Freinage dynamique et résistance de freinage sur le variateur de fréquence

Un variateur de fréquence transfère l'énergie au moteur lorsqu'il l'accélère ; mais où va cette énergie lorsque vous souhaitez ralentir rapidement le moteur ? C'est là que le freinage dynamique et la résistance de freinage entrent en jeu. Lorsque la charge ralentit, le moteur se comporte un instant comme un générateur et renvoie l'énergie qu'il produit vers le bus continu du variateur. Si cette énergie est laissée sans contrôle, la tension du bus s'élève à des niveaux dangereux et le variateur se met en défaut. En entraînant les moteurs asynchrones AC DRG avec un variateur, mettre correctement en place le freinage dynamique est la clé de la sécurité comme de la performance, en particulier dans les applications de ponts roulants, de centrifugeuses et à forte inertie. Dans cet article, nous examinons d'où vient cette énergie, comment fonctionne la résistance de freinage et comment effectuer un bon dimensionnement.

Que se passe-t-il pendant le freinage ?

Lorsqu'un moteur est ralenti, l'énergie cinétique de la masse en rotation doit être dissipée quelque part. Lorsque le variateur abaisse la fréquence du moteur, le rotor se met à tourner plus vite que le champ magnétique et le moteur passe en mode générateur. Dans ce mode, l'énergie mécanique se transforme en énergie électrique et circule vers le variateur.

L'origine de l'énergie cinétique

La quantité d'énergie renvoyée pendant le ralentissement dépend de l'inertie de la masse en rotation et de la variation de vitesse. Les charges à forte inertie, comme un grand volant d'inertie, un tambour lourd ou une centrifugeuse à vitesse élevée, libèrent une quantité d'énergie très importante à l'arrêt. Comme cette énergie est libérée en quelques secondes, la puissance instantanée peut être très élevée.

Pourquoi la tension du bus continu s'élève-t-elle ?

À l'intérieur du variateur, après le redresseur, se trouvent un bus continu et un groupe de condensateurs où l'énergie est stockée. Lorsque le moteur passe en mode générateur, l'énergie circule vers ce bus et élève la tension en chargeant les condensateurs. La capacité des condensateurs étant limitée, si l'énergie renvoyée n'est pas absorbée rapidement, la tension du bus dépasse la limite de conception.

Défaut de surtension (overvoltage)

Lorsque la tension du bus continu dépasse un certain seuil, le variateur se met en défaut de surtension pour se protéger et coupe sa sortie. Cette situation provoque des arrêts brusques sur la ligne de production, des pertes de position et des perturbations d'exploitation. L'objectif fondamental du freinage dynamique est de prévenir ce défaut de surtension.

Qu'est-ce que le freinage dynamique ?

Le freinage dynamique est la méthode consistant à dissiper l'énergie excédentaire produite par le moteur en la convertissant en chaleur dans une résistance. Une résistance de freinage raccordée au variateur entre en service lorsque la tension du bus s'élève et maintient cette tension dans une plage sûre en absorbant l'énergie. Le moteur peut ainsi être arrêté aussi rapidement qu'on le souhaite.

Résistance de freinage et hacheur

La résistance de freinage ne fonctionne pas seule ; un interrupteur à semi-conducteur (hacheur de freinage ou transistor de freinage) la commande. Ce hacheur surveille en permanence la tension du bus continu ; lorsque la tension dépasse le seuil, il raccorde la résistance au bus, et lorsque la tension baisse, il l'en sépare. Cette ouverture-fermeture rapide maintient la tension du bus dans une bande étroite et assure un freinage contrôlé.

Où va l'énergie ?

Dans le freinage dynamique, l'énergie renvoyée n'est pas récupérée ; elle est dissipée dans l'atmosphère sous forme de chaleur. C'est une solution simple et fiable, mais qui ne réutilise pas l'énergie. Si les arrêts sont très fréquents et la quantité d'énergie importante, on prévoit un refroidissement et une capacité de résistance suffisants pour évacuer cette chaleur.

La différence avec le freinage régénératif

Alors que dans le freinage dynamique l'énergie est dissipée sous forme de chaleur, dans le freinage régénératif elle est renvoyée vers le réseau. L'objectif des deux méthodes est le même : arrêter le moteur de façon contrôlée et maintenir la tension du bus en sécurité. Mais la gestion de l'énergie est totalement différente. La méthode appropriée dépend de la fréquence de freinage et de la quantité d'énergie de l'application. Pour approfondir le sujet, nous recommandons notre article freinage régénératif et récupération d'énergie.

Quand le freinage dynamique, quand le régénératif ?

Si le freinage est peu fréquent et l'énergie renvoyée faible, le freinage dynamique est plus économique et plus simple. Si le freinage se répète très souvent et qu'une grande quantité d'énergie est renvoyée, dissiper cette énergie sous forme de chaleur est à la fois du gaspillage et contraignant du point de vue du refroidissement ; dans ce cas, la solution régénérative s'impose. La bonne décision se prend par un calcul de l'énergie et du coût annuels totaux.

La relation avec le frein mécanique

Le freinage dynamique est un freinage électrique et il est efficace tant que le moteur tourne ; mais il ne peut pas maintenir la charge lorsque le moteur est complètement arrêté. Sur les charges suspendues ou lors des arrêts nécessitant une sécurité, un frein mécanique est nécessaire. Les deux types de freinage se complètent. Pour les cas où un frein mécanique est nécessaire, vous pouvez consulter notre article la nécessité du moteur électrique frein.

Freinage continu et descente de charge

Dans certaines applications, le freinage n'est pas ponctuel mais continu. Par exemple, si un convoyeur à bande transporte du matériau en descendant une pente, la charge cherche en permanence à pousser le moteur vers l'avant et le moteur produit un couple de freinage sans interruption. Dans ce cas, la résistance de freinage ne dissipe pas une pointe de courte durée mais une puissance continue ; la résistance est donc choisie selon sa capacité de puissance continue. Les applications à freinage continu rendent le plus souvent la solution régénérative plus économique que le freinage dynamique.

Ascenseurs et charges équilibrées

Dans les systèmes à contrepoids comme les ascenseurs, le moteur entraîne parfois, freine parfois, selon le sens de la charge. Lorsque la cabine monte à vide, le contrepoids force le moteur à freiner ; à cet instant, l'énergie renvoyée doit être gérée. Dans ce type de systèmes, le sens de l'énergie de freinage changeant en permanence, les solutions dynamiques comme régénératives s'évaluent avec attention.

Applications de ponts roulants et de levage

Dans les applications de levage, la gravité produit de l'énergie en continu lorsque la charge est descendue ; cette énergie reflue vers le variateur et, sans freinage dynamique, la tension du bus s'élève rapidement. Sur les ponts roulants, la résistance de freinage est pour cette raison le plus souvent obligatoire. Il existe en outre un frein mécanique pour retenir la charge en sécurité en cas d'urgence. Pour des précisions sur les moteurs de levage, notre article moteur électrique de pont roulant et de levage est utile.

Centrifugeuses et forte inertie

Les centrifugeuses, les grands ventilateurs et les systèmes à volant d'inertie sont les charges les plus difficiles à arrêter en raison de leur forte inertie. En ralentissant, ces systèmes renvoient longuement vers le variateur l'énergie cinétique qu'ils ont accumulée. Une résistance de freinage correctement dimensionnée dissipe cette énergie en toute sécurité et rend possible un arrêt dans la durée souhaitée.

La logique du dimensionnement de la résistance de freinage

Le choix d'une résistance de freinage repose sur deux valeurs fondamentales : la valeur ohmique de la résistance et la puissance qu'elle peut dissiper. La valeur ohmique détermine le courant de freinage maximal autorisé par le hacheur ; une résistance trop faible sollicite excessivement le hacheur, tandis qu'une résistance trop élevée n'assure pas un freinage suffisant. La valeur de puissance est quant à elle choisie pour couvrir la puissance moyenne et la puissance de crête dégagées pendant le freinage.

Calculer l'énergie de freinage

L'énergie dégagée lors d'un freinage dépend du moment d'inertie du système en rotation et de la différence entre les carrés des vitesses initiale et finale. Plus la vitesse est élevée et plus la masse est lourde, plus l'énergie dégagée est importante. En divisant cette énergie par la durée de freinage, on obtient la puissance de freinage moyenne. Pour que le dimensionnement soit fiable, ce calcul doit être effectué avec les valeurs réelles de charge et de vitesse ; un choix fait sur des hypothèses est le plus souvent soit insuffisant, soit surdimensionné.

Valeur de la résistance et compatibilité avec le hacheur

La valeur ohmique de la résistance choisie doit être compatible avec le courant que le hacheur de freinage du variateur peut supporter. Une résistance trop faible fait passer le courant dans le transistor du hacheur au-delà de la limite, le sollicite excessivement et peut provoquer une panne. C'est pourquoi, pour chaque variateur, le fabricant indique la valeur de résistance minimale utilisable. Lors du dimensionnement, cette limite inférieure doit impérativement être respectée et la valeur de la résistance ne doit pas être abaissée pour augmenter la capacité de puissance.

Puissance de crête et puissance moyenne

Au moment du freinage, la résistance est soumise à une puissance de crête très élevée, mais cette puissance ne dure que quelques secondes. La résistance doit être suffisamment robuste pour supporter cette brève puissance de crête et, en même temps, avoir la capacité de dissiper durablement et en sécurité la puissance moyenne générée par les freinages répétés. Si ces deux valeurs ne sont pas évaluées ensemble, la résistance se révèle soit insuffisante, soit inutilement surdimensionnée.

L'effet du rapport de service (duty cycle)

L'échauffement de la résistance dépend du rapport entre la durée de freinage et la durée totale du cycle. Un système qui freine brièvement une fois par minute et un système qui freine des dizaines de fois par minute ne peuvent pas utiliser la même résistance. Une fréquence de freinage élevée exige une résistance de plus grande capacité de puissance. C'est pourquoi le profil de cycle de l'application est impérativement pris en compte lors du dimensionnement.

Le refroidissement de la résistance

Comme la résistance de freinage convertit l'énergie en chaleur, elle chauffe fortement. On assure une circulation d'air suffisante autour de la résistance, on la tient éloignée des matériaux inflammables et, si nécessaire, on applique un refroidissement forcé. Si elle doit être placée dans une armoire, la charge thermique de l'armoire est prise en compte. Un refroidissement insuffisant raccourcit la durée de vie de la résistance et crée un risque de sécurité.

Protection thermique et sécurité

Un système de résistance de freinage bien conçu comporte une protection thermique contre la surchauffe. Un thermocontact ou un capteur placé sur la résistance alerte ou arrête le système lorsque la température atteint un niveau dangereux. Cette protection empêche la résistance de rester continuellement en service et de surchauffer en cas de panne du hacheur.

Les réglages du côté variateur

Pour que le freinage dynamique fonctionne correctement, la tension de seuil du hacheur de freinage, l'activation du freinage et les paramètres de protection de la résistance sont correctement réglés dans le variateur. Une valeur de seuil erronée conduit soit à un freinage inutile, soit à un défaut de protection. Pour appréhender dans son ensemble la gestion de l'énergie du variateur, notre article économie d'énergie avec un variateur de fréquence offre une bonne base.

L'effet du mode de contrôle

Le fonctionnement du variateur en mode V/f ou en mode contrôle vectoriel influe également sur le comportement de freinage. Le contrôle vectoriel peut assurer un couple de freinage élevé et stable même à basse vitesse ; ce qui est un avantage dans les applications exigeant un arrêt contrôlé. Pour voir la différence entre les modes de contrôle, vous pouvez consulter notre article différence entre le contrôle V/f et le contrôle vectoriel sur le variateur.

Comparaison avec le freinage par injection de courant continu

Certains variateurs utilisent la méthode d'injection de courant continu, qui freine en envoyant un courant continu au moteur. Cette méthode ne nécessite pas de résistance de freinage, mais comme elle convertit l'énergie en chaleur à l'intérieur du moteur, elle échauffe le moteur et n'assure qu'un freinage limité. Dans les applications à forte inertie et exigeant un arrêt rapide, l'injection de courant continu se révèle insuffisante ; on préfère alors la résistance de freinage.

Câblage et distance

Les câbles entre la résistance de freinage et le variateur, transportant des impulsions de courant élevé, sont courts, de section appropriée et posés proprement. Des câbles longs ou de faible section provoquent une chute de tension et des perturbations électromagnétiques. Respectez la longueur de câble maximale recommandée par le fabricant ; la performance comme la sécurité en dépendent.

Couple de freinage et limite du moteur

Aussi efficace que soit le freinage dynamique, le couple de freinage est limité par les limites du moteur et du variateur. Une rampe de ralentissement trop agressive demande plus de couple de freinage que le moteur ne peut en produire et le variateur peut se mettre en défaut. La bonne approche consiste à régler la durée d'arrêt souhaitée de façon à rester dans la plage de couple sûre du moteur. Comprendre la relation entre puissance, couple et vitesse facilite ce réglage ; pour les détails, vous pouvez consulter notre article relation entre puissance, couple et vitesse du moteur.

Le réglage de la rampe de ralentissement

La durée de ralentissement définie dans le variateur (rampe de décélération) détermine la rapidité avec laquelle l'énergie renvoyée est dégagée. Une rampe courte exige une puissance de crête élevée et une grande résistance ; une rampe longue permet en revanche de travailler avec une résistance plus petite mais allonge la durée d'arrêt. C'est à ce stade qu'un équilibre s'établit entre la durée d'arrêt exigée par l'application et le coût de la résistance. Le plus souvent, allonger la rampe de quelques secondes permet d'utiliser une résistance de freinage bien plus petite.

Moteurs multiples et bus commun

Dans les systèmes où plusieurs variateurs sont alimentés par un bus continu commun, l'énergie produite par un moteur qui freine peut être utilisée par le variateur qui entraîne un autre moteur. Cette architecture revalorise l'énergie au sein du système au lieu de la dissiper entièrement sous forme de chaleur et réduit le besoin de résistance de freinage. Si le bilan énergétique total est néanmoins négatif, c'est-à-dire si le freinage est prédominant sur l'ensemble du système, une résistance de freinage ou une unité régénérative est ajoutée au bus commun.

L'effet de la chaleur sur l'environnement de travail

La chaleur dégagée par la résistance de freinage peut élever la température ambiante dans un local fermé et affecter les équipements alentour. Cette charge thermique ne doit pas être négligée, en particulier sur les systèmes qui freinent fréquemment. Placer la résistance dans une zone bien ventilée ou la positionner de manière à évacuer la chaleur vers l'extérieur est déterminant pour la durée de vie de la résistance comme des équipements alentour.

Erreurs fréquentes

Choisir la résistance uniquement d'après sa valeur ohmique en négligeant la capacité de puissance, ne pas prévoir le refroidissement, ne pas raccorder la protection thermique et ne pas prendre en compte la fréquence de cycle sont les erreurs les plus courantes. Par ailleurs, s'obstiner à utiliser le freinage dynamique dans une application qui exige un freinage régénératif conduit à la fois à un gaspillage d'énergie et à un problème de surchauffe.

Extérieur et environnements poussiéreux

Si la résistance de freinage doit être utilisée à l'extérieur ou dans un environnement poussiéreux ou humide, elle est placée dans une enveloppe possédant un indice de protection approprié. Une résistance laissée à découvert est affectée par la pluie, la poussière et les chocs mécaniques ; ce qui crée un risque pour la sécurité comme pour la durée de vie. Lors du choix de l'enveloppe, on veille à ne pas empêcher l'évacuation de la chaleur et, si nécessaire, on privilégie une conception protégée mais ventilée.

Maintenance et contrôle

Le système de résistance de freinage est contrôlé régulièrement. Un changement de couleur ou une trace de brûlure sur la résistance est le signe d'une surcharge continue. Le bon fonctionnement du hacheur, le serrage des raccordements et le dégagement des voies de refroidissement sont vérifiés périodiquement. Ces contrôles simples permettent d'éviter les arrêts imprévus.

Des solutions de freinage sûres avec DRG Motor

Le freinage dynamique, avec une résistance de freinage correctement dimensionnée et un variateur bien réglé, est le moyen le plus répandu d'arrêter un moteur de façon sûre et contrôlée. Les moteurs asynchrones AC DRG sont fabriqués de manière compatible avec l'entraînement par variateur et les applications de freinage dynamique. Pour mettre en place la bonne solution de freinage dans une application de pont roulant, de centrifugeuse ou à forte inertie, examinez nos produits moteur électrique DRG ; déterminons ensemble le moteur et l'architecture de freinage les mieux adaptés à votre application.