Principes de base des entraînements régénératifs – Partie 2

Suite à notre article précédent qui donnait un bref aperçu du fonctionnement du variateur régénératif, nous examinons ici certains des facteurs spéciaux qui doivent être pris en compte lors du fonctionnement régénératif.

L'effet sur le réseau électrique (réseau électrique CA)

Règlements

Ce sont les réglementations imposées par les compagnies d'électricité pour garantir que la production intégrée ne perturbe pas la sécurité ou la fiabilité de l'approvisionnement en électricité. Le reste de cette section couvre les sujets les plus importants contrôlés par la réglementation. Si le système de régénération doit être utilisé comme générateur intentionnel, il devra se conformer à la réglementation en vigueur sur le lieu d'utilisation. Si ce n'est pas le cas, les sujets couverts doivent toujours être pris en compte chaque fois que le courant nominal du système de régénération représente une part considérable de la puissance nominale du système d'alimentation local, afin de garantir qu'en cas de panne ou de dysfonctionnement, aucun dommage ne sera causé aux autres équipements connectés. .

Courant de court-circuit

Un générateur local contribue au courant dans un défaut électrique (court-circuit) et peut affecter la sécurité ou la cote requise de l'appareillage électrique. Dans toute installation de générateur proposée, le courant de défaut ajouté doit être calculé. Cependant, l'onduleur Regen a un impact négligeable, car la protection électronique contre les surintensités interrompt le courant excessif beaucoup plus rapidement qu'un disjoncteur ou un fusible ne peut agir. Le courant de court-circuit de crête pour la génération actuelle d'onduleurs CT est de 260 % du courant nominal, et une fois que l'onduleur se déclenche, le courant tombe à zéro en moins de 4 ms (en fonction de la valeur de l'inductance c.a.). Le courant de crête pour le calibre de protection est pris sur au moins une demi-période de la fréquence d'alimentation. Ces facteurs réunis rendent la contribution du courant de défaut négligeable.

Fonctionnement en îlot

Si le réseau électrique est déconnecté d'une installation où un générateur fonctionne, il est possible qu'un « îlot » de puissance se produise où la génération locale maintient involontairement les charges locales sous tension. Ce n'est pas très probable, car sans un régulateur spécialement conçu pour réguler la fréquence, il n'y a rien pour assurer l'équilibre entre l'offre et la demande. Normalement, la fréquence sort rapidement de la plage de fonctionnement et le système se déclenche. De plus, il n'y a pas de contrôle de la tension ou de la puissance réactive. Cependant, si un îlot se produisait, il y aurait un risque pour la sécurité des travailleurs de l'électricité et un risque d'endommagement de l'équipement local de l'îlot si la tension ou la fréquence dépassait leur plage de sécurité.

Si un système Regen dispose d'une source d'énergie (par exemple, un moteur, une batterie ou un autre réservoir d'énergie) permettant un fonctionnement en îlot, une protection doit être fournie contre la survenue d'un îlot dommageable. La plage de fréquence du variateur de régénération doit être limitée dans les réglages des paramètres à une plage de sécurité, et un relais de surtension doit être incorporé pour déclencher l'onduleur si la tension devient excessive.

Pour les générateurs intentionnels, il existe des normes de protection contre l'îlotage (parfois appelée protection contre la perte de réseau (LOM). Certaines d'entre elles nécessitent que l'onduleur utilise un algorithme spécial pour détecter la condition d'îlotage, qui est disponible en tant qu'installation standard dans le Variateur Unidrive M. Certains d'entre eux nécessitent un relais de protection agréé indépendant.

Îlot intentionnel, génération de sauvegarde

Veuillez noter que l'onduleur regen ne peut pas être utilisé comme générateur autonome, par exemple comme alimentation de secours en cas de perte d'alimentation secteur. Il ne peut être utilisé qu'avec une alimentation existante sur laquelle il se synchronise.

Randonnée

Les générateurs intentionnels peuvent être tenus de continuer à fonctionner pendant une perturbation du réseau électrique. La situation la plus courante est celle où un défaut (court-circuit) se produit quelque part dans le réseau électrique, ce qui entraîne une chute de tension soudaine aux bornes du générateur. Cela peut être équilibré ou déséquilibré entre les trois phases. Pendant le ridethrough, il peut ne pas être possible de continuer à générer la puissance nominale si la tension est trop faible, mais un courant réactif est nécessaire pour supporter la tension et aider le réseau à reprendre le contrôle une fois que le circuit défectueux a été déconnecté par des dispositifs de protection automatiques.

Un AFE simple est assez sensible aux perturbations de tension car son fonctionnement repose sur un équilibre précis entre la forme d'onde de la tension secteur et celle générée à l'intérieur de l'onduleur. À moins qu'il n'ait une capacité de chevauchement, il est plus enclin à provoquer des déclenchements intempestifs qu'un simple redresseur. L'Unidrive M dispose d'une capacité de passage sélectionnable qui répond aux principales exigences des normes nationales telles que les directives BDEW pour les générateurs connectés aux réseaux MT.

Il est important de comprendre qu'en fonctionnement régénératif normal, l'onduleur Regen ajuste sa puissance de sortie au système d'alimentation CA afin de réguler la tension du bus CC à la valeur souhaitée. Lors d'une perturbation de tension, il ne peut plus générer sa pleine puissance nominale, il peut donc être incapable de continuer à réguler la tension continue. La source d'alimentation doit alors assumer ce rôle. Si ce n'est pas le cas, il peut y avoir un déclenchement de surtension si la puissance entrante dépasse la puissance sortante. Alternativement, une résistance de freinage peut être connectée pour absorber l'excès de puissance.

Régulation de la puissance et de la fréquence

L'équilibre entre l'offre et la demande dans le réseau électrique CA est obtenu en régulant la fréquence. Un générateur intentionnel peut être nécessaire pour aider à cela en répondant à des commandes de puissance externes, ou pour mettre en œuvre une fonction de contrôle de la puissance par rapport à la fréquence. Cela peut être programmé comme une application dans le lecteur.

Harmoniques et interharmoniques

Comme indiqué dans le premier blog de régénération, l'onduleur de régénération génère des niveaux négligeables de courant harmonique vrai, c'est-à-dire à des multiples entiers de la fréquence d'alimentation CA. Il interagit avec les harmoniques existants sur l'alimentation et génère également des produits de modulation PWM. Celles-ci sont à des fréquences élevées qui, pendant de nombreuses années, ont été considérées comme étant au-delà de la plage des harmoniques, qui étaient généralement considérées comme se terminant à l'ordre 40. Cependant, des normes techniques et des instruments plus récents ont commencé à prendre en compte les harmoniques jusqu'à l'ordre 100.

Par exemple, prenons un système fonctionnant à une fréquence de ligne nominale de 60 Hz et une fréquence de commutation de 3 kHz. Les principales fréquences liées à la commutation présentes seront 2880 Hz et 3120 Hz. Ce sont 48 et 52 fois la fréquence d'alimentation. Cependant les deux fréquences ne sont pas des grandeurs commensurables, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas asservis en phase. Si la fréquence de ligne était de 60,1 Hz, les fréquences équivalentes du produit seraient de 2879,8 Hz et 3120,2 Hz. Lorsqu'un instrument d'analyse harmonique est connecté à un tel système, il les indiquera probablement comme les 48e et 52e harmoniques, s'il a la bande passante standard de 5 Hz, ou cela peut indiquer une incapacité à synchroniser les données.

Si la fréquence de découpage avait été de 4 kHz alors les principales fréquences présentes seraient 3880 Hz et 4120 Hz qui ne sont pas des fréquences harmoniques. Ils seraient indiqués comme « interharmoniques » par un analyseur doté d'une fonction interharmonique, ou ils pourraient être ignorés par un analyseur d'harmoniques de base avec une bande passante normale de 5 Hz.

Les harmoniques et interharmoniques discutés ci-dessus sont tous des ensembles triphasés avec une séquence de phase positive ou négative. Cela signifie que contrairement aux tensions de « bruit » en mode commun à haute fréquence, elles passent par des transformateurs et peuvent provoquer des interférences au-delà d'un transformateur d'alimentation du site. Le filtre de fréquence de découpage est nécessaire pour réduire leurs amplitudes à des valeurs acceptables.

Interaction avec la source/puits d'alimentation CC - contrôle de la tension

Lorsqu'un système de régénération est connecté à une source ou à une charge CC, il faut penser au contrôle de la tension CC. Dans un système d'entraînement à régénération, l'entraînement de la machine devient effectivement une source d'alimentation constante et l'onduleur de régénération ajuste son exportation de puissance pour équilibrer la puissance entrante à la tension CC souhaitée. D'autres systèmes peuvent avoir des caractéristiques assez différentes. Par exemple, dans un onduleur photovoltaïque, la tension et le courant continus sont contrôlés par la courbe tension/courant du générateur photovoltaïque pour l'ensoleillement et la température donnés. L'onduleur ne "sait" pas naturellement quelle tension choisir, la référence de tension continue de l'onduleur de régénération doit donc être adaptée par l'algorithme MPPT pour trouver le point de puissance optimal.

Tension de mode commun d'alimentation CC

L'alimentation CC dans un système de régénération a une tension de mode commun inhabituelle, c'est-à-dire la tension moyenne entre ses pôles et la terre. Une analyse complète de la forme d'onde de tension est assez complexe, mais en se référant au schéma simplifié de la figure 1 du premier blog, vous pouvez en déduire que lorsque l'une des paires de transistors inverseurs d'entrée change d'état, la tendance est à la tension du circuit de bus CC. changer d'un pas égal à V_DC, par rapport à la masse. En fait le pas est limité par la division de tension autour de la self d'entrée à 1/3 V_DC. Cette étape se produit chaque fois qu'une phase commute, c'est-à-dire six fois dans chaque cycle de commutation PWM.

Cela signifie que lorsque l'alimentation CA est une alimentation secteur BT conventionnelle avec neutre connecté à la terre, le bus CC transporte une tension de mode commun élevée qui est un modèle PWM complexe avec des fronts à montée rapide, contenant un large spectre de fréquences. Certains des effets de ceci sont donnés dans la liste suivante :

1. Aucun des variateurs connectés au bus CC, ni l'onduleur Regen lui-même, ne doit avoir de condensateurs de filtrage CEM internes en place, car ces condensateurs pourraient être surchargés par la tension de mode commun et provoqueraient des courants de terre circulants élevés résultant en cas de dysfonctionnement de l'onduleur.
2. Aucun filtre RFI ne doit être connecté au bus DC, pour la même raison qu'en 1.
3. Le bus CC est "bruyant", donc s'il est distribué via des conducteurs non blindés, il peut provoquer des interférences avec les circuits de signaux à proximité. Si l'alimentation CC doit être distribuée sur des distances importantes, elle doit être dans des câbles blindés. Cependant, si les câbles sont longs, le courant de terre haute fréquence dans leur capacité parasite entraînera une perte de puissance supplémentaire dans les selfs de régénération.
4. Aucun autre équipement ne peut être connecté au bus DC à moins qu'il n'ait été confirmé qu'il peut tolérer la tension de mode commun. (Par exemple, un équipement conçu pour fonctionner à partir d'une alimentation CC est susceptible d'avoir son propre filtre RFI, qui ne peut pas tolérer la tension de mode commun. Cependant, la plupart des transducteurs de courant et de tension sont conçus pour tolérer la tension de mode commun.)

Pour les applications spéciales où ces effets sont inacceptables, une solution consiste à utiliser un transformateur d'isolement à l'entrée afin que l'alimentation CA soit isolée de la terre. Il est alors possible de fonctionner avec un pôle du bus continu relié directement à la masse, il n'y a donc pas de tension de mode commun. Ou il peut être connecté via des condensateurs à la terre ou à un filtre RFI selon les besoins, pour réduire le bruit de mode commun haute fréquence qui est le plus susceptible de provoquer des interférences. Ceci est utilisé par exemple dans les onduleurs photovoltaïques et dans les systèmes où l'alimentation CC doit être distribuée à plusieurs charges.

Filtres, Impédance d'alimentation, Contrôle de courant

Le filtre de fréquence de commutation a été discuté ci-dessus en relation avec la prévention des interférences avec d'autres équipements connectés au même circuit d'alimentation. Le filtre doit également être considéré en termes d'effet sur le système de contrôle de l'onduleur.

Dans un onduleur de 3 kHz, la fréquence de rotation du filtre est d'environ 800 Hz, de sorte qu'il donne une atténuation utile à 2900 Hz. Le chiffre d'affaires est quelque peu affecté par l'impédance d'alimentation, qui est une inconnue pour ces fréquences inhabituelles. Cela signifie que le gain de la boucle de courant dans l'onduleur ne doit pas être réglé trop haut sinon la stabilité autour de 800 Hz devient marginale et le système devient sensible aux perturbations et susceptible de dysfonctionnement. Pour la majorité des applications d'entraînement conventionnelles, c'est-à-dire lorsque le système de régénération est l'une des nombreuses charges d'un réseau de distribution industriel BT, l'amortissement naturel est suffisant pour qu'aucune exigence particulière ne se pose. Les valeurs par défaut sont généralement efficaces.

Lorsqu'un ou plusieurs systèmes de régénération sont alimentés à partir d'une alimentation dédiée, avec peu d'autre connexion, il est possible que les boucles de courant soient sous-amorties. Cela peut être identifié facilement à l'aide d'un oscilloscope pour visualiser les formes d'onde du courant de ligne, car des rafales d'oscillation ("sonnerie") se produisent avec une période d'environ 800 Hz, souvent à 6 points dans chaque cycle du secteur. Dans cette situation, la stabilité peut être récupérée en réduisant le terme P dans les boucles de contrôle de courant. Il peut également être nécessaire de réduire les gains de la boucle de tension pour éviter une commande de tension sous-amortie causée par la boucle de courant plus lente. Si l'application est très dynamique de sorte que ces gains inférieurs ne sont pas acceptables, alors une méthode alternative pour améliorer l'amortissement est nécessaire. Il y a deux options :

1. Ajoutez d'autres condensateurs de filtrage. Cela ramène la fréquence de rotation du filtre à une valeur où les boucles de contrôle de courant ont moins de retard de phase et peuvent contribuer à l'amortissement actif.
2. Utilisez un filtre amorti. Cela utilise des condensateurs supplémentaires et de petites résistances pour fournir un amortissement. De plus amples informations sont disponibles auprès du support technique de CT.

Les deux options ont été utilisées efficacement. L'inconvénient de l'option 1. est que plusieurs condensateurs peuvent être nécessaires, occupant de l'espace et provoquant également un courant réactif permanent élevé qui pourrait alors devoir être compensé par la fonction de contrôle du courant réactif de l'onduleur. L'inconvénient de l'option 2. est que les résistances provoquent une perte de puissance permanente et qu'elles doivent également être protégées contre les surcharges en cas d'harmoniques anormales dans l'alimentation, ce qui rend l'option plutôt complexe.