Harmoniques et convertisseurs de fréquence - Le … · Guide technique n° 6 - Harmoniques et convertisseurs de fréquence 3 1. Introduction ... La distorsion harmonique est une

Guide technique n° 6Guide technique n° 6

Harmoniques et convertisseurs de fréquence

2 Guide technique n° 6 - Harmoniques et convertisseurs de fréquence

3Guide technique n° 6 - Harmoniques et convertisseurs de fréquence

1. Introduction .................................................... 5

2. Les phénomènes harmoniques....................... 6

3. Sources et effets des émissions harmoniques 8

4. Calculer la distorsion harmonique avec leprogramme DriveSize ..................................... 9

4.1 Schéma pour l'exemple de calcul .......................... 94.2 Données à entrer pour la charge moteur .............. 94.3 Sélection du moteur ............................................... 104.4 Sélection de l'onduleur ........................................... 104.5 Données du redresseur .......................................... 104.6 Données à entrer pour le réseau et le transformateur 104.7 Courant et tension harmoniques calculés ............ 114.8 Représentation graphique des courants

harmoniques calculés ............................................. 114.9 Partie de l'état imprimé .......................................... 11

5. Normes de limites d'émissions harmoniques 12

5.1 EN 61800-3 (CEI 1800-3)Entraînements électriques de puissance àvitesse variable ....................................................... 12

5.2 CEI 1000-2-2, Compatibilité électromagnétique (CEM) 135.3 CEI 1000-2-4, Compatibilité électromagnétique (CEM) 135.4 CEI 1000-3-2, Compatibilité électromagnétique (CEM) 135.5 CEI 1000-3-4, Compatibilité électromagnétique (CEM) 135.6 IEEE519 : Exigences et recommandations pratiques

de I'IEEE pour le contrôle des harmoniques dans lessystèmes électriques de puissance ...................... 14

6. Evaluer les émissions harmoniques ............... 16

7. Réduire les harmoniques en modifiant lastructure du système d'entraînement c.a. ..... 17

7.1 Paramètres d'un entraînement c.a. influant surles émissions harmoniques .................................... 17

7.2 Tableau : différents paramètres et leurs effets ..... 187.3 Utilisation d'un redresseur à diodes 6 pulses ....... 187.4 Utilisation d'un redresseur à diodes 12 ou 24 pulses 197.5 Utilisation d'un redresseur contrôlé à thyristors .. 207.6 Utilisation d'un pont d'IGBT ................................... 217.7 Utilisation d'une grosse inductance c.a. ou c.c. .. 22

Table des matières


8. Autres méthodes de réduction desémissions harmoniques .................................. 25

8.1 Filtre passif accordé monobranche ....................... 258.2 Filtre passif accordé multibranche ........................ 258.3 Filtre actif externe ................................................... 26

9. Récapitulatif des méthodes d'atténuationdes harmoniques ............................................ 28

9.1 Redresseur 6 pulses sans inductance .................. 289.2 Redresseur 6 pulses avec inductance .................. 289.3 Redresseur 12 pulses avec transformateur en

polygone .................................................................. 289.4 Redresseur 12 pulses avec transformateur

à double enroulement ............................................. 289.5 Redresseur 24 pulses avec deux transformateurs

à trois enroulements ............................................... 299.6 Redresseur actif à IGBT ........................................ 29

10. Définitions .............................................................. 30

11. Index ....................................................................... 32


Généralités

Chapitre 1 - Introduction

Ce guide, qui fait partie de la série des guides techniquesABB, décrit les perturbations harmoniques, leurs origineset leurs effets ; il décrit également le mode de calcul etd'évaluation des émissions harmoniques. Nous yprésentons plus spécifiquement les méthodes de réductiondes harmoniques générés par les entraînements électriquesde puissance (c.a.) à vitesse variable.


Figure 2.1 Installation électrique avec convertisseur, transformateurréseau et autres charges.

Le courant réseau d'un redresseur triphasé en montagehexaphasé (6 pulses) peut être calculé à partir du courantcontinu de sortie avec la formule suivante :

Le courant fondamental est alors

Chapitre 2 - Les phénomènesharmoniques

Les courants et tensions harmoniques sont créés par descharges non linéaires raccordées au réseau de distribution.La distorsion harmonique est une forme de pollution duréseau électrique susceptible de poser des problèmes si lasomme des courants harmoniques est supérieure àcertaines valeurs limites.

Tous les convertisseurs électroniques de puissance utilisésdans différents types de systèmes électroniques peuventaccroître les perturbations harmoniques en injectantdirectement des courants harmoniques dans le réseau. Lafigure 2.1 montre comment les harmoniques de courant (ih)du courant d'entrée (is) d'un convertisseur à électroniquede puissance affectent la tension d'alimentation (ut).

courant efficace total et

courant continu de sortie du redresseur(valable pour un courant continu idéalfiltré)

, où

is(t) = i1(t) + Σ ih(t)Charge

convertisseur

Autrescharges

Point de couplagecommun (PCC)

Transformateur réseau

Rs Lsu(t)


où

H1

H5

H1+H5

Les valeurs efficaces des composantes harmoniques sont :

Dans un cas théorique où le courant de sortie est considérécomme du courant continu "propre", les fréquences decourant harmonique d'un redresseur triphasé en montagehexaphasé (6 pulses) représentent n fois la fréquencefondamentale (50 ou 60 Hz). Les informations ci-dessouss'appliquent lorsque l'inductance réseau est insignifiantepar rapport à l'inductance de la self c.c. Le courant réseauest alors rectangulaire avec des blocs de 120 °. Les rangsn sont calculés avec la formule suivante :

et ces composantes harmoniques sont montrées dans lafigure 2.2.

Les phénomènes harmoniques

Figure 2.2 Teneur en harmoniques du courant rectangulaire théoriqued'un redresseur 6 pulses.

Le mode de superposition des composantes harmoniquesau courant fondamental est illustré à la figure 2.3, où seull'harmonique de rang 5 est montré.

Figure 2.3 Le courant total est la somme du fondamental et del'harmonique de rang 5.

Rangs des composantes harmoniques

Courantharmonique (%)


Chapitre 3 - Sources et effets desémissions harmoniques

Les charges non linéaires les plus courantes sont lesdémarreurs électroniques des moteurs, les variateursélectroniques de vitesse, les ordinateurs et autresdispositifs électroniques, les éclairages électroniques, lespostes à souder et les alimentations sans interruption (ASI).

Les harmoniques peuvent provoquer l'échauffement destransformateurs, câbles, moteurs, générateurs etcondensateurs raccordés à la même alimentation que lesdispositifs générateurs d'harmoniques. Les afficheurs desappareils électroniques et les éclairages se mettent àpapilloter, les disjoncteurs peuvent déclencher, lesordinateurs dysfonctionner et les instruments de mesuredonner des valeurs erronées.

Si l'origine de ces symptômes n'est pas connue, il est alorspréconisé de rechercher la source des émissionsharmoniques dans le réseau interne de l'usine. Les effetsse feront probablement sentir dans le réseau interne duclient avant d'apparaître dans le réseau du distributeurd'électricité. Ce guide technique a été réalisé pour aiderles clients à comprendre les éventuels problèmesd'harmoniques et à s'assurer que les niveaux d'émissionsharmoniques restent tolérables.


4.1 Schémapour l'exemplede calcul

Chapitre 4 - Calculer la distorsionharmonique avec le programme DriveSize

4.2 Données àentrer pour lacharge moteur

Les courants harmoniques provoquent une distorsion dela tension réseau. En principe, les harmoniques de tensionpeuvent être calculés en tout point du réseau si les courantsharmoniques et les impédances de sourcecorrespondantes sont connues. La figure 4.1 montre leréseau alimentant le variateur de vitesse et les autreséléments de base de l'installation. Le programme DriveSized'ABB est utilisé pour cet exemple de calcul.

Figure 4.2. La donnée indispensable de charge moteur pour le calculdes harmoniques est la puissance de base en kW.

Figure 4.1. Réseau alimentant un convertisseur de fréquence (milieu) etschéma équivalent (droite). Les données pour cet exemple sont sur lagauche.

Alimentation :Sk = 150 MVAU = 22 kV

Transformateur :S = 400 kVAU1 = 22 kVU2 = 415 Vz = 4,5 %

Câble :Longueur = 60 mR = 0,007 mΩ/m

Moteur :P = 100 kWIN = 200 A

S'k

Xk

Xt

X'k

I

Motor load

Load type

Overload type

Speed [rpm]

Power [kW]

Overload [%]

Const. torque/power

One overload

min base max

0

0

1450

100

100

100

100

1500

60 600Overload time [s] every [s]


Calculer la distorsion harmonique avec le programme DriveSize

4.4 Sélection del'onduleur

4.5 Données duredresseur

4.6 Données àentrer pour leréseau et letransformateur

4.4. L'onduleur sélectionné est fonction du moteur spécifié à l'étapeprécédente. Ici également, l'utilisateur peut imposer son propre choix.

Figure 4.6. Les données du réseau et du transformateur sont affichéesdans cette fenêtre. Pour les transformateurs standard ABB, lesdonnées sont automatiquement affichées.

Figure 4.5. Les données du redresseur sont définies par DriveSize enfonction du type d'onduleur spécifié.

4.3 Sélection dumoteur

Figure 4. 3. Le programme sélectionne le moteur pour la chargedéfinie. Au besoin, l'utilisateur peut sélectionner un moteur différent decelui spécifié par DriveSize.

Selected motor dataM2BA 315 SMC 6

SelectionVoltage [V]ConnectionFrequency [Hz]Power [kW]PolesSpeed [rpm]Max mech. speed [rpm]Current [A]Torque [Nm]T max/TnPower factorEfficiency [%]Insulation class

DriveSize415D50110

9926

230019710603,20,8295,6F

SelectionSelection methodVoltage [V]Drive power [kVA]Pn [kW]Normal Icont [A]Normal Imax [A]Phd [kW]Heavyduty Icont [A]Heavyduty Imax [A]PulseFrame typeP&F 12Nsq [A]

Selected inverter dataACS607-0140-3

UserCurrent (normal)400140110

238216

901782676R8260

Supply unit data

Pulse #

Lv [µH]

Cdc [mF]

Udc [V]

Idc [A]

6

110

4,95

560

191

Network and Transformer data

Primary voltage [V] Secondary voltage [V]

Frequency [Hz]

Network Sk [MVA]

Transformer Sn [kVA]Transformer Pk [kW]

Transformer Zk [%]

Supply cable type Cable Busbar

Cable quantityCable lenght [m]

Impedance [µΩ]

unknow

22000

50

150

400

3,0

3,8

360

415

70


Calculer la distorsion harmonique avec le programme DriveSize

4.7 Courant ettensionharmoniquescalculés

4.8Représentationgraphique descourantsharmoniquescalculés

4.9 Partie del'état imprimé

Figure 4.8. Les résultats des calculs peuvent être représentés sousforme de tableau (figure 4.7) ou de graphique comme ci-dessus.

Figure 4.9. Les données entrées et les résultats des calculs peuventêtre imprimés sous forme d'état, dont une partie est illustrée.

Figure 4.7. Les harmoniques sont calculés par transformation discrètede Fourier du courant de phase simulé de la section d'arrivée.Différents types de modèles de montage sont utilisés, un pourvariateur SingleDrive avec inductances c.a. et un pour redresseur àdiodes et thyristors avec inductances c.c.D'autres modèles existent pour les redresseurs 6, 12 et 24 pulses.

THD

Data

Show Mode

VoltageCurrent

Result

IEEE CalcIEEE Limit

47,1% 0,2%

0,2%/ 0,2%/15,0% 0,5%

Primary sideSecodary side

Table

Graph

n157

11131719232529313537

50250350550650850950115012501450155017501850

2,81,20,60,20,20,10,10,10,00,00,00,00,0

100,0 %

0,6 %

41,2 %19,5 %8,6 %5,6 %4,2 %2,7 %2,3 %1,4 %1,2 %0,8 %0,5 %

21996,632,921,715,111,711,38,18,25,55,33,73,03,3

f [Hz] Current [A] In/I1 Voltage [V]

[%]

Frequency [Hz]

50

40

30

20

10

0

250

350

550

650

850

950

1150

1250

1450

1550

1750

1850

Network check

Network and Transformer data

ACS607-0140-3

Supply unit dataNormal voltage [V]Frequency [Hz]Network Sk [MVA]Transformer Sn [kVA]Transformer Pk [kW]Transformer Zk [%]Supply cable typeCable quantityCable lenght

22000 (primary side)501504003,03,8Cable360

Pulse #Lv [µH]Cdc [mF]Udc [V]Idc [A]

61104,95560191

ResultCosfiiTot. power factorUnmax mot.

0,9990,90

98 %

THD CurrentTHD Voltage

47,1 %0,2 %

THD CurrentTHD Voltage

IEEE 519 limits calc/limit0,2 %/15,0 %0,2 %/5,0 %


5.1EN 61800-3(CEI 1800-3)Entraînementsélectriques depuissance àvitesse variable

Chapitre 5 - Normes de limitesd'émissions harmoniques

Nous reprenons ci-dessous les principales normesinternationales et nationales qui définissent des limitesd'émissions harmoniques. La figure 5.1 montre un exemplede limites de distorsion harmonique.

Partie 3: Norme de produit relative à la CEMincluant des méthodes d'essais spécifiquesLes pays de l'Espace Economique Européen (EEE) se sontmis d'accord pour définir des règles minimales communespour garantir la libre circulation des produits au sein del'EEE. Le marquage CE indique que le produit est conformeaux directives applicables. Les directives fixent lesprincipes qui doivent être mis en oeuvre. Les normesspécifient les exigences à respecter. La norme EN 61800-3est la norme de produit relative à la CEM pour lesentraînements électriques de puissance à vitesse variable(également désignés PDS, Power Drive Systems). Lerespect des exigences de cette norme est la conditionminimale pour la libre circulation des convertisseursélectroniques de puissance au sein des pays de l'EEE.

La norme EN 61800-3 précise que le constructeur doitdonner dans la documentation du PDS, ou sur demande,le niveau des harmoniques de courant, aux conditions decharge assignées, en pourcentage du courant fondamentalassigné sur l'accès puissance. Les courants harmoniquesdoivent être calculés à chaque rang et au moins jusqu'aurang 25 inclus. Le taux de distorsion harmonique total encourant THD (jusqu'au rang 40 inclus) et sa composantehaute fréquence PHD (des rangs 14 à 40 inclus) doiventaussi être évalués. Pour ces calculs standard, on doitsupposer que le PDS est raccordé à un PC avec Rsc = 250et ayant un taux de distorsion harmonique initial en tensioninférieur à 1%. On doit également supposer quel'impédance interne du réseau est une inductance pure.

Dans un réseau public basse tension, les limites et lesexigences de la CEI 1000-3-2 s'appliquent auxéquipements de courant assigné ≤ 16 A. L'utilisation de lafuture norme CEI 1000-3-4 est préconisée pour unéquipement de courant assigné > 16 A.Un PDS destiné à une installation industrielle doit être prisen compte en examinant l'installation complète ; celareprésente une approche économique raisonnable. Cetteapproche est basée sur la puissance convenue, que leréseau peut fournir à tout moment. La méthode de calculdes harmoniques de l'installation complète est convenue


Normes de limites d'émissions harmoniques

5.4CEI 1000-3-2,Compatibilitéélectromagnétique(CEM)



et les limites soit de distorsion de tension, soit d'émissionsde courant harmonique total, sont convenues. Les limitesde compatibilité données dans la CEI 1000-2-4 peuventêtre utilisées comme limites de distorsion de tension.

Partie 2 : Environnement - Section 2 : Niveaux decompatibilité pour les perturbations conduitesbasse fréquence et la transmission de signaux surles réseaux publics d'alimentation à basse tensionCette norme fixe les limites de compatibilité pour lesperturbations conduites basse fréquence et la transmis-sion de signaux sur les réseaux publics d'alimentationbasse tension. Les phénomènes perturbatoires incluentles harmoniques, interharmoniques, fluctuations de ten-sion, creux de tension, déséquilibres de tensiontransitoires, etc. Cette norme définit essentiellement lescritères de conception pour le constructeur del'équipement et les niveaux d'immunité mini de cetéquipement. La norme CEI 1000-2-2 est en accord avecles limites fixées par la norme EN 50160 en ce qui concernela qualité de la tension que le distributeur d'électricité doitfournir aux bornes du réseau du client.

Partie 2 : Environnement - Section 4 : Niveaux decompatibilité dans les installations industriellespour les perturbations conduites à basse fréquenceLa norme CEI 1000-2-4 est similaire à la norme CEI 1000-2-2,mais fixe les niveaux de compatibilité pour les réseauxindustriels et non publics. Elle couvre les réseaux bassetension de même que les alimentations moyenne tension,à l'exclusion des réseaux des navires, des avions, desplates-formes offshore et des installations ferroviaires.

Partie 3 : Limites - Section 2 : Limites pour lesémissions de courant harmonique (courant appelépar les appareils <16 A par phase)Cette norme spécifie les limites pour les émissions decourant harmonique des matériels individuels raccordésaux réseaux publics. La date d'entrée en vigueur de cettenorme est fixée au 1er janvier 2001, mais d'importantstravaux sont actuellement en cours pour sa révision avantcette date. Les deux raisons principales pour sa révisionsont, d'une part, la nécessité pour la norme de couvrirégalement les tensions inférieures à 230 V et, d'autre part,les difficultés et contradictions à appliquer la différenciationdes matériels donnée dans la norme.



Cette norme a été publiée sous la forme d'un rapporttechnique de Type II. Les travaux se poursuivent pour leconvertir en norme. Il spécifie les limites d' émissions decourant harmonique des équipements individuelsd'intensité assignée supérieure à 16 A et jusqu'à 75 A. Ceslimites s'appliquent aux réseaux publics de tensionsnominales entre 230 V (monophasée) et 600 V (triphasée).

Cette norme distingue trois étapes pour les procéduresde raccordement des équipements. Le respect des tauxlimites d'harmonique individuels de l'Etape 1 autorise leraccordement des équipements en tout point du réseaud'alimentation. L'Etape 2 spécifie des taux individuels decourant harmonique de même que le taux de distorsionharmonique total THD et sa contrepartie le taux dedistorsion haute fréquence pondéré PWHD. Les limitessont classées et tabulées en fonction du rapport de court-circuit. La troisième étape de raccordement est basée surun accord entre l'utilisateur et le distributeur d'électricité,à partir de la puissance active contractuelle de l'installationdu consommateur. Si le courant assigné est supérieur à75 A, l'Etape 3 s'applique dans tous les cas.

La structure de cette norme est, de manière générale, bienaccueillie, mais la question est de savoir si les équipementsmonophasés et triphasés doivent avoir des limitesdifférentes à l'Etape 2. Il est vraisemblable que la normeconservera sa structure, mais que la version ayant statutde norme réelle spécifiera différentes limites pour leséquipements monophasés et triphasés.

Figure 5.1 Limites de distorsion harmonique dans la proposition denorme EN 61000-3.


réseau 132 kV

réseau 33 kV

réseau 11 kV

réseau 400 kV

Valeurs types

MiniRsce

66

120

175

250

350

450

>600

12

15

20

30

40

50

60

10

12

14

18

25

35

40

9

12

12

13

15

20

25

6

8

8

8

10

15

18

2,36

1,69

1,25

1,06

0,97

1,02

<=0,91

I5 I7 I11 I13TENSION

%THD

LIMITES ETAPE 2% I1

CHARGE MAXI 12p 6p

# 6,66 MW (5.0 MW)

# 2,50 MW (5.0 MW)

#

# 4.40 MW (3,3 MW)

# 1.65 MW (3,3 MW)

# 1,11 MW (830 kW)

# 415 kW (830 kW)

# 760 kW (215 kW)

# 108 kW (215 kW)

PCC

**Contribution au taux THD existant au PCC

sélectionné

(26 MVA hypoth.)

(100 MVA hypoth.)

(400 MVA hypoth.)

(600 MVA hypoth.) **



5.6 IEEE519 :Exigences etrecommandationspratiques deI'IEEE pour lecontrôle desharmoniquesdans lessystèmesélectriques depuissance.

La philosophie de définition de limites de distorsionharmonique dans ce guide de pratiques recommandéesest de limiter l'injection d'harmoniques par les clientsindividuels pour éviter qu'elle ne provoque des niveaux dedistorsion de tension inacceptables pour un réseau normalet de limiter le taux de distorsion harmonique global de latension réseau fournie par le distributeur. Cette norme estégalement reconnue par l'instance américaine denormalisation et est largement utilisée aux USA, plusparticulièrement par les exploitants de réseaux municipaux.

La norme ne spécifie pas de limites pour les équipementsindividuels, mais pour les clients individuels. Les clients sontclassés en fonction du rapport entre le courant de court-circuit disponible (Isc) et le courant de charge maximumdemandé (IL) au point de couplage commun (PCC). Lecourant de charge maximum demandé est la somme descharges linéaires et non linéaires. Dans un réseau industriel,le point de couplage commun est clairement défini commele point entre la charge non linéaire et les autres charges.

Les courants harmoniques individuels autorisés et le tauxde distorsion harmonique total (THD) sont tabulés enfonction du rapport de courant de court-circuit disponiblesur le courant de charge maximum demandé (Isc/IL) aupoint de couplage commun. Les limites sont exprimées enpourcentage de IL pour tous les harmoniques de rangs pairset impairs de 2 à l'infini. Le taux de distorsion harmoniquetotal THD est appelé taux de distorsion de puissance etdoit également être calculé jusqu'à l'infini. De nombreuxauteurs limitent le calcul des taux individuels et du taux dedistorsion de puissance au rang 50.

Le tableau 10.3 de la norme est parfois mal interprété,certaines personnes pensant qu'il fixe des limites pour lesémissions d'harmoniques d'un appareil unique en utilisantle Rsc de l'équipement au lieu du Isc/IL de l'installationcomplète. Les limites du tableau ne doivent pas êtreutilisées de cette manière, étant donné que c'est le rapportdu courant de court-circuit sur le courant total de chargedemandé d'une installation qui doit toujours être utilisé.


Figure 6.1 Procédure d'évaluation des émissions harmoniques.

Chapitre 6 - Evaluer les émissionsharmoniques

Le"Guide d'application des limites d'émissionsharmoniques des systèmes d'entraînement" P519A/D6Janv. 1999 présente quelques règles générales d'évaluationdes limites d'émissions harmoniques au sein d'une instal-lation industrielle. La procédure est illustrée à la figure 6.1.

DISTRIBUTEUR

Calculer courant de chargemaxi demandé moyen (IL)

Choisir PCC

Calculer pouvoir de-court-circuit (SSC, ISC)

Calculer rapport de court-circuit (SCR=(ISC /IL)

Oui

Oui

Non

Oui

Non

Correctionfacteur de puissance existante

ou prévue?

Etape 1 :Evaluation détaillée

nécessaire ?

Non

Estimer puissance perturbatricepondérée (SDW) ou % charge

non linéaire

Etape 2 :Installation conformeaux limites d'harmo-

niques ?

Caractériser niveaux d'émissionsharmoniques (mesures, analyse)

Concevoir correction facteur depuissance et/ou équipement

antiharmonique(inclure problèmes de résonance)

Mesures de vérificationet calculs (au besoin)

CLIENT


7.1 Paramètresd'unentraînementc.a. influant surles émissionsharmoniques

Chapitre 7 - Réduire les harmoniquesen modifiant la structure du système

d'entraînement c.a.

Les harmoniques peuvent être réduits soit par modificationde la structure du système d'entraînement, soit par filtrageexterne. Les modifications de structure peuvent viser àrenforcer l'alimentation, à utiliser un variateur à redresseur12 pulses ou plus, à utiliser un redresseur contrôlé, ouencore à améliorer le filtrage interne de l'entraînement.

La figure 7.1 récapitule les paramètres d'un systèmed'entraînement c.a. qui influent sur les émissions harmo-niques. Les harmoniques de courant varient selon la con-figuration de l'entraînement et les harmoniques de tensioncorrespondent aux harmoniques de courant multipliés parles valeurs d'impédance du réseau.

Figure 7.1 Paramètres d'un système d'entraînement influant sur lesémissions harmoniques

RESEAU

TRANSFOR-MATEUR

CONVERTISSEURDE FREQUENCE

CHARGE

Puissance de court-circuit

Puissancenominale etimpédance

Type de redresseur

DIODE, THYRISTOR; ONDULEUR:

MVA

MVA

%

mH

MLI ; CSI

kW

%

6p, 12p, 24p

Inductance

Type d'onduleur

Puissance nominaleet charge

Onduleur

Moteur

Autre solution


Facteur EffetPlus le moteur est gros… plus les harmoniques de courant sont élevésPlus la charge moteur est élevée… plus les harmoniques de courant sont élevésPlus l'inductance c.a. ou c.c. est élevée… plus les harmoniques de courant sont faiblesPlus l'indice de pulsation duredresseur est élevé… plus les harmoniques de courant sont faiblesPlus le transformateur est puissant… plus les harmoniques de tension sont faiblesPlus l'impédance du transformateurest faible… plus les harmoniques de tension sont faiblesPlus la puissance de court-circuitde l'alimentation est élevée… plus les harmoniques de tension sont faibles

Réduire les harmoniques en modifiant la structure du système d'entraînement c.a.

7.3 Utilisationd'unredresseur àdiodes 6pulses

7.2 Tableau :différentsfacteurs etleurs effets

Le raccordement de différents types de redresseur estillustré à la figure 7.2. Dans les variateurs de fréquence, lecircuit redresseur le plus courant est un pont de diodes 6pulses. Il est constitué de six diodes non commandées etd'une inductance qui, avec un condensateur c.c., formentun filtre passe-bas pour le lissage du courant continu.L'inductance peut être placée côté c.a. ou c.c., ou mêmeêtre absente. Le redresseur 6 pulses est simple et bonmarché, mais génère de nombreux harmoniques de rangsfaibles (5, 7, 11) en particulier avec une petite inductancede lissage.

La forme du courant est illustrée à la figure 7.2. Si la majeurepartie de la charge est constituée de convertisseurs avecun redresseur 6 pulses, le transformateur d'alimentation doitêtre surdimensionné et le respect des exigences normativespeut s'avérer difficile. Souvent, le filtrage de certainsharmoniques est nécessaire.

Figure 7.2 Harmoniques de courant réseau avec différents types deredresseur.

Redresseur 6 pulses Redresseur12 Pulses

Redresseur 24 pulses

Forme du courant Forme du courant Forme du courant

Redresseur12 Pulses



7.4 Utilisationd'unredresseur àdiodes 12 ou24 pulses

Le redresseur 12 pulses est réalisé en raccordant enparallèle deux redresseurs 6 pulses pour alimenter un buscontinu commun. Côté entrée, les redresseurs sontalimentés par un transformateur à trois enroulements oupar deux transformateurs à deux enroulements. Dans lesdeux cas, les secondaires des transformateurs sontdéphasés de 30o. Avantage de cette solution : côté réseau,certains harmoniques sont en opposition de phase et doncsupprimés. En théorie, la composante harmonique de plusfaible fréquence vue côté primaire du transformateur estl'harmonique de rang 11.

Inconvénient majeur de cette solution : le recours à destransformateurs de conception spéciale et le surcoût parrapport à un redresseur 6 pulses.

Le principe du redresseur 24 pulses est également illustréà la figure 7.2. Il comporte deux redresseurs 12 pulses enparallèle avec deux transformateurs à trois enroulementsdont les enroulements primaires sont déphasés de 30o.Avantage de cette solution : pratiquement tous lesharmoniques basse fréquence sont supprimés.Inconvénient : son coût élevé. Dans le cas d'une installationmono-entraînement de forte puissance ou multientraîne-ment importante, un système 24 pulses peut constituer lasolution la plus économique avec les distorsionsharmoniques les plus faibles.

Figure 7.3 Composantes harmoniques avec différents redresseurs.

Redresseur 6pulses

Redresseur 12pulses

Redresseur 24pulses

Rang des harmoniques

InI1



Un redresseur contrôlé est réalisé en remplaçant les diodesd'un redresseur 6 pulses par des thyristors. Sachant qu'unthyristor nécessite une impulsion d'allumage pour passerde l'état bloqué à l'état passant, l'angle de phase auquelle thyristor commence à conduire le courant peut êtreretardé. En retardant l'angle d'allumage de plus de 90o, latension du bus c.c. devient négative. Cette solution permetle renvoi d'énergie du bus c.c. sur le réseau.

Les configurations standard bus c.c. et onduleurn'autorisent pas le changement de polarité de la tensionc.c. et il est plus fréquent de raccorder un autre pont dethyristors en montage antiparallèle avec le premier pourpermettre l'inversion du sens du courant. Dans cetteconfiguration, le premier pont conduit en mode moteur etl'autre en mode régénératif.

La forme des ondes de courant d'un redresseur contrôléest identique à celle du redresseur à diodes 6 pulses, maissachant qu'il décale l'onde de courant suivant l'angled'allumage, le facteur de puissance total à charge partielleest assez faible. Ce faible facteur de puissance entraîneun courant apparent élevé et les courants harmoniquesabsolus sont plus élevés qu'avec un redresseur à diodes.

En plus de ces problèmes, les redresseurs contrôlésprovoquent des encoches de commutation sur l'onde detension réseau. La position angulaire des encoches varieavec l'angle d'allumage.

Figure 7.4 Distorsion des différents types de redresseur. Les valeurspeuvent varier d'un cas à l'autre.

7.5 Utilisationd'unredresseurcontrôlé àthyristors

Type deredresseur

Redresseur 6pulses

Redresseur 12pulses

Redresseur àIGBT

TDHcourant (%)

30

10

4

TDHtension (%)

RSC=20

10

6

8

TDH tension (%)RSC=100

2

1,2

1,8

Forme d'ondesde courant

Distorsion en % des valeurs efficaces



7.6 Utilisationd'un pontd'IGBT

L'utilisation d'un pont redresseur constitué de composantsà commutation naturelle présente plusieurs avantages etatouts par rapport aux ponts à commutation contrôlée. Toutcomme un redresseur contrôlé, cette configuration matéri-elle autorise à la fois le redressement et la régénération,mais permet, en plus, de régler séparément le niveau detension c.c. et le facteur de déphasage, quel que soit lesens de circulation du courant.

Les principaux avantages sont :- fonctionnement sûr en cas de perte réseau.- Dynamique élevée de la commande de l'entraînement

même dans la plage d'affaiblissement de champ.- Possibilité de générer de la puissance réactive, voire de

compenser les courants harmoniques des charges enparallèle

- Courant d'alimentation quasi sinusoïdal avec faibleteneur en harmoniques. Les mesures réalisées sur unentraînement avec redressur IGBT sont illustrées à lafigure 7.5. En comparant celle-ci à la figure 7.3, onobserve une différence nette. Le pont d'IGBT présentede très faibles harmoniques aux plus basses fréquencesmais légèrement plus élevés aux plus hautes fréquences.

- Possibilité d'un "boost" de tension. Dans le cas d'unetension réseau faible, la tension c.c. peut être augmentéepour maintenir la tension moteur au-dessus de la tensiond'alimentation.

Le principal inconvénient est le surcoût important lié aupont d'IGBT et au filtre supplémentaire requis.

Figure 7.5 Harmoniques de courant réseau dans le pont d'IGBTrégénératif.

Pont régénératif

3~

Pont régénératif

Rang des harmoniques

InI1



7.7 Utilisationd'une grosseinductance c.a.ou c.c.

Les harmoniques d'un convertisseur de fréquence à sourcede tension peuvent être fortement réduits en plaçant uneinductance suffisamment grosse côté c.a. ou côté bus c.c.La tendance veut que l'on réduise la taille du convertisseur,tout en réduisant également la taille de l'inductance, voireen n'en mettant aucune. L'incidence de cette inductanceest illustrée à la figure 7.6.

Courant sansinductance

Courant avecinductance

Figure 7.6 Incidence de l'inductance sur le courant réseau.

415 V, 50 Hz

5th

7th

11th

13th

17th

19th

23rd

25th

THD

La figure 7.7 montre l'incidence de la taille de l'inductancec.c. sur les harmoniques. Pour les 25 premiers rangs, leTHD minimum théorique est 29%. Cette valeur estpratiquement atteinte lorsque la valeur d'inductance propreest 100 mH divisée par la puissance (kW) du moteur, soit1 mH pour un moteur de 100 kW (415 V, 50 Hz). L'idéal estune valeur de 25 mH divisée par le nombre de kW du moteur,ce qui donne un THD d'environ 45%. Cela correspond à0,25 mH pour un moteur de 100 kW.

Inductance c.c./mH = cette valeur/puissance moteur

Co

uran

t ha

rmo

niq

ue (

pu)

Figure 7.7 Courant harmonique en fonction de l'inductance c.c.

La distorsion de tension avec un niveau de distorsion decourant donné est fonction du rapport de court-circuit Rscde l'alimentation. Plus ce rapport est élevé, plus la distorsionde tension est faible. Cf. figure 7.8.



Charge 60 A, puissance transformateur 50-315 kVA, niveau de défautréseau 150 MVA

Figure 7.8 Comparatif tension de THD / type de convertisseur defréquence et taille du transformateur.

TH

D d

e te

nsio

n (%

)

Rapport de court-circuit

sans inductance,6 pulses

petite inductance,6 pulses

grosse inductance,6 pulses


La figure 7.9 présente une méthode simple de calcul destensions harmoniques. Sur le graphique du bas à droite,sélectionnez la puissance du moteur (kW) et ensuite celledu transformateur (kVA) ; déplacez-vous à l'horizontalejusqu'à la diagonale où vous remontez pour vous arrêter àla courbe de votre application. Déplacez-vous enfin vers lagauche (axe y) pour lire le taux de distorsion harmoniqueen tension.

Exemple : moteur de 45 kW raccordé à un”transformateur de 200 kVA”. THD = env. 3%avec un “variateur à grosse inductance” et env.11% avec un “variateur sans inductance”.

Taux

de

dis

tors

ion

ham

oni

que

de

tens

ion

Données pour les calculs :Puissance nominale moteurCharge à couple constantTension 415 VRendement variateur = 97%Impédance alimentation =10% de l'impédance dutransformateur

Transformateurd'alimentation

(kVA)

STOP A GAUCHE

DEPART

A GAUCHE

VERS HAUT

Moteur kW

sans nductancec.c., 6 pulses

petite inductancec.c., 6 pulses


grosse induc-tance c.c.,12 pulses

Figure 7.9 Détermination du taux de distorsion harmonique total.


Les résultats des essais en laboratoire sur des variateursde différentes fabrications sont illustrés à la figure 7.10. Levariateur A avec une grosse inductance c.c. présente ladistorsion de courant harmonique la plus faible, lesvariateurs sans inductance présentent la distorsion la plusélevée.

Figure 7.10. Courant harmonique avec différentes inductances c.c.


A = Grosse inductance c.c.B, C = Petite inductance c.c.D, E = Sans inductance c.c.


8.1 Filtre passifaccordémonobranche

8.2 Filtrepassif accordémultibranche

Chapitre 8 - Autres méthodes deréduction des émissions harmoniques

Le filtrage est une méthode de réduction des émissionsharmoniques au sein d'un site industriel où la distorsionharmonique a graduellement augmenté ou comme solutionglobale pour un nouveau site. On distingue deux techniquesde base : les filtres passifs et les filtres actifs.

Le principe d'un filtre passif accordé monobranche estillustré à la figure 8.1. Ce type de filtre doit être déterminéau droit de la composante harmonique la plus basse où ily a importante génération d'harmoniques dans le réseau.Pour les réseaux qui alimentent essentiellement une chargeindustrielle, il s'agira probablement de l'harmonique derang 5. Au-dessus de la fréquence d'accord, lesharmoniques sont absorbés, mais en-dessous de cettefréquence, ils peuvent être amplifiés.

Désaccordé - fréquence d'accord uniqueAu-dessus de la fréquence d'accord, harmoniques absorbésEn-dessous de la fréquence d'accord, harmoniquessusceptibles d'être amplifiésRéduction des harmoniques limitée par surcompensationéventuelle de la fréquence d'alimentation et du réseau lui-même

Figure 8.1 Filtre passif accordé monobranche.

Ce type de filtre est constitué d'une inductance en sérieavec une batterie de condensateurs, le meilleuremplacement pour le filtre passif étant au plus près descharges génératrices d'harmoniques. Cette solution n'estnormalement pas utilisée pour les installations neuves.

Le principe de ce filtre est illustré à la figure 8.2. Il comporteplusieurs branches accordées sur un ou plusieursharmoniques qui sont en général les fréquencesharmoniques de rangs les plus faibles. Le filtre multipleoffre une meilleure absorption des harmoniques que lesfiltres monobranche.


Capacitif sous la fréquence d'accord/inductif au-dessusMeilleure absorption des harmoniquesMesures tenant compte de l'amplification des harmoniquespar le filtreLimité par KVAr et réseau

Figure 8.2 Filtre passif accordé multibranche.

Autres méthodes de réduction des émissions harmoniques

8.3 Filtre actifexterne

Les filtres passifs multibranches sont souvent utilisés pourles gros systèmes d'entraînement à courant continu où untransformateur dédié alimente l'ensemble de l'installation.

Un filtre passif accordé introduit de nouvelles résonancesqui peuvent être à l'origine de problèmes d'harmoniquessupplémentaires. Les nouveaux développements enélectronique de puissance permettent de réaliser desproduits qui peuvent contrôler la distorsion harmoniquede manière active. Ces filtres actifs (cf. figure 8.3)compensent les harmoniques présents dans le réseauélectrique sur la base des harmoniques générés à tout in-stant dans le temps.

Figure 8.3 Schéma de principe du filtre actif externe.

Fondamental uniquem. idistorsion

icompensation

Charge

filtreactif

Formes d'ondes de courant

Réseau


Autres méthodes de réduction des émissions harmoniques

Le filtre actif compense les harmoniques générés par lescharges non linéaires en générant les harmoniques demême rang en opposition de phase comme illustré sur lafigure 8.4. Les filtres actifs externes sont la solution la mieuxadaptée aux installations comprenant de nombreuxvariateurs de petite puissance. Ils sont relativement cherspar rapport aux autres méthodes.

Courantd'alimentation

propre

Courant decharge

Courant filtreactif

Har

mon

ique

sF

orm

esd

'ond

es

Figure 8.4 Formes d'ondes et harmoniques du filtre actif externe.


Il existe de nombreuses méthodes pour atténuer lesharmoniques au sein même du système d'entraînement ouen externe. Elles présentent toutes des avantages et desinconvénients, et impliquent toutes un surcoût. La meilleuresolution sera fonction de la charge totale, de l'alimentationdu site et du niveau de distorsion autorisé.Dans les tableaux suivants, différentes solutions internessont comparées au système de base sans inductance. Lateneur en harmoniques est donnée à 100% de charge. Leséléments de coût sont valables pour des petitsentraînements. Pour une configuration multi-entraînement,la solution avec redresseur 12 pulses est beaucoup moinschère.

Coût de fabrication 100%Composantes de courant harmonique types.

Rang 5 7 11 13 17 19100% 63% 54% 10% 6,1% 6,7% 4,8%

Coût de fabrication 120%. Self c.a. ou c.c. ajoutéeComposantes de courant harmonique types.

Rang 5 7 11 13 17 19100% 30% 12% 8,9% 5,6% 4,4% 4,1%


Rang 5 7 11 13 17 19100% 11% 5,8% 6,2% 4,7% 1,7% 1,4%


Rang 5 7 11 13 17 19100% 3,6% 2,6% 7,5% 5,2% 1,2% 1,3%

9.4 Redresseur12 pulses avectransformateurà doubleenroulement

9.3 Redresseur12 pulses avecauto-transformateur

9.2 Redresseur6 pulses avecinductance

9.1 Redresseur6 pulses sansinductance

Chapitre 9 - Récapitulatif des méthodesd'atténuation des harmoniques


9.6 Redresseuractif à IGBT

Récapitulatif des méthodes d'atténuation des harmoniques


Rang 5 7 11 13 17 19100% 4,0% 2,7% 1,0% 0,7% 1,4% 1,4%

Coût de fabrication 250%. Non significatif si freinageélectrique également requis.Composantes de courant harmonique types.

Rang 5 7 11 13 17 19100% 2,6% 3,4% 3,0% 0,1% 2,1% 2,2%

9.5 Redresseur24 pulses avecdeuxtransformateursà troisenroulements


où I1 est la valeur efficace du courant de la fréquencefondamentale. Le taux THD de la tension peut être calculéde manière similaire. Exemple pour les 25 premiers rangsd'harmoniques avec les valeurs théoriques :

Chapitre 10 - Définitions

S: Puissance apparente

P: Puissance active

Q: Puissance réactive

Rsc: Le rapport de court-circuit est défini comme lapuissance de court-circuit au PCC divisée par lapuissance apparente nominale de l'équipement enquestion.Rsc = Ss / Sn.

ω1: Pulsation de la composante fondamentaleω1 = 2*π*f1, où f1 est la fréquence fondamentale(ex., 50Hz ou 60Hz).

n: Nombre entier n = 2, 3, ... ∞. Les fréquencesharmoniques sont définies comme wn = n*ω1.

In: Valeur efficace de la composante harmonique n ducourant réseau.

Zn: Impédance à la fréquence n*ω1.

%Un: Composante de tension harmonique en pourcentagede la tension (réseau) fondamentale.

THD: Le taux de distorsion harmonique total du courantd'entrée est défini comme :


Définitions

PWHD: Le taux de distorsion harmonique partiel pondéréest défini comme :

PCC : Point de couplage commun. Dans ce document,désigne le point commun de raccordement au réseaud'alimentation électrique public de l'équipement enquestion et d'autres équipements. Le PCC est définidifféremment dans différentes normes et interprétéde manières encore plus diverses dans la littérature.La définition retenue ici est pour nous la plus justifiéeen terme technique.

PF : Facteur de puissance défini comme PF = P/S(puissance/ volt-ampère) = I1 / Is * DPF (avec lecourant sinusoïdal PF égal à DPF).

DPF : Le facteur de déphasage est défini comme cosφ1,où φ1 est l'angle de phase entre le courant defréquence fondamentale prélevé par l'équipement etla composante de fréquence fondamentale de latension d'alimentation.


Chapitre 11 - Index

AABB 6, 10accès puissance 12afficheurs des appareilsélectroniques 8alimentation sans interruption 8atténuation 5, 28

Bboost de tension 21bus continu commun 19

Ccâble d'alimentation 18calcul 5, 9, 11, 12, 15, 16, 23calcul de la distorsion 5, 6charge convertisseur 6charge moteur 9charge non linéaire 6, 8, 15, 16compatibilité électro-magnétique(CEM) 22composantes harmoniques 7, 19,22, 25, 26, 30condensateur c.c. 18convertisseur 6, 9, 12, 18, 20, 21courant continu 18courant rectangulaire 7courant réseau 6, 18, 21courants harmoniques 6, 7, 9, 11,12, 13, 15, 20, 21, 22, 23, 28, 29coût de fabrication 28, 29

Ddémarreurs électroniquesdes moteurs 8détermination du tauxde distorsion 23disjoncteur 8dispositifs électroniques 8distributeur d'électricité 14distribution d'électricité 6données du redresseur 10DriveSize 9, 10, 11

Eéchauffement 8éclairages électroniques 8effets 5, 6, 8, 17, 18, 21, 22émissions harmoniques 6, 8, 9,12, 14, 15, 16, 19, 23, 26, 30encoche de commutation 20entraînement à vitessevariable 8Espace Economique Européen(EEE) 12essais en laboratoire 24état 11évaluer les émissionsharmoniques 16

Ffacteur de déphasage 21, 31facteur de puissance 16, 20, 31filtrage 17, 18, 21, 25filtrage externe 17filtre actif 5, 26, 27filtre passe-bas 18filtre passif 25, 26filtre passif accordé 25filtre passif multibranche 5, 25,26fréquence 9, 12, 13, 14, 19, 25,30, 31fréquence fondamentale 7, 30,31

Hharmonique de rang 5 7

Iimpédance de source 4, 9inductance 5, 18, 21, 22, 23, 25,28inductance c.a. 21installation 9, 12, 14, 15, 19, 25,26installation du consommateur14installation industrielle 12


Index

instance américaine denormalisation 14instrument de mesure 8

Llimite de compatibilité 12, 13limite d'émissions harmoniques12, 13, 14, 15, 16

Mmarquage CE 12mode redressement 20mode régénératif 20modification de la structure 17,18, 19, 20, 21, 22, 23montage antiparallèle 20

Nnorme 12, 13, 14, 15, 18, 20, 31norme de produit relative à laCEM 12

Oordinateur 8

PPHD 12phénomènes harmoniques 6, 7point de couplage commun 15,31pont d'IGBT 20, 21postes à souder 8puissance active 14, 30puissance apparente 30puissance de court-circuit 14,16, 17, 30puissance réactive 21, 30PWHD 14, 31

Rrapport de court-circuit 23, 30redresseur 12 pulses 18, 19, 20redresseur 24 pulses 18, 19

redresseur 5, 6, 7, 17, 18, 19, 20,28, 29redresseur 6 pulses 7, 18, 19, 20redresseur contrôlé 20redresseur triphasé 6 pulses 7réduction des harmoniques 17,25, 26réseau 10réseau public 12

Ssélection de l'onduleur 10sélection du moteur 10source 6, 8, 9, 21système d'entraînement depuissance 12

Ttaux de distorsion de puissance15taux de distorsion harmoniquetotal 10, 15, 23, 30TDD 15tension 6, 9, 11, 12, 13, 14, 17,18, 19, 20, 21, 22, 23tension d'alimentation 6, 21, 31tension harmonique 23, 30THD 12, 14, 22, 23, 30thyristor 17, 19, 20transformateur 9, 10transformateur à doubleenroulement 19transformateur à troisenroulements 19transformateur d'alimentation18transformateur réseau 6

Vvaleur d'inductance 17, 18, 22,23



Siege socialABB Automation100, rue de Paris91342 MassyTél: 01 64 47 20 00Fax: 01 64 47 20 16

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