Variateurs régénératifs expliqués : principes clés et considérations réglementaires – Partie 2

Faisant suite à notre article précédent qui donnait un aperçu rapide du fonctionnement des variateurs régénératifs, ici nous examinons certains facteurs spéciaux qui doivent être considérés avec le fonctionnement régénératif.

L'effet sur le réseau d'énergie (réseau CA)

Réglementations

Ce sont les réglementations imposées par les compagnies d'énergie pour s'assurer que la production embarquée ne perturbe pas la sécurité ou la fiabilité de l'alimentation électrique. Le reste de cette section couvre les sujets les plus importants contrôlés par les réglementations. Si le système régénératif doit être utilisé comme générateur intentionnel, alors il devra se conformer aux réglementations en vigueur au lieu d'utilisation. Sinon, les sujets couverts devraient quand même être considérés chaque fois que le courant assigné du système régénératif est une partie considérable de l'assignation du système d'énergie local, pour s'assurer qu'en cas de défaut ou 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 pourrait affecter la sécurité ou l'assignation requise des appareils de commutation. Dans toute installation de générateur proposée, le courant de défaut ajouté doit être calculé. Cependant, l'onduleur régénératif a un impact négligeable, parce que la protection électronique de surintensité interrompt le courant excessif beaucoup plus rapidement qu'un disjoncteur ou fusible ne peut agir. Le courant de court-circuit de crête pour la génération actuelle d'onduleurs CT est de 260 % du courant assigné, et une fois que l'onduleur déclenche, le courant décroît à zéro en moins de 4 ms (selon la valeur de la self CA). Le courant de crête pour l'assignation de protection est pris sur au moins un demi-cycle de la fréquence d'alimentation. Ces facteurs ensemble rendent la contribution au courant de défaut négligeable.

Fonctionnement en îlot

Si le réseau d'énergie devient déconnecté d'une installation où un générateur fonctionne, alors il y a une possibilité qu'un « îlot » d'énergie puisse se produire où la génération locale maintient involontairement les charges locales énergisées. Ce n'est pas très probable, car sans un régulateur conçu pour réguler la fréquence, il n'y a rien pour assurer que l'offre et la demande sont équilibrées. Normalement, la fréquence sort rapidement de la plage de fonctionnement et le système déclenche. Aussi, il n'y a pas de contrôle de tension ou de puissance réactive. Cependant, si un îlot se produisait, il y aurait un risque de sécurité pour les travailleurs de l'énergie, et un risque de dommage aux équipements locaux dans l'îlot si la tension ou la fréquence sortait de leur plage sûre.

Si un système régénératif a une source d'énergie (ex. moteur, batterie ou autre stockage d'énergie) pour que le fonctionnement en îlot soit possible, alors une protection devrait être fournie contre un îlot dommageable. La plage de fréquence du variateur régénératif devrait être restreinte dans les réglages de paramètres à une plage sûre, et un relais de surtension devrait être incorporé pour déclencher l'onduleur si la tension devient excessive.

Pour les générateurs intentionnels, il y a des normes pour la protection contre l'îlotage (parfois appelée protection « Loss of Mains » (LOM). Certaines de ces normes exigent que l'onduleur opère un algorithme spécial pour détecter la condition d'îlot, qui est disponible comme fonction standard dans le variateur Unidrive M. Certaines exigent un relais de protection indépendant approuvé.

Îlot intentionnel, génération de secours

Veuillez noter que l'onduleur régénératif 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'en conjonction avec une alimentation existante à laquelle il se synchronise lui-même.

Traversée (Ridethrough)

Les générateurs intentionnels peuvent être requis de continuer en fonctionnement pendant une perturbation du réseau d'énergie. La situation la plus courante est où un défaut (court-circuit) se produit quelque part dans le réseau d'énergie ce qui résulte en une baisse de tension soudaine aux bornes du générateur. Cela peut être équilibré ou déséquilibré entre les trois phases. Pendant la traversée, il pourrait ne pas être possible de continuer à générer la puissance assignée si la tension est trop basse, mais du courant réactif est requis pour soutenir la tension et aider le réseau à récupérer le contrôle une fois que le circuit défectueux a été déconnecté par les 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 tension secteur et celle générée à l'intérieur de l'onduleur. À moins qu'il n'ait une capacité de traversée, il est plus enclin à causer des déclencheurs intempestifs qu'un redresseur simple. L'Unidrive M a une capacité de traversée sélectionnable qui rencontre les exigences des normes nationales majeures telles que les directives BDEW pour générateurs connectés aux réseaux HTA.

Il est important d'apprécier que dans le fonctionnement régénératif normal, l'onduleur régénératif ajuste sa puissance de sortie vers le système d'énergie CA pour réguler la tension du bus continu à la valeur désirée. Pendant une perturbation de tension, il ne peut plus générer sa puissance assignée complète, donc il peut être incapable de continuer à réguler la tension continue. La source d'énergie doit alors prendre ce rôle. Si elle ne le fait pas, il peut y avoir un déclenchement de surtension si la puissance entrante dépasse la sortante. Alternativement, une résistance de freinage peut être connectée pour absorber l'excès de puissance.

Régulation de puissance et fréquence

L'équilibre de l'offre et de la demande dans le réseau d'énergie CA est atteint en régulant la fréquence. Un générateur intentionnel peut être requis d'aider à cela en répondant à des commandes de puissance externes, ou d'implémenter une fonction de contrôle de puissance contre fréquence. Cela peut être programmé comme une application dans le variateur.

Harmoniques et interharmoniques

Comme discuté dans le premier blog régénératif, l'onduleur régénératif génère des niveaux négligeables de vrai courant harmonique, c'est-à-dire aux multiples entiers de la fréquence d'alimentation CA. Il interagit avec les harmoniques existants sur l'alimentation, et aussi il génère des produits de modulation MLI (PWM). Ceux-ci sont à des hautes fréquences qui pendant de nombreuses années étaient considérées comme au-delà de la gamme des harmoniques, qui étaient généralement considérées comme se terminant à l'ordre 40. Cependant, des normes techniques et instruments plus récents ont commencé à considérer les harmoniques jusqu'à l'ordre 100.

Par exemple, prenez 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 quantités commensurables, ou en d'autres termes, elles ne sont pas verrouillées en phase. Si la fréquence de ligne était 60,1 Hz, alors les fréquences de produit équivalentes seraient 2879,8 Hz et 3120,2 Hz. Quand un instrument d'analyse harmonique est connecté dans un tel système, il indiquera probablement ces fréquences comme les 48^e et 52^e harmoniques, s'il a la bande passante standard de 5 Hz, ou il pourrait indiquer une incapacité à synchroniser les données.

Si la fréquence de commutation avait été 4 kHz, alors les principales fréquences présentes seraient 3880 Hz et 4120 Hz qui ne sont pas des fréquences harmoniques. Elles seraient indiquées comme « interharmoniques » par un analyseur avec facility interharmonique, ou elles pourraient être ignorées par un analyseur harmonique de base avec une bande passante normale de 5 Hz.

Les harmoniques et interharmoniques discutés ci-dessus sont tous des ensembles triphasés avec soit une séquence de phase positive ou négative. Cela signifie qu'à la différence des tensions de « bruit » de mode commun à haute fréquence, ils sont passés à travers les transformateurs et peuvent causer des interférences au-delà d'un transformateur d'alimentation de site. Le filtre de fréquence de commutation est nécessaire pour réduire leurs magnitudes à des valeurs acceptables.

Interaction avec la source/puits d'énergie CC – contrôle de tension

Quand un système régénératif est connecté à une source ou charge CC, il faut penser au contrôle de la tension CC. Dans un système d'entraînement régénérant, le variateur de machine devient effectivement une source de puissance constante, et l'onduleur régénératif ajuste son exportation de puissance pour équilibrer la puissance entrante à la tension CC désirée. D'autres systèmes peuvent avoir des caractéristiques très différentes. Par exemple, dans un onduleur photovoltaïque, la tension et le courant CC sont contrôlés par la courbe tension/courant du panneau PV pour l'ensoleillement et la température donnés. L'onduleur ne « sait » pas naturellement quelle tension choisir, donc la référence de tension CC de l'onduleur régénératif doit être adaptée par l'algorithme MPPT pour trouver le point de puissance optimum.

Tension de mode commun du bus CC

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

Cela signifie que quand l'alimentation CA est une alimentation BT conventionnelle avec neutre connecté à la terre, le bus CC transporte une haute tension de mode commun qui est un motif MLI complexe avec des fronts rapides, contenant un large spectre de fréquences. Certains des effets de cela sont donnés dans la liste suivante :

1. Aucun des variateurs connectés au bus CC, ni l'onduleur régénératif lui-même, ne doit avoir les condensateurs de filtre CEM internes en place, car ces condensateurs pourraient être surchargés par la tension de mode commun, et causeraient des courants de terre circulants élevés résultant en dysfonctionnement de l'onduleur.
2. Aucun filtre CEM ne doit être connecté au bus CC, pour la même raison qu'en 1.
3. Le bus CC est « bruyant », donc s'il est distribué à travers des conducteurs non blindés, il peut causer des interférences aux circuits de signal proches. Si l'énergie CC doit être distribuée sur des distances significatives, elle doit être dans des câbles blindés. Cependant, si les câbles sont longs, le courant de terre à haute fréquence dans leur capacitance parasite causera une perte de puissance additionnelle dans les selfs régénératives.
4. Aucun autre équipement ne peut être connecté au bus CC à moins qu'il n'ait été confirmé qu'il peut tolérer la tension de mode commun. (Par exemple, l'équipement conçu pour fonctionner d'une alimentation CC a probablement son propre filtre CEM, qui ne pourrait pas tolérer la tension de mode commun. La plupart des transducteurs de courant et tension cependant sont conçus pour tolérer la tension de mode commun.)

Pour des applications spéciales où ces effets sont inacceptables, une solution est d'utiliser un transformateur d'isolement à l'entrée pour que l'alimentation CA soit isolée de la terre. Il est alors possible de fonctionner avec un pôle du bus CC connecté directement à la terre, donc il n'y a pas de tension de mode commun. Ou il peut être connecté à travers des condensateurs à la terre ou un filtre CEM comme requis, pour réduire le bruit de mode commun à haute fréquence qui est le plus susceptible de causer des interférences. Cela est utilisé par exemple dans les onduleurs photovoltaïques, et dans les systèmes où l'énergie 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 l'évitement d'interférences aux autres équipements connectés au même circuit d'alimentation. Le filtre doit aussi être considéré en termes de son effet sur le système de contrôle de l'onduleur.

Dans un onduleur 3 kHz, la fréquence de turnover du filtre est d'environ 800 Hz, de sorte qu'il donne une atténuation utile à 2900 Hz. Le turnover 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 sujet à dysfonctionnement. Pour la majorité des applications d'entraînement conventionnelles, c'est-à-dire où le système régénératif est l'une de nombreuses charges dans un réseau de distribution BT industriel, il y a un amortissement naturel suffisant pour qu'aucune exigence spéciale ne se pose. Les valeurs par défaut sont généralement efficaces.

Quand un ou plusieurs systèmes régénératifs sont alimentés depuis une alimentation dédiée, avec peu d'autre chose connecté, il est possible que les boucles de courant soient sous-amorties. Cela peut être identifié facilement en utilisant un oscilloscope pour visualiser les formes d'onde de courant de ligne, car des bursts d'oscillation (« ringing ») se produisent avec une période d'environ 800 Hz, souvent à 6 points dans chaque cycle secteur. Dans cette situation, la stabilité peut être récupérée en réduisant le terme P dans les boucles de contrôle de courant. Il pourrait aussi être nécessaire de réduire les gains de boucle de tension pour éviter un contrôle de tension sous-amorti causé par la boucle de courant plus lente. Si l'application est hautement dynamique pour que ces gains plus bas ne soient pas acceptables, alors une méthode alternative pour améliorer l'amortissement est requise. Il y a deux options :

1. Ajouter des condensateurs de filtre supplémentaires. Cela abaisse la fréquence de turnover du filtre à une valeur où les boucles de contrôle de courant ont moins de déphasage et peuvent contribuer à un amortissement actif.
2. Utiliser un filtre amorti. Cela utilise des condensateurs additionnels et de petites résistances pour fournir l'amortissement. Plus d'informations disponibles auprès du Support Technique CT.

Les deux options ont été utilisées efficacement. L'inconvénient de l'option 1 est que plusieurs condensateurs peuvent être requis, occupant de l'espace et causant aussi un courant réactif permanent élevé qui pourrait alors devoir être compensé par la fonction de contrôle de courant réactif de l'onduleur. L'inconvénient de l'option 2 est que les résistances causent une perte de puissance permanente, et aussi elles doivent être protégées de la surcharge en cas d'harmoniques anormaux dans l'alimentation, rendant l'option plutôt complexe.