Résistance freinage variateur

Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
1/11
Un casse tête en général
Dimensionnement, Réalisation pratique
Ce document a été rédigé suite à plusieurs interrogations y afférent :
Quelle valeur ?, quelle puissance ? , où en trouver ? , ….
Il commence par démystifier cette résistance, en la plaçant dans son contexte, afin d’en comprendre
son rôle. Ce document reste volontairement d’un accès facile pour le lecteur.
Ensuite, il est proposé une méthode de dimensionnement,
C’est à dire d’un choix de valeur ohmique et de puissance cohérente avec le variateur.
Il est mentionné à titre informatif deux exemples de calcul de la puissance à absorber en fonction de
critères mécaniques (encore faut-il les connaître, comme par exemple l’inertie) .et de la périodicité des
besoins (Arrêt par exemple).
Ces calculs ne seront exécutés que dans des cas très particuliers.
-
Enfin, deux cas seront traités à titre d’exemple :
un variateur 230 Volts 2,2 KW à usage personnel sur pour une petite machine.
Un variateur 380 Volts 15 KW à usage professionnel.
Et pour terminer, une façon ultra rapide de définir valeur et puissance d’une résistance de freinage pour
un variateur donné, ou tout (simplement que la valeur que l’on va installer est cohérente avec ce variateur).
==
Mais ne pas oublier que si l’on veut installer une résistance de freinage, il faut s’assurer que les
paramètres de configuration du variateur sont cohérents avec sa présence. (Voir sa notice).
Nota important : Ne pas confondre cette résistance de freinage, solution conventionnelle utilisée en général
sur les variateurs, avec le freinage par injection d’une tension continue, qui nécessite lui aussi une
résistance
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
2/11
Table des matières
1 - RAPPEL DU PRINCIPE DU VARIATEUR ...........................................................3
2 - CIRCUIT DE FREINAGE ..............................................................................................4
3 - COMMENT DIMENSIONNER CETTE RESISTANCE ......................................5
3.1 SA VALEUR MINIMUM .............................................................................................................5
3.2 SA TENSION DE SERVICE ..........................................................................................................5
3.3 SON COURANT MAXIMUM........................................................................................................5
3.4 SA PUISSANCE NOMINALE ( AVEC R MINI ) ...............................................................................5
4 - EXEMPLE DE CALCUL D’UNE PUISSANCE DE FREINAGE ......................6
5 – AUTRE EXEMPLE DE CALCUL DE PUISSANCE DE FREINAGE.............7
6 – APPLICATION A UN PETIT VARIATEUR 230 VOLTS, 2 KW ....................8
6.1 CARACTERISTIQUES DU VARIATEUR ........................................................................................8
6.2 DIMENSIONNEMENT RAPIDE DE LA RESISTANCE (CF $ 3)...........................................................8
7 – APPLICATION A UN VARIATEUR INDUSTRIEL 400 VOLTS, 15 KW ....9
7.1 CARACTERISTIQUES DU VARIATEUR ........................................................................................9
7.2 DIMENSIONNEMENT RAPIDE DE LA RESISTANCE (CF $ 3)...........................................................9
7.4 RESISTANCE EXPERIMENTALE ...................................................................................10
7.3 RESISTANCE INDUSTRIELLE........................................................................................10
8 – UN DIMENSIONNEMENT GENERIQUE ULTRA RAPIDE..........................11
8.1 APPLICATION AU VARIATEUR MONO 230 V DE 2,2 KW..........................................................11
8.2 APPLICATION AU VARIATEUR TRI 400 V DE 15 KW................................................................11
9 - CONCLUSION .................................................................................................................11
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
3/11
1 - RAPPEL DU PRINCIPE DU VARIATEUR
Le secteur d’alimentation est en général le réseau électrique ERDF.
L’alimentation est en général triphasé (facilité de redressement et filtrage en HEXAPHASE, mais réalisable
en monophasé pour de petits puissances, quelques KW maximum).
Principe (voir schémas ci-dessous) :
Après redressement et filtrage, on obtient une tension continue.
Puis un onduleur, avec 3 ponts permet de générer 3 tensions décalées de 120° , ( réseau TRIPHASE).
Il faut piloter les commandes de pont (signaux rectangulaires) :
- d’une part périodiquement (ce qui va déterminer la fréquence de la tension de sortie),
- d’autres parts en largeur (du signal rectangulaire), ce qui va définir la tension de sortie.
Une électronique de commande va générer ces 2 paramètres (fréquence, largeur) de façon à essayer de
maintenir le rapport U/F (tension de sortie / Fréquence) constant.
Cette électronique réagit suivant la « valeur de consigne » de l’opérateur, ce qui permet d’alimenter
directement un moteur et d’obtenir une vitesse variable.
ATTENTION :
La tension de sortie maximum (vitesse nominale du moteur) est celle de l’entrée
Donc, par exemple si l’alim est en 230V monophasé, il faut un moteur en 230V TRIPHASE.
La forme d’onde de sortie n’est pas sinusoïdale, mais elle convient très bien pour un moteur électrique.
La tension de sortie évolue à U/F constant, condition optimum pour alimenter un moteur électrique, cela a
pour conséquence que le moteur va travailler à couple max constant, et donc que sa puissance utile sera
fonction de sa vitesse (puissance moitie à vitesse moitié).
Alimentation
MONO
Ou
TRIPHASEE
Redresseur (les diodes) et
Filtrage (L et C)
ONDULEUR
INCONVENIENT :
Si le moteur peut être entraîné, par exemple un palan, une grue, le moteur peut fonctionner en génératrice
asynchrone , mais comme l’énergie produite ne peut pas être absorbée (car pas de possibilité de réinjecter sur
le réseau), il va s’emballer  DANGER.
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
4/11
2 - CIRCUIT DE FREINAGE
On voit que si le moteur à de l’inertie, et que la baisse de vitesse imposée est plus rapide que sa
baisse naturelle (perte de vitesse par frottement par exemple), il va y avoir problème, car le moteur
va se comporter comme une génératrice asynchrone, et va fournir tension et Très souvent
l’électronique de commande est intégrée de base au variateur.
Par contre la RESISTANCE de FREINAGE est toujours externe.
Lorsque l’on veut arrêter le moteur, le variateur génère une rampe de décélération durant laquelle il réduit
linéairement la fréquence (de 50Hz à 0) en conservant le rapport U/F constant.
L’énergie électrique alors produite par le moteur va au variateur..Et cette énergie ne peut s’échapper, car elle
n’est absorbée par personne, et ne peut pas remonter vers le réseau … d’où une tension et une fréquence
anormale imposée par la machine au variateur. Cette énergie sera redressée par les diodes de « roue libre »
de l’onduleur qui joue alors le rôle de pont redresseur, et l’énergie apparaît sur le réseau DC interne.
Pour remédier à cela, un circuit dit de « de freinage » est intégré à l’électronique, branché sur le réseau DC
interne. Un commutateur de puissance, commandé lors de la rampe de décélération va lors permettre
d’écouler cette énergie sur une résistante externe : La résistance de freinage ».
Résistance
de freinage
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
5/11
3 - COMMENT DIMENSIONNER CETTE RESISTANCE
3.1 Sa valeur minimum
Elle est toujours donnée par le constructeur du variateur, car elle correspond à la valeur maxi du courant
supporté par le variateur (commutateur statique de cette résistance, diodes de roue-libre, ..)
Ne JAMAIS ALLER AU-DESSOUS.
3.2 Sa tension de service
Cette résistance étant raccordée au réseau DC issu du secteur d’alimentation, on aura ;
- pour du 230 V monophasé ou triphasé: U = 230 x Racine2
- pour du 400 volts triphasé : U = 400 x Racine 2
( Il a été assimilé la tension continue à la tension crête du fait de la présence d’une forte capacité.
En fait, la tension efficace DC est légèrement inférieure 1,35 au lieu de 1,414 , donc un léger
dimensionnement par excès, mais tout à fait admissible pour un dimensionnement.
Donc, elle devra supporter cette tension (en instantané) entre ses bornes, et par rapport à sa masse.
3.3 Son courant maximum
Il se déduit directement des deux caractéristiques précédentes.
I = U/R
Une autre façon d’approcher ce courant est de considérer que le variateur a été conçu de façon équilibrée
pour usage générique, et ce courant doit être assez voisin du courant maxi de sortie donné par le
constructeur.
Ce courant permet d’apprécier également la section des fils à utiliser pour le raccordement de la résistance au
variateur.
3.4 Sa puissance nominale (avec R mini)
C’est le terme le plus difficile à calculer, bien que l’on puisse déterminer l’énergie à évacuer, soit en fonction
de la vitesse, de l’inertie de la machine, et du nombre d’arrêts par heure, dans le cas d’un simple moteur à
inertie, soit en y rajoutant un couple moteur (cas d’une grue par exemple si la charge peut entraîner le
moteur …).
A titre d’exemple en $4, une méthode de calcul extraite de la documentation d’un variateur industrie.
¨Personnellement, dans le cas d’un moteur de machine outil, avec au maximum un arrêt toute les minutes,
j’opère de la sorte :
a) Supposons qu’il faille arrêter une machine d’inertie excessivement grande (infinie..), donc de toutes
façons avec un temps d’arrêt très grand. 1 heure par exemple …
La résistance va recevoir la TENSION MAXIMUM produite par la génératrice asynchrone, et sous le
courant maximum. d’où P MAX
Nota :On peut remarquer que cette puissance est voisine de celle du variateur.
b) Une puissance de résistance de l’ordre du 1/20 de cette P MAX MAX est satisfaisante pour les besoins
d’un usage courant d’une machine outil commandée par l’homme.
Ce choix tient compte du fait que
- l’énergie thermique va s’évacuer lentement durant les grandes périodes de non sollicitation,
- que la P MAX MAX correspond au moment où le moteur est en pleine vitesse, mais que sa vitesse,
donc sa tension, donc l’énergie restituée vont s’écrouler très vite ..
MAIS ATTENTION, il faudra veiller à ce que l’énergie thermique puisse s’évacuer ….
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
4 - EXEMPLE DE CALCUL D’UNE PUISSANCE DE FREINAGE
(Relevé sur la notice d’un variateur du commerce)
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Page
6/11
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
5 – AUTRE EXEMPLE DE CALCUL DE PUISSANCE DE FREINAGE
Nota : cet exemple de calcul a été extrait de
http://sitelec.free.fr/themes/arenc/resistance_freinage.pdf
Car jugé intéressant pour une autre application du freinage sur un variateur de vitesse.
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Page
7/11
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
8/11
6 – APPLICATION A UN PETIT VARIATEUR 230 Volts, 2 KW
C’est le cas des petites machines utilisées par le grand public pour leur permettre de réutiliser une machine
outil professionnelle d’occasion ou récupérée
6.1 Caractéristiques du variateur
- Entrée 230V monophasé
- Sortie 230 V triphasé
- Puissance nominale : 2,2 KW
- Courant nominal sortie : 9,6 A
- Courant maxi sortie : 12,1 A
- Résistance freinage mini : 39 Ohms
- Section câble raccordement résistance : 2,5 mm2 recommandé.
6.2 Dimensionnement rapide de la résistance (cf $ 3)
Rmin = 39 ohms (cf. le constructeur)
U service = 230 x 1,414 = 325 volts
I max = U/R = 325/39 = 8,3 Ampères (voisin de I nominal 9,6 A)
P MAX MAX = U x I = U x U /R = 325 x 325 / 29 = 2708 W
P max pratique = 2708 /20 = 135 W .
(voisin de Pn = 2,2 KW)
De façon pratique, on ne mets jamais la valeur minimum, mais une valeur réputée d’usage général, et
sans prendre de risque et un freinage moyen : Prendre le double de Rminimum..
Pour cet appareil, sa documentation préconise en usage général : 68 ohms , 72 Watts .
Confirmons la puissance dissipée dans ce cas :
P MAX MAX = U x U / R = 325 x 325 / 68 = 1553 W
P max pratique = P MAX MAX / 20 = 1553/20 = 77 Watts donc cohérent.
Solution économique utilisable pour un variateur à usage personnel :
Utiliser 7 résistances de 470 Ohms de type RB 25 que l’on montera en parallèle :
Req = 470/7 = 67 Ohms.
Elles seront montées par vis sur une masse métallique d’environ 1 Kg afin d’avoir une inertie thermique
suffisante.
Ces résistances sont courantes chez les revendeurs de
matériel électronique.
Une solution optimisée serait de les monter sur un un profilé
‘radiateur à ailettes en alu noirci » ( voir $ 7.4)
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
9/11
7 – APPLICATION A UN VARIATEUR INDUSTRIEL 400 Volts, 15 KW
Comme indiqué précédemment, il s’agit d’un dimensionnement (en puissance) pour des arrêts peu fréquents,
au maximum de 1 par minute …
7.1 Caractéristiques du variateur
- Entrée 400 Volts Triphasé
- Sortie 400 V Triphasé
- Puissance nominale : 15 KW
- Courant nominal sortie : 9,6 A
- Courant maxi sortie : 29,5 A
- Résistance freinage mini : 22 Ohms
7.2 Dimensionnement rapide de la résistance (cf $ 3)
Rmin = 22 ohms (cf. le constructeur)
U service = 400 x 1,414 = 565 volts
I max = U/R = 565/22 = 25 Ampères (voisin de I nominal, car I max = 29,5 A)
P MAX MAX = U x I = U x U / R = 565 x 565 / 22 = 14 500 W
P max pratique = 14 125 / 20 = 725 W .
( voisin de Pn = 15 KW )
Mais là, il s’agit de valeur limite, déconseillée en général, car en limite de capacité, et quelquefois thermique,
et bien souvent pas nécessaire pour un usage courant.
D’ailleurs, sa documentation précise (réglage P31) qu’il faudrait mettre un relais thermique de surcharge
pour protéger le variateur dans le cas cde résistance « client ».
Une solution, pour ne pas prendre de risque, serait d’utiliser une résistance de l’ordre de 47 Ohms …..
P MAX MAX = UxU/R = 565x565/47 = 6800 W
P nominal = ¨P MAX MAX/20 = 6800/20 = 340 Watts
Comme indiqué précédemment, il s’agit d’un dimensionnement (en puissance) pour des arrêts peu fréquents,
au maximum de 1 par minute …
Le raccordement au variateur s’effectuera avec une cablette isolée de 4 mm2 minimum, ou 6 mm2 conseillé.
Et bien protéger les connections, car au potentiel du réseau électrique..
R = 47 Ohms 350 Watts (sachant que R mini = 22 ohms)
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
10/11
7.4 RESISTANCE EXPERIMENTALE
Avant d’acquérir une résistance industrielle, il convient de valider la valeur optimum.
Et dans le cas où le freinage ne serait pas assez important, se rapprocher un peu plus de la valeur minimum
(sans toutefois l’atteindre).
Dans ce cas, une solution intéressante serait d’utiliser une série de 12 résistances de type RB100 de 470
ohms couramment disponible sur le marché
Il est à noter que ces résistances
peuvent accepter et dissiper 100 W à
condition qu’elles soient montées et
fixées sur un radiateur permettant
l’échange calorifique ( seulement 10
à 15 W à l’air libre)
Laissées « en l’air », elles peuvent dissiper seulement 10Watts environ, et vont très vite monter en
température … (attention aux brûlures).
Une solution facile est d’utiliser un
radiateur à ailettes en alu noirci, profilé
vendu en barre de 1 mètre pour réaliser
des radiateurs en électronique ‘de
puissance)
Dessin extrait d’un catalogue :
http://www.fischerelektronik.de/index.php?i
d=114&L=2
Les 12 résistances seront montées, vissées sur la partie plane du profilé.
Mais 10 seulement seront mises en parallèle, soit 470 / 10 = 47 Ohms, et raccordées au variateur.
On pourra essayer de réduire ce nombre ( R plus grand) ;
Et d’aller jusqu ‘à 12 résistances en parallèle, soit 39,16 ohms.
On pourra alors juger de la valeur de résistance optimum à utiliser.
Selon les contraintes d’utilisation, ce montage, capoté de façon adéquate pourrait même être utilisé de façon
définitive (si les règles de sécurité locales ne l’interdisent pas).
7.3 RESISTANCE INDUSTRIELLE
Etant dans un milieu industriel, il faudrait utiliser des résistances de ce type :
Ne pas oublier que 500 W est la
puissance d’un petit radiateur de
chauffage électrique ….
Cette vue est extraite de la brochure :
http://www.mdresistor.com/images-docsblog/FREINAGEL08.pdf
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009
Electrotechnique-fr.com Variateur de fréquence (Le Loup Blanc)
Technologie
La Résistance de freinage – utilisation sur un
variateur de fréquence
Page
11/11
8 – UN DIMENSIONNEMENT GENERIQUE ULTRA RAPIDE
On peut, en l’absence de toute documentation du variateur, et de la charge, dimensionner rapidement
une résistance de freinage pour un emploi d’usage général sans contrainte particulière.
C’est aussi une façon très rapide de vérifier que la résistance que l’on va utiliser est cohérente avec le
variateur.
Deux informations suffisent :
- La puissance du variateur en W,
- Sa tension d’alimentation .Ua ( mono ou tri)
On peut calculer sur cette base :
R mini = Udc x Udc /P = 2 x Ua x Ua / W
P nominal = W / 20
Et de façon pratique, prendre :
R = 2 x Rmini de puissance P= Pnominal/2
8.1 Application au variateur mono 230 V de 2,2 KW
Rmini = 2 x Ua x Ua / W = 2 x 230 x 230 /2200 = 48 ohms
P nominal = W / 20 = 2200/20 = 110 W
Et retenir
R = 2 x Rmini = 96 ohms et de puissance P nom/2 = 55 Watts
Conclusion : Cette valeur procurera simplement un freinage un peu moins énergique que la valeur proposée
par le constructeur, mais est ici totalement sans risque
8.2 Application au variateur tri 400 V de 15 kW
Rmini = 2 x Ua x Ua / W = 2 x 400 x 400 / 15 000 = 21,3 ohms
P nominal = W / 20 = 15 000 / 20 = 750 W
Et retenir
R = 2 x Rmini = 43 ohms et de puissance P nom/2 = 350 Watts
Conclusion : On retrouve bien le R mini fourni par le constructeur,
ainsi que les 47 ohms 350 W vus précédemment.
9 - CONCLUSION
Voilà peut-être un peu démystifiée cette fameuse résistance de freinage dont on parle tant,
Et les documentations des constructeurs peu développées, d’où l’inquiétude de certains utilisateurs.
On voit ici, que pour des usages classiques, où il s’agit de freiner, sans trop de contraintes, un moteur , son
dimensionnement peut être très rapide.
Mais éviter de se rapprocher de Rmini, car des risques d’endommagement du variateur peuvent
apparaître à cause par exemple de sa température ambiante, ou d’un usage trop intensif.
http://www.electrotechnique-fr.com
V1.0 Février 2009