La génération et l’impact des problèmes harmoniques

La génération et l’impact des problèmes harmoniques

Les harmoniques dans les systèmes électriques sont causées par des composants non linéaires qui déforment l’onde sinusoïdale du courant électrique. À mesure que l’électronique de puissance devient plus courante, la distorsion de tension, ou harmoniques, augmente également. Les appareils tels que les variateurs de fréquence (VFD), les alimentations sans coupure (UPS) et les onduleurs introduisent différents types d'harmoniques dans le système. Ces harmoniques peuvent entraîner des problèmes tels que des pannes d’appareils, une surchauffe et une durée de vie plus courte de l’équipement. L’utilisation de filtres anti-harmoniques peut aider à réduire ou éliminer ces harmoniques nocives avant qu’elles ne causent des dommages.

Comprendre les harmoniques dans les systèmes d'alimentation électrique

Les courants harmoniques résultent du comportement non linéaire des appareils électriques. Ces courants, et les tensions harmoniques qu’ils provoquent, proviennent de diverses sources dont la taille peut varier considérablement. Historiquement, les appareils comme les transformateurs ou les générateurs étaient d’importantes sources d’harmoniques. Aujourd’hui, avec l’accent mis sur l’efficacité énergétique, la réduction des harmoniques reste importante pour de nombreuses industries, comme celles du traitement de l’eau, du pétrole et du gaz.

De nombreuses installations doivent répondre à des normes opérationnelles et environnementales strictes, et fonctionnent souvent 24h/24 et 7j/7. La plupart des problèmes d’alimentation électrique au sein de ces installations proviennent de la centrale elle-même. Les harmoniques, qui sont courantes dans ces systèmes, peuvent provoquer des désagréments mineurs jusqu'à de graves pannes d'équipement. Filtrer ces harmoniques, que ce soit par des solutions actives ou passives, est crucial pour améliorer les performances des équipements et garantir la fiabilité du système électrique de l'installation.

IEEE 519-2014 et filtrage des harmoniques

La norme IEEE 519-2014 est une ligne directrice largement reconnue qui spécifie les niveaux maximaux autorisés de distorsion de courant et de tension au point de couplage commun (PCC). Ces limites dépendent de la charge du système et du courant de court-circuit.

L'utilisation de filtres et de réacteurs d'harmoniques passifs et actifs ECOsine® dans le système électrique peut réduire les harmoniques à des niveaux conformes à la plupart des normes internationales. Ces filtres contribuent à réduire la charge sur les lignes et les transformateurs en amont des charges non linéaires, ce qui réduit les pertes du système et les températures de fonctionnement. Ils améliorent également le facteur de puissance, le maintenant proche de l'unité même lorsque la charge n'est pas à pleine capacité.

Impact des harmoniques sur l'équipement

Les variateurs de fréquence sont couramment utilisés pour contrôler les moteurs à courant alternatif dans diverses applications telles que les pompes, les ventilateurs et les systèmes CVC. Ces onduleurs utilisent souvent des techniques de commutation de semi-conducteurs à grande vitesse qui peuvent créer des problèmes d'harmoniques.

Les applications à haute puissance telles que les fours à arc et les équipements de soudage génèrent également une distorsion harmonique importante en raison de leur fonctionnement non linéaire. Cela peut entraîner des modèles harmoniques inhabituels et des défis pour le système électrique.

Sensitive electronic components, such as those in CNC machines, are particularly vulnerable to power system imperfections caused by harmonics. These issues can lead to equipment malfunctions, production delays, and quality problems, which can have financial consequences for the company.

Variable speed drives, often used in pumps and fans, contribute to harmonic distortion, which can overload the electrical infrastructure and cause malfunctions in sensitive equipment. In water treatment facilities, powerful VFD-driven air compressors can create high levels of harmonic distortion, leading to serious problems.

Harmonics can severely impact the electrical power network, leading to failed components, tripped breakers, blown fuses, overheating, insulation breakdown, and reduced equipment lifespan. These issues can cause production downtime and costly repairs, reducing company profits.

To fully understand and address harmonic issues, a site survey or engineering study may be needed. Many facilities follow the IEEE 519-2014 guidelines to ensure acceptable distortion levels. Reviewing the entire system, including any planned or new equipment, is essential for effective harmonic mitigation.

Passive Harmonic Filters

One way to reduce harmonics is by using passive harmonic filters. These filters are usually installed on a one-to-one basis, with one filter for each VFD. In some cases, a larger filter can handle multiple drives.

The best place to eliminate harmonics is directly at the source—the individual nonlinear load. A passive filter provides a low-resistance path for harmonic currents, significantly reducing the harmonics in the electrical system. This helps the system draw cleaner, sinusoidal current from the power source.

Installing passive harmonic filters immediately benefits the system by reducing harmonic amplitudes, lowering losses, and improving equipment efficiency and reliability. These filters also help maximize the capacity of the electrical system.

Passive filters can reduce total harmonic current distortion to acceptable levels, meeting IEEE 519 standards. They are designed to perform well under both full and partial load conditions.

Passive filters come in two types: those reducing total harmonic distortion to less than 5% (THDi) and those reducing it to 7-10% THDi. While IEEE 519 is often , sometimes a 7% or 8% improvement is sufficient for the end user. Generally, passive filters are more economical than active filters but may not address a wide range of harmonics.

Active Harmonic Filters

Another method to reduce harmonics is using active harmonic filters (AHF). These devices monitor the nonlinear load and dynamically inject a counter-current to cancel out harmonics. This keeps the current supplied by the power source sinusoidal and reduces harmonic distortion to below 5% THDi, meeting standards.

Les AHF sont conçus pour s'adapter rapidement aux changements de charge, en gérant les harmoniques jusqu'au 50ème ordre. Ils fonctionnent sur une large gamme de fréquences, s’ajustant selon les besoins au spectre harmonique.

En plus de réduire les harmoniques, les filtres d'harmoniques actifs peuvent améliorer le facteur de puissance en compensant le courant réactif. Ils équilibrent également les charges de phase. Les AHF sont compacts, efficaces et peuvent être installés à n’importe quel point d’un réseau CA basse tension. Ils offrent plus de fonctionnalités que les filtres passifs, ce qui les rend adaptés à diverses applications.

Les AHF sont polyvalents et peuvent être utilisés pour des charges non linéaires uniques ou multiples. Ils sont particulièrement utiles dans les environnements où les méthodes traditionnelles de correction du facteur de puissance sont insuffisantes en raison d'un contenu harmonique élevé.

Exemple d'application de filtre actif

Dans une application, un équipement de correction du facteur de puissance a subi des pertes dues aux harmoniques. L'installation d'un AHF avec un courant de compensation de 500 A a fourni le soulagement électrique et thermique nécessaire, amélioré la qualité de l'énergie et permis d'ajouter un générateur de secours. La capacité de l'AHF à s'adapter aux conditions changeantes du réseau et de la charge a assuré le fonctionnement continu de la station d'épuration des eaux usées.

Pensées finales

Après avoir identifié les problèmes harmoniques, il est important d’examiner et de mettre en œuvre la bonne solution. Compte tenu des nombreux problèmes causés par les harmoniques, comme les pannes d'équipement, les coûts de maintenance et les temps d'arrêt de production, la tenue d'un registre de ces coûts peut aider à justifier l'investissement dans des équipements d'atténuation et à calculer le retour sur investissement (ROI).