Comment calculer et sélectionner la capacité d’un filtre harmonique actif ?

La détermination de la capacité d’un AHF (Filtre Actif de Puissance) est l’étape la plus critique lors de la sélection. Une capacité insuffisante entraînera une mauvaise compensation, voire une surcharge et des dommages à l’équipement, tandis qu’une capacité excessive entraînera un gaspillage d’investissement. Voici les étapes et méthodes essentielles pour déterminer la capacité d’un APF :

Principe fondamental : La capacité nominale de l’AHF (généralement exprimée en ampères) doit être supérieure ou égale à la valeur efficace de la somme vectorielle des courants harmoniques et des courants réactifs qu’il doit compenser, avec une marge appropriée.

Étapes pour déterminer la capacité de l’AHF

1. Identifier la cible de compensation :

Charge non linéaire unique : par exemple, variateurs de fréquence, fours à induction, gros onduleurs, équipements redresseurs, etc. C’est la situation idéale.

Groupe de charges non linéaires : par exemple, plusieurs variateurs de fréquence sur plusieurs lignes de production.

Ensemble du système de distribution électrique/jeu de barres : Compensation du courant harmonique total généré par toutes les charges sur ce jeu de barres. C’est la situation la plus courante.

2. Obtention des données de courant harmonique :

2.1 Méthode 1 : Mesure réelle (la plus précise, fortement recommandée)

2.11 Utiliser un analyseur de qualité d’énergie professionnel (par exemple, Fluke, Hioki, YOKOGAWA, etc.).

2.12 Effectuer les mesures au point de compensation cible (par exemple, la borne d’entrée de la charge non linéaire, le jeu de barres à compenser).

2.13 Mesurer les paramètres clés :

Valeur efficace du courant fondamental : `I₁` (A)

Taux de distorsion harmonique total : `THDi` (%) – C’est le rapport de la valeur efficace totale du courant harmonique à la valeur efficace du courant fondamental.

Contenu en courant harmonique : `I₅`, `I₇`, `I₁₁`, `I₁₃`, etc. (A ou %) – Comprendre la distribution spectrale est utile pour les stratégies de contrôle et la conception de la capacité de l’AHF, mais `THDi` est principalement utilisé pour calculer la capacité totale.

Conditions de mesure : Les mesures doivent être effectuées dans des conditions de charge harmonique maximale typique. Si les conditions de charge varient considérablement, plusieurs conditions typiques doivent être mesurées et le pire scénario (THDi maximum) doit être enregistré.

Durée : Le temps de mesure doit être suffisamment long pour couvrir le cycle de fonctionnement de la charge.

2.2 Méthode 2 : Estimation théorique (précision moindre, adaptée à la présélection ou lorsque la mesure réelle n’est pas possible)

2.21 Consulter le manuel de l’équipement : Certains manuels d’équipement (tels que les variateurs de fréquence) fournissent le THDi typique du courant d’entrée ou le spectre harmonique.

2.22. Formules empiriques/valeurs typiques :
Redresseur à 6 impulsions (sans réactance) : `THDi` ≈ 30%-50%
Redresseur à 6 impulsions (avec réactance continue) : `THDi` ≈ 30%-40%
Redresseur à 6 impulsions (avec réactance alternative) : `THDi` ≈ 30%-35%
Redresseur à 12 impulsions : `THDi` ≈ 10%-15%

2.23. Onduleur : `THDi` ≈ 25%-40%

2.24. Alimentation à découpage haute fréquence : `THDi` peut être très élevé (>80%), mais la valeur efficace réelle du courant peut ne pas être importante.

2.25. Estimation du courant fondamental : `I₁≈ S / (√3 * U * FP)`. Où `S` est la puissance apparente de la charge (kVA), `U` est la tension de ligne (V), et `FP` est le facteur de puissance de la charge (0,7-0,9 peut être utilisé pour l’estimation). Notez que le facteur de puissance des charges non linéaires est généralement plus faible.

3. Calculer la valeur efficace du courant harmonique à compenser :

Exemple :
Le courant d’entrée mesuré d’un variateur de fréquence I₁ = 100A, THDi = 40%. Alors Ih = 100A * (40 / 100) = 40A. Cela signifie que l’AHF doit fournir au moins 40A de capacité de compensation de courant harmonique.

4. Considérer les besoins de compensation de puissance réactive :

Si l’AHF doit compenser à la fois les harmoniques et la puissance réactive (pour améliorer le facteur de puissance), cette exigence doit être incluse dans le calcul.

Déterminer la valeur efficace du courant réactif à compenser, `Iq` (A) :

`Iq = I₁ * sin(φ)`, où `φ` est l’angle de phase par lequel le courant de charge est en retard sur la tension (`cosφ` est le facteur de puissance).

5. Considération des marges :

5.1 Marge de fluctuation de charge : La charge peut changer et les niveaux harmoniques peuvent momentanément dépasser la valeur mesurée. Il est recommandé d’ajouter une marge de 15 % à 30 %.

5.2 Marge d’extension du système : Tenir compte des futures augmentations potentielles de charge. Il est recommandé d’ajouter une marge de 10 % à 20 % (déterminée selon le plan).

5.3 Marge de capacité propre de l’AHF : Les AHF ont généralement une certaine capacité de surcharge à court terme (par exemple, 150 % de surcharge pendant 1 minute), mais la capacité nominale doit être suffisante pour un fonctionnement continu.

5.4. Application de la marge : Multiplier le courant `Ih` ou `Ic` calculé à l’étape 3 ou 4 par le facteur de marge `K` (par exemple, 1,2 – 1,5).

`I_ahf = Ih * K` (compense uniquement les harmoniques)
`I_ahf = Ic * K` (compense à la fois les harmoniques et la puissance réactive)

6. Détermination finale du courant nominal de l’AHF :

Sur la base du résultat calculé de `I_AHF`, sélectionner un modèle d’AHF avec un courant nominal égal ou légèrement supérieur à `I_ahf`.

Remarque :

La capacité d’un AHF est généralement exprimée en ampères (par exemple, 50A, 100A, 300A).

Parfois, sa capacité de puissance apparente est exprimée en kilovolt-ampères (`S_ahf = √3 * U * I_AHF`). Cependant, le courant est la base de sélection la plus directe.

Le niveau de tension doit correspondre à la tension du système (par exemple, 380V, 400V, 480V, 690V, etc.).

Résumé des considérations clés :

Le courant harmonique est crucial : Mesurer ou estimer avec précision la valeur efficace totale du courant harmonique (`Ih`) au point de compensation cible est fondamental.

Exigences de compensation de puissance réactive : Si une compensation de puissance réactive est requise simultanément, le courant réactif (`Iq`) doit être calculé et synthétisé vectoriellement avec le courant harmonique (`Ic`).

Une marge suffisante est essentielle : Les fluctuations de charge, l’extension du système et les caractéristiques de l’AHF lui-même nécessitent toutes une marge suffisante. Il vaut mieux pécher par excès de marge que par défaut, mais il faut éviter un gaspillage excessif.

La mesure réelle est préférable : Les estimations théoriques comportent des erreurs importantes ; les mesures réelles de la qualité de l’énergie sont fortement recommandées, en particulier sous des charges complexes ou des conditions de fonctionnement variables.

Tension du système : La tension nominale de l’AHF doit correspondre à la tension du système au point d’installation.

Température ambiante : La capacité de l’AHF est généralement calibrée à une température ambiante standard (par exemple, 40°C). Si la température ambiante d’installation est plus élevée, il peut être nécessaire d’envisager un déclassement ou la sélection d’un modèle de plus grande capacité. Topologie de l’AHF : L’AHF parallèle est le plus courant, et sa capacité est déterminée comme décrit ci-dessus. D’autres types (tels que série et hybride) ont des principes de détermination de capacité similaires, mais l’accent peut différer.

Consultation du fabricant : Informez le fournisseur d’AHF de vos données de mesure, des conditions de charge et des exigences ; ils fourniront généralement des conseils et des calculs de sélection professionnels.

Résumé de la formule simple (compensation harmonique uniquement)

`Courant nominal de l’AHF (I_ahf) ≥ [Valeur efficace du courant fondamental (I₁) × Distorsion harmonique totale (THDi%) / 100] × (1 + Facteur de marge)`

Exemple : Pour un jeu de barres de distribution 380V, dans les conditions de fonctionnement maximales mesurées :

`I₁ = 800A` `THDi = 25%`

Seule une compensation harmonique est nécessaire ; le facteur de puissance cible est acceptable. En considérant une marge de fluctuation de charge de 20 % et une marge d’extension de 10 %, le facteur de marge total `K = 1,3`
Calcul : `Ih = 800A * (25 / 100) = 200A`
`I_ahf = 200A * 1,3 = 260A`
Sélection : Choisir un AHF parallèle 380V avec un courant de compensation nominal non inférieur à 260A (par exemple, un modèle 300A).

En suivant les étapes et méthodes ci-dessus, et en prenant soin de