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The harmonics generated by variable speed drives are a significant aspect in the field of power electronics. Variable speed drives, also known as frequency converters, are electronic devices used to control the rotational speed of an electric motor by adjusting the frequency and voltage of the supplied current.
When these variable speed drives are implemented, they can produce harmonics in the electrical current. Harmonics are frequency components that are multiples of the fundamental frequency of the alternating current. In the context of variable speed drives, these harmonics are often generated due to rapid transitions in voltage and current associated with frequency variation.
The consequences of harmonics generated by variable speed drives are diverse and can impact both the electrical network and connected equipment. Firstly, these harmonics can lead to a degradation in the quality of electrical energy, causing disturbances such as voltage fluctuations and undesirable heating.
Moreover, harmonics can disrupt the operation of other electrical equipment connected to the same network, which may not be designed to handle these additional frequency components. This can result in malfunctions, overheating, and even premature failures of these devices.
While various methods for reducing harmonics are available, there is no one-size-fits-all solution.
The table below compares, among other criteria, the Total Harmonic Distortion (THD) of various harmonic reduction technologies.
| Variateur de fréquence 6 pulsessans bobine de réactance / self | Variateur de fréquence 6 pulsesFaible capacitance de bus DC | Variateur de fréquence 6 pulses + bobine de réactance / self 5 % | Variateur de vitesse Active Front End | |
| THDI typique | 90-120% | 35-40% | 35-45 % | 3-5 % |
| Prix du système | $ | $ | $$ | $$$ |
| Encombrement | ♦ | ♦ | ♦♦ | ♦♦♦ |
| Points forts | Solution simple et économique, acceptable pour les installations comptant un faible nombre de petits variateurs. | Solution simple et économique offrant une légère réduction des harmoniques de courant (THDI). | Solution standard pour les applications HVAC. | Solution offrant les meilleures performances harmoniques. Capacité à accroître latension de sortie en conditions de réseau faible. Facteur de puissance fondamental unitaire. Capable d’assurer le freinage régénératif. |
| Points faibles | Niveau d’harmoniques élevé, solution déconseillée pour les installations comptant de nombreuxvariateurs. | Distorsion de tension (THDV) élevée, supérieure à celle des variateurs 6 pulses avec bobine de réactance/self 5 %. Plus vulnérable aux problèmes causés par une faible qualité du réseau. Quasi-incapable de supporter les sous-tensions. |
Les systèmes comptant un grand nombre de variateurs ou des variateurs de grandetaille peuvent nécessiter une réduction complémentaire des harmoniques. |
Le variateur lui-même génère un peu plus de chaleur qu’un variateur 6 pulses standard avec bobine de réactance.
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| Variateur de fréquence 6 pulses + filtre passif | Variateurs à technologiematricielle | Variateur de fréquence multi-pulses | Variateur de fréquence 6 pulses + filtre actif | |
| THDI typique | 5-10% | 5-13 % | 12 pulses : 10-12% 18 pulses : 5-6 % |
4-7% |
| Prix du système | $$$ | $$$$ | $$$$ | $$$$$ |
| Encombrement | ♦♦♦♦ | ♦♦♦ | ♦♦♦♦♦ | ♦♦♦♦ |
| Points forts | Si le niveau d’harmoniques s'avère problématique et si l’espace disponible le permet, un filtre harmonique passifpeut être ajouté après l’installation du variateur. | Inclut le freinage régénératif. |
Méthode traditionnelle de réduction des harmoniques. | Un seul filtre actif peut supprimer les harmoniques pour plusieurs variateurs/ charges. |
| Points faibles | Facteur de puissance capacitifà faible charge, sauf si les condensateurs du filtre sontdésactivés. Risque de résonance entre les condensateurs du filtre et les autres condensateurs du système. |
Le mode à faibles harmoniques (THDI 5 %) n’autorise pas une régulation totale de la vitesse sur toute la plage de fréquence, car il ne peut atteindre que 93 % de la tension totale. L’absence de bus DC ne permet pas aux circuits de puissance de se protéger contre les sous-tensions. |
Très grande taille. Nombre important de points de défaillance. Pour obtenir des performances harmoniques optimales, une puissance AC parfaitement équilibrée, avec peu de distorsion de fond, est nécessaire. Très difficile à installer en rétrofit. |
Généralement la solution la plus coûteuse. Le filtre devient un point unique de défaillance pour la réduction des harmoniques. La défaillance d'un seul filtre peut donc entraîner des problèmesimportants/ immédiats liés aux harmoniques dans le système. |
Variable speed drive devices offer the opportunity to achieve substantial energy savings by adjusting the motor speed according to the application's requirements. However, it is crucial to assess the impact of these variable speed drives on the electrical network before making a final decision, as some variable speed technologies can have negative consequences on the quality of the network's energy. This can result in a decrease in the efficiency and reliability of the network, as well as higher project costs.
For systems requiring a minimal level of harmonics, especially in critical installations, variable speed drives based on active rectifier technology with DC bus capacitors, such as ABB's low harmonic drives, prove to be the optimal solution. They not only ensure the efficiency of the process itself but also contribute to the overall efficiency of the electrical network, enhancing the reliability of the controlled process. The substantial reduction in investment and operating costs through the use of low harmonic drives with active rectifiers makes them a preferred choice for industrial installations.
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SM Industrial Solutions.