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Comment réduire la distorsion harmonique dans les systèmes VFD
Les variateurs de fréquence (VFD) aident les usines à contrôler la vitesse des moteurs et à réduire la consommation d'énergie. Cependant, ils peuvent également introduire une distorsion harmonique dans le réseau électrique. Lorsque plusieurs variateurs fonctionnent ensemble, ces harmoniques peuvent accroître l'échauffement des transformateurs, surcharger les câbles et affecter les équipements sensibles.
La réduction de la distorsion harmonique dans les VFD commence par la compréhension de la manière dont les variateurs génèrent les harmoniques, la mesure de la distorsion réelle et la sélection de la méthode de filtrage correcte. Ce guide explique les causes, les risques et les solutions pratiques pour les systèmes électriques industriels.
La plupart des VFD standard utilisent un redresseur pour convertir l'alimentation CA entrante en courant continu (CC). Un onduleur convertit ensuite la tension CC en courant alternatif (CA) à fréquence variable pour contrôler le moteur.
Le problème commence au niveau du redresseur. Un VFD à six impulsions typique consomme du courant par impulsions courtes au lieu d'une onde sinusoïdale lisse. Cela crée des courants harmoniques qui refluent dans l'alimentation électrique.
Les harmoniques les plus fréquents produits par les variateurs à six impulsions sont les 5e, 7e, 11e et 13e ordres. Leur amplitude dépend de la conception du variateur, de l'impédance d'alimentation et des conditions de fonctionnement.
À mesure que d'autres VFD sont installés, le courant harmonique combiné peut devenir un problème sérieux de qualité de l'énergie.
La distorsion harmonique affecte bien plus que les variateurs eux-mêmes. Elle peut augmenter les pertes électriques et exercer une contrainte supplémentaire sur les équipements connectés au même réseau.
Les problèmes courants incluent :
Surchauffe du transformateur : les courants harmoniques augmentent les pertes dans les enroulements et les pertes vagabondes.
Pannes de batteries de condensateurs : les harmoniques peuvent provoquer un courant excessif, en particulier près des conditions de résonance.
Échauffement des câbles : un courant RMS plus élevé augmente les pertes par effet Joule dans les conducteurs.
Déclenchements de disjoncteurs : les courants perturbés peuvent contribuer à des problèmes de protection.
Distorsion de tension : les courants harmoniques circulant à travers l'impédance du système déforment la tension d'alimentation.
Ces effets dépendent des niveaux harmoniques et de la conception du système électrique. Une valeur THDi élevée ne signifie pas automatiquement des dommages matériels, mais elle signale la nécessité d'une investigation plus approfondie.
Avant d'installer un filtre, les ingénieurs doivent mesurer la distorsion harmonique à l'aide d'un analyseur de qualité de l'énergie.
L'analyseur doit enregistrer le courant fondamental, les courants harmoniques individuels, la distorsion harmonique totale et la distorsion de tension. Les mesures doivent couvrir la production normale et les conditions de fonctionnement de pointe.
Deux valeurs importantes sont :
THDi : distorsion harmonique totale du courant, exprimée en pourcentage du courant fondamental.
THDv : distorsion harmonique totale de la tension, exprimée en pourcentage de la tension fondamentale.
Par exemple, un départ de VFD avec un courant fondamental de 200 A et un THDi de 35 % transporte environ 70 A de courant harmonique combiné.
Cette mesure aide les ingénieurs à déterminer la quantité de compensation nécessaire.
Plusieurs technologies peuvent réduire la distorsion harmonique. Le meilleur choix dépend du nombre de variateurs, de leurs profils de fonctionnement et des limites harmoniques requises.
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Solution |
Comment cela fonctionne |
Meilleure application |
|---|---|---|
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Inductance de ligne CA |
Ajoute une impédance pour réduire les pics de courant |
VFD individuels |
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Inductance de bus CC |
Lisse le courant dans le circuit CC |
Variateurs aux conceptions compatibles |
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Filtre harmonique passif |
Utilise des composants électriques accordés pour réduire des harmoniques sélectionnés |
Charges relativement stables |
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Injecte un courant harmonique de compensation |
VFDs multiples et charges variables |
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Entraînement à faibles harmoniques ou à pont actif |
Utilise un étage d'entrée amélioré pour réduire les harmoniques |
Nouvelles installations avec des limites strictes |
Les inductances de ligne AC comptent parmi les moyens les plus simples de réduire la distorsion harmonique dans les VFDs.
Elles limitent les impulsions de courant aiguës tirées par le redresseur. Une impédance d'inductance couramment utilisée est d'environ 3 %, bien que la valeur correcte dépende de l'entraînement et du système.
Les inductances de ligne réduisent le courant harmonique mais ne l'éliminent pas. Elles conviennent souvent lorsqu'une réduction harmonique modérée suffit.
Les selfs de liaison DC aident à lisser le courant à l'intérieur du VFD.
Elles peuvent réduire la distorsion harmonique d'entrée sans nécessiter de filtre externe séparé. Cependant, leur efficacité dépend de la conception de l'entraînement et des conditions de fonctionnement.
Tous les VFDs ne prennent pas en charge une self DC externe, il faut donc vérifier la compatibilité.
Les filtres passifs utilisent des inductances et des condensateurs pour réduire certaines fréquences harmoniques sélectionnées.
Ils peuvent offrir une réduction harmonique efficace lorsque les charges restent relativement stables. Cependant, leurs performances dépendent de l'impédance du système et des conditions de fonctionnement.
Les ingénieurs doivent également prendre en compte les risques de résonance avant d'installer des filtres passifs.
Un filtre harmonique actif mesure le courant harmonique et injecte un courant opposé pour compenser la distorsion.
Contrairement aux filtres passifs, un AHF peut ajuster sa sortie à mesure que la charge du VFD change. Cela le rend utile pour les usines dotées de plusieurs entraînement fonctionnant à des vitesses différentes.
Un AHF dimensionné correctement peut réduire considérablement la distorsion harmonique. Cependant, le résultat final dépend du spectre harmonique, de la capacité de filtrage disponible et des conditions d'installation.
Pour les nouvelles installations, les VFDs à faibles harmoniques ou les entraînements à pont actif peuvent offrir une autre solution.
Ces entraînement utilisent des technologies d'entrée conçues pour réduire le courant harmonique. Ils peuvent être efficaces là où des performances harmoniques strictes sont requises.
Cependant, leur coût initial plus élevé doit être comparé aux solutions de filtrage externe.
Le dimensionnement correct d'un filtre commence par le courant harmonique mesuré, et non par la puissance du moteur seule.
Le calcul de base est le suivant :
Où :
\(I_H\) = courant harmonique total
\(I_1\) = courant fondamental
THDi = pourcentage de distorsion harmonique du courant
Considérons une usine de fabrication avec un courant d'alimentation fondamental de 400 A et un THDi mesuré de 30 %.
Le courant harmonique est :
Le système transporte donc environ 120 A de courant harmonique combiné.
Un filtre évalué à environ 120 A pourrait théoriquement compenser ce courant dans les conditions mesurées. Cependant, la sélection finale doit tenir compte de la distorsion cible, du spectre harmonique, de la charge de pointe et de l'expansion future.
Pour un dimensionnement précis, les ingénieurs doivent consulter les spécifications de compensation du fabricant et les mesures complètes de la qualité de l'énergie.
IEEE 519 fournit des limites recommandées pour la distorsion harmonique au point de couplage commun (PCC).
Une erreur courante consiste à supposer que chaque variateur de vitesse (VFD) doit atteindre un THDi inférieur à 5 %.
En réalité, la norme IEEE 519 évalue la distorsion du courant à l'aide de la distorsion globale de demande (TDD). Les limites applicables dépendent du rapport entre le courant de court-circuit disponible et le courant de charge maximal demandé au niveau du PCC.
Les limites de distorsion de tension sont également prises en compte.
Par conséquent, l'obtention de la conformité IEEE 519 nécessite des mesures au bon endroit, et non pas simplement la vérification du THDi affiché sur un VFD.
Plusieurs erreurs peuvent réduire l'efficacité d'un projet d'atténuation des harmoniques.
La première consiste à sélectionner un filtre en utilisant uniquement le courant assigné du VFD. Le courant harmonique varie en fonction de la charge du variateur et de la conception de l'entrée.
Une autre erreur consiste à mesurer la distorsion lorsque la production tourne à faible capacité. Les résultats peuvent ne pas représenter les conditions de fonctionnement de pointe.
Les ingénieurs doivent également éviter d'installer des batteries de condensateurs sans vérifier la résonance harmonique. Les condensateurs peuvent interagir avec l'inductance du réseau et amplifier certains courants harmoniques.
Enfin, l'installation d'un filtre actif d'harmoniques (AHF) au mauvais endroit peut laisser certaines parties du réseau électrique exposées à des courants harmoniques indésirables.
Les VFD standard à six impulsions produisent généralement des courants harmoniques de rang 5, 7, 11 et 13. Leurs niveaux réels dépendent du variateur et du système électrique.
Oui, cela peut être réalisable avec un dimensionnement et une installation corrects. Cependant, les performances dépendent de la distorsion existante, des conditions de fonctionnement et de la capacité du filtre.
Non. Le besoin de filtrage dépend de la distorsion mesurée, de la robustesse du système, de la sensibilité des équipements et des exigences applicables.
Les inductances de ligne peuvent offrir une réduction utile des harmoniques, mais elles peuvent ne pas atteindre des objectifs stricts de distorsion. Un filtrage supplémentaire peut être nécessaire.
Un AHF peut être installé sur un tableau de distribution principal ou à proximité d'un groupe de VFD. Le meilleur emplacement dépend des sources harmoniques et du point où la compensation est requise.
La réduction de la distorsion harmonique dans les VFD exige plus que l'installation d'un filtre. Les ingénieurs doivent d'abord mesurer le courant harmonique, identifier les principales sources et comprendre les performances requises.
Les inductances de ligne et les selfs CC offrent des solutions pratiques pour une distorsion modérée. Les filtres passifs fonctionnent bien dans les applications à charge stable appropriées, tandis que les filtres actifs d'harmoniques offrent une compensation flexible pour les charges industrielles changeantes.
Pour les installations exploitant de multiples VFD, une mesure correcte et un bon dimensionnement des filtres peuvent réduire les contraintes électriques, améliorer la fiabilité et faciliter la conformité à la norme IEEE 519.
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