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Les harmoniques générées par les variateurs de vitesse constituent un aspect significatif dans le domaine de l'électronique de puissance. Les variateurs de vitesse, également appelés variateurs de fréquence, sont des dispositifs électroniques utilisés pour contrôler la vitesse de rotation d'un moteur électrique en ajustant la fréquence et la tension du courant qui lui est fourni.
Lorsque ces variateurs de vitesse sont mis en œuvre, ils peuvent produire des harmoniques dans le courant électrique. Les harmoniques sont des composantes de fréquence multiples de la fréquence fondamentale du courant alternatif. Dans le contexte des variateurs de vitesse, ces harmoniques sont souvent générées en raison des transitions rapides de la tension et du courant liées à la variation de fréquence.
Les conséquences des harmoniques engendrées par les variateurs de vitesse sont diverses et peuvent impacter le réseau électrique ainsi que les équipements connectés. Tout d'abord, ces harmoniques peuvent provoquer une dégradation de la qualité de l'énergie électrique, entraînant des perturbations telles que des fluctuations de tension et des échauffements indésirables.
Par ailleurs, les harmoniques peuvent perturber le fonctionnement des autres équipements électriques connectés au même réseau, susceptibles de ne pas être conçus pour gérer ces composantes de fréquence supplémentaires. Cela peut conduire à des dysfonctionnements, des surchauffes, voire des défaillances prématurées de ces appareils.
Bien que diverses méthodes de diminution des harmoniques soient disponibles, il n'y a pas de solution miracle.
Le tableau ci-après compare, entre autres critères, le Taux de Distorion Harmonique (THD) de diverses technologies de réduction des harmoniques.
| 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. |
| 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. |
Les dispositifs de régulation de vitesse offrent la possibilité de réaliser des économies substantielles d'énergie en ajustant la vitesse du moteur selon les exigences de l'application. Néanmoins, il est impératif d'évaluer l'impact de ces variateurs de vitesse sur le réseau électrique avant de prendre une décision finale, car certaines technologies à vitesse variable peuvent avoir des conséquences négatives sur la qualité de l'énergie du réseau. Cela peut se traduire par une diminution de l'efficacité et de la fiabilité du réseau, ainsi que par des coûts de projet plus élevés.
Pour les systèmes nécessitant un niveau minimal d'harmoniques, notamment dans des installations critiques, les variateurs basés sur la technologie de redresseur actif avec des condensateurs de bus DC, tels que les variateurs à très faibles harmoniques d'ABB, s'avèrent être la solution optimale. Ils garantissent non seulement l'efficacité du processus lui-même, mais contribuent également à l'efficacité globale du réseau électrique, tout en renforçant la fiabilité du processus sous contrôle. La réduction significative des coûts d'investissement et d'exploitation grâce à l'utilisation de variateurs à très faibles harmoniques avec redresseur actif en fait un choix privilégié pour les installations industrielles.
Pour plus d'information, nous somme à votre entière disposition.
SM Industrial Solutions.