"La non-linéarité signifie qu'il est difficile à résoudre", a dit un jour Arthur Mattuck, mathématicien au Massachusetts Institute of Technology (MIT).Mais il doit être pris en compte lorsque la non-linéarité est appliquée aux charges électriques, car elle génère des courants harmoniques et affecte négativement la distribution de puissance - et elle est coûteuse.Ici, Marek Lukaszczyk, responsable marketing Europe et Moyen-Orient de WEG, un fabricant et fournisseur mondial de technologies de moteurs et d'entraînements, explique comment atténuer les harmoniques dans les applications d'onduleurs.
Lampes fluorescentes, alimentations à découpage, fours à arc électrique, redresseurs et convertisseurs de fréquence.Tous ces éléments sont des exemples d'appareils avec des charges non linéaires, ce qui signifie que l'appareil absorbe la tension et le courant sous la forme d'impulsions courtes et soudaines.Ils sont différents des appareils qui ont des charges linéaires, tels que les moteurs, les radiateurs, les transformateurs sous tension et les ampoules à incandescence.Pour les charges linéaires, la relation entre les formes d'onde de tension et de courant est sinusoïdale et le courant à tout moment est proportionnel à la tension exprimée par la loi d'Ohm.
Un problème avec toutes les charges non linéaires est qu'elles génèrent des courants harmoniques.Les harmoniques sont des composantes de fréquence généralement supérieures à la fréquence fondamentale de l'alimentation, comprises entre 50 et 60 Hertz (Hz), et qui s'ajoutent au courant fondamental.Ces courants supplémentaires entraîneront une distorsion de la forme d'onde de tension du système et réduiront son facteur de puissance.
Les courants harmoniques circulant dans le système électrique peuvent produire d'autres effets indésirables, tels qu'une distorsion de tension aux points d'interconnexion avec d'autres charges et une surchauffe des câbles.Dans ces cas, la mesure de la distorsion harmonique totale (THD) peut nous indiquer quelle proportion de la distorsion de tension ou de courant est causée par les harmoniques.
Dans cet article, nous étudierons comment réduire les harmoniques dans les applications d'onduleurs sur la base des recommandations de l'industrie pour la surveillance et l'interprétation correctes des phénomènes qui causent des problèmes de qualité de l'énergie.
Le Royaume-Uni utilise la recommandation d'ingénierie (EREC) G5 de l'Energy Network Association (ENA) comme bonne pratique pour gérer la distorsion de tension harmonique dans les systèmes de transmission et les réseaux de distribution.Dans l'Union européenne, ces recommandations sont généralement contenues dans les directives de compatibilité électromagnétique (CEM), qui incluent diverses normes de la Commission électrotechnique internationale (CEI), telles que la CEI 60050. IEEE 519 est généralement une norme nord-américaine, mais il convient de noter que IEEE 519 se concentre sur les systèmes de distribution plutôt que sur les appareils individuels.
Une fois les niveaux d'harmoniques déterminés par simulation ou mesure, il existe de nombreuses façons de les minimiser pour les maintenir dans des limites acceptables.Mais quelle est la limite acceptable ?
Puisqu'il n'est pas économiquement possible ou impossible d'éliminer toutes les harmoniques, il existe deux normes internationales CEM qui limitent la distorsion de la tension d'alimentation en spécifiant la valeur maximale du courant harmonique.Il s'agit de la norme IEC 61000-3-2, adaptée aux équipements avec un courant nominal jusqu'à 16 A (A) et ≤ 75 A par phase, et de la norme IEC 61000-3-12, adaptée aux équipements supérieurs à 16 A.
La limite des harmoniques de tension doit être de maintenir le THD (V) du point de couplage commun (PCC) à ≤ 5 %.PCC est le point où les conducteurs électriques du système de distribution d'énergie sont connectés aux conducteurs du client et à toute transmission d'énergie entre le client et le système de distribution d'énergie.
Une recommandation de ≤ 5 % a été utilisée comme seule exigence pour de nombreuses applications.C'est pourquoi, dans de nombreux cas, il suffit d'utiliser un onduleur avec un redresseur à 6 impulsions et une réactance d'entrée ou une inductance de liaison à courant continu (CC) pour respecter la recommandation de distorsion de tension maximale.Bien sûr, par rapport à un onduleur à 6 impulsions sans inductance dans la liaison, l'utilisation d'un onduleur avec une inductance de liaison CC (comme les propres CFW11, CFW700 et CFW500 de WEG) peut réduire considérablement le rayonnement harmonique.
Sinon, il existe plusieurs autres options pour réduire les harmoniques du système dans les applications d'onduleur, que nous présenterons ici.
Une solution pour réduire les harmoniques consiste à utiliser un onduleur avec un redresseur à 12 impulsions.Cependant, cette méthode n'est généralement utilisée que lorsqu'un transformateur est déjà installé ;pour plusieurs onduleurs connectés au même circuit intermédiaire ;ou si une nouvelle installation nécessite un transformateur dédié à l'onduleur.De plus, cette solution est adaptée pour des puissances généralement supérieures à 500 kilowatts (kW).
Une autre méthode consiste à utiliser un onduleur d'entraînement à courant actif (CA) à 6 impulsions avec un filtre passif à l'entrée.Cette méthode peut coordonner différents niveaux de tension - tensions harmoniques entre moyenne (MV), haute tension (HV) et très haute tension (EHV) - et prend en charge la compatibilité et élimine les effets néfastes sur les équipements sensibles des clients.Bien qu'il s'agisse d'une solution traditionnelle pour réduire les harmoniques, cela augmentera la perte de chaleur et réduira le facteur de puissance.
Cela nous amène à un moyen plus économique de réduire les harmoniques : utiliser un onduleur avec un redresseur à 18 impulsions, ou surtout un variateur DC-AC alimenté par une liaison CC via un redresseur à 18 impulsions et un transformateur déphaseur.Le redresseur d'impulsions est la même solution qu'il soit 12 impulsions ou 18 impulsions.Bien qu'il s'agisse d'une solution traditionnelle pour réduire les harmoniques, en raison de son coût élevé, elle n'est généralement utilisée que lorsqu'un transformateur a été installé ou qu'un transformateur spécial pour l'onduleur est requis pour une nouvelle installation.La puissance est généralement supérieure à 500 kW.
Certaines méthodes de suppression des harmoniques augmentent la perte de chaleur et réduisent le facteur de puissance, tandis que d'autres méthodes peuvent améliorer les performances du système.Une bonne solution que nous recommandons consiste à utiliser des filtres actifs WEG avec des variateurs de fréquence à 6 impulsions.C'est une excellente solution pour éliminer les harmoniques générées par divers appareils
Enfin, lorsque l'énergie peut être régénérée sur le réseau ou lorsque plusieurs moteurs sont entraînés par une seule liaison CC, une autre solution est intéressante.C'est-à-dire qu'un lecteur régénératif frontal actif (AFE) et un filtre LCL sont utilisés.Dans ce cas, le driver dispose d'un redresseur actif en entrée et respecte les limites préconisées.
Pour les onduleurs sans liaison CC, tels que les onduleurs CFW500, CFW300, CFW100 et MW500 de WEG, la clé de la réduction des harmoniques est la réactance du réseau.Cela résout non seulement le problème des harmoniques, mais résout également le problème de l'énergie stockée dans la partie réactive de l'onduleur et devenant inefficace.Avec l'aide de la réactance du réseau, un onduleur monophasé haute fréquence chargé par un réseau résonnant peut être utilisé pour réaliser une réactance contrôlable.L'avantage de cette méthode est que l'énergie stockée dans l'élément de réactance est plus faible et la distorsion harmonique est plus faible.
Il existe d'autres moyens pratiques de traiter les harmoniques.L'une consiste à augmenter le nombre de charges linéaires par rapport aux charges non linéaires.Une autre méthode consiste à séparer les systèmes d'alimentation pour les charges linéaires et non linéaires afin qu'il y ait différentes limites THD de tension entre 5% et 10%.Cette méthode est conforme aux recommandations d'ingénierie (EREC) G5 et EREC G97 mentionnées ci-dessus, qui sont utilisées pour évaluer la distorsion de tension harmonique des installations et équipements non linéaires et résonnants.
Une autre méthode consiste à utiliser un redresseur avec un plus grand nombre d'impulsions et à l'alimenter dans un transformateur à plusieurs étages secondaires.Les transformateurs à plusieurs enroulements avec plusieurs enroulements primaires ou secondaires peuvent être connectés les uns aux autres dans un type de configuration spécial pour fournir le niveau de tension de sortie requis ou pour piloter plusieurs charges à la sortie, offrant ainsi plus d'options dans la distribution d'énergie et le système de flexibilité.
Enfin, il y a le fonctionnement de l'entraînement régénératif de l'AFE mentionné ci-dessus.Les variateurs de fréquence de base ne sont pas renouvelables, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas restituer l'énergie à la source d'alimentation, ce qui est particulièrement insuffisant, car dans certaines applications, la récupération de l'énergie restituée est une exigence spécifique.Si l'énergie régénérative doit être renvoyée à la source d'alimentation CA, c'est le rôle du variateur régénératif.Les redresseurs simples sont remplacés par des onduleurs AFE, et l'énergie peut ainsi être récupérée.
Ces méthodes offrent une variété d'options pour lutter contre les harmoniques et conviennent à différents types de systèmes de distribution d'énergie.Mais ils peuvent également économiser de l'énergie et des coûts considérables dans diverses applications et se conformer aux normes internationales.Ces exemples montrent que tant que la bonne technologie d'onduleur est utilisée, le problème de non-linéarité ne sera pas difficile à résoudre.
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