Résoudre les problèmes d'harmoniques à la source
Les variateurs de fréquence ordinaires génèrent des harmoniques, et ces harmoniques ont des effets négatifs sur les moteurs et le réseau électrique. Les stratégies courantes d’atténuation des harmoniques s’accompagnent d’un ensemble de défis.
un variateur de vitesse (VFD) avec un signal de sortie propre élimine les harmoniques à la source, supprimant le besoin d’atténuation et améliorant la performance globale du système.
Sources des Harmoniques
Onde sinusoïdale
VS
signal PWM
Figure 1 – Onde sinusoïdale VS signal PWM
Un variateur de vitesse ordinaire génère des harmoniques tant sur ses entrées que sur sessorties.
Côté moteur (sortie), le VFD émule une onde sinusoïdale avec un signal modulé en largeur d’impulsion (PWM). En se référant à la figure 1, il est facile de voir la différence entre les deux signaux.
Le signal PWM se situe quelque part entre une onde carrée et une sinusoïde. 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 une conséquence inévitable et malheureuse d’un signal PWM.
Tension d’alimentation secteur
et
Demande de courant de la charge
Figure 2 – Tension d’entrée et forme d’onde du courant
La situation est similaire du côté alimentation de puissance (entrée) du VFD. L’architecture à pont de diodes utilisée dans les variateurs de vitesse ordinaires absorbe le courant de manière non linéaire à la crête de la forme d’onde de la tension.
La forme d’onde du courant qui en résulte (figure 2) est riche en harmoniques, qui se propagent sur le réseau de distribution électrique.
Il n’est pas rare qu’un VFD ordinaire à 6 impulsions génère une distorsion harmonique totale du courant (THDi) de l’ordre de 80 %, tant du côté du réseau que du côté du moteur du VFD.
Impact des harmoniques
Le fait que la sortie moteur d’un VFD ordinaire contienne des harmoniques signifie que le courant efficace total dans le moteur est significativement plus élevé que le courant fondamental.
Cet excès de courant se traduit 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.
À court terme, l’excès de chaleur peut provoquer des perturbations thermiques, ce qui entrave directement les opérations.
À plus long terme, l’excès de chaleur dégrade l’isolation du moteur, ce qui entraîne sa défaillance précoce.
Les harmoniques endommagent le moteur (dégradation de l’isolation, problèmes de roulements) et réduisent le rendement. Ils nécessitent des conducteurs surdimensionnés, augmentent les coûts et endommagent les équipements (par exemple, les transformateurs, les charges d’éclairage).
Les services publics imposent des limites (THDi ≤ 5 % selon la norme IEEE 519) et pénalisent le non-respect de ces limites.
Atténuation des harmoniques
Compte tenu des nombreux problèmes associés à un THDi élevé, les fabricants ont mis au point des moyens d’atténuer leur impact sur les moteurs et le réseau électrique. Cependant, toutes ces mesures d’atténuation ont pour prix un investissement accru, une efficacité réduite du système, un encombrement physique plus important et des coûts de maintenance permanents.
Un filtre sinusoïdal réduit les harmoniques entre un VFD et un moteur, mais pas complètement. Une réactance de ligne ou un filtre passif peut également réduire le contenu harmonique, mais les réactances de ligne ne répondent pas aux exigences de la norme IEEE 519. Un filtre harmonique passif correctement entretenu respecte la limite IEEE 519, mais nécessite de l’espace, du temps et une maintenance continue.
Éliminez, n'atténuez pas
Il est préférable d’éliminer un problème à la source plutôt que de l’atténuer plus tard.
La nouvelle génération de semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), est utilisée par SmartD pour résoudre ce problème. Les MOSFETS WBG permettent des fréquences de commutation plus élevées, surpassant les IGBT ordinaires.
Lorsqu’ils sont déployés dans une architecture « Active Front End » (AFE), ces variateurs respectent la limite de 5 % de THDi spécifiée par l’IEEE 519 du côté de l’entrée et fournissent une véritable onde sinusoïdale du côté du moteur, ce qui réduit l’usure de ce dernier.
Les variateurs à base de transistors WBG offrent des avantages tels que :
- Efficacité améliorée
- Moins encombrant
- Durée de vie plus longue du moteur
- Moteurs à usage général moins coûteux
- Pas de maintenance des filtres
- Évolutivité
- Coût d'installation réduit
- Réduction de la complexité du système
Un exemple de variateur AFE à base de SiC est le suivant Le Clean Power VFD de SmartD Technologies.
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