: (n debut _ n fin ) C charge,. (2.11) Cela concerne les applications où le couple de charge reste constant. Si le couple de charge disparaît (ex., rupture de la bande transporteuse), l énergie cinétique du système mécanique reste inchangée, mais le couple de charge qui sert à décélérer le système mécanique n existe plus. Dans ce cas, si le moteur ne freine pas, la vitesse ne diminuera que du fait du frottement mécanique. Deuxième cas: supposons la même inertie et un couple de charge à 1000 tr/min, mais qui varie de manière quadratique. Si le couple moteur est forcé à zéro, le couple de charge diminue selon le carré de la vitesse. Si le temps de freinage cumulé est lié à la vitesse, on voit que le temps de freinage naturel à petite vitesse (ex., entre 200 et 100 tr/min) est très nettement supérieur à celui entre 1000 et 900 tr/min. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 11

12 Evaluer la puissance de freinage Puissance [10*kW], temps [s], couple [100*Nm] Courbe de freinage naturel avec une charge quadratique Vitesse [tr/min] Puissance de freinage [kw] * 10 Couple de freinage [Nm] * 100 Figure 2.2 Courbe de freinage naturel de la puissance et du couple d un ventilateur de 90 kw en fonction de la vitesse. Une courbe de freinage naturel peut aisément être tracée à partir de la puissance et de la vitesse au point nominal en appliquant les formules (2.5) et (2.6). Courbe de freinage naturel avec une charge quadratique Temps [s] Temps de freinage Vitesse [tr/min] Figure 2.3 Temps de freinage cumulé, ex., ventilateur de 90 kw. Prenons maintenant le cas d un système mécanique qui doit être freiné dans un temps donné à partir d une vitesse donnée. Le ventilateur de 90 kw a une inertie de 60 kgm 2. Son point de fonctionnement nominal se situe à 1000 tr/min et il doit s arrêter en 20 secondes. L effet de freinage naturel provoqué par la caractéristique de la charge est à son maximum au début du freinage. L énergie maximale d inertie peut être calculée avec la formule (2.12). La puissance de freinage moyenne peut être calculée en divisant cette puissance de freinage par le temps. Cette valeur offre, bien sûr, une marge de sécurité du fait que la caractéristique de charge du ventilateur n est pas prise en compte. 12 Le freinage électrique Guide technique No. 8

13 Evaluer la puissance de freinage cin (2.12), (2.13) Lorsque le hacheur de freinage est dimensionné pour cette valeur de 16,4 kw et que la capacité de freinage du moteur à une vitesse plus élevée est très nettement supérieure à 16,4 kw, le variateur doit être doté d une fonction de supervision de l énergie de freinage maximale récupérée. Cette fonction existe dans certains variateurs. Pour optimiser le dimensionnement du hacheur de freinage pour un temps de freinage donné, on peut commencer par regarder la fi gure (2.3). La vitesse diminue rapidement de 1000 à 500 tr/min sans freinage supplémentaire. L effet de freinage naturel est à son maximum au début du freinage, ce qui indique clairement qu il est inutile de commencer à freiner le moteur avec la puissance précitée de 16 kw dans les premiers temps. Comme le montre la figure (2.3), la vitesse passe de 1000 à 500 tr/min sans aucun freinage supplémentaire en moins de 10 sec. A ce stade, le couple de charge n est que de 25% de sa valeur nominale et l énergie cinétique conservée dans le ventilateur n atteint également que 25% de l énergie à 1000 tr/min. Si le calcul fait à 1000 tr/min est refait à 500 tr/min, on voit que la puissance de freinage requise pour passer de 500 à 0 tr/min est de 8 kw environ. Comme précisé pour les calculs précédents, la marge de sécurité est confortable car la courbe de freinage naturel du fait de la caractéristique de charge n est pas prise en compte. En résumé, le temps de décélération désiré de 20 sec pour passer de 1000 à 0 tr/min est obtenu avec un hacheur et une résistance de freinage dimensionnés pour 8,2 kw. En réglant la puissance de freinage maxi du variateur à 8,2 kw, on obtient les résultats escomptés. cin (2.14), (2.15) Guide technique No. 8 Le freinage électrique 13

14 Evaluer la puissance de freinage Synthèse et conclusions On distingue principalement deux types de charge: à couple constant et à couple quadratique. Application à couple constant: La caractéristique du couple de charge ne dépend pas de la vitesse. Le couple de charge reste quasiment identique sur toute la plage de vitesse. La puissance croît linéairement avec la vitesse et vice versa. Applications types à couple constant: engins de levage et convoyeurs. Application à couple quadratique: Le couple de charge croît selon le carré de la vitesse. Lorsque la vitesse augmente, la puissance croît selon le cube de la vitesse. Applications types à couple quadratique: ventilateurs et pompes centrifuges. Mode de calcul de la puissance de freinage: La caractéristique de charge quadratique signifie une décélération naturelle rapide entre 50 et 100% des vitesses nominales. Cet élément doit être pris en compte lors du calcul de la puissance de freinage requise. Un couple quadratique signifie qu aux petites vitesses la décélération naturelle résulte essentiellement du frottement. La caractéristique d une charge à couple constant est une décélération naturelle constante. La puissance de freinage est fonction du couple et de la vitesse au point de fonctionnement spécifié. Dimensionner un hacheur de freinage en fonction de la puissance de freinage crête entraîne un surdimensionnement. La puissance de freinage n est pas fonction du courant (couple) nominal moteur ni de la puissance. Si le couple de charge disparaît au début du freinage, l effet de freinage naturel est réduit. Ce phénomène affecte le dimensionnement du hacheur de freinage. 14 Le freinage électrique Guide technique No. 8

15 Chapitre 3 - Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Les convertisseurs de fréquence modernes sont constitués d un redresseur d entrée qui convertit la tension alternative en tension continue stockée dans des condensateurs c.c. L onduleur reconvertit la tension continue en tension alternative qu il fournit au moteur c.a. à la fréquence requise. L énergie électrique nécessaire à la charge entraînée circule donc dans un redresseur, un bus continu et un onduleur, et enfin dans le moteur. La quantité d énergie emmagasinée dans les condensateurs c.c. est très faible comparée à l énergie totale absorbée. Cela signifie que le redresseur doit, en permanence, fournir la puissance consommée par le moteur plus les pertes dans le système d entraînement. 3.1 Freinage par contrôle du flux moteur Le freinage par contrôle du flux est une méthode basée sur les pertes moteur. Lorsque le système d entraînement doit freiner, le flux moteur, et donc également la composante de courant magnétisant utilisée dans le moteur, sont augmentés. Le contrôle du flux est aisément réalisé par la technologie DTC ou contrôle direct de couple (pour en savoir plus, cf. Guide technique No. 1). Avec la technologie DTC, le variateur est directement contrôlé pour obtenir le couple et le flux requis du moteur. Pendant le freinage par contrôle de flux, le moteur est commandé en mode DTC, garantissant un freinage sur la rampe de vitesse spécifiée. Cette méthode est très différente du freinage par injection de courant continu (c.c.) mis en oeuvre par la plupart des convertisseurs de fréquence, où un courant c.c. constant est injecté dans le moteur avec la perte du contrôle du flux moteur pendant le freinage. Avec la technologie DTC, le freinage par contrôle du flux permet au moteur de passer très rapidement du mode générateur au mode moteur. En freinage par contrôle de flux, le surplus de courant entraîne un accroissement des pertes dans le moteur. La puissance de freinage est donc également plus élevée même si la part renvoyée au convertisseur de fréquence n augmente pas. Le surplus de courant augmente les pertes dans les résistances du moteur. Plus la valeur de résistance est élevée, plus l énergie de freinage dissipée dans le moteur est élevée. En général, dans les moteurs de petite puissance (inférieure à 5 kw), la résistance du moteur est relativement élevée. Plus la puissance ou la tension du moteur est élevée, plus la valeur de résistance du moteur est réduite par rapport au courant moteur. En d autres termes, le freinage par contrôle de flux est plus efficace dans un moteur de petite puissance. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 15

16 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Couple de freinage (%) Sans freinage par contrôle de flux Puissance moteur, Avec freinage par contrôle de flux Figure 3.1 Pourcentage couple de freinage moteur / couple nominal en fonction de la fréquence de sortie. Principaux avantages du freinage par contrôle de flux: La technologie DTC n exige aucun composant supplémentaire, donc aucun surcoût. Le moteur est contrôlé pendant le freinage, contrairement au freinage par injection de c.c. des autres variateurs. Principaux inconvénients du freinage par contrôle de flux: Augmentation des contraintes thermiques imposées au moteur en cas de freinage répété sur de courtes périodes. La puissance de freinage est limitée par les caractéristiques du moteur, notamment la valeur de résistance. Le freinage par contrôle de flux est essentiellement avantageux avec les moteurs de petite puissance. 3.2 Hacheur et résistance de freinage Le convertisseur de fréquence comme dispositif de stockage d énergie Dans les variateurs standard, le redresseur est généralement un redresseur à diodes en montage hexaphasé (6 pulses) ou dodécaphasé (12 pulses), capable de transférer uniquement l énergie du réseau vers le bus continu, et non l inverse. Si le sens de circulation du courant change, comme c est le cas des applications 2Q ou 4Q, l énergie renvoyée par la charge entraînée est stockée dans les condensateurs c.c. selon la formule (3.1) et la tension du bus continu s élève. La capacité CAP étant relativement faible dans un convertisseur de fréquence, l élévation de tension est rapide, alors que ses composants ne supportent qu un niveau de tension donné. 16 Le freinage électrique Guide technique No. 8

17 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable CAP * U 2 dc (3.1) dc CAP CAP (3.2) Pour prévenir une élévation excessive de la tension du bus continu, deux solutions sont envisageables. Avec la première, l onduleur lui-même empêche le renvoi de l énergie de freinage de la charge entraînée vers le convertisseur de fréquence. Pour ce faire, on limite le couple de freinage pour maintenir constant le niveau de tension du bus continu. Cette fonction, appelée contrôle de surtension, est également en standard dans la plupart des variateurs modernes. Cependant, elle signifie que la charge ne décélère pas en suivant la rampe de vitesse spécifiée par l utilisateur. La capacité de stockage d énergie du variateur est en gé-néral très réduite. Ex., dans un variateur de 90 kw, la capacité est en moyenne de 5 mf. Si le variateur est alimenté en 400 V c.a., la tension du bus continu est 1,35 * 400 = 565 V c.c. En supposant que les condensateurs peuvent supporter maximum 735 V c.c., le délai pendant lequel la puissance nominale de 90 kw peut être envoyée au condensateur c.c. est calculé comme suit: t = CAP (3.3) Ces valeurs s appliquent en général à tous les convertisseurs de fréquence basse tension modernes, indépendamment de leur puissance nominale. Dans la pratique, cela signifie que le contrôleur de surtension et sa cheville ouvrière le régulateur de couple du moteur c.a. doivent réagir très rapidement. De même, la mise en service de la fonction de renvoi de l énergie de freinage du hacheur de freinage doit également être très rapide Principe de fonctionnement du hacheur de freinage La deuxième solution pour limiter la tension du bus continu consiste à dissiper l énergie de freinage dans une résistance via un hacheur de freinage. Celui-ci est un interrupteur électrique qui connecte le bus continu à une résistance dans laquelle l énergie de freinage est convertie en chaleur. Les hacheurs de freinage sont automatiquement activés lorsque la tension du bus continu franchit une valeur spécifiée qui dépend de la tension nominale du variateur. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 17

18 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable UDC+ V1 R+ Circuit de commande C1 R- UDC- Figure 3.2 Exemple de raccordement d un hacheur de freinage. UDC = bornes du bus continu; R = bornes de la résistance. Principaux avantages de la solution avec résistance et hacheur de freinage: Montage électrique simple et technologie maîtrisée. Hacheur et résistance constituent un investissement faible. Le hacheur continue de fonctionner en cas de perte réseau. Un freinage peut être indispensable en cas de coupure de l alimentation réseau (ex., ascenseur ou autres applications avec arrêt de sécurité). Principaux inconvénients de la solution avec résistance et hacheur de freinage: L énergie de freinage est gaspillée en pure perte si la chaleur ne peut être utilisée. Le hacheur et les résistances de freinage sont encombrants. Peut exiger un investissement dans un système de refroidissement et de récupération de la chaleur. Les hacheurs de freinage sont généralement dimensionnés pour un cycle donné (ex., 100 % de puissance pendant une minute toutes les 10 minutes.), des temps de freinage longs exigent un dimensionnement plus précis du hacheur de freinage. Risque accru d incendie du fait des résistances qui chauffent et de la présence éventuelle de poussières et d agents chimiques dans l air ambiant. Le niveau de tension plus élevé du bus continu pendant le freinage accroît les contraintes électriques sur l isolation du moteur. Quand faut-il recourir à un hacheur de freinage? Quand le cycle de freinage est occasionnel. Quand la quantité d énergie de freinage est faible par rapport à l énergie en mode moteur. Quand un freinage est requis en cas de perte réseau. 18 Le freinage électrique Guide technique No. 8

19 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Quand faut-il envisager d autres solutions qu un hacheur et une résistance de freinage? Quand le freinage est continu ou se répète à intervalles réguliers. Quand la quantité totale d énergie de freinage est importante par rapport à l énergie requise en mode moteur. Quand la puissance de freinage instantanée est élevée, ex., plusieurs centaines de kw pendant plusieurs minutes. Quand l air ambiant contient des poussières ou autres composants métalliques ou potentiellement combustibles ou explosibles. 3.3 Ponts de thyristors en montage antiparallèle Dans un convertisseur de fréquence, les ponts redresseurs à diodes peuvent être remplacés par deux redresseurs à thyristors en montage antiparallèle. Cette configuration permet d adapter le pont redresseur au mode de fonctionnement: moteur ou générateur. Un redresseur à thyristors est principalement constitué de deux ponts de thyristors 6 pulses. Le pont moteur convertit la tension alternative triphasée en tension continue. Il alimente les onduleurs via le circuit intermédiaire. Le pont générateur reconvertit la tension continue en tension alternative chaque fois qu il faut renvoyer sur le réseau l énergie de freinage récupérée du moteur. Pont moteur Pont générateur 3 U dc 3 U dc Figure 3.3 Schéma du redresseur à thyristors en montage antiparallèle. Un seul pont fonctionne à la fois, l autre étant alors bloqué. L angle d allumage des thyristors est constamment régulé pour maintenir la tension du circuit intermédiaire au niveau désiré. La sélection pont moteur/pont générateur et la régulation de la tension du circuit intermédiaire sont basées sur la mesure du courant réseau, de la tension réseau et de la tension du circuit intermédiaire. La self c.c. filtre les pointes de courant du circuit intermédiaire. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 19

20 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Principaux avantages du pont de thyristors en montage antiparallèle: Solution techniquement maîtrisée. Plus économique qu une solution à composants IGBT. La tension continue peut être régulée à une valeur inférieure à celle du réseau, ce qui peut être intéressant dans des applications spécifiques. Principaux inconvénients du pont de thyristors en montage antiparallèle: La tension du bus continu est toujours inférieure à la tension alternative du réseau, ceci pour conserver une marge de commutation. La tension fournie au moteur reste donc inférieure à la tension d entrée. On peut, toutefois, installer un autotransformateur élévateur sur le réseau pour résoudre ce problème. En cas de perte réseau, il y a un risque de fusion des fusibles, suite à un défaut de commutation des thyristors. Le cosφ varie avec la charge. Le taux de distorsion harmonique total (THD) est supérieur à celui des variateurs régénératifs à IGBT. Le courant déformé circule dans d autres impédances du réseau et peut provoquer une distorsion de tension indésirable pour les autres dispositifs alimentés à partir du point où existe la distorsion de tension. La puissance de freinage n est pas disponible pendant une perte réseau. Tension / V, courant / A Tension de phase sinusoïdale Tension de phase déformée Courant réseau Temps / ms Figure 3.4. Exemple de forme d onde de courant et de tension du pont en montage antiparallèle pendant le freinage. 20 Le freinage électrique Guide technique No. 8

21 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable 3.4 Configuration d un pont IGBT Principes généraux de fonctionnement des variateurs régénératifs à IGBT La récupération de l énergie de freinage avec un pont IGBT met en oeuvre le même principe que le transport d électricité au sein d un réseau, où plusieurs générateurs et charges sont interconnectés. On peut considérer qu au point de connexion le réseau est un gros générateur synchrone de fréquence fixe. Le pont d entrée IGBT du variateur (appelé convertisseur réseau) peut être considéré comme un autre réseau de tension alternative connecté au générateur par l intermédiaire d une self. Le transfert d énergie entre les deux réseaux alternatifs de tension U et interconnectés peut être calculé à partir de la formule (3.4). U = réseau * U redr (3.4) La formule indique que pour transférer de l énergie entre les deux réseaux, il doit y avoir un déphasage de l angle entre les tensions de ces deux réseaux c.a. Pour contrôler le transfert de puissance entre les deux réseaux, l angle doit être contrôlé. Convertisseur réseau Convertisseur réseau,,,,,,, Teneur en harmoniques Figure 3.5. Forme d onde type du courant réseau et teneur en harmoniques d un convertisseur réseau à IGBT Rôle des variateurs régénératifs à IGBT Les variateurs régénératifs à IGBT présentent trois caractéristiques principales. Primo, ils maintiennent la tension du bus continu stable indépendamment de la valeur absolue et du sens de transfert de la puissance. Les variateurs alimentant les moteurs c.a. fonctionnent ainsi de manière optimale quel que soit le point de fonctionnement, ceci grâce à la stabilité de la tension du bus continu. Celle-ci est stable lorsque la puissance d entrée du bus continu est égale à sa puissance de sortie. Ce contrôle du transfert de puissance se fait en contrôlant l angle de puissance entre les deux réseaux alternatifs. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 21

22 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Puissance / kw, tension / 10 * V Echelon de charge Temps / ms Mesure c.c. Puissance Figure 3.6. Transition rapide du mode générateur au mode moteur. Secundo, les variateurs régénératifs à IGBT minimisent le courant réseau requis pour fonctionner à cosφ = 1.0. Pour cela, on contrôle la tension de sortie du convertisseur réseau à IGBT. Dans certaines applications, ce dernier doit aussi fonctionner comme une charge inductive ou capacitive. Tertio, ils minimisent la teneur en harmoniques du courant réseau. Les principaux critères de conception dans ce cas sont la valeur d impédance de la self et le choix de la méthode de contrôle Contrôle de la puissance par le contrôle direct de couple La technologie DTC est une méthode de commande à vitesse variable des moteurs c.a. La logique de commande bloque et débloque les semi-conducteurs IGBT directement sur la base de l écart entre le couple moteur réel et la référence couple définie par l utilisateur (Guide technique No. 1). Ce même principe peut être appliqué à un convertisseur réseau contrôlant le transfert d énergie entre le réseau et le variateur, et vice versa. L énergie correspond au couple multiplié par la fréquence angulaire, qui est constante dans le réseau ; cela signifie qu en contrôlant le couple, on contrôle également le transfert d énergie. (3.5) REF_cple REF_flux Hystérésis Contrôle direct couple et hystérésis flux Flux_REEL Modèle du transfert d énergie Calcul des valeurs réelles Régul. tension c.c. BITS_couple BITS_flux BITS_contrôle Couple_REEL ASIC Logique de commutat. optimisée Tension c.c. S1, S2, S3 Courant S1, S2, S3 L Figure 3.7. Schéma de régulation d un variateur régénératif à IGBT et technologie DTC. 22 Le freinage électrique Guide technique No. 8

23 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable La commande DTC, associée à la technologie IGBT, contribue à réduire les harmoniques de courant. C est ainsi qu un convertisseur réseau à IGBT peut être utilisé pour remplacer des convertisseurs 12 pulses ou 18 pulses fonctionnant en mode 1Q, qui sont couramment utilisés pour réduire les harmoniques de courant côté réseau. Un variateur régénératif à IGBT constitue ainsi une solution idéale non seulement lorsqu il s agit de récupérer l énergie de freinage, mais aussi pour faire face à un problème d harmoniques de courant. Principaux avantages d un variateur régénératif à IGBT: Faible taux d harmoniques en courant injectés dans le réseau aussi bien en mode moteur qu en mode générateur. Performances dynamiques élevées pendant les régimes transitoires côté charge. Possibilité d augmenter la tension continue par rapport à la tension alternative d entrée. Cette fonction peut servir à compenser un réseau faible ou à augmenter le couple maximum du moteur dans la zone de défluxage. Compensation totale des chutes de tension réseau avec la fonction de surplus de tension (boost). Possibilité de contrôler le facteur de puissance. Fonction de gestion des pertes réseau avec synchronisation automatique sur le réseau. La tension du bus continu reste quasi constante en mode moteur et en mode freinage. Aucune contrainte électrique supplémentaire n est imposée à l isolation du moteur pendant le freinage. Tension / V Tension c.c. réelle Référence de tension c.c. Temps / ms Figure 3.8. Fonction de surplus de tension (boost). Principaux inconvénients d un variateur régénératif à IGBT: Coût d investissement plus élevé. Capacité de freinage non disponible lors d une perte réseau. Présence d harmoniques de tension haute fréquence du fait de la fréquence de commutation élevée. Ces composantes de tension de plusieurs khz peuvent exciter les petits condensateurs utilisés dans d autres dispositifs électriques. Par une conception et un montage appropriés des transformateurs d alimentation de différents dispositifs, on supprime ces problèmes. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 23

24 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Quand faut-il recourir à un variateur régénératif à IGBT? Quand le freinage est continu ou fréquent. Quand la puissance de freinage est très élevée. Quand l espace disponible est limité et ne permet pas d installer des résistances de freinage encombrantes. Quand les harmoniques réseau doivent être limités Dimensionner un variateur régénératif à IGBT Le dimensionnement d un redresseur à IGBT est basé sur les besoins en puissance. Supposons que la puissance requise en mode moteur est 130 kw et la puissance de freinage 100 kw. Pour dimensionner le convertisseur réseau à IGBT, on prend la valeur supérieure, 130 kw. La tension moteur est 400 V. La valeur mini de la tension réseau est 370 V. Dans ce cas, la fonction de boost de tension peut être utilisée; la tension du bus continu est augmentée pour correspondre à une tension alternative de 400 V. Toutefois, le courant d entrée requis est calculé sur la base des 370 V. En supposant des pertes de 5 % dans le moteur et dans le variateur, la puissance totale à prélever sur le réseau est de 136,5 kw. Le courant d entrée est calculé avec la formule: I entr entr, (3.6) 3.5 Bus continu commun Le variateur régénératif à IGBT est sélectionné uniquement sur la base de la valeur de courant calculée. Lorsqu une application comporte plusieurs entraînements dont certains fonctionnent en mode générateur et d autres en mode moteur, le bus continu commun constitue une solution très efficace pour réutiliser l énergie de freinage. Un système d entraînement à bus continu commun comporte un redresseur séparé convertissant la tension alternative en tension continue et, pour alimenter les moteurs c.a., des onduleurs raccordés au bus continu commun, ce dernier servant à récupérer l énergie de freinage et à la mettre à la disposition des autres moteurs. La configuration de base d un système à bus continu commun est illustrée à la figure (3.9). 24 Le freinage électrique Guide technique No. 8

25 Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Section alimentation Sections freinage Sections onduleurs Unité de commande auxiliaire Unité de Unité de connexion filtrage avec réseau pont à IGBT uniquem. ACU ICU FIU Pont redresseur DSU/TSU/ IGBT Unité de freinage (option) Bus continu commun 24 V Redresseur Hacheur Résistance Onduleur Onduleur AC Fig Configuration de base d un système à bus continu commun. Principaux avantages du système à bus continu commun: Méthode simple de répartition de la puissance entre plusieurs entraînements. Faibles pertes de conversion de l énergie de freinage grâce au bus continu commun. Même si la puissance de freinage instantanée est plus élevée que la puissance en mode moteur, pas besoin de dimensionner le hacheur et la résistance de freinage pour la puissance de freinage maximale. Si la puissance de freinage est requise pendant de longues périodes, plusieurs redresseurs peuvent être utilisés. Principaux inconvénients du système à bus continu commun avec un redresseur 1Q: La puissance instantanée en mode moteur doit être supérieure ou égale à la puissance de freinage. Un hacheur et une résistance de freinage sont indispensables si la puissance de freinage instantanée est supérieure à la puissance en mode moteur. Si le nombre de moteurs est faible, l onduleur dédié pour déconnecter le dispositif du bus continu constitue un surcoût. Quand faut-il recourir à un système à bus continu commun avec redresseur 1Q: Quand le nombre d entraînements est élevé. Quand la puissance en mode moteur est toujours supérieure à la puissance de freinage ou quand seulement une faible puissance de freinage est requise pour le hacheur de freinage. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 25

26 Chapitre 4 - Evaluer le coût global des différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l équipement Il est désormais impératif de pouvoir calculer le coût global de cycle de vie des équipements générateurs d économies d énergie. Un convertisseur de fréquence sert à réguler la vitesse et le couple des moteurs. Cette fonction de base permet la maîtrise des consommations d énergie par rapport aux autres solutions de commande des moteurs. Dans les applications de pompage et de ventilation, le freinage est rarement utilisé. Toutefois, les variateurs de vitesse modernes sont de plus en plus utilisés dans des applications avec cycles de freinage. Nous nous sommes jusqu ici intéressés aux aspects techniques. Examinons maintenant l intérêt économique du freinage électrique. 4.1 Calculer le coût direct de l énergie Le coût direct de l énergie peut être par exemple calculé sur la base du prix de l énergie et d une estimation du temps et de la puissance de freinage quotidiens. Le prix de l énergie varie d un pays à l autre, mais on peut partir d un prix moyen de 0,05 euro par kw/h. Le coût annuel de l énergie est calculé avec la formule suivante: Coût = temps de freinage (h/jour)* puissance moyenne de freinage (kw)* prix de l'énergie (euros/kwh) * (4.1) Prenons un entraînement de 100 kw fonctionnant 8000 heures par an et freinant avec une puissance moyenne de 50 kw pendant 5 minutes toutes les heures, c est-à-dire 667 heures par an. Le coût annuel direct de l énergie de freinage est de 1667 euros. 4.2 Evaluer le coût d investissement Les investissements matériels diffèrent selon le mode de freinage. Les éléments suivants doivent être pris en compte. Hacheur de freinage: Le coût d achat du hacheur et de la résistance de freinage, y compris l espace supplémentaire requis pour leur installation. Le coût d achat d un équipement de refroidissement supplémentaire pour le hacheur de freinage. 26 Le freinage électrique Guide technique No. 8

27 Evaluer le coût global des différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l équipement Freinage électrique avec un variateur à thyristors ou IGBT: Surcoût à l achat d un variateur régénératif à thyristors ou IGBT par rapport à un variateur de même puissance sans fonction de freinage électrique. Bus continu commun: 4.3 Evaluer le coût global Surcoût du hacheur et de la résistance de freinage, y compris l espace supplémentaire requis pour leur installation éventuelle dans un système à bus continu commun. Différence de coût entre un système à bus continu commun et un système correspondant mono-entraînement. Le coût global du cycle de vie permet d évaluer la rentabilité d un investissement. Le prix de l énergie et des variateurs de vitesse varie selon le pays, le fournisseur d électricité, la taille de l entreprise, les taux d intérêt, les délais d amortissement et les facteurs macroéconomiques. Les valeurs absolues des exemples suivants servent uniquement à illustrer les méthodes de calcul. Cas 1 - Freinage occasionnel Prenons le cas suivant: La puissance en mode moteur est de 200 kw pour une vitesse de rotation de 1500 tr/min. Sur un ordre d arrêt d urgence, l entraînement doit s arrêter sur rampe en 10 secondes. Par expérience, on sait qu un arrêt d urgence intervient une fois par mois. L inertie J du système d entraînement est 122 kgm 2. Lors d un arrêt d urgence, le couple de charge peut être négligé. Mode de calcul du couple de freinage requis par le moteur: c ( ) (n _ début fin début n fin ) (4.2) Le couple moyen d un moteur de 200 kw tournant à 1500 tr/ min est d environ 1200 Nm. Un moteur c.a. standard contrôlé directement par un variateur peut fonctionner à un couple atteignant 200% du couple nominal. Pour des valeurs de couple supérieures, un moteur de courant nominal proportionnellement plus élevé doit être sélectionné. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 27

28 Evaluer le coût global des différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l équipement La puissance de freinage est à son maximum au début du cycle de freinage. fr.maxi c (4.3) Le hacheur et la résistance de freinage doivent supporter instantanément le courant correspondant à une puissance de 300 kw. La puissance de freinage moyenne se calcule comme suit. cin (4.4), (4.5) Coût de la résistance de freinage: Le hacheur de freinage requis doit supporter une puissance de freinage maxi de 300 kw. Si le variateur comporte une fonction de limitation de puissance, la résistance de freinage peut être dimensionnée pour 150,3 kw. Surcoût du hacheur et de la résistance de freinage = 4000 euros. La résistance de freinage nécessite 0,4 m 2 de surface au sol supplémentaire. Coût du m² = 500 euros. En raison de la faible énergie thermique totale et du nombre réduit de freinages d urgence, le coût des dispositifs de refroidissement supplémentaires est négligeable. Dépenses d investissement supplémentaires: Hacheur et résistance de freinage en armoire: 4000 euros. Surface au sol 0,4 m 2 * 500 euros/m 2 : 200 euros. Coût total de l énergie perdue au cours d un freinage: Coût 0,05 euros/kwh, euros (4.6) Dans ce cas, le coût de l énergie de freinage est négligeable. Coût du variateur 4Q: Le surcoût à l investissement pour le freinage électrique avec un pont de thyristors en montage antiparallèle par rapport à un variateur avec hacheur de freinage est de 7000 euros. Comme prévu, les économies d énergie ne peuvent servir à justifier l investissement supplémentaire. 28 Le freinage électrique Guide technique No. 8

29 Evaluer le coût global des différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l équipement Cas 2 - Application de levage Prenons le cas suivant: Engin de levage d une puissance en montée de 100 kw. Il absorbe la puissance maxi en mode moteur et en mode générateur. L opération de levage la plus longue dure 3 min. Sa durée d exploitation moyenne annuelle est de 20 %. Coût du freinage sur résistance: Le hacheur et la résistance de freinage doivent être dimensionnés pour un freinage continu à 100 kw du fait du temps de freinage maxi de 3 minutes. En général, la puissance maxi du hacheur de freinage est déterminée pour un temps de freinage de 1 minute toutes les 10 minutes. Hacheur et résistance de freinage en armoire: 7800 euros. L agencement mécanique de l engin de levage permet d y installer les armoires contenant le hacheur de freinage. Donc, aucun surcoût du fait de l encombrement des armoires. On suppose que pendant 50 % du temps d exploitation, l engin de levage fonctionne en mode générateur, donc en moyenne 2,4 h/jour. Coût total de l énergie gaspillée: Coût = 2,4 (h/jour, euros/kwh euros (4.7) Coût du variateur 4Q: Un variateur 4Q à IGBT est conseillé pour les applications de levage. La dépense d investissement supplémentaire pour réaliser le freinage électrique avec un pont redresseur à IGBT par rapport à un variateur avec hacheur de freinage s élève à 4000 euros. Le calcul du retour d investissement direct montre qu une dépense supplémentaire de 4000 euros permet de réaliser des économies d énergie d un même montant au cours de la première année d exploitation. Cas 3 - Application de centrifugation Prenons le cas suivant: Application de centrifugation de sucre avec un moteur 6 pôles de 160 kw. Celui-ci nécessite un couple maxi pendant 30 sec pour accélérer le tambour chargé à la vitesse de 1100 tr/min, centrifuger la charge pour ensuite séparer la liqueur pendant 30 sec à grande vitesse. Une fois la charge sèche, le moteur freine la centrifugeuse aussi rapidement que possible pour la décharger et la recharger. Guide technique No. 8 Le freinage électrique 29

30 Evaluer le coût global des différents modes de freinage électrique sur le cycle de vie de l équipement Au cours d un cycle, les temps de charge, de centrifugation et de décharge sont fixes, de sorte que le seul moyen d augmenter la production consiste à accroître les vitesses d accélération et de décélération. Pour ce faire, on utilise un variateur 4Q à IGBT car la tension du bus continu peut être augmentée dans la plage de défluxage (1000 à 1100 tr/min). On gagne ainsi 3 secondes par cycle, le temps de cycle passant de 110 secondes à 107 secondes. Le rendement et donc la productivité du procédé sont améliorés. Le surcoût du variateur à IGBT est de 10 %. 30 Le freinage électrique Guide technique No. 8

31 Chapter 5 - Symbols and Definitions β: Coefficient de frottement C: Couple (newton-mètre, Nm) c.a.: Tension ou courant alternatif c.c.: Tension ou courant continu cosφ: Cosinus de l angle électrique entre la tension fondamentale et le courant FP: Facteur de puissance défini comme FP = P/S (puissance/ volt-ampère) = I 1 / I s * FPF (avec le courant sinusoïdal FP égal à FPF). FPF: Le facteur de puissance fondamental est défini comme cosφ1, où φ1 est l angle de phase entre le fondamental du courant et le fondamental de la tension. I: Courant [ampère, A] J: Moment d inertie [kgm 2 ] k: Constante ou coefficient n: Vitesse de rotation [nombre de tours par minute, tr/min] P: Puissance [watt, W] t: Temps THD: Le taux de distorsion harmonique total du courant est (5.1) où I1 est la valeur efficace du courant à la fréquence fondamentale. Le THD de la tension peut être calculé selon la même méthode. U: Tension [V] W: Energie [joule, J] ω: Vitesse angulaire [radians par seconde, 1/s] Guide technique No. 8 Le freinage électrique 31

32 Chapitre 6 - Index B bus continu commun 24, 25, 27 C centrifugeuse 29 contrôle direct de couple 15, 22 convertisseur réseau 21, 22 convoyeurs 14 cosφ 9, 20, 31 couple constant 10, 14 couple quadratique 10, 14 courant alternatif 9 courant continu 9 S stockage d énergie 16, 17 surdimensionnement 14 U un quadrant 7, 10, 23, 25 V ventilateurs 14 D deux quadrants 7 distorsion harmonique 20, 31 F freinage naturel 12, 13, 14 freinage par contrôle de flux 15, 16 freinage par injection de c.c. 15 frottement 10, 11, 14 H hacheur de freinage 13, 14, 17, 18, 19, 25, 26, 27, 28, 29 I IGBT 20, 21, 22, 23, 24, 26, 29, 30 impédance 20, 22 inertie 11, 12, 27, 31 L levage 14, 29 O onduleur 15, 17, 18, 21, 22, 25, 27 P pompes 14 pont de thyristors 19, 20, 28 puissance de freinage 9, 13, 14, 15, 17, 19, 24, 25, 28 Q quatre quadrants 7 R redresseur 15, 16, 19, 24, 25 régulation de surtension Le freinage électrique Guide technique No. 8

33 Guide technique No. 8 Le freinage électrique 33

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