[PDF] Guide technique No. 8 - Le freinage électrique

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Guide technique No. 8

Le freinage électrique

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Guide technique No. 8

Le freinage électrique

© Copyright 2012 ABB. Toutes les dispositions,

indications et caractéristiques sont susceptibles de modification sansréavis.

3AFE64566997 REV B FR 21.2.2012

4 Le freinage électrique | Guide technique No. 8

Guide technique No. 8 | Le freinage électrique 5

Chapitre 1 - Introduction ...........................................................................7

1.1 Généralités ...................................................................................7

1.2 Les entraînements à vitesse variable régulés en vitesse et

en couple .....................................................................................7 Chapitre 2 - Evaluer la puissance de freinage ...........................................9

2.1 Principes généraux de calcul des besoins en freinage électrique .....9

2.2 Les types de charge .....................................................................9

2.2.1 Couple constant et couple quadratique ................................10

2.2.2 Evaluer le couple et la puissance de freinage ........................10

2.2.3 Synthèse et conclusions ......................................................14

Chapitre 3 - Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable ..........................................15

3.1 Freinage par contrôle du flux moteur ...........................................15

3.2 Hacheur et résistance de freinage ...............................................16

3.2.1 Le convertisseur de fréquence comme dispositif de stockage

d"énergie .....................................................................................16

3.2.2 Principe de fonctionnement du hacheur de freinage ..............17

3.3 Pont de thyristors en montage antiparallèle ..................................19

3.4 Configuration d"un pont IGBT ......................................................21

3.4.1 Principes généraux de fonctionnement des variateurs .............

régénératifs à IGB ...............................................................21

3.4.2 Rôle des variateurs régénératifs à IGBT ................................21

3.4.3 Contrôle de la puissance par le contrôle direct de couple ......22

3.4.4 Dimensionner un variateur régénératif à IGBT .......................24

3.5 Bus continu commun ..................................................................24

Chapitre 4 - Evaluer le coût global des différents modes de freinage ....... électrique sur le cycle de vie de l"équipement ....................26

4.1 Calculer le coût direct de l"énergie ...............................................26

4.2 Evaluer le coût d"investissement ..................................................26

4.3 Evaluer le coût global ..................................................................27

Chapitre 5 - Notations et définitions ........................................................31

Chapitre 6 - Index ....................................................................................32

Table des matières

6 Le freinage électrique | Guide technique No. 8

Guide technique No. 8 | Le freinage électrique 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 entraî- nements 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 fonction- ner 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 essentielle- ment 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.

8 Le freinage électrique | Guide technique No. 8

Décélération Accélération

Accélération DécélérationIntroduction Figure 1.1 Quadrants (I à IV) de fonctionnement des entraînements à vitesse variable régulés en vitesse et en couple. Guide technique No. 8 | Le freinage électrique 9

2.1 Principes généraux de calcul des besoins en freinage électrique

La puissance de freinage requise est fonction de la charge entraî- née. En général, celle-ci doit être freinée dans un délai spécifié, ou bien certains cycles de l"application exigent un fonctionne- ment 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 éle- vée, 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 magnéti- sant 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 ten- sion continue en tension alternative. Cette conversion entraîne, en réalité, quelques pertes qui peuvent, dans ce contexte, être négligées.

Chapitre 2 - Evaluer la puissance de freinage

(2.1) (2.2) méc CC

élec

P

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.

10 Le freinage électrique | Guide technique No. 8

charge C charge Ck charge CkP charge Ck charge Ckk chargemot CC

Evaluer la puissance de freinage

2.2.1 Couple constant et couple quadratique

Couple constant:

k: constante

2.2.2 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 puis- sance de freinage requis en fonction du temps varient beaucoup selon le type de 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"accélé- ration (ou la décélération) de l"inertie, le frottement et le couple de charge est de sens opposé au couple moteur. (2.8)(2.3) (2.4) (2.5) (2.6)Couple quadratique: 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. Guide technique No. 8 | Le freinage électrique 11 (n debut _ n fin charge C chargedébut fin débutfin n) _ n(C findébut nn _ charge C Courbe de freinage naturel avec une charge constante

Puissance [10

kW], temps [s], couple [100*Nm]

Temps cumulé

Vitesse [tr/min]

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. (2.9) (2.11) (2.10) En résolvant t, on obtient la formule suivante:

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: 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.

Evaluer la puissance de freinage

12 Le freinage électrique | Guide technique No. 8

Courbe de freinage naturel avec une charge quadratique

Puissance [10

kW], temps [s], couple [100 Nm] Puissance de freinage [kW] 10 Couple de freinage[Nm] 100*

Vitesse [tr/min]

Temps [s]

Temps de freinage

Courbe de freinage naturel avec une charge quadratique

Vitesse [tr/min]

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). 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"arrê- ter 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.

Evaluer la puissance de freinage

Guide technique No. 8 | Le freinage électrique 13 (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 puis- sance 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 cin(2.14) (2.15)

Evaluer la puissance de freinage

14 Le freinage électrique | Guide technique No. 8

2.2.3 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.

Evaluer la puissance de freinage

Guide technique No. 8 | Le freinage électrique 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 conver- tisseurs 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 frei- nage 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.

16 Le freinage électrique | Guide technique No. 8

Couple de freinage (%)

Sans freinage par

contrôle de fl ux

Avec freinage par

contrôle de fl uxPuissance moteur 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

3.2.1 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 re- lativement faible dans un convertisseur de fréquence, l"élévation de tension est rapide, alors que ses composants ne supportent qu"un niveau de tension donné. Différents modes de freinage électrique des entraînements à vitesse variable Guide technique No. 8 | Le freinage électrique 17 dc

CAPCAP

CAP*U 2 dc CAPt= 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 plu- part 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:(3.1) (3.2) (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 lequotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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