Solution de freinage pour système VFD

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Quelle est la fonction d'une solution de freinage pour variateur de fréquence (VFD) ?

Une solution de freinage pour variateur de fréquence est utilisée pour gérer l’énergie régénérée lors de la décélération ou de l’arrêt du moteur, afin d’éviter une tension excessive du bus continu et de garantir un fonctionnement sûr et efficace du système. Les solutions courantes incluent le freinage dynamique et le freinage par récupération, qui peuvent être sélectionnées en fonction des caractéristiques de la charge, de l’efficacité énergétique et des exigences de coût.

Dans un système de contrôle de vitesse à fréquence variable, la décélération et l’arrêt du moteur sont obtenus en réduisant progressivement la fréquence. Au moment où la fréquence diminue, la vitesse synchrone du moteur chute en conséquence, tandis que la vitesse du rotor reste inchangée en raison de l’inertie mécanique. Lorsque la vitesse synchrone w_1 devient inférieure à la vitesse du rotor w, la phase du courant rotorique se déplace d’environ 180 degrés, ce qui fait passer le moteur du mode moteur au mode générateur. Simultanément, le couple sur l’arbre moteur devient un couple de freinage T_e, réduisant rapidement la vitesse du moteur, plaçant ce dernier dans un état de freinage par récupération. L’énergie électrique régénérée P par le moteur est renvoyée dans le circuit continu par redressement double alternance via les diodes de roue libre. Comme l’énergie électrique dans le circuit continu ne peut pas être renvoyée au réseau via le pont redresseur, elle est uniquement absorbée par le condensateur propre du variateur. Bien que d’autres parties puissent consommer de l’énergie électrique, le condensateur accumule encore des charges pendant une courte période, formant une “tension de pompage”, ce qui fait augmenter la tension continue Ud. Une tension continue excessive peut endommager divers composants. Par conséquent, des mesures doivent être prises pour traiter cette énergie régénérée. Notre entreprise propose les deux solutions suivantes.

Solution A : Freinage dynamique
Cette méthode dissipe l’énergie régénérée par l’intermédiaire d’une résistance de freinage. Son principe de fonctionnement consiste à utiliser un hacheur (également appelé unité de freinage) pour contrôler la résistance de freinage afin d’absorber l’énergie dans le circuit continu, réalisant ainsi un freinage rapide. Cette solution présente une structure simple, un faible coût et un couple de freinage élevé, et elle ne pollue pas le réseau électrique. Cependant, elle ne permet pas de récupérer l’énergie régénérée. Elle convient aux applications sensibles au coût ou ayant des exigences faibles en matière de stabilité du réseau, comme dans les centrifugeuses ou les raboteuses standard.

Solution B : Freinage par récupération
Cette méthode convertit l’énergie régénérée en courant alternatif à la même fréquence et en phase pour la renvoyer au réseau. En utilisant la technologie d’onduleur actif, elle permet le recyclage de l’énergie, améliore l’efficacité du système et prend en charge le fonctionnement en quatre quadrants. Cependant, elle nécessite une tension de réseau stable (avec des fluctuations ne dépassant pas 15 %) ; sinon, des défauts de commutation peuvent facilement se produire. Il existe également un risque de pollution harmonique, et la complexité de contrôle ainsi que le coût sont relativement élevés. Elle convient aux applications nécessitant un freinage fréquent et disposant d’une alimentation réseau stable, comme les charges à énergie potentielle dans les grues et les ascenseurs.

Demande de produit ou solution

Freinage dynamique Freinage régénératif

Freinage dynamique

La méthode utilisée pour le freinage dynamique consiste à ajouter une résistance de décharge sur le côté CC (courant continu) du variateur de fréquence (VFD) afin de consommer l’énergie régénérative via une résistance de puissance, réalisant ainsi le freinage (comme illustré sur la figure). C’est le moyen le plus direct de gérer l’énergie régénérative : l’énergie est dissipée sous forme de chaleur à travers un circuit de freinage dynamique dédié dans la résistance. Par conséquent, cette méthode est également appelée « freinage par résistance » et se compose de deux éléments : l’unité de freinage (hacheur) et la résistance de freinage.

1. Principe de freinage

1.1. Unité de freinage (Braking Unit)
La fonction de l’unité de freinage est d’activer le circuit de dissipation d’énergie lorsque la tension du bus CC (U_d) dépasse un seuil prédéfini (c’est-à-dire la tension de hachage), permettant au circuit CC de libérer l’énergie sous forme de chaleur via la résistance de freinage. Les unités de freinage se classent en deux types : intégrées et externes. Le premier type convient aux variateurs polyvalents de faible puissance, tandis que le second est utilisé pour les variateurs de forte puissance ou les conditions de fonctionnement avec des exigences de freinage spécifiques. En principe, il n’y a aucune différence entre les deux ; tous deux servent d’« interrupteur » pour connecter la résistance de freinage et comprennent un transistor de puissance, un circuit d’échantillonnage et de comparaison de tension, ainsi qu’un circuit de commande (driver).

1.2. Résistance de freinage
Une résistance de freinage est un composant utilisé pour dissiper l’énergie régénérative d’un moteur sous forme de chaleur. Elle possède deux paramètres clés : la valeur de résistance et la capacité de puissance. En fonction des différentes applications, notre société a développé une variété de résistances de freinage avec des caractéristiques de performance distinctes. Veuillez vous référer au tableau comparatif des résistances de freinage pour plus de détails.

2. Processus de freinage

Le processus de freinage dynamique est le suivant :
2.1. Lorsque le moteur décélère ou s’inverse sous l’effet d’une force externe (y compris lorsqu’il est entraîné par une charge), il fonctionne en mode générateur, renvoyant de l’énergie au bus CC et provoquant la montée de la tension du bus ;
2.2. Lorsque la tension du bus CC atteint la tension de hachage de l’unité de freinage, le transistor de puissance de l’unité de freinage est activé, permettant au courant de circuler à travers la résistance de freinage ;
2.3. La résistance de freinage dissipe l’énergie électrique sous forme de chaleur, réduisant la vitesse du moteur et abaissant par conséquent la tension du bus CC ;
2.4. Lorsque la tension du bus CC retombe à la valeur de coupure de l’unité de freinage, le transistor de puissance de l’unité s’éteint, arrêtant le flux de courant à travers la résistance ;
2.5. La tension du bus CC est surveillée en permanence, et l’unité de freinage répète ce processus de marche/arrêt (ON/OFF) pour réguler la tension du bus, assurant ainsi le fonctionnement normal du système.

3. Caractéristiques du freinage

Les avantages du freinage dynamique (freinage par résistance) sont sa structure simple, son faible coût, son couple de freinage élevé et l’absence de pollution du réseau électrique. Cependant, il ne peut pas récupérer l’énergie régénérative, ce qui entraîne un gaspillage important d’énergie lors de freinages fréquents et nécessite d’augmenter la capacité de la résistance de freinage.

4. Sélection de l’unité et de la résistance de freinage

4.1. Tout d’abord, estimez le couple de freinage.
Généralement, lors du freinage du moteur, il existe une certaine quantité de pertes internes au sein du moteur, soit environ 18 % à 22 % du couple nominal. Par conséquent, si le résultat calculé est inférieur à cette plage, il n’est pas nécessaire de connecter un dispositif de freinage.
4.2. Ensuite, calculez la valeur ohmique de la résistance de freinage.
Pendant le fonctionnement de l’unité de freinage, la fluctuation de la tension du bus CC dépend de la constante RC, où R est la valeur de la résistance de freinage et C la capacité du condensateur électrolytique à l’intérieur du variateur. Ici, la tension de fonctionnement de l’unité de freinage est généralement réglée à 710 V.
4.3. Puis, lors de la sélection de l’unité de freinage, le courant de fonctionnement maximal de l’unité est le seul critère, et sa formule de calcul est la suivante :
4.4. Enfin, calculez la puissance nominale de la résistance de freinage.

Étant donné que la résistance de freinage fonctionne sur un cycle de service de courte durée, d’après ses caractéristiques et spécifications techniques, nous savons que la puissance nominale de la résistance sera inférieure à la puissance consommée lorsqu’elle est sous tension. Cela peut généralement être calculé à l’aide de la formule suivante : Puissance nominale de la résistance de freinage = Facteur de déclassement (derating) × Puissance moyenne consommée pendant le freinage × Taux d’utilisation du freinage (ED %).

Tableau comparatif des différentes séries d’unités de freinage

Caractéristiques principales	Série LN 220V	Série LN 400V	Série GN
Puissance nominale de l’onduleur (Pr)	7,5 kW à 90 kW	7,5 kW à 132 kW	37 kW à 450 kW
Courant de freinage maximal (I)	50 A à 200 A	40 A à 200 A	75 A à 450 A
Puissance de freinage répétitive (Pm)	Selon Pr et ED (%)	Selon Pr et ED (%)	Selon Pr et ED (%)
Temps de cycle (jusqu’à 600s sur demande)	120s standard	120s standard	120s standard
Facteur de marche ED (supérieur à 40 % sur demande)	jusqu’à 20 %	jusqu’à 20 %	jusqu’à 40 %
Tension du réseau (U) @50/60Hz	220/240V ±10 %	380/415V ±10 %	380/415V ±10 % 480/500V ±10 % 660/690V ±10 %
Tension de hachage par défaut (réglable)	CC 320V ±5V	CC 660V ±5V	CC 660V / 830V / 1150V ±5V
Tension diélectrique	3 000 VCA @ 1 min	3 000 VCA @ 1 min	3 000 VCA @ 1 min
Résistance d’isolement	> 20 MΩ / boîtier	> 20 MΩ / boîtier	> 20 MΩ / boîtier

5. Tableau comparatif des différentes séries de résistances de freinage

Type de résistance	Numéro de série	Plage de puissance (W)	Résistance	Matériau du boîtier	IP	Avec ventilateur	Caractéristiques	Scénarios
Résistance bobinée	RXG20	50 – 15 000	Sur mesure	Non	IP00	Non	Faible IP, coût économique, bonne dissipation thermique	Ascenseurs, grues, variateurs
Boîtier aluminium	RXLG	20 – 11 000	Sur mesure	Non	IP21/IP65	Non	IP élevé, structure compacte, non adaptée pour un usage prolongé	Ascenseurs, grues, VFD, machines d’injection, CNC, robotique, véhicules électriques
Aluminium compact	RXLG				IP21/IP65	Non	Structure compacte, courant élevé, faible résistance	Trottinettes électriques
Résistance à dissipateur	RAD				IP21		Courant élevé, dissipateur alu, modulaire	Espaces restreints

Type d’armoire de résistances	Numéro de série	Plage de puissance (kW)	Type de résistance	Matériau de l’armoire	IP	Avec ventilateur	Caractéristiques	Scénarios
Multi-unités aluminium	ARXU	15-50	Boîtier aluminium	Acier laminé à froid	IP21/IP54	Petit ventilateur	IP élevé, boîte de jonction étanche	Ascenseurs, grues, variateurs
Armoire inox maillée STL	STL	6-250	Inox maillé	304/316	IP54	Oui (dès 12 kW)	Résistant à l’eau et au brouillard salin	Grues portuaires et grues à tour (extérieur)
Armoire inox maillée STC	STC	6-250	Inox maillé	Acier galvanisé	IP54	Oui (dès 12 kW)	Étanche, non adapté au brouillard salin	Usage intensif intérieur/extérieur
Armoire céramique	DBR	9-100	Bobinée	Acier galvanisé	IP54	Non	Compact, courant élevé, forte capacité de surcharge	Charges lourdes intérieur/extérieur
Boîtier type lame	DBR	1-200	Type lame	Acier galvanisé	IP00	Optionnel	Structure compacte, longue durée de vie	Usage intensif intérieur
Boîtier inox maillé STB	STB	1-27	Inox maillé	Acier laminé à froid	IP00	Non	Faible protection, excellente dissipation	Usage intensif intérieur longue durée
Boîtier céramique	BRB	2-36	Bobinée	Acier laminé à froid	IP00	Oui (dès 20 kW)	Faible résistance aux chocs, bonne dissipation	Usage intensif intérieur longue durée
Inox spécial ascenseur	EVR	3-9	Inox maillé	Acier galvanisé	IP00	Non	Compact, bonne dissipation, partiellement étanche	Spécifique ascenseur

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Freinage régénératif

Le freinage régénératif, également appelé freinage par récupération d’énergie, fonctionne grâce à la technologie de l’inversion active. Il convertit l’énergie régénérative générée lors de la décélération ou de l’arrêt du moteur en courant alternatif (CA) correspondant à la fréquence, à la phase et à la tension du réseau électrique. Cette énergie est ensuite réinjectée directement dans le réseau, permettant un recyclage énergétique et résolvant à la source le problème de pompage de tension sur le bus CC, tout en générant des économies d’énergie significatives. En tant que solution de freinage haut de gamme pour les systèmes à variateur de fréquence (VFD), cette technologie supporte le fonctionnement du moteur en quatre quadrants et est idéale pour les applications industrielles impliquant des charges gravitaires ou des freinages fréquents.

Composants Principaux

Le système de freinage régénératif se compose principalement de quatre parties : une unité régénérative (onduleur actif), un circuit de filtrage, un circuit de détection et de contrôle, et un circuit de protection. Pour les fortes puissances, ces modules sont souvent intégrés dans une armoire de récupération d’énergie dédiée.

Unité Régénérative (Onduleur)

C’est le cœur du système. Il s’agit d’un pont onduleur de forte puissance (composé de composants semi-conducteurs comme les IGBT) qui transforme le courant continu (CC) en courant alternatif (CA). Il contrôle précisément la fréquence, la phase et l’amplitude de la tension inversée pour qu’elles correspondent aux paramètres du réseau.

Circuit de Filtrage

Il comprend des composants tels que des réactances et des condensateurs. Son rôle est de supprimer les harmoniques générées lors de l’inversion, de réduire la pollution harmonique sur le réseau et de stabiliser le courant de retour.

Circuit de Détection et de Contrôle

Il surveille en temps réel la tension, la fréquence et la phase du réseau, ainsi que la tension du bus CC du variateur. Un algorithme de contrôle en boucle fermée ajuste l’état du pont onduleur pour garantir la synchronisation et la stabilité de la récupération d’énergie.

Circuit de Protection

Il assure la protection contre les surtensions, les surintensités, les pertes de phase, les erreurs d’ordre des phases et les fluctuations excessives du réseau. Si les fluctuations dépassent 15 % ou en cas de défaut, il coupe immédiatement le retour d’énergie pour éviter les échecs de commutation et les dommages aux équipements.

1. Principe de Fonctionnement

1.1. Lorsque le moteur décélère, s’arrête ou libère de l’énergie potentielle (ex: une grue descendant une charge), il continue de tourner à grande vitesse par inertie mécanique. La vitesse synchrone devient inférieure à la vitesse du rotor, et le moteur passe en mode générateur. L’énergie électrique ainsi produite est redressée et renvoyée vers le bus CC du variateur, faisant monter la tension Ud.

1.2. Dès que la tension du bus CC atteint le seuil d’activation de l’unité régénérative, le circuit de détection analyse les paramètres du réseau en temps réel et le contrôleur active le pont onduleur.

1.3. L’onduleur convertit l’énergie CC du bus en courant alternatif triphasé identique au réseau. Après filtrage des harmoniques, l’énergie est réinjectée dans le réseau électrique public ou industriel.

1.4. Lorsque la tension du bus CC redescend sous le seuil d’arrêt, l’onduleur cesse de fonctionner. Le processus se répète dynamiquement pour maintenir la tension du bus dans une plage de sécurité.

2. Processus de Freinage

2.1. Génération d’énergie : Le moteur agit comme une génératrice, renvoyant l’énergie vers le bus CC du variateur, ce qui augmente la tension du bus.

2.2. Déclenchement : La tension atteint le seuil de démarrage prédéfini. Le système échantillonne les paramètres réseau et passe en mode actif.

2.3. Inversion active : Le pont onduleur transforme la puissance CC en puissance CA conforme aux normes du réseau et la réinjecte après filtrage.

2.4. Stabilisation : Suite à la réinjection, la tension du bus CC diminue. L’unité régénérative s’arrête lorsqu’elle atteint le seuil bas.

2.5. Surveillance cyclique : Le système surveille en permanence la tension du bus pour équilibrer dynamiquement l’ensemble et garantir la sécurité du moteur et du variateur.

3. Caractéristiques et Avantages

3.1. Récupération et Haute Efficacité : L’énergie est renvoyée au réseau pour être réutilisée au lieu d’être gaspillée. L’économie d’énergie est particulièrement notable sur les cycles de freinage fréquents ou les fortes inerties.

3.2. Absence de Pertes Thermiques : Comme on n’utilise pas de résistances de freinage, il n’y a pas de dégagement de chaleur massif. Cela réduit la charge thermique sur les équipements et simplifie la ventilation des locaux.

3.3. Couple de Freinage Stable et 4 Quadrants : Le système offre un couple constant durant le freinage et permet de fonctionner dans toutes les directions (avant/arrière) et tous les modes (moteur/générateur). Indispensable pour les grues et ascenseurs.

3.4. Coûts Opérationnels Réduits : Malgré un investissement initial plus élevé, les économies d’électricité permettent un retour sur investissement rapide. La maintenance est également réduite par l’absence de résistances d’usure.

4. Sélection et Précautions

4.1. Critères de Choix

Paramètres Réseau : Vérifier la tension, le nombre de phases et la stabilité (tolérance ±15 %).
Puissance Régénérative : Calculer la puissance de crête et la puissance moyenne selon le cycle de service du moteur.
Type de Charge : Pour les charges gravitaires, prévoir une marge de sécurité de 1,2 à 1,5 fois la puissance nominale.
Compatibilité Électromagnétique : Prévoir les réactances et filtres adéquats pour respecter les normes de pollution harmonique.

4.2. Précautions d’Usage

4.2.1. Installer un sectionneur entre l’unité régénérative et le réseau. Utiliser des câbles de section suffisante vers le bus CC pour limiter les pertes en ligne.

4.2.2. Inspecter régulièrement les composants de puissance et les capteurs pour prévenir toute défaillance impactant le réseau.

4.2.3. En cas de réseau instable, l’ajout d’un régulateur de tension peut être nécessaire pour assurer la continuité de service.

4.2.4. Le système de récupération nécessite une mise à la terre dédiée, distincte de celle du variateur, pour éviter les interférences.

5. Domaines d’Application

Le freinage régénératif est recommandé pour les sites disposant de réseaux stables et nécessitant une haute efficacité énergétique, notamment pour :

5.1. Levage et Manutention : ascenseurs, escalators, grues à tour, treuils de mine, plateformes hydrauliques.

5.2. Charges à Forte Inertie : grandes centrifugeuses, laminoirs, pompes à balancier (pétrole), portiques portuaires.

5.3. Machines à Cycles Rapides : broches de machines-outils, convoyeurs métallurgiques, transporteurs à raclettes.

Restrictions : Non recommandé en cas de réseau très instable, de forte pollution harmonique préexistante, ou pour des applications simples (petits ventilateurs, pompes standards) où le gain économique ne justifie pas l’investissement.

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