Harmoniques dans les systèmes à courant alternatif

I. Analyse des sources et caractéristiques harmoniques

Les harmoniques dans les systèmes à courant alternatif sont principalement générées par leur composant principal : Variateurs de fréquence (VFD/VSD) —utilisé pour entraîner des compresseurs, des pompes à eau glacée, des ventilateurs de tour de refroidissement, etc.

1. Principales sources harmoniques :

   • Unités de climatisation centrales :Les variateurs de fréquence (VFD) pour compresseurs centrifuges ou à vis de grande taille sont les plus puissants et sources harmoniques primaires .

   • Pompes et ventilateurs :Les pompes à eau glacée, les pompes à condenseur, les ventilateurs de tour de refroidissement et les ventilateurs des unités de traitement d'air (CTA) utilisent généralement un contrôle de fréquence variable.

   • Dispositifs terminaux :Certaines unités de ventilo-convecteurs (FCU) ou petites unités intérieures utilisent également la technologie Inverter.

2. Caractéristiques harmoniques :

   • Harmoniques caractéristiques :Le circuit redresseur à 6 impulsions dans les VFD génère principalement des harmoniques d'ordre impair comme 5e, 7e, 11e, 13e , avec le 5ème harmonique étant généralement le plus important.

   • Distorsion de courant élevée :La distorsion harmonique totale actuelle (THDi) pour un seul VFD peut généralement varier de 30 % à 50 % (sans réacteurs intégrés).

   • Fluctuations périodiques :Niveaux de courant harmonique fluctuer de manière dynamique avec les variations de charge du courant alternatif (consignes de température, température ambiante). Les charges sont importantes le jour (harmoniques élevées), faibles la nuit et les jours fériés (harmoniques faibles).

3. Risques et impacts (en particulier pour les hôpitaux et les bureaux) :

   • Pour les équipements médicaux (hôpitaux/cliniques) Les équipements médicaux de précision (par exemple, IRM, scanner, DSA) sont extrêmement sensibles à la qualité de l'alimentation. Les harmoniques peuvent provoquer des erreurs de fonctionnement, des distorsions d'image, des corruptions de données, voire des dommages matériels, menaçant directement la précision du diagnostic et la sécurité des patients.

   • Pour les systèmes électriques :

     • Surcharge neutre :Les harmoniques triple-N (3e, 9e, 15e, etc.) s'accumulent dans le conducteur neutre, ce qui fait que le courant neutre peut potentiellement dépasser le courant de phase, entraînant une surchauffe et un risque d'incendie.

     • Surchauffe du transformateur :Les courants harmoniques augmentent les pertes du noyau du transformateur et du cuivre (augmentant le facteur K), réduisant la capacité, raccourcissant la durée de vie et forçant le déclassement.

     • Déclenchement intempestif du disjoncteur :Provoque des arrêts inattendus des systèmes de climatisation ou d'autres charges critiques.

   • Pour l'efficacité énergétique :Les harmoniques augmentent les pertes de ligne, diminuant considérablement les avantages en matière d'économie d'énergie obtenus grâce à l'utilisation des variateurs de fréquence.

   • Pour les systèmes de communication :Les harmoniques peuvent interférer avec les systèmes d'automatisation des bâtiments (BAS) et les systèmes de réseau.

II. Solution d'atténuation centralisée : application de filtres de puissance actifs (APF)

Pour les charges harmoniques dynamiques et variables comme les systèmes à courant alternatif, le Filtre de puissance actif (APF) constitue sans conteste la solution optimale. Son principe de « détection en temps réel et compensation dynamique » s'adapte parfaitement à la nature fluctuante des harmoniques CA.

Option 1 : Atténuation centralisée côté transformateur BT (la plus courante, meilleur rapport qualité-prix)

• Emplacement :Installer pour une compensation centralisée au Tableau de distribution principal basse tension dans la salle électrique principale du bâtiment (généralement à la sortie secondaire du transformateur).

• Avantages :

  1. Atténuation mondiale :Résout les harmoniques générées par toutes les charges CA et autres fournies par ce transformateur en une seule étape, protégeant ainsi l'ensemble du système de distribution.

  2. Rentable :L’installation d’un seul APF de grande capacité est moins coûteuse et plus facile à gérer et à entretenir que plusieurs appareils plus petits dispersés dans tout le bâtiment.

  3. Libère la capacité du transformateur :Réduit efficacement le facteur K du transformateur, lui permettant de fonctionner à nouveau à sa capacité nominale, retardant ainsi les investissements de mise à niveau coûteux.

• Sélection de capacité :

  • Nécessite une estimation statistique du courant nominal et du THDi pour tous les équipements CA pilotés par VFD.

  • Formule simplifiée : Courant nominal APF (Ir) ≥ Courant nominal du transformateur × (20 % ~ 35 %) Pour les scénarios avec des charges CA exceptionnellement lourdes, un pourcentage plus élevé est recommandé, ou un calcul précis basé sur des mesures professionnelles de la qualité de l'énergie.

Option 2 : Atténuation hiérarchique/zonale (pour les grands bâtiments complexes)

• Emplacement :Installer les APF au Tableau de distribution de la salle des machines hôte AC , Tableau de distribution principal de climatisation au sol , ou Centres de distribution de zone .

• Scénarios applicables :

  • Très grands complexes immobiliers avec plusieurs locaux électriques.

  • De nouveaux systèmes de climatisation ont été ajoutés plus tard, rendant difficile toute modification dans la salle électrique principale.

  • Nécessité d’une protection ciblée de zones spécifiques (par exemple, salles d’opération, étages de centres de données).

• Avantages :

  1. Des mesures d'atténuation plus ciblées avec des résultats plus précis.

  2. Empêche les harmoniques de circuler au sein du système de distribution, réduisant ainsi les pertes sur les lignes principales.

• Inconvénient :Le coût global peut être plus élevé que celui d’une atténuation centralisée.

Option 3 : Solution hybride (APF + filtres de puissance passifs PPF)

• Principe :Utilisez des filtres de puissance passifs (PPF) à moindre coût pour compenser la majeure partie des harmoniques caractéristiques les plus importantes (comme 5e, 7e ); puis utilisez un APF de plus petite capacité pour compenser les harmoniques d'ordre impair restantes et supprimer la résonance du système.

• Avantage :Peut optimiser les coûts d’investissement dans des scénarios spécifiques.

• Inconvénients :Conception complexe, nécessite d'éviter soigneusement la résonance du système avec les PPF, et les PPF ne peuvent pas compenser les changements d'harmoniques. Généralement non recommandé pour les environnements hospitaliers hautement critiques.

III. Points clés pour la sélection et la conception des produits

1. Calcul de capacité :Doit être basé sur un liste de chargement détaillée ou un rapport professionnel de mesure de la qualité de l'énergie Les mesures doivent s'étendre sur au moins une semaine pour capturer les cycles de charge complets pendant les jours ouvrables et non ouvrables.

2. Exigences de performance :

   • Vitesse de réponse :Plus c'est rapide, mieux c'est (<5 ms), pour suivre rapidement les transitoires harmoniques causés par les démarrages/arrêts du compresseur.

   • Effet de compensation :Le THDi post-atténuation devrait idéalement être contrôlé dans les 5% - 8% pour se conformer aux normes telles que GB/T 14549-93 (« Qualité de l'énergie - Harmoniques dans le réseau d'alimentation public ») et fournir une énergie propre aux équipements médicaux.

   • Multifonctionnalité : Choisissez des APF qui combinent filtrage harmonique + compensation de puissance réactive + équilibrage de courant triphasé pour des prestations complètes.

3. Installation et connexion :

   • Recommandé pour se connecter en parallèle avec le réseau, en amont de la charge ou du transformateur nécessitant une atténuation.

   • Doit être conçu et installé par des ingénieurs électriciens professionnels pour assurer la sécurité.

IV. Considérations et recommandations spécifiques à l'industrie

• Pour les hôpitaux/cliniques (priorité la plus élevée) :

  • La fiabilité avant tout : Il faut choisir des marques APF haut de gamme, dotées d'une technologie éprouvée et d'une solide réputation. L'alimentation électrique continue est essentielle pour les établissements médicaux.

  • Protection ciblée :Outre les mesures d'atténuation du local électrique principal, il est fortement recommandé d'ajouter des dispositifs locaux de compensation ou de conditionnement de puissance en aval du tableaux de distribution dédiés ou systèmes d'alimentation isolés pour la radiologie (IRM, CT), les unités de soins intensifs et les salles d'opération créer des « zones de nettoyage électrique » pour les équipements médicaux essentiels.

  • Conformité :La solution d’atténuation doit être conforme aux réglementations de conception électrique en vigueur pour les établissements de santé.

• Pour les immeubles de bureaux/propriétés commerciales :

  • Retour sur investissement (ROI) :Au-delà de la résolution des risques de sécurité, il faut souligner la valeur économique significative de économies d'énergie (pertes réduites au niveau du transformateur et de la ligne), durée de vie prolongée de l'équipement , et mises à niveau de transformateurs évitées apporté par l'atténuation harmonique.

  • Certification des bâtiments écologiques :Une bonne qualité énergétique contribue à l’obtention de points pour des certifications telles que LEED et BREEAM.

Conclusion et actions recommandées

Pour les hôpitaux, les cliniques et les immeubles de bureaux dotés de systèmes de climatisation denses, installation centralisée de Filtres de puissance actifs (APF) côté basse tension du transformateur est la solution d’atténuation des harmoniques préférée et la plus rentable.

Étapes recommandées :

1. Suivi et évaluation : Engagez une équipe de service de qualité de l'énergie professionnelle pour effectuer une surveillance complète de la qualité de l'énergie pendant au moins 7*24 heures et produire un rapport de diagnostic détaillé.

2. Conception de solutions :Sur la base des données du rapport, calculez précisément la capacité APF requise et concevez le point d'atténuation et le schéma optimaux (centralisé, hiérarchique ou hybride).

3. Sélection de produits : Choisissez des marques APF telles que Yingtong Electric (sales@YT-electric.com) avec des performances stables et un support après-vente fiable, garantissant que leur adaptabilité environnementale (par exemple, température, humidité) convient aux conditions de la salle électrique.

4. Mise en œuvre professionnelle :Faites effectuer l'installation, la mise en service et la vérification par un intégrateur expérimenté pour garantir que les résultats d'atténuation répondent aux attentes.

5. Surveillance à long terme :Utilisez les fonctions de surveillance intégrées de l'APF ou intégrez-le au système de gestion du bâtiment (BMS) pour un suivi continu de la qualité de l'énergie afin de garantir la stabilité à long terme.