Stratégies d’amélioration de la qualité de l’énergie pour les systèmes de charge à variateur de fréquence (VFD)

Bien que les variateurs de fréquence (VFD) apportent commodité et efficacité à la production automatisée, ils introduisent également une pollution harmonique dans les systèmes d’alimentation électrique, en particulier dans les systèmes à forte densité de VFD. L’amélioration de la qualité de l’énergie est un problème critique et complexe. Les VFD génèrent des courants harmoniques, provoquant des fluctuations de tension, une distorsion de tension et potentiellement des interférences électromagnétiques, affectant leur propre fonctionnement et celui d’autres équipements sensibles. Voici les principales stratégies pour améliorer la qualité de l’énergie dans de tels systèmes :

Stratégie centrale : Gestion globale (Combinaison de plusieurs mesures)

1. Atténuation des harmoniques :

Filtres passifs :

Principe : Un circuit accordé LC composé d’inductances, de condensateurs et de résistances offre un chemin à faible impédance pour des harmoniques spécifiques (par exemple, les 5e, 7e, 11e et 13e harmoniques), les contournant ou les absorbant.

Avantages : Coût relativement faible, structure simple et fiable, entretien facile, et peut fournir une compensation partielle de la puissance réactive fondamentale.

Inconvénients : Ne peut filtrer que des harmoniques spécifiques ; peut se désaccorder en raison de changements d’impédance du système ou de dérive des paramètres du filtre, réduisant l’efficacité ; peut résonner en parallèle avec le système, amplifiant d’autres harmoniques ; ne peut compenser qu’une quantité fixe de puissance réactive.

Applications : Convient aux applications avec des spectres harmoniques relativement fixes, des ordres harmoniques bien définis et des changements d’impédance du système minimes. Généralement installé à l’entrée du variateur ou sur le bus de distribution.

Filtre actif harmonique (AHF) :

Principe : Détection en temps réel des composantes harmoniques dans le courant de charge. Un convertisseur électronique de puissance génère un courant harmonique de magnitude égale et de direction opposée qui est injecté dans le réseau, annulant ainsi les harmoniques générées par la charge.

Avantages : Peut compenser dynamiquement plusieurs harmoniques simultanément (généralement de l’ordre 2 à 50) ; insensible à l’impédance du système, sans risque de résonance ; temps de réponse rapide (millisecondes) ; peut compenser simultanément la puissance réactive et le courant de séquence négative (déséquilibre triphasé) ; l’effet de filtrage n’est pas affecté par les harmoniques de fond du réseau.

Inconvénients : Coût relativement élevé ; génère une certaine ondulation de commutation haute fréquence (nécessite un traitement).

Applications : La solution la plus efficace et la plus flexible pour contrôler les harmoniques des variateurs, particulièrement adaptée aux applications avec des spectres harmoniques complexes, des changements de charge fréquents et des exigences élevées en matière de qualité de l’énergie. Peut être installé à l’entrée du variateur, sur le bus du groupe de charges ou sur le bus principal du système.

Redressement multi-impulsions :

Principe : Utilisation de transformateurs à déphasage spécialement conçus (par exemple, 12 impulsions, 18 impulsions, 24 impulsions) pour fournir des tensions avec différentes différences de phase à plusieurs ponts redresseurs, provoquant l’annulation mutuelle des courants harmoniques d’entrée, réduisant ainsi considérablement les harmoniques caractéristiques.

Avantages : Réduit la génération d’harmoniques à la source ; haute fiabilité (solution passive).

Inconvénients : Coût élevé du transformateur, grande taille, pertes accrues ; ne peut éliminer que des harmoniques spécifiques (par exemple, 12 impulsions élimine les 5e et 7e harmoniques, mais génère les 11e et 13e harmoniques) ; nécessite une grande précision dans l’angle de déphasage du transformateur ; l’efficacité diminue sous des charges déséquilibrées.

Applications : Couramment utilisé dans les convertisseurs de fréquence uniques de haute puissance ou dans les applications avec des exigences élevées ; moins couramment utilisé dans les systèmes distribués avec plusieurs convertisseurs de fréquence de faible puissance.

Réactance de suppression d’harmoniques / Réactance d’entrée :

Principe : Une réactance est connectée en série à l’entrée du convertisseur de fréquence pour augmenter l’impédance de l’alimentation, limitant la valeur de crête et le taux de variation (di/dt) des courants harmoniques, et réduisant le taux de distorsion du courant (THDi).

Avantages : Faible coût, structure simple, installation facile ; peut supprimer certaines pointes de tension et surtensions ; améliore la durée de vie du pont redresseur du variateur.

Inconvénients : Effet de filtrage limité (ne réduit généralement le THDi qu’à 30 % ~ 40 %) ; génère une certaine chute de tension (à prendre en compte) ; génère sa propre chaleur.

Applications : Presque tous les variateurs l’utilisent comme configuration standard ou recommandée, constituant la mesure de suppression d’harmoniques la plus basique.

2. Compensation de puissance réactive et stabilisation de tension :

Dispositif de compensation de puissance réactive dynamique :

Générateur statique de var (SVG) :

Principe : Basé sur un convertisseur à dispositif électronique de puissance entièrement commandé (IGBT), il peut générer ou absorber rapidement (au niveau de la milliseconde) de la puissance réactive de manière continue pour maintenir la stabilité de la tension du système.

Avantages : Temps de réponse extrêmement rapide, supprime efficacement les fluctuations de tension et le papillotement ; haute précision de compensation ; ne génère pas de résonance ; peut compenser simultanément les harmoniques (fonction similaire à l’AHF).

Inconvénients : Coût plus élevé.

Applications : Particulièrement adapté aux applications où les changements rapides de charge (tels que les laminoirs et les grues) provoquent de graves fluctuations de tension.

Condensateurs / Réactances commutés par thyristors (TSC/TSR) :

Principe : Les thyristors permettent une commutation sans contact et rapide de batteries de condensateurs ou de réactances, réalisant une compensation de puissance réactive par paliers.

Avantages : Coût inférieur à celui du SVG ; temps de réponse plus rapide (dizaines de millisecondes) ; peut fournir une compensation de plus grande capacité.

Inconvénients : La compensation est par paliers, moins fluide que le SVG ; un courant d’appel et une surtension peuvent se produire lors de la commutation ; une conception minutieuse est nécessaire pour éviter la résonance avec le système (en particulier en présence d’harmoniques).

Applications : Convient aux applications où la demande de puissance réactive change rapidement mais où l’amplitude des fluctuations n’est pas extrêmement brutale.

Remarque importante : L’utilisation de contacteurs traditionnels pour commuter les condensateurs est absolument interdite dans les systèmes contenant un grand nombre d’harmoniques de variateurs ! Cela peut facilement provoquer une résonance parallèle dangereuse, amplifiant les courants harmoniques, entraînant des dommages par surcharge des condensateurs, voire une explosion.

Support du bus DC : Pour les applications très exigeantes (telles que la fabrication de précision et les centres de données), envisagez d’ajouter des condensateurs de stockage d’énergie ou des modules de supercondensateurs sur le bus DC des variateurs critiques pour fournir de l’énergie à court terme afin de maintenir le fonctionnement du variateur lors de chutes de tension instantanées du réseau.

3. Optimiser la conception et l’installation du système :

Sélection du transformateur de puissance :

La sélection d’un transformateur avec une impédance de court-circuit plus élevée aide à limiter le courant de court-circuit et certains courants harmoniques.

Envisagez d’utiliser un transformateur à facteur K spécialement conçu pour les charges non linéaires, car sa conception peut supporter la chaleur supplémentaire générée par les courants harmoniques.

Structure de distribution d’énergie raisonnable :

Alimentation groupée : Alimenter la charge du variateur et les charges non linéaires à partir de charges sensibles à la qualité de l’énergie (telles que les API, les instruments et les ordinateurs) en utilisant différents transformateurs ou différents bus de distribution pour réduire les interférences mutuelles.

Raccourcir la distance d’alimentation : Minimiser la distance du câble du variateur à l’armoire de distribution en amont ou au transformateur pour réduire l’impédance de ligne et minimiser la chute de tension et la distorsion de tension harmonique.

Augmenter la section du câble : Tout en répondant aux exigences de capacité de transport de courant, augmenter de manière appropriée la section des câbles d’entrée et de sortie du variateur pour réduire l’impédance de ligne, la chute de tension et les pertes, ce qui aide également à supprimer la distorsion de tension harmonique.

Mise à la terre et blindage :

Bonne mise à la terre : Assurer une bonne mise à la terre à faible impédance, à un seul point ou équipotentielle de l’ensemble du système (armoire du variateur, moteurs, filtres, AHF/SVG, etc.) pour éviter les courants de boucle de terre. Utiliser un fil de terre dédié avec une