Surtension au bus continu sur un convoyeur descendant : freinage et récupération
Dans une carrière, un convoyeur à bande descend un dénivelé de 6 m sur 24 m de long et transporte 800 kg de matière à 0,6 m/s. Il est entraîné par un moteur asynchrone 7,5 kW, 400 V, piloté par un variateur avec filtre CEM et rampe de décélération réglée à 3 s. Lors des essais à charge, le variateur passe en défaut de surtension du bus continu (seuil 800 V) à chaque arrêt, et l'installation ne dispose d'aucun dispositif de dissipation. Le cycle est de 90 s, dont 9 s de décélération en charge, sur 22 h par jour. Le motoriste confirme que la machine fonctionne en génératrice pendant la descente, avec une puissance de freinage mesurée de 4 kW. La tension du bus est de 565 V à vide. Le service maintenance demande s'il faut investir dans un module de récupération réseau ou simplement ajouter une résistance de freinage, et comment évacuer la chaleur dans l'armoire.
1. Expliquer l'origine du défaut de surtension et estimer l'énergie à dissiper par cycle et par jour.
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Origine : en descente, la charge entraîne le moteur ; le flux de puissance s'inverse et l'onduleur redresse l'énergie vers le bus continu. Les diodes d'entrée ne permettent pas de renvoyer cette énergie au réseau, les condensateurs du bus se chargent et la tension monte jusqu'au seuil de protection (800 V), d'où le défaut à chaque décélération. Le variateur n'a rien à dissiper : il se met en sécurité. Allonger la rampe ne fait que réduire la puissance instantanée, pas l'énergie totale, et n'est pas acceptable si le cycle est contraint.
Énergie par cycle : E = P × t = 4 000 W × 9 s = 36 kJ = 10 Wh.
Énergie par jour : nombre de cycles = 22 × 3 600/90 = 880 cycles, soit 880 × 10 Wh = 8 800 Wh ≈ 8,8 kWh par jour.
Puissance moyenne : P_moy = E/t_cycle = 36 000 J/90 s = 400 W, à comparer aux 4 kW de pointe : c'est ce rapport de 1 à 10 qui dimensionne le dispositif et qui explique qu'un module de récupération surdimensionné n'est pas forcément rentable. Le point de vigilance est le couple de freinage disponible aux faibles vitesses et la tenue de la bande à l'arrêt.
2. Dimensionner la résistance de freinage (valeur ohmique, puissance) et vérifier sa compatibilité avec le variateur ; conclure sur le placement dans l'armoire.
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Valeur ohmique : la résistance doit absorber le courant de freinage sous le seuil de déclenchement. En prenant une tension de travail de 700 V (marge sous 800 V) : R = U²/P = 700²/4 000 ≈ 122 Ω, soit une valeur normalisée de 120 Ω. Puissance crête correspondante : 700²/120 ≈ 4,1 kW, courant ≈ 5,8 A. Vérifier que cette valeur est supérieure à la résistance minimale admise par le variateur (souvent donnée pour 7,5 kW autour de 27 à 40 Ω) : 120 Ω est acceptable et limite le courant.
Puissance nominale : rapport cyclique = 9/90 = 10 %. La puissance moyenne vaut 4,1 kW × 0,10 ≈ 410 W. On retient une résistance de 120 Ω, 500 W continus, capable d'absorber les 4 kW pendant 9 s (capacité thermique du bâti). Vérifier la courbe de surcharge du constructeur plutôt que de se fier au seul calcul.
Placement : résistance montée sur support métallique, hors du flux d'air des électroniques, avec grille de protection contre le contact et distance aux parois ; prévoir un thermostat de protection et une ventilation dimensionnée pour 400 à 500 W. La chaleur ne doit pas être rejetée vers le variateur ni vers les câbles.
3. Comparer l'ajout d'une résistance de freinage et l'installation d'un module de récupération réseau, en intégrant un argumentaire économique et les cas où la récupération devient pertinente.
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Résistance de freinage : coût d'achat faible (de l'ordre de quelques centaines d'euros), mise en œuvre simple, énergie perdue en chaleur, encombrement et point chaud dans l'armoire. C'est la solution adaptée à un rapport cyclique de 10 % et à une puissance moyenne de 400 W.
Récupération réseau : l'énergie est réinjectée, mais le module coûte typiquement 1 500 à 2 500 €, avec un transformateur ou une inductance de ligne, des contraintes de qualité d'énergie et une autorisation d'injection. Le gain financier est de 8,8 kWh/jour, soit environ 1,3 €/jour à 0,15 €/kWh, soit 300 à 350 € par an sur 230 jours ouvrés. Le retour sur investissement dépasse donc 5 ans sur ce seul convoyeur.
Conclusion : retenir la résistance de freinage. La récupération devient pertinente si le rapport cyclique de freinage dépasse durablement 20 à 30 %, si la puissance récupérée atteint plusieurs dizaines de kW, si plusieurs axes freinent simultanément (levage, descentes multiples) ou si le site a besoin d'un facteur de puissance maîtrisé. Il faut aussi vérifier le comptage : sur une installation en réinjection, l'énergie produite n'est pas toujours valorisée au même tarif que l'énergie consommée.