Comment éliminer les composants harmoniques dans les systèmes électriques ?

Comment éliminer les composants harmoniques dans les systèmes électriques ?

Les harmoniques peuvent avoir un impact significatif sur les systèmes électriques, entraînant des pannes de transformateurs, des pannes de moteur, des déclenchements intempestifs de disjoncteurs et une surchauffe des conducteurs neutres et d'autres composants d'un réseau de distribution d'énergie. Cette surchauffe peut être suffisamment grave pour provoquer des incendies électriques.

Les charges non linéaires , qui consomment du courant par impulsions, provoquent des harmoniques en déformant la forme d'onde. Ces harmoniques sont une source majeure de problèmes de qualité de l’énergie, entraînant une surchauffe des composants du circuit. Pour atténuer les harmoniques dans les systèmes de distribution d’énergie, des transformateurs d’atténuation des harmoniques sont souvent utilisés.

Lorsque des harmoniques sont présentes, elles déforment les formes d’onde de tension et de courant sur les lignes. L'analyse de ces formes d'onde déformées est nécessaire pour identifier le type et la quantité d'harmoniques. Les harmoniques d'ordre supérieur se combinent à la fréquence fondamentale pour créer une forme d'onde résultante, qui peut être mesurée par un analyseur de qualité de puissance. L'analyse de Fourier, en particulier la transformée de Fourier, est utilisée pour analyser ces formes d'onde.

La transformée de Fourier

La transformée de Fourier est essentielle pour analyser la forme d'onde résultante afin de déterminer les harmoniques présentes. Il convertit une forme d'onde basée sur le temps en informations basées sur la fréquence, décomposant une forme d'onde périodique en une série d'ondes sinusoïdales qui peuvent être additionnées pour reproduire la forme d'onde originale. Cette méthode permet d'identifier la fréquence et l'ampleur des harmoniques présentes sur les lignes, comme indiqué par l'analyseur de qualité de réseau.

[Figure 1 : L'analyse de Fourier décompose une onde déformée en ses harmoniques composantes. Image gracieuseté de SALICRU]

Combinaison de formes d'onde

Les formes d'onde de différentes charges se combinent aux points de jonction de deux fils ou plus, tels que les enroulements d'un transformateur ou un bus commun alimentant plusieurs transformateurs. Lorsque les formes d'onde sinusoïdales se combinent, elles s'additionnent et la forme d'onde résultante est égale à la somme des valeurs individuelles. Si une forme d’onde est positive et l’autre négative mais de valeur égale, elles s’annulent. Par exemple, si deux formes d'onde de courant sont exactement déphasées, l'une étant de +10 A et l'autre de -10 A, le courant résultant à cet instant est égal à 0.

Jean Baptiste Joseph Fourier a développé le concept de l'analyse de Fourier, transformant les signaux variant dans le temps avec des harmoniques en leurs composantes de fréquence.

Lorsque deux formes d'onde de courant sont déphasées mais ne s'annulent pas exactement, la forme d'onde résultante aura une valeur non nulle. Par exemple, une alimentation à découpage (SMPS) consomme du courant par impulsions, séparées les unes des autres. Si une forme d'onde est décalée de 60° par rapport à l'autre et qu'elles sont ajoutées, le résultat présente deux pics pour chaque pic de la forme d'onde d'origine. Ce type de décalage et de recombinaison se produit dans les transformateurs dotés d'enroulements standard en triangle-étoile ou en étoile-zigzag, conduisant à l'annulation des harmoniques triples.

[Figure 2: Waveforms add together at a wiring junction, with a 60° phase shift canceling triplen harmonics.]

Combining the waveform created by a delta-wye or a wye-zigzag transformer with two other appropriately phase-shifted waveforms creates a new waveform that cancels the 5th, 7th, 17th, and 19th harmonics in addition to the triplen harmonics. This additional phase shift can be achieved with delta-zigzag transformers in parallel with wye-zigzag or delta-wye transformers, visible at the power busbar upstream of the transformer pair.

[Figure 3: Further waveform shifts cancel higher-order harmonics.]

However, if the load on a transformer changes, the waveforms become unbalanced and do not cancel. Although additional phase shifts can be designed to eliminate more harmonics, the benefits are minimal. The transformer bank would need modifications with every load change, which is impractical as loads can vary frequently, such as when computers are turned on or off, or the load on a variable-speed motor drive changes.

Practical Solutions for Harmonics

To practically manage harmonics in power systems, using active harmonic filters (AHF) can be an effective solution. Unlike passive filters, AHFs can adapt to changes in the system and provide real-time filtering of harmonic distortions. They work by injecting currents that cancel out the harmonic components, ensuring a clean power supply.

Furthermore, regular monitoring and maintenance of the power system are crucial. Using power quality analyzers helps in continuously assessing the harmonic levels and identifying potential issues before they cause significant damage. By combining advanced technologies like AHFs with proactive system management, harmonics can be effectively controlled, ensuring the reliability and efficiency of power distribution systems.

YT Solution: YTPQC-AHF

An Active Harmonic Filter (AHF) is an essential component in modern power systems, especially in industrial and commercial settings. YT Electric's Active Harmonic Filter is an advanced power quality solution designed to eliminate harmonics and reactive power in the power system, thereby improving power quality, reducing equipment wear, and lowering maintenance costs.

Key Features

Harmonic Suppression: The Active Harmonic Filter can detect and suppress harmonic currents in real-time. Harmonics are produced by non-linear loads such as variable frequency drives, rectifiers, and computer equipment. These harmonics can cause overheating, reduced efficiency, and shortened lifespan of electrical equipment.

Compensation de puissance réactive : En plus de la suppression des harmoniques, le filtre harmonique actif de YT Electric fournit également une compensation de puissance réactive. Cela signifie qu'il peut s'adapter dynamiquement aux besoins du système électrique, en fournissant ou en absorbant la puissance réactive selon les besoins. Cela améliore le facteur de puissance, réduit les pertes d’énergie et améliore l’efficacité globale du système électrique.

Qualité de l'énergie améliorée : en atténuant les harmoniques et en compensant la puissance réactive, l'AHF améliore la qualité globale de l'énergie. Cela se traduit par un fonctionnement plus fluide des équipements électroniques sensibles, moins de perturbations et une durée de vie prolongée des équipements. L'amélioration de la qualité de l'énergie signifie également le respect de normes et réglementations internationales strictes, ce qui fait de l'AHF de YT Electric un choix fiable pour les marchés mondiaux.

Évolutivité et flexibilité : l'AHF de YT Electric est conçu pour être évolutif et flexible, s'adaptant à diverses puissances et configurations. Que ce soit pour de petits bâtiments commerciaux ou de grandes installations industrielles, l'AHF peut être personnalisé pour répondre à des besoins spécifiques, garantissant ainsi des performances optimales.

Intégration et maintenance faciles : L'AHF est conçu pour une intégration facile dans les systèmes électriques existants avec un minimum de perturbations. Son interface conviviale et ses diagnostics avancés simplifient la surveillance et la maintenance, réduisant ainsi les temps d'arrêt et les coûts opérationnels.