Qu'est-ce que les transformateurs d'atténuation des harmoniques ?

Qu'est-ce que les transformateurs d'atténuation des harmoniques ?

Les transformateurs d'atténuation des harmoniques (HMT) sont des dispositifs électriques spécialisés conçus pour réduire le gaspillage d'énergie en minimisant les pertes causées par les distorsions harmoniques. Ils y parviennent grâce à plusieurs mécanismes :

1. Annulation harmonique triple : en annulant les flux harmoniques homophasés, les HMT empêchent les courants harmoniques triples de circuler dans les enroulements primaires. Cela entraîne une diminution des pertes I2R côté primaire et des courants de Foucault.

2. Réduction harmonique équilibrée : les HMT équipés de plusieurs sorties sont capables d'annuler les composants équilibrés des harmoniques d'ordre supérieur comme la 5ème et la 7ème dans leurs enroulements secondaires. Seules les harmoniques résiduelles déséquilibrées atteignent les enroulements primaires, entraînant une réduction des pertes.

3. Haute efficacité aux fréquences fondamentales et harmoniques : Certaines conceptions HMT maintiennent une efficacité élevée non seulement aux fréquences standard de 60 Hz, mais également aux fréquences harmoniques. Les modèles conformes aux normes Energy Star satisfont aux minimums d'efficacité NEMA TP-1 à une charge de 35 %, en réduisant les pertes dans le noyau pour augmenter l'efficacité sous des charges légères. Les HMT de la série Harmony™ conformes à Energy Star de Mirus sont conçus pour répondre aux efficacités minimales NEMA TP-1 sur toute la plage opérationnelle de 35 % à 65 % de charge.

Figure 1 : Pertes du transformateur de 75 kVA dans diverses conditions de charge avec profil de charge K-9 non linéaire.

Économies d'énergie démontrées :

Un exemple fourni dans la figure ci-dessus présente les économies potentielles réalisées en utilisant des HMT au lieu de transformateurs conventionnels ou classés K. Un transformateur de 75 kVA a été analysé dans différentes conditions de charge avec un profil de charge K-9 non linéaire, typique des environnements à forte utilisation d'équipements informatiques (Ithd = 83 %). Le graphique compare les pertes entre un transformateur triangle-étoile conventionnel (Conv), un transformateur triangle-étoile classé K-13 et un HMT Harmony-1E™ à sortie unique conforme à Energy Star.

Figure 2 : Efficacité énergétique de différents types de transformateurs de 75 kVA alimentant des charges linéaires (K-1) et non linéaires (K-9) dans différentes conditions de charge.

Impact du chargement non linéaire sur l'efficacité :

Cette figure illustre en outre comment la charge non linéaire affecte l'efficacité du transformateur. Il compare les performances de différents transformateurs dans des conditions de charge linéaires (K-1) et non linéaires (K-9). L'efficacité chute considérablement pour les transformateurs conventionnels et K-13 sous charge non linéaire, en particulier à des charges plus élevées.

Estimation des économies d'énergie :

Pour quantifier les économies d'énergie grâce à la réduction des pertes harmoniques, il faut prendre en compte le tarif du service public d'électricité et le profil de fonctionnement de la charge. Ces facteurs peuvent varier considérablement en fonction de l’emplacement et de l’application. Le tableau 1 montre les économies d'énergie en comparant un HMT de 75 kVA à un transformateur K-13 dans un bureau doté d'un équipement informatique étendu.

 Estimation des économies d'énergie et du retour sur investissement d'un HMT comparant un HMT de 75 kVA à un transformateur K-13 dans un environnement de bureau typique avec une forte concentration d'équipements informatiques

Calcul des économies annuelles :

En supposant un fonctionnement 12 heures par jour, 260 jours par an, avec un tarif moyen de 0,07 $ par kWh, et en tenant compte de l'énergie de refroidissement supplémentaire nécessaire pour dissiper la chaleur générée par le transformateur (estimée à 30 % à 40 % de la puissance perdue), les économies annuelles peuvent être calculées comme suit :

Consommation annuelle = (Pertes totales en kW) x (heures/jour) x (jours/an) + (perte NL en kW) x (24 – heures/jour) x (365 – jours/an)) $/an Économies = (Consommation annuelle H1E – Consommation annuelle K13) x 1,35 x (tarif en $/kWh)

Analyse du retour sur investissement :

Sur la base des coûts du transformateur et en supposant une durée de vie de 30 à 40 ans, la prime payée pour un HMT Harmony-1E peut être récupérée plusieurs fois grâce aux seules économies d'énergie. Les périodes de récupération sont généralement de 1 à 4 ans pour un chargement compris entre 50 % et 65 %.

Exemple supplémentaire :

Le tableau 2 présente un scénario pour une installation de diffusion ou un centre de données avec un contenu harmonique plus faible (profil de charge K4), fonctionnant 24 heures sur 24, 365 jours par an. Avec le transformateur placé dans une zone climatisée, la période d'amortissement devient encore plus courte, ce qui rend l'investissement dans les HMT particulièrement attractif dans de telles applications.

Tableau 2 : économies d'énergie et estimation du retour sur investissement d'un HMT comparant un HMT de 75 kVA à un transformateur K-13 dans une installation de radiodiffusion ou un centre de données typique

En conclusion, la capacité intrinsèque des HMT à annuler les courants harmoniques dans leurs enroulements se traduit par des économies d'énergie mesurables par rapport aux pertes plus élevées encourues avec les transformateurs conventionnels ou de classe K. Si l'on considère le coût moyen des transformateurs HMT par rapport aux transformateurs K-13, la période de récupération typique des économies d'énergie est de 1 à 4 ans lorsque la charge devrait être comprise entre 50 % et 65 %.