Comment résoudre les problèmes d'harmoniques à la source

Un variateur de fréquence (VFD) ordinaire génère des harmoniques à la fois à son entrée et à sa sortie. Côté moteur (sortie), le VFD émule une onde sinusoïdale avec un signal modulé en largeur d'impulsion (PWM). La différence entre les deux signaux est illustrée dans l'image 1. Le signal PWM se situe quelque part entre une onde carrée et une sinusoïde pure. La nature carrée du signal PWM résulte de la fréquence de commutation limitée des transistors bipolaires à grille intégrée (IGBT), couramment utilisés dans les VFD ordinaires. Les harmoniques sont un sous-produit inévitable et malheureux d'un signal PWM.

La situation est similaire du côté grille (entrée) du VFD. L'architecture de pont de diodes utilisée dans les VFD ordinaires tire le courant de manière non linéaire au pic de la forme d'onde de tension. La forme d'onde de courant résultante (Image 2) est lourde en contenu harmonique, qui est propagé en retour sur le réseau de distribution électrique. Il n'est pas rare qu'un VFD à 6 impulsions ordinaire génère une distorsion de courant harmonique totale (THDi) de l'ordre de 80 % à la fois du côté réseau et du côté moteur du VFD.

Par définition, les harmoniques se produisent à des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Par exemple, un système de 60 hertz (Hz) connaîtra des harmoniques à la seconde - 120 Hz, la troisième - 180 Hz, la quatrième - 240 Hz, la cinquième - 300 Hz, etc. Chaque harmonique peut être classée en séquence positive, séquence négative et composante homopolaire. Les harmoniques de séquence positive (quatrième, septième, dixième, treizième, dix-neuvième, etc.) ont le même vecteur de rotation que la fréquence fondamentale. Comme son nom l'indique, les harmoniques de séquence négative (deuxième, cinquième, huitième, onzième, quatorzième, etc.) tournent dans le sens opposé à celui de la fondamentale. Les composants de séquence zéro (troisième, sixième, neuvième, douzième, quinzième, etc.) n'ont pas de vecteur de rotation.

Le fait que la sortie du moteur d'un VFD ordinaire contienne des harmoniques signifie que le courant quadratique moyen (RMS) total dans le moteur est nettement supérieur au courant fondamental. Cet excès de courant se manifeste par une augmentation des pertes de cuivre et de noyau (fer), qui à leur tour augmentent la chaleur à l'intérieur du moteur lui-même. A court terme, un excès de chaleur peut provoquer des déclenchements intempestifs thermiques, gênant directement les opérations. À plus long terme, l'excès de chaleur dégradera l'isolation du moteur, entraînant une défaillance précoce.

Les préoccupations concernant les harmoniques ne se limitent pas au courant RMS excessif. Le taux élevé de changement de tension (dv/dt) généré par les courants de Foucault induits par les harmoniques peut provoquer un arc entre les enroulements individuels du moteur et entre les roulements et la piste de roulement. Le premier dégrade l'isolation du moteur, tandis que le second provoque des piqûres de roulement et une panne de lubrifiant. L'amplitude relative des harmoniques individuelles peut avoir un impact sur les performances et la longévité du moteur. Comme indiqué ci-dessus, les harmoniques de séquence négative fonctionnent dans la direction opposée à la fondamentale, créant un potentiel d'échauffement du rotor par de grands courants de Foucault.

De plus, l'interaction entre les courants harmoniques positifs et négatifs adjacents peut créer un couple pulsé et une oscillation mécanique, réduisant ainsi l'efficacité opérationnelle. Comme pour les moteurs, la présence d'harmoniques dans un système de distribution électrique signifie que les conducteurs doivent être surdimensionnés dans l'installation, ce qui nécessite des dépenses en capital supplémentaires et limite les options d'expansion et de reconfiguration ultérieures. D'autres équipements reliés au réseau électrique peuvent être sujets à un échauffement excessif, à une usure prématurée et à une panne précoce.

Les spécificités dépendront du type d'équipement. Certains exemples incluent un échauffement excessif dans les transformateurs, un scintillement visible sur les charges d'éclairage ou des dommages aux charges sensibles. Les services publics d'électricité sont parfaitement conscients de l'impact négatif des harmoniques en excès sur leurs réseaux de distribution. La plupart exigent que les utilisateurs respectent les limites spécifiées par l'Institute ofElectrical and Electronics Engineers (IEEE) 519, qui exige que le THDi ne dépasse pas 5 % au point de couplage commun. Ceux qui ne s'y conforment pas s'exposent à des sanctions financières.

Compte tenu des nombreux problèmes liés à un THDi élevé, les fabricants ont développé des moyens d'atténuer leur impact à la fois sur les moteurs et sur le réseau électrique. Cependant, toutes ces atténuations se font au prix d'investissements en capital accrus, d'une efficacité réduite du système, d'une empreinte physique plus importante et de coûts de maintenance continus.

Par exemple, un filtre sinusoïdal installé entre un VFD et un moteur réduira (mais n'éliminera pas) les harmoniques, contribuant ainsi à atténuer le type de dommage évoqué ci-dessus. De même, l'installation d'une inductance de ligne ou d'un filtre passif entre un VFD et le réseau de distribution électrique réduira le contenu harmonique rejeté sur le réseau.

Malheureusement, les réacteurs de ligne ne réduisent le THDi que de 80 % à 40 %, ce qui n'est pas suffisant pour répondre à l'exigence de 5 % spécifiée par IEEE 519. Un filtre harmonique passif peut respecter la limite IEEE 519, à condition qu'il soit correctement réglé et bien entretenu, mais encore une fois au prix de l'espace, du temps, de l'efficacité du système et de la maintenance continue.

En général, il est préférable d'éliminer un problème à la source plutôt que de tenter de l'atténuer par la suite. Un VFD avec un faible THDi à la fois en entrée et en sortie élimine le besoin d'atténuations coûteuses et complexes nécessitées par les variateurs ordinaires.

Récemment, certains fabricants de disques ont commencé à tirer parti de la nouvelle génération de technologie de semi-conducteur à large bande interdite (WBG), à savoir le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), pour relever ce défi. Les transistors à effet de champ métal-oxyde semi-conducteur WBG (MOSFET) facilitent une augmentation spectaculaire du taux de commutation, au-delà de celui des IGBT ordinaires. Déployé dans une architecture active frontale (AFE), le THDi sur ce type d'entrées de variateur respecte la limite de 5 % selon IEEE 519.

De même, la véritable sortie d'onde sinusoïdale côté moteur réduit l'usure du moteur. Les avantages supplémentaires des variateurs basés sur WBG incluent une efficacité améliorée du variateur et du système, une taille d'installation plus petite, une durée de vie du moteur plus longue avec un moteur à usage général à moindre coût, aucun entretien du filtre, une mise à l'échelle facile, un coût d'installation global inférieur et une complexité du système réduite.

Geoff Hyatt est directeur de la gestion de projet et de la chaîne d'approvisionnement chez SmartD Technologies. Il a occupé divers postes dans l'industrie de la distribution électrique pendant plus de 25 ans, notamment dans le développement de solutions pour la surveillance de la qualité de l'énergie et la conformité aux normes telles que EN 50160 et IEEE 5100-4-30. Pour plus d'informations, visitez smartd.tech.