Introduction aux harmoniques :partie 2

Dans la deuxième partie de cette mini-série, Colin Hargis se penche sur la gestion efficace des harmoniques. La première partie est disponible ici.

Mesures harmoniques

Les courants ou tensions harmoniques individuels peuvent être mesurés et indiqués en valeur efficace. quantités. Souvent, ils peuvent être exprimés en pourcentage du fondamental. Il est très courant que les instruments de mesure des harmoniques donnent les harmoniques en pourcentage, par défaut.

Des précautions doivent être prises lors de l'évaluation des données harmoniques, en particulier des données de courant. Si le courant fondamental est faible, car la puissance de charge est faible, alors les harmoniques exprimées en pourcentage apparaîtront élevées. Cela peut être trompeur. Les données fournies pour le lecteur seront à une puissance de charge définie. A charge réduite, les courants harmoniques diminuent en valeur absolue, mais en pourcentage du fondamental ils augmentent.

Ceci est illustré à la figure 7. La figure 7(a) montre comment le courant et les harmoniques majeurs tels que le 5 ^th et 11 ^ème augmenter à mesure que la puissance augmente. La figure 7(b) montre comment les harmoniques majeures et le THD, lorsqu'ils sont exprimés en pourcentage du fondamental, chutent à mesure que la puissance de charge augmente.

Figure 7 :Variation du courant et des harmoniques avec la puissance de la charge, exprimée en (a) grandeurs absolues et (b) % du courant fondamental

Dans un entraînement, cela peut être particulièrement trompeur si l'utilisateur ne comprend pas que le courant d'entrée est fonction de la puissance, c'est-à-dire le produit du couple et de la vitesse au niveau de l'arbre. Si un variateur fournit un couple nominal à vitesse réduite, il peut sembler "travailler dur" car le courant de sortie est proche de sa valeur nominale maximale et l'étage de l'onduleur transporte ce courant et produit la perte de puissance attendue sous forme de chaleur. Cependant, le débit de puissance réel est faible, et donc le courant d'entrée sera également faible.

THD, VTHD, ITHD, facteur de distorsion et facteur de puissance

Un seul paramètre simple pour mesurer l'effet global des harmoniques est la distorsion harmonique totale, THD. C'est le rapport (en %) entre la valeur efficace. valeur de toutes les harmoniques ensemble, et la fondamentale. Pour la tension et le courant, il peut être appelé respectivement VTHD et ITHD.

Encore une fois, il faut faire attention avec ITHD, car à charge réduite, il apparaîtra élevé.

En génie électrique, le facteur de puissance est couramment utilisé pour mesurer la réduction de la puissance utile transportée par un courant alternatif s'il n'est pas en phase avec la tension.

Lorsque le courant et la tension sont sinusoïdaux, cela est égal à cos o.

En présence de courant harmonique, et en supposant que la tension reste sinusoïdale, le facteur de puissance peut se décomposer en deux facteurs :

Où le facteur de distorsion mesure la réduction du courant utile causée par la distorsion :

Et le facteur de déplacement mesure la réduction causée par le déphasage :

La signification de ces facteurs peut être illustrée en considérant un moteur fonctionnant soit directement à partir de la ligne électrique, soit avec un variateur :

Ainsi, le moteur a un facteur de puissance très similaire dans les deux cas, ce qui signifie que le courant à pleine charge tiré de l'alimentation secteur est très similaire. Cependant, avec le moteur seul, l'augmentation du courant est entièrement due au fait que le courant est en retard sur la tension en phase, alors qu'avec le moteur et le variateur, c'est principalement parce qu'il y a un courant harmonique.

Le facteur de distorsion et le THD sont des mesures alternatives du niveau de distorsion ou des harmoniques totaux. Ils sont liés par la fonction suivante :

(où THD est exprimé en fraction et non en pourcentage)

Gestion des harmoniques. Données de courant harmonique pour les produits.

Les services publics d'approvisionnement en électricité appliquent des règles pour protéger le système d'alimentation et les utilisateurs d'électricité contre les harmoniques excessifs. Chaque utilisateur expérimenté est responsable de s'assurer qu'il respecte les règles. Dans certaines régions telles que l'Union européenne, l'émission d'harmoniques provenant de produits électriques qui sont utilisés en grand nombre est réglementée dans le cadre de la loi CEM. Cela signifie que les utilisateurs domestiques et les petites entreprises n'ont pas à prendre de dispositions particulières. Les grands utilisateurs industriels d'équipements spécialisés doivent s'assurer eux-mêmes que leur émission d'harmoniques n'est pas excessive. Le plus souvent, les règles sont appliquées lorsqu'une nouvelle installation est proposée qui nécessite une nouvelle alimentation électrique du service public, comme condition de fourniture de cette alimentation.

Les règles varient d'un pays à l'autre, mais les principes sont les mêmes. Les étapes clés sont présentées ici :

• Le service public d'électricité doit en fin de compte s'assurer que la tension harmonique dans son alimentation atteint le niveau acceptable. Par exemple, dans l'UE, la qualité de l'énergie est régie par une norme EN 50160. Généralement, elle alloue un « budget » de tension harmonique à chaque utilisateur. Comme expliqué précédemment, la tension harmonique est causée par le courant harmonique interagissant avec l'impédance d'alimentation et les harmoniques existants, qui sont uniques pour chaque emplacement. Cela nécessite des calculs complexes et des mesures le prédisent, ce qui n'est pas justifiable pour des installations industrielles typiques.
• Par conséquent, le service public a généralement des règles simplifiées qui permettent d'accepter le courant harmonique jusqu'à une limite, qui peut dépendre de la capacité de la connexion d'alimentation ou de la demande de courant de pointe ou moyenne de l'utilisateur. Il est beaucoup plus simple d'estimer le courant que la tension, en ajoutant les données de courant harmonique pour tous les équipements pertinents connectés à un point d'alimentation particulier. Pour cette raison, les équipements professionnels tels que les variateurs qui génèrent un courant harmonique important doivent disposer des données de courant harmonique à la disposition de l'utilisateur. Control Techniques fournit ces données pour tous ses produits variateurs dans les fiches techniques CEM qui sont disponibles gratuitement sur demande.
• Pour une installation donnée, si le courant dépasse les limites autorisées, des mesures techniques doivent être prises pour le réduire ou une enquête plus complexe doit être entreprise pour évaluer la tension harmonique causée par l'installation.
• Dans l'intervalle, si tous les équipements sont conformes aux normes harmonisées d'un marché unique tel que l'UE, aucun des travaux décrits ci-dessus n'est nécessaire.

Normes

Pour les installations, de nombreux services publics appliquent leurs propres réglementations, il existe donc de très nombreuses normes nationales. Une norme particulièrement connue est IEEE 519.

Les normes de qualité de l'alimentation incluent la CEI 61000-2-4, qui définit les « niveaux de compatibilité » qui sont les niveaux d'harmoniques maximum autorisés, dans ce cas pour les alimentations industrielles BT. Les normes CEI ne sont pas obligatoires, mais les services publics utilisent souvent les limites indiquées dans les normes CEI comme point de départ pour leurs propres réglementations.

Pour les produits finaux, il existe les normes CEI CEI 61000-3-2, pour les équipements jusqu'à 16 A par phase, et CEI 61000-3-12, jusqu'à 75 A par phase. Les versions européennes telles que EN 61000-3-12 sont en effet obligatoires pour les produits finis mis sur le marché dans l'EEE.

Si un variateur est intégré à un équipement qui relève du champ d'application de l'une de ces normes, il est fort probable qu'il soit un contributeur majeur à l'émission d'harmoniques. Pour les variateurs Control Techniques, il est nécessaire d'utiliser de petites selfs d'entrée supplémentaires afin de respecter la norme EN 61000-3-12. Les informations sont données dans les fiches techniques CEM.

Effet de la charge

Un problème courant rencontré lors de la vérification de la conformité aux harmoniques des machines contenant des variateurs est la question de la puissance de charge nominale correcte. Nous avons eu des plaintes concernant des produits qui échouaient au test lorsqu'il s'est avéré que la charge de test était inférieure à la charge nominale. Cela peut être dû au fait que l'application n'utilise pas toutes les capacités du variateur ou qu'il n'a pas été possible de charger complètement la machine dans le laboratoire de test CEM. Il est souvent difficile de créer une charge réaliste dans un laboratoire de test car les machines sont souvent destinées à travailler sur des matériaux volumineux, sales ou difficiles qui ne peuvent pas être amenés au laboratoire. Afin de s'assurer que la norme requise est respectée, les exigences suivantes doivent être respectées :

1. Les selfs d'entrée supplémentaires doivent être sélectionnées pour être correctes à la puissance de charge continue maximale prévue pour l'application, qui n'est pas nécessairement la puissance nominale du variateur.
2. Il faut tenir compte de tout autre équipement générateur d'harmoniques dans la machine.
3. La charge pendant le test doit être égale à la charge nominale. Si nécessaire, un type de frein temporaire ou un autre dispositif de charge doit être fourni dans le gabarit de test.

Réduction des harmoniques

Le niveau naturel des harmoniques générés par un simple redresseur peut être considérablement réduit par l'ajout d'une inductance. Cela peut être dans la liaison CC du variateur ou dans les lignes d'entrée CA. La plupart des variateurs d'une puissance nominale supérieure à environ 2,2 kW utilisent une alimentation triphasée et contiennent des selfs pour fournir l'inductance. La figure 8 montre une forme d'onde de courant typique pour ce type de commande. Vous pouvez voir que la forme d'onde est bien meilleure que sur la figure 1, bien qu'elle soit loin d'être sinusoïdale. Dans ce cas, l'ITHD est d'environ 50 % et la pire harmonique est la quinte à environ 40 %.

Figure 8 :Forme d'onde typique du courant d'entrée pour un variateur avec alimentation triphasée et selfs d'entrée.

Ce niveau d'harmoniques convient à la majorité des applications sur une gamme de puissances allant de 3 kW à plusieurs centaines de kilowatts. Pour les applications sensibles, et lorsque la puissance totale du variateur commence à se rapprocher de la capacité de l'alimentation, il peut être nécessaire de procéder à des réductions supplémentaires des harmoniques. Le tableau ci-dessous donne les principales techniques disponibles avec quelques notes sur leurs avantages relatifs.

Chokes oscillants

L'utilisation d'un "starter oscillant" a été promue par certains fabricants d'entraînement. Le starter oscillant est une invention des années 1920, où il était utilisé dans certains postes de radio pour le lissage CC. Le starter est conçu avec un entrefer étagé ou profilé de sorte que lorsque le courant continu augmente, une partie du circuit magnétique se sature et l'inductance diminue. Le résultat est qu'aux faibles courants, l'inductance est augmentée, ce qui aide à contrer le problème décrit ci-dessus, consistant à respecter les limites harmoniques sur une plage de puissances de charge. En effet, la valeur de l'inductance s'adapte à la charge.

Le starter oscillant peut être avantageux pour le fabricant du variateur, car il peut permettre de réduire le stock de différentes valeurs de starter pour une variété de puissances de variateur. Cela peut être avantageux pour l'utilisateur en permettant au variateur de respecter une norme harmonique à charge réduite sans qu'une self supplémentaire ne soit nécessaire. En pratique, il est assez difficile de concevoir un starter oscillant qui fonctionne sur une large plage de charge, de sorte que les avantages réels sont faibles.