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Pourquoi les variateurs de fréquence provoquent une distorsion harmonique
Les variateurs de fréquence sont largement utilisés dans les usines modernes. Ils contrôlent la vitesse des moteurs, améliorent la maîtrise des processus et rendent de nombreux systèmes plus économes en énergie.
Cependant, les variateurs de fréquence créent également une distorsion harmonique.
Le problème vient de la manière dont les variateurs de fréquence absorbent le courant des alimentations électriques. Ils ne prélèvent pas le courant sous forme d'onde sinusoïdale régulière. Ils prélèvent le courant sous forme de courtes impulsions.
Ces impulsions de courant créent des fréquences supplémentaires dans le réseau électrique. Cela augmente la distorsion harmonique totale THD et réduit la qualité de l'énergie.
Un seul variateur de fréquence peut ne pas créer de problème majeur. Un grand groupe de variateurs de fréquence peut créer une distorsion harmonique importante dans toute l'installation.
Cet article explique pourquoi les variateurs de fréquence provoquent une distorsion harmonique, comment les harmoniques des VFD affectent les alimentations électriques industrielles et comment un filtre harmonique actif peut réduire la distorsion harmonique totale THD.
Les variateurs de fréquence contrôlent la vitesse et le couple des moteurs électriques.
Ils modifient la fréquence et la tension fournies au moteur. Cela permet au moteur de fonctionner à la vitesse requise par le processus.
Les variateurs de fréquence sont courants dans :
Ces systèmes deviennent plus économes en énergie car le moteur ne fonctionne pas toujours à pleine vitesse.
Pour cette raison, les variateurs de fréquence font désormais partie intégrante de l'automatisation industrielle.
L'avantage est évident. Le défi est la distorsion harmonique.
La plupart des variateurs de fréquence utilisent un redresseur à l'étage d'entrée.
Le redresseur convertit l'alimentation CA en alimentation CC. L'onduleur convertit ensuite l'alimentation CC en alimentation CA contrôlée pour le moteur.
Pendant ce processus, les variateurs de fréquence prélèvent le courant sous forme d'impulsions.
La forme d'onde du courant n'est plus régulière. Elle devient déformée.
Cette distorsion crée des courants harmoniques au-dessus de la fréquence principale d'alimentation. Ces courants harmoniques circulent dans les câbles, les transformateurs, les appareillages de commutation et les alimentations électriques.
Le résultat est une distorsion harmonique totale THD plus élevée.
Les variateurs de fréquence sont des charges non linéaires. Les charges non linéaires n'absorbent pas le courant avec la même forme que la forme d'onde de tension.
C'est la principale raison pour laquelle les variateurs de fréquence créent une distorsion harmonique.
La distorsion harmonique totale THD indique dans quelle mesure la forme d'onde électrique diffère d'une onde sinusoïdale propre.
Un faible niveau de distorsion harmonique totale THD signifie que la forme d'onde est proche de la normale.
Un niveau élevé de distorsion harmonique totale THD signifie que les courants harmoniques affectent le réseau électrique.
Les ingénieurs mesurent souvent :
Les variateurs de fréquence créent généralement d'abord une distorsion du courant. Ce courant déformé peut ensuite affecter la qualité de la tension dans l'ensemble du système.
C'est pourquoi la distorsion harmonique totale THD doit être mesurée au point principal de distribution et à proximité des charges importantes.
Les harmoniques des VFD ne restent pas à l'intérieur du variateur.
Elles refluent dans les alimentations électriques et affectent les autres équipements connectés au même réseau.
Cela peut créer plusieurs problèmes.
Les courants harmoniques augmentent les pertes à l'intérieur des transformateurs.
Le transformateur transporte plus de courant RMS que prévu. Cela génère plus de chaleur dans les enroulements et le noyau.
Une distorsion harmonique totale (THD) élevée peut provoquer :
Un transformateur peut fonctionner en dessous de sa charge nominale et malgré tout chauffer trop.
La chaleur supplémentaire peut provenir de la distorsion harmonique et non d'une surcharge normale.
Les courants harmoniques circulent également dans les câbles et les appareillages de commutation.
Cela augmente les pertes électriques et la température.
Le résultat peut inclure :
Les alimentations avec de nombreux variateurs de fréquence nécessitent souvent un examen complet de la qualité de l'énergie.
De nombreuses usines utilisent des bancs de condensateurs pour la correction du facteur de puissance.
Les bancs de condensateurs peuvent mal réagir dans les systèmes présentant une forte distorsion harmonique.
Les courants harmoniques peuvent augmenter le courant traversant le banc de condensateurs. Dans certains cas, le banc de condensateurs peut interagir avec le système et créer une résonance harmonique.
Cela peut provoquer :
Un banc de condensateurs ne supprime pas les harmoniques des VFD.
C'est pourquoi les installations avec de nombreux variateurs de fréquence devraient vérifier les niveaux d'harmoniques avant d'ajouter ou de remplacer un banc de condensateurs.
Les variateurs de fréquence améliorent le contrôle des moteurs. Cependant, une forte distorsion harmonique peut encore affecter l'ensemble du système électrique.
D'autres moteurs, relais, automates programmables (PLC) et systèmes de contrôle peuvent subir :
L'installation peut continuer à fonctionner, mais la fiabilité des équipements se dégrade.
Les variateurs de fréquence sont économes en énergie car ils réduisent la vitesse inutile des moteurs.
Une pompe ou un ventilateur n'a souvent pas besoin de fonctionner à pleine puissance toute la journée. Les variateurs de fréquence permettent au moteur de s'adapter à la demande réelle du processus.
Cela réduit la consommation d'énergie.
Cependant, un équipement économe en énergie peut encore générer une distorsion harmonique.
Efficacité énergétique et qualité de l'électricité ne sont pas la même chose.
Un variateur de fréquence peut réduire la consommation d'énergie active tout en augmentant la distorsion harmonique totale (THD).
Cela signifie qu'une bonne conception industrielle doit prendre en compte les deux aspects :
Ignorer un aspect peut réduire la valeur de l'autre.
La distorsion harmonique n'est pas toujours facile à détecter.
Une installation peut présenter des harmoniques VFD pendant des mois avant qu'une panne claire n'apparaisse.
Les signes d'alerte courants incluent :
Ces signes ne prouvent pas toujours que les variateurs de fréquence sont la cause.
La mesure reste nécessaire.
Une seule lecture de courant ne suffit pas.
Les ingénieurs doivent utiliser un analyseur de qualité de l'électricité pour mesurer l'état réel du système électrique.
Les valeurs importantes incluent :
La mesure doit couvrir différentes périodes de fonctionnement.
Certains variateurs de fréquence peuvent fonctionner uniquement pendant les périodes de production maximale. D'autres peuvent s'arrêter pendant les faibles charges.
Le niveau d'harmoniques peut changer au cours de la journée.
Une étude correcte doit capturer ces changements.
Les filtres passifs peuvent réduire certains ordres d'harmoniques sélectionnés.
Ils peuvent être efficaces lorsque la charge reste stable et que le profil harmonique est prévisible.
Le problème est que de nombreuses usines modernes n'ont pas de charges stables.
Les variateurs de fréquence démarrent, s'arrêtent et changent de vitesse. La demande de production change également.
Cela modifie le courant harmonique.
Un filtre passif fixe peut ne pas correspondre à toutes les conditions de fonctionnement.
Il peut également créer des problèmes d'accord ou de résonance si le système électrique change.
Pour les charges dynamiques, une solution plus flexible peut être nécessaire.
Un filtre harmonique actif mesure les courants harmoniques en temps réel.
Il injecte ensuite un courant opposé dans le système électrique.
Ce courant de compensation annule le courant harmonique indésirable.
Le filtre harmonique actif s'ajuste lorsque la charge change.
Cela le rend adapté aux installations comportant de nombreux variateurs de fréquence.
Un filtre harmonique actif peut aider à :
Contrairement à un filtre passif fixe, un filtre harmonique actif suit la condition harmonique réelle.
Cela est utile dans les usines où les variateurs de fréquence fonctionnent à différentes vitesses et différents niveaux de charge.
Les filtres harmoniques actifs sont souvent utilisés dans :
Ces sites utilisent souvent de nombreux variateurs de fréquence et d'autres charges non linéaires.
Le filtre harmonique actif est normalement installé près de la principale source d'harmoniques ou au point principal de distribution.
Le meilleur emplacement dépend de la conception du système.
Le filtre harmonique actif doit être sélectionné à partir du courant harmonique mesuré.
Il ne doit pas être sélectionné uniquement à partir de la puissance totale des moteurs.
Les ingénieurs doivent vérifier :
Un dimensionnement correct est important.
Un filtre harmonique actif sous-dimensionné peut ne pas réduire suffisamment la distorsion harmonique.
Une unité surdimensionnée peut augmenter le coût du projet sans apporter de valeur supplémentaire.
La solution correcte commence par des données réelles sur la qualité de l'énergie.
Les variateurs de fréquence sont essentiels pour l'industrie moderne.
Ils améliorent la commande des moteurs et rendent de nombreux systèmes plus économes en énergie.
Cependant, les variateurs de fréquence sont des charges non linéaires. Ils absorbent le courant sous forme d'impulsions et créent une distorsion harmonique.
Un taux élevé de distorsion harmonique totale THD peut affecter les transformateurs, les câbles, les batteries de condensateurs, les appareillages de commutation et les alimentations électriques industrielles.
La solution n'est pas de supprimer les variateurs de fréquence.
La solution consiste à contrôler les harmoniques des VFD.
Une étude appropriée de la qualité de l'énergie doit mesurer la distorsion harmonique totale (THD), les conditions de charge et le courant harmonique.
Lorsque la charge change souvent, un filtre harmonique actif peut fournir une atténuation des harmoniques en temps réel.
Cela contribue à protéger les équipements, à améliorer la qualité de l'énergie et à maintenir un fonctionnement fiable dans les installations qui dépendent de variateurs de fréquence.
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