Gestion avancée des harmoniques : Partie 2 – Stratégies efficaces et mesures

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

Mesures des harmoniques

Les courants ou tensions harmoniques individuels peuvent être mesurés et cités en valeurs efficaces. Souvent, ils peuvent être exprimés en pourcentage du fondamental. Il est très courant que les instruments de mesure d'harmoniques donnent les harmoniques en pourcentage, par défaut.

Il faut faire attention lors de l'évaluation des données harmoniques, surtout les données de courant. Si le courant fondamental est faible, parce que la puissance de charge est faible, alors les harmoniques exprimés en pourcentage apparaîtront élevés. Cela peut être trompeur. Les données fournies pour le variateur seront à une puissance de charge définie. À 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 la 5^e et la 11^e augmentent quand la puissance augmente. La Figure 7(b) montre comment les harmoniques majeurs et le THD, quand ils sont exprimés en pourcentage du courant fondamental, baissent quand la puissance de charge augmente.

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

Dans un variateur, cela peut être particulièrement trompeur si l'utilisateur ne réalise pas que le courant d'entrée est une fonction de la puissance, c'est-à-dire le produit du couple et de la vitesse à l'arbre. Si un variateur délivre le couple assigné à vitesse réduite, il peut sembler « travailler dur » parce que le courant de sortie est proche de son assignation maximale, et l'étage onduleur transporte ce courant et produit la perte de puissance attendue sous forme de chaleur. Cependant, la puissance réelle de transit est faible, et donc le courant d'entrée sera aussi faible.

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

Un paramètre simple unique pour mesurer l'effet global des harmoniques est la Distorsion Harmonique Totale, THD. C'est le ratio (en %) entre la valeur efficace de tous les harmoniques ensemble, et le fondamental. Pour la tension et le courant, il peut être appelé VTHD et ITHD respectivement.

Encore une fois, attention avec l'ITHD, car à charge réduite il apparaîtra élevé.

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

Quand le courant et la tension sont sinusoïdaux, cela est égal à cos φ.

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

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

Et le facteur de déphasage mesure la réduction causée par le décalage de phase :

La signification de ces facteurs peut être illustrée en considérant un moteur fonctionnant soit directement sur le réseau, soit avec un variateur :

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

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

(où THD est exprimé comme une fraction, pas en pourcentage)

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

Les compagnies d'électricité opèrent des règles pour protéger le système d'énergie et les utilisateurs d'énergie des harmoniques excessifs. Chaque utilisateur d'énergie est responsable de s'assurer qu'il se conforme aux règles. Dans certaines régions comme l'Union Européenne, l'émission d'harmoniques des produits électriques utilisés en grand nombre est réglementée dans le cadre de la loi CEM. Cela signifie que les utilisateurs domestiques et petits professionnels n'ont pas à faire de dispositions spéciales. Les gros utilisateurs industriels d'équipements spécialisés doivent s'assurer eux-mêmes que leur émission harmonique n'est pas excessive. Le plus souvent, les règles sont appliquées quand une nouvelle installation est proposée qui nécessite une nouvelle alimentation du fournisseur, comme condition pour fournir cette alimentation.

Les règles varient entre pays, mais les principes sont les mêmes. Les étapes clés sont montrées ici :

• Le fournisseur d'énergie doit ultimement s'assurer que la tension harmonique dans son alimentation rencontre le niveau acceptable. Par exemple, dans l'UE, la qualité de l'énergie est régie par une norme EN 50160. Généralement, il 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 et mesures complexes pour le prédire, ce qui n'est pas justifiable pour les installations industrielles typiques.
• Par conséquent, généralement le fournisseur a des règles simplifiées qui permettent au courant harmonique d'être accepté jusqu'à une limite, qui peut dépendre de la capacité de la connexion d'alimentation, ou du courant de pointe ou moyen de l'utilisateur. Il est beaucoup plus simple d'estimer le courant que la tension, en ajoutant les données de courant harmonique pour tout l'équipement pertinent connecté à un point d'alimentation particulier. Pour cette raison, l'équipement professionnel tel que les variateurs qui génèrent un courant harmonique significatif doit avoir les données de courant harmonique disponibles pour l'utilisateur. Control Techniques fournit ces données pour tous ses produits variateurs dans les fiches de données CEM qui sont librement disponibles sur demande.
• Pour une installation donnée, si le courant dépasse les limites permises, alors soit des mesures techniques doivent être prises pour le réduire, soit une investigation plus complexe doit être entreprise pour évaluer la tension harmonique causée par l'installation.
• Pendant ce temps, si tout l'équipement rencontre les normes harmonisées dans un marché unique comme l'UE, aucun des travaux décrits ci-dessus n'est nécessaire.

Normes

Pour les installations, de nombreux fournisseurs opèrent leurs propres réglementations donc il y a beaucoup de normes nationales. Une norme particulièrement bien connue est IEEE 519.

Les normes de qualité de l'énergie incluent IEC 61000-2-4, qui définit des « niveaux de compatibilité » qui sont des niveaux harmoniques maximums permis, dans ce cas pour les alimentations BT industrielles. Les normes IEC ne sont pas obligatoires, mais les fournisseurs utilisent souvent les limites données dans les normes IEC comme point de départ pour leurs propres réglementations.

Pour les produits finis, il y a les normes IEC 61000-3-2, pour équipements de courant assigné jusqu'à 16 A par phase, et IEC 61000-3-12, jusqu'à 75 A par phase. Les versions européennes comme EN 61000-3-12 sont en effet obligatoires pour les produits finis mis sur le marché dans l'EEE.

Si un variateur est intégré dans un équipement qui tombe dans le champ d'application de l'une de ces normes, il est fort probable qu'il soit un contributeur majeur à l'émission harmonique. Pour les variateurs Control Techniques, il est nécessaire d'utiliser de petites selfs d'entrée additionnelles pour rencontrer EN 61000-3-12. L'information est donnée dans les fiches de données CEM.

Effet de la charge

Un problème courant rencontré lors de la vérification de la conformité harmonique de machines contenant des variateurs est la question de la puissance de charge assignée correcte. Nous avons eu des plaintes de produits échouant au test où il s'est avéré que la charge de test était inférieure à la charge assignée. Cela pourrait être parce que l'application n'utilise pas la pleine capacité du variateur, ou parce qu'il n'était pas possible de charger la machine pleinement au laboratoire de test CEM. Il est souvent difficile de créer une charge réaliste en laboratoire de test parce que les machines sont souvent destinées à travailler sur des matériaux grands, sales ou difficiles qui ne peuvent pas être apportés au labo. Afin de s'assurer que la norme requise est rencontrée, les exigences suivantes doivent être observées :

1. Les selfs d'entrée additionnelles doivent être sélectionnées pour être correctes à la puissance de charge continue maximale prévue pour l'application, qui n'est pas nécessairement l'assignation 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 assignée. Si nécessaire, quelque sorte de frein temporaire ou autre dispositif de charge doit être fourni dans le montage de test.

Réduction des harmoniques

Le niveau naturel d'harmoniques généré par un redresseur simple peut être fortement réduit par l'ajout d'inductance. Cela peut être dans le bus continu du variateur ou dans les lignes d'entrée CA. La plupart des variateurs assignés au-dessus d'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 variateur. Vous pouvez voir que la forme d'onde est bien meilleure que dans la Figure 1, bien qu'elle soit loin d'être sinusoïdale. Dans ce cas, le ITHD est d'environ 50 % et le pire harmonique est le 5^e à environ 40 %.

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

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

Selfs à air variable (Swinging chokes)

L'utilisation d'une « self à air variable » a été promue par certains fabricants de variateurs. La self à air variable est une invention des années 1920, où elle était utilisée dans certains postes radio pour le lissage continu. La self est conçue avec un entrefer en escalier ou profilé de sorte qu'à mesure que le courant continu augmente, une partie du circuit magnétique sature et l'inductance diminue. Le résultat est qu'à faibles courants, l'inductance est augmentée, et cela aide à contrer le problème décrit ci-dessus, de rencontrer les limites harmoniques sur une gamme de puissances de charge. C'est parce que la valeur d'inductance s'adapte elle-même à la charge.

La self à air variable peut bénéficier au fabricant de variateurs, car elle peut permettre de réduire le stock de différentes valeurs de self pour une variété d'assignations de variateurs. Elle peut bénéficier à l'utilisateur en permettant au variateur de rencontrer une norme harmonique à charge réduite sans self additionnelle requise. En pratique, il est assez difficile de concevoir une self à air variable qui fonctionne sur une large gamme de charge, donc les bénéfices réels sont petits.