Atténuation des harmoniques à l'aide de transformateurs déphaseurs et de filtres harmoniques

Comment les transformateurs et les filtres d’harmoniques suppriment-ils les harmoniques ?

Techniques d'atténuation des harmoniques pour les charges triphasées

Les charges triphasées ne produisent pas d’harmoniques triples. Par conséquent, dans les environnements dominés par des charges triphasées, les problèmes d’harmoniques proviennent principalement des courants aux harmoniques 5e, 7e, 17e, 19e et supérieures. Un transformateur atténuateur d'harmoniques (HMT) peut aider à réduire ces harmoniques en utilisant des enroulements secondaires doubles ou plusieurs transformateurs avec un déphasage de 30° entre eux. Ce déphasage garantit que les composantes harmoniques d'un secondaire sont déphasées par rapport à celles d'un autre, contribuant ainsi à leur annulation.

Scénarios de charge mixtes monophasés et triphasés

Lorsqu’un transformateur alimente à la fois des charges monophasées et triphasées, une approche combinée est nécessaire. En règle générale, des paires de transformateurs delta-zigzag avec un déphasage de 30° sont utilisées dans un banc de transformateurs séparé. Ce déphasage permet de réduire les 5ème, 7ème, 17ème et 19ème harmoniques, tandis que les enroulements secondaires en zigzag réduisent considérablement les harmoniques triples.

Les chutes de tension pendant le démarrage peuvent être surveillées à l'aide d'un compteur de qualité d'énergie.

Pour des performances optimales, les charges non linéaires monophasées, ligne à neutre, doivent être équilibrées sur deux panneaux alimentés par deux HMT distincts. Un HMT doit être un triangle-zigzag avec un déphasage de 0°, et le deuxième HMT doit être soit un triangle-étoile, soit un étoile-zigzag avec un déphasage de 30°. L'utilisation de ces deux transformateurs aidera à éliminer les 5ème, 7ème, 17ème et 19ème harmoniques, et l'atténuation des harmoniques est plus efficace lorsque les charges sont équilibrées.

Par exemple, si un panneau d'alimentation principal alimente des charges non linéaires monophasées nécessitant 200 A, il est préférable d'utiliser deux panneaux distincts de 100 A chacun. Deux transformateurs, l'un en configuration triangle-zigzag et l'autre en configuration triangle-étoile ou étoile-zigzag, peuvent être utilisés pour alimenter ces panneaux avec un déphasage de 30° entre eux. Les courants harmoniques provenant des charges informatiques s’annuleront alors, ce qui donnera lieu à un système qui consomme du courant avec une très faible distorsion harmonique totale (THD).

Des bancs de transformateurs avec un déphasage entre eux sont utilisés pour annuler les harmoniques.

Considérations sur l'impédance HMT

Les deux HMT doivent avoir les mêmes valeurs d'impédance, être situés à proximité du bus source et avoir des profils harmoniques de charge similaires. Avec un secondaire en zigzag, l'impédance est inférieure à l'impédance nominale du transformateur. Dans un transformateur triangle-étoile ou delta-delta, l'impédance monophasée correspond à l'impédance directe et négative comme indiqué sur la plaque signalétique.

Pour les transformateurs delta-zigzag ou étoile-zigzag, l'impédance phase-neutre est d'environ 75 % à 85 % de l'impédance directe et négative. Cela peut entraîner un courant de défaut plus élevé lors d'un défaut monophasé vers le neutre ou la terre, nécessitant éventuellement un dispositif de protection contre les surintensités avec un calibre plus élevé. L'impédance de la plaque signalétique représente l'impédance directe/inverse, donc tout courant de défaut doit être supposé être égal à environ 133 % du courant de défaut calculé, ce qui est essentiel pour la coordination de la protection contre les arcs électriques.

L'impédance monophasée d'un transformateur en zigzag est d'environ 75 % à 85 % de son impédance nominale.

Filtres harmoniques

Les filtres harmoniques réduisent les composantes harmoniques et le THD. Les filtres d'harmoniques monophasés minimisent les troisièmes harmoniques et autres harmoniques triples provenant de charges monophasées non linéaires. Les filtres d'harmoniques triphasés, également appelés filtres pièges, réduisent les harmoniques provenant de charges non linéaires monophasées sur un système triphasé ou de charges triphasées telles que les entraînements de moteur CA à vitesse variable. Ces filtres sont généralement réglés juste en dessous de la cinquième harmonique, fournissant ainsi un chemin à faible impédance qui piège la cinquième et la plupart des septièmes harmoniques. Les filtres harmoniques doivent être installés aussi près que possible de la charge non linéaire, et pour les entraînements triphasés, ils sont généralement installés au niveau de l'équipement de service.

Types de filtres harmoniques

Filtres harmoniques passifs

Les filtres harmoniques passifs utilisent des condensateurs et des inductances réglés pour supprimer des fréquences harmoniques spécifiques, fonctionnant comme des filtres passe-bande ou passe-bas. Ces filtres laissent passer les basses fréquences (60 Hz) tout en supprimant les fréquences plus élevées (180 Hz et plus). Cependant, ils peuvent provoquer des problèmes tels que des sonneries, des résonances indésirables et une surcompensation. Les sources harmoniques monophasées telles que les SMPS ne génèrent pas de déphasages significatifs entre le courant et la tension, de sorte que les filtres passifs peuvent par inadvertance faire passer les circuits de l'état de retard à l'état de pointe. De plus, les filtres passifs sont souvent volumineux et relativement coûteux.

Un filtre d'harmoniques passif utilise un ensemble de résistances, de condensateurs et d'inductances réglés pour éliminer les fréquences harmoniques.

Filtres harmoniques actifs

Les filtres d'harmoniques actifs utilisent l'électronique pour fournir une impédance variable afin de supprimer les harmoniques ou de générer une forme d'onde de courant adaptative déphasée de 180° par rapport aux harmoniques. Bien que traditionnellement coûteux et moins disponibles, les progrès de l’électronique rendent les filtres d’harmoniques actifs plus accessibles et plus rentables.