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Introduction
Ce blog compare les techniques d'atténuation des harmoniques dans diverses applications en temps réel. Il examine différents aspects des filtres série et shunt actifs et passifs, en se concentrant sur la réduction de la charge harmonique dans les systèmes d'entraînement. Il discute des avantages et des inconvénients des approches parallèles et en série, ainsi que des solutions actives et passives, complétées par les résultats pratiques de plusieurs études de cas.
Pour comprendre les discussions de ce blog, il est crucial de comprendre les concepts suivants : harmoniques, notching, distorsion de tension, distorsion de courant et déséquilibre de tension.
Les harmoniques dans les systèmes électriques sont principalement causées par des charges à base de semi-conducteurs, avec des exemples courants tels que les variateurs de fréquence à transistors et les systèmes de variateurs CC à commutation de ligne. Les harmoniques sont des multiples de la fréquence fondamentale ; par exemple, la 5ème harmonique dans un système à 50 Hz correspond à une composante de fréquence de 250 Hz.
Dans un modèle simplifié de redresseur triphasé, si la sortie du redresseur est un courant continu constant, les ordres harmoniques sur la ligne alternative peuvent être représentés comme suit :
L'amplitude des harmoniques dépend de divers facteurs, notamment la force du réseau et l'impédance de la ligne série. Un réseau plus solide entraîne généralement des harmoniques de courant plus élevées mais des harmoniques de tension plus faibles.
Les harmoniques peuvent causer plusieurs problèmes, tels que :
La réduction des niveaux d’harmoniques est essentielle pour éviter ces problèmes, même si les harmoniques n’entraînent pas toujours de tels problèmes.
Les solutions de compensation harmonique peuvent être classées en quatre classes en fonction de deux facteurs : si la solution est active ou passive et si elle est utilisée en shunt ou en série avec les charges linéaires. Les solutions suivantes sont couramment utilisées :
Réacteur de ligne : Une self série triphasée placée devant le redresseur, réduisant la distorsion du courant et ajoutant une protection au redresseur. Cependant, cela n’est pas pratique pour les gros variateurs et ne permet pas à lui seul de répondre aux niveaux de régulation harmonique.
Filtre harmonique série : Une version plus avancée de la self de ligne, avec des composants supplémentaires pour piéger les harmoniques. Il offre un meilleur rejet des harmoniques mais n'est pas flexible et peut entraîner des problèmes majeurs de correction du facteur de puissance.
Transformateur multi-impulsions : utilise des enroulements déphasés pour annuler des ordres harmoniques spécifiques. Efficace pour réduire les distorsions harmoniques mais sensible au déséquilibre de tension et à l'asymétrie du transformateur.
Les filtres shunt passifs, tels que les filtres passifs affinés, assurent une compensation en étant dimensionnés pour s'adapter à la perturbation plutôt qu'à la pleine charge. Ces filtres sont efficaces mais sensibles aux conditions du réseau et peuvent interagir de manière imprévisible avec d’autres charges.
Entraînements front-end actifs (AFE) : ils remplacent les redresseurs à diodes par des redresseurs contrôlés, permettant de réinjecter l'énergie vers le réseau pendant le freinage. Les AFE offrent une faible distorsion de courant et un excellent facteur de puissance, mais sont complexes, coûteux et volumineux.
Filtres actifs : connectés en parallèle à la charge, ces filtres mesurent et neutralisent les courants harmoniques circulant en injectant des harmoniques en contre-phase. Ils sont compacts, réglables et peuvent fournir une compensation VAR. Les filtres actifs sont efficaces et simples à mettre à niveau, mais introduisent quelques ondulations de commutation.
Pour un variateur de fréquence de 1 000 A, l'atténuation des harmoniques requise peut varier en fonction de l'impédance du système et de la réactance série équivalente. Dans les réseaux faibles, la distorsion du courant peut être plus faible, mais dans les réseaux forts, elle peut être plus élevée. Par exemple, les besoins en matière de réduction des harmoniques peuvent varier de 150 à 330 A RMS, selon l'application.
Différentes solutions d'atténuation des harmoniques sont comparées en fonction des performances, de l'efficacité et des résultats d'application pratique. Le tableau ci-dessous résume les performances et l’efficacité des différentes solutions :
Les harmoniques constituent une préoccupation importante dans les applications industrielles, notamment avec l'utilisation croissante de variateurs de fréquence. Diverses techniques d'atténuation, notamment des solutions passives et actives dans des configurations en série et en shunt, offrent différents avantages et inconvénients. En comprenant et en mettant en œuvre des stratégies appropriées d’atténuation des harmoniques, les industries peuvent améliorer leur efficacité, réduire les temps d’arrêt et améliorer la fiabilité globale du système.
En conclusion, même si les harmoniques constituent un problème complexe, une approche globale d’atténuation peut gérer efficacement leur impact sur les opérations industrielles. Des solutions correctement choisies et adaptées à des applications spécifiques peuvent garantir un système électrique stable et efficace, minimisant les effets néfastes des harmoniques.
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