Mastering Variable - Frequency Drive Overvoltage : In - depth Correlation Analysis and Solutions (en anglais)

Analyse de corrélation cruciale de la surtension de l'entraînement à fréquence variable

一. Introduction

         Dans le domaine de l'automatisation industrielle, le convertisseur (également connu sous le nom de variateur de fréquence) est un dispositif clé utilisé pour contrôler la vitesse et le couple du moteur afin de réaliser de multiples fonctions telles que l'économie d'énergie et le contrôle précis. Il est essentiel de comprendre le principe de fonctionnement du variateur de fréquence, car le problème de surtension du variateur est l'une des défaillances les plus courantes pendant son fonctionnement et peut avoir des conséquences graves, qui affecteront le fonctionnement normal et la durée de vie de l'équipement. Il est d'une grande importance pratique d'analyser en profondeur la source du problème de surtension du variateur et d'envisager des solutions efficaces.

二. L'analyse de la source du problème de surtension de l'entraînement à fréquence variable (EFV)

(1) Surtension du côté de l'entrée de l'alimentation électrique

1. Fluctuations de la tension du réseau

        Dans certaines régions, la qualité de l'alimentation électrique provenant du réseau peut être instable. Lorsqu'il y a un pic de tension dans le réseau électrique, tel que l'augmentation instantanée de la tension du réseau causée par le démarrage d'un gros moteur, la foudre, etc., qui dépasse la plage de tension d'entrée nominale de l'onduleur, cela entraîne une surtension de l'onduleur. Cette fluctuation de tension peut être une brève pointe ou une pointe de tension qui dure quelques secondes ou même plus longtemps.
        Le système d'alimentation du réseau électrique présente des variations de tension importantes pendant les périodes de pointe et les périodes creuses. Pendant les périodes de faible puissance, les tensions du réseau peuvent augmenter et, sans une régulation adéquate de la tension, les variateurs sont susceptibles d'être soumis à des surtensions.

2. Problèmes de commutation d'alimentation

        Dans certains systèmes dotés d'une alimentation de secours ou d'une double alimentation, lorsque l'alimentation est commutée, si le processus de commutation n'est pas correctement contrôlé, notamment en ce qui concerne la différence de phase et la différence de tension au moment de la commutation, des chocs de tension excessifs peuvent être générés à l'entrée de l'onduleur. Ce phénomène est particulièrement susceptible de se produire lors de la commutation entre une alimentation sans interruption (ASI) et le secteur, ou entre deux secteurs.

(2) L'énergie régénérative du variateur de fréquence vfd lui-même provoque une surtension.

1. Processus de freinage rapide du moteur

        Lorsque le moteur doit être arrêté rapidement, par exemple dans certains équipements de production qui doivent démarrer et s'arrêter fréquemment, le moteur continue de tourner en raison de l'inertie, et le moteur est en état de générer de l'énergie, et l'énergie électrique générée est renvoyée vers le variateur. Si le variateur ne dispose pas d'un mécanisme efficace de traitement de l'énergie, cette énergie régénérative peut entraîner une augmentation de la tension du bus CC. Dans le cas de certaines charges inertielles importantes, telles que le mécanisme de levage de la grue qui freine rapidement lorsque l'objet lourd est abaissé, l'énergie renvoyée par le moteur peut être très importante, ce qui peut facilement provoquer une surtension.
         Pour certaines applications de contrôle de vitesse de haute précision, telles que le moteur de broche des machines-outils à commande numérique, lorsque le moteur décélère, la variation rapide de sa vitesse produit une grande quantité d'énergie électrique régénérative, ce qui provoque une forte augmentation de la tension du bus CC de l'onduleur si cette énergie électrique ne peut pas être consommée ou réinjectée à temps.

2. Rétroaction énergétique causée par des variations soudaines de la charge

         Dans certains cas où la charge change fréquemment, comme l'épaisseur inégale de l'acier rencontrée par le laminoir pendant le processus de laminage, le couple de charge diminue soudainement, la vitesse du moteur augmente instantanément et le moteur entre dans un état de génération d'énergie régénérative, et l'énergie régénérative générée est renvoyée à l'onduleur, ce qui peut conduire à une surtension. L'énergie générée par cette variation soudaine de la charge est rapide et aléatoire, ce qui pose un problème de stabilité de la tension de l'onduleur.

三.la solution au problème de surtension de l'onduleur

(1) Mesures contre la surtension du côté de l'entrée de l'alimentation électrique

1. Installer le stabilisateur de tension

         L'installation d'un régulateur de tension à l'entrée du variateur est une méthode efficace. Le régulateur de tension automatique (AVR) peut surveiller la tension d'entrée en temps réel et stabiliser la tension d'entrée dans la plage de tension nominale du variateur en ajustant automatiquement le rapport des tours du transformateur. Dans certains cas où les exigences en matière de stabilité de la tension sont élevées, il est possible d'utiliser des servorégulateurs de haute précision, qui peuvent contrôler la tension de sortie avec plus de précision et faire face efficacement aux fluctuations de la tension du réseau.
         Les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) sont utilisés pour supprimer les pics de tension dans le réseau. Le dispositif de protection contre les surtensions peut diriger les impulsions de tension excessives vers la terre en très peu de temps, protégeant ainsi l'onduleur contre les chocs instantanés de haute tension causés par la foudre, etc. Lors du choix du bon SPD, il faut tenir compte de sa capacité de débit, de son temps de réponse et d'autres paramètres pour garantir une protection efficace de l'onduleur.

2. Optimiser la stratégie de commutation de puissance

         Dans les systèmes dotés d'une double alimentation ou d'une alimentation de secours, il convient d'utiliser des dispositifs de commutation synchrone. Ce dispositif peut détecter et ajuster la tension, la phase et d'autres paramètres des deux alimentations avant la commutation, de manière à garantir que la différence de tension et la différence de phase au moment de la commutation se situent dans la plage autorisée. Par exemple, un commutateur à capture simultanée peut être utilisé pour réaliser une commutation sans choc grâce à un algorithme de contrôle précis, réduisant ainsi le choc de tension pour l'onduleur lors de la commutation de puissance.
         Pour la commutation entre l'ASI et le réseau, le circuit de commutation de l'ASI doit être raisonnablement conçu et les paramètres optimisés. Le circuit tampon peut augmenter le temps de transition de la commutation, réduire la mutation de tension au moment de la commutation et assurer la stabilité de la tension de sortie de l'ASI, de sorte qu'il n'y aura pas d'effet de surtension sur l'onduleur pendant le processus de commutation.

(2) Mesures pour la surtension causée par l'énergie régénérative de l'onduleur lui-même

1. Augmenter la résistance au freinage

         La connexion d'une résistance de freinage à l'extrémité du bus CC du variateur est un moyen courant de gérer l'énergie régénérative. Lorsque le moteur est dans un état de génération d'énergie régénérative, l'énergie électrique générée peut être dissipée sous forme d'énergie thermique à travers la résistance de freinage. La valeur de la résistance de freinage doit être raisonnablement choisie en fonction de la puissance du variateur, de l'inertie du moteur et d'autres facteurs. Pour le système d'onduleur avec une puissance élevée et une charge d'inertie importante, il est nécessaire de sélectionner une résistance de freinage avec une petite valeur de résistance et une grande puissance pour s'assurer que l'énergie régénérative peut être consommée de manière opportune et efficace afin d'éviter que la tension du bus CC ne soit trop élevée.
         Certains onduleurs avancés sont équipés d'une unité de freinage intelligente qui peut contrôler automatiquement l'entrée et la sortie des résistances de freinage en fonction des changements en temps réel de la tension du bus CC. Lorsque la tension du bus CC atteint le seuil fixé, l'unité de freinage intelligente connecte automatiquement la résistance de freinage au circuit pour la consommation d'énergie. Lorsque la tension tombe dans une plage sûre, la résistance de freinage est automatiquement retirée pour obtenir un contrôle dynamique de l'énergie régénérative.

2. Adopter un dispositif de retour d'énergie

         Pour les applications qui génèrent fréquemment de grandes quantités d'énergie régénérative, des dispositifs de retour d'énergie peuvent être installés. Le dispositif de retour d'énergie peut renvoyer l'énergie électrique générée par la régénération du moteur au réseau électrique pour réaliser la réutilisation de l'énergie. Par exemple, dans certaines grues, certains ascenseurs et d'autres équipements où des objets lourds tombent ou où les moteurs sont fréquemment freinés, l'unité de retour d'énergie active est adoptée. Elle inverse l'énergie électrique régénérée du bus CC en courant alternatif à la même fréquence et à la même phase que le réseau électrique grâce à une technologie avancée d'électronique de puissance, et la renvoie au réseau électrique, ce qui non seulement résout le problème de la surtension, mais améliore également l'utilisation de l'énergie.
         Dans certains cas où les exigences en matière de qualité du réseau électrique sont élevées, le dispositif de retour d'énergie peut également contrôler la qualité du retour d'énergie, par exemple en supprimant les harmoniques, afin de réduire l'impact négatif sur le réseau électrique.

四. Conclusion

        Le problème de la surtension de l'onduleur est un problème complexe et global, et sa source implique de nombreux aspects tels que l'alimentation, le traitement de l'auto-énergie et les défauts des circuits internes. Le problème de surtension de l'onduleur peut être évité et résolu efficacement en prenant les mesures appropriées, telles que l'installation d'un régulateur de tension sur le côté entrée de l'alimentation électrique et l'optimisation de la stratégie de commutation, l'ajout d'une résistance de freinage ou d'un dispositif de retour d'énergie pour l'énergie régénérative, et la réalisation d'une maintenance régulière, d'un diagnostic des défauts et d'une réparation des défauts internes de l'onduleur. Cela permet non seulement de garantir le fonctionnement stable de l'onduleur et de prolonger sa durée de vie, mais aussi d'améliorer la fiabilité et l'efficacité de production de l'ensemble du système d'automatisation industrielle et de réduire la perte de production causée par la défaillance de l'onduleur. Dans les applications pratiques, il est nécessaire d'envisager et de sélectionner des solutions appropriées en fonction de facteurs tels que les modèles d'onduleurs spécifiques, les caractéristiques de la charge et l'environnement de fonctionnement afin d'obtenir le meilleur effet de protection contre les surtensions.