Comment le filtre harmonique actif (AHF) sur la ligne de distribution électrique principale permet-il d'économiser la consommation de carburant des générateurs ?

Installation d'un Filtre harmonique actif (AHF) sur la ligne de distribution électrique principale peut généralement réduire la consommation de carburant des générateurs (en particulier les générateurs diesel)

Voici une explication détaillée :

1. Comment les harmoniques augmentent la consommation de carburant dans les générateurs (en particulier les générateurs diesel) :

   • Pertes de chaleur supplémentaires : Les courants harmoniques circulant dans les enroulements du stator et du rotor du générateur provoquent des pertes résistives (pertes I²R) supérieures à celles du courant fondamental. Ces pertes se dissipent sous forme de chaleur, ce qui signifie qu'une partie de l'énergie mécanique fournie au générateur est gaspillée.

   • Augmentation des pertes en fer : Les tensions harmoniques entraînent une augmentation de l'hystérésis et des pertes par courants de Foucault dans le noyau de fer du générateur.

   • Pertes d'enroulement de l'amortisseur : Des courants harmoniques sont induits dans les enroulements de l'amortisseur du rotor, créant des pertes et de la chaleur supplémentaires.

   • Efficacité réduite : Toutes ces pertes supplémentaires réduisent l'efficacité globale de la conversion de l'énergie mécanique issue de la combustion du diesel en énergie électrique. Pour fournir la même puissance active (kW), le générateur doit consommer davantage de diesel pour compenser ces pertes.

   • Pulsations de couple harmonique : Les courants harmoniques interagissant avec le champ magnétique du générateur produisent des couples pulsés à des fréquences multiples de la fréquence fondamentale. Cela impose des contraintes mécaniques supplémentaires au moteur diesel et peut perturber la stabilité du régulateur. Pour maintenir une vitesse (fréquence) constante, le régulateur doit intervenir plus fréquemment pour ajuster la commande des gaz, ce qui peut légèrement réduire le rendement et potentiellement entraîner une augmentation de la consommation instantanée de carburant.

   • Augmentation de la demande de puissance apparente : Les courants harmoniques augmentent le courant total (RMS) du système, augmentant ainsi la puissance apparente requise (kVA) du générateur. Les générateurs (en particulier les groupes de secours) sont souvent dimensionnés en kVA. Des courants harmoniques excessifs peuvent forcer un générateur à fonctionner à une puissance proche ou supérieure à sa puissance nominale en kVA, tout en produisant une puissance active utile (kW) inférieure. Ceci est non seulement inefficace, mais peut également déclencher des arrêts de protection contre les surcharges. Pour éviter de dépasser les limites en kVA, il est parfois nécessaire de réduire la puissance active, ce qui implique également une utilisation inefficace du carburant diesel.

2. Comment un filtre harmonique actif (AHF) permet d'économiser du carburant :

   • Élimine les courants harmoniques : La fonction principale d'un AHF est de détecter les courants harmoniques dans la ligne et d'injecter instantanément un courant de compensation d'amplitude égale mais en opposition de phase. Ainsi, la source en amont (le générateur dans ce cas) perçoit un courant quasi sinusoïdal.

   • Réduit le courant RMS du générateur : En éliminant les courants harmoniques, l'AHF réduit considérablement le courant RMS total circulant dans le générateur.

   • Réduit les pertes : La réduction du courant efficace entraîne directement une diminution substantielle des pertes I²R dans les enroulements du générateur. Les pertes fer et les pertes dans les enroulements d'amortissement sont également réduites.

   • Améliore l'efficacité : La réduction des pertes améliore l'efficacité du générateur à convertir l'énergie chimique du diesel en énergie électrique utile (kW). Pour une même puissance active, l'apport d'énergie mécanique nécessaire au générateur diminue, ce qui allège la charge du moteur diesel et, par conséquent, la consommation de carburant.

   • Diminue la demande de puissance apparente : L'élimination des courants harmoniques permet de mieux aligner la demande de puissance apparente du générateur sur la demande de puissance active de la charge. Cela évite le gaspillage de kVA dû aux harmoniques, permettant ainsi au générateur de fonctionner avec un facteur de puissance plus optimal.

   • Atténue les pulsations de couple : La réduction des pulsations de couple harmonique permet au moteur diesel de fonctionner plus facilement, allégeant ainsi la charge du régulateur et contribuant à maintenir une efficacité de fonctionnement plus stable.

3. Facteurs clés influençant les économies de carburant :

   • Niveau de distorsion harmonique d'origine : Plus la distorsion harmonique totale du courant (THDi) d'origine est élevée, plus la réduction des pertes après l'installation d'un AHF est importante et plus les économies de carburant potentielles sont importantes. Si les harmoniques d'origine étaient faibles, les économies de carburant seraient négligeables.

   • Facteur de charge du générateur : Plus la charge du générateur est importante, plus les pertes absolues dues aux harmoniques sont importantes, et plus les économies de carburant absolues réalisées grâce à l'AHF sont importantes. À faible charge, même un gain d'efficacité en pourcentage peut se traduire par une économie de carburant absolue plus faible.

   • Conception du générateur et tolérance aux harmoniques : Certains générateurs (notamment les plus modernes ou spécialement conçus) présentent une meilleure tolérance aux harmoniques et leur rendement est moins affecté. Les générateurs plus anciens ou mal conçus sont davantage affectés.

   • Efficacité de la performance et de la rémunération de l'AHF : Le filtre AHF doit être correctement dimensionné, installé et configuré pour obtenir un filtrage harmonique optimal. Plus le taux de compensation est élevé, meilleurs sont les résultats.

   • Pertes propres de l'AHF : L'AHF consomme lui-même une faible quantité de puissance active en fonctionnement (généralement 3 à 8 % de sa capacité de compensation nominale). Cette perte compense légèrement l'économie de carburant. Cependant, en cas d'harmoniques sévères, l'amélioration du rendement du générateur est largement supérieure à la consommation de l'AHF.

Conclusion:

Oui, l'installation d'un filtre harmonique actif sur la ligne de distribution principale peut en effet réduire la consommation de carburant des générateurs (générateurs diesel) Le principe est le suivant : en éliminant les courants harmoniques nocifs traversant le générateur, les pertes internes supplémentaires (pertes de cuivre, pertes de fer, etc.) sont réduites, ce qui améliore l’efficacité du générateur dans la conversion de l’énergie chimique du diesel en énergie électrique utile. Au final, pour une même puissance active, l’apport d’énergie mécanique requis par le moteur diesel est réduit, ce qui se traduit par une consommation de carburant moindre.

Quantification des économies de carburant : Il est difficile de généraliser la quantité exacte de diesel économisée, car elle dépend fortement des facteurs clés mentionnés ci-dessus. Dans les scénarios industriels à forte pollution harmonique (par exemple, les usines utilisant massivement des charges non linéaires comme les variateurs de fréquence et les redresseurs), des économies de carburant de l'ordre de 3% à 8% ou même plus Il est possible d'évaluer la performance du générateur après l'installation d'un AHF haute performance. Pour obtenir une estimation précise, il est recommandé d'effectuer des mesures détaillées et une analyse comparative des paramètres clés du générateur (débit de carburant d'entrée, puissance active de sortie, courant, tension, THDi, THDv, etc.) dans des conditions de charge identiques, avant et après l'installation de l'AHF.

Par conséquent, si votre usine a un problème d'harmoniques important et dépend du fonctionnement d'un générateur diesel (que ce soit comme source d'alimentation principale ou de secours), investir dans un filtre harmonique actif n'est pas seulement une mesure pour améliorer la qualité de l'énergie, protéger l'équipement et augmenter la fiabilité du système, mais c'est aussi une mesure d'économie d'énergie avec des retours économiques, réduisant directement les coûts d'exploitation (dépenses en diesel).