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Guide technique No. 6 Harmoniques et convertisseurs de frquence

2 Harmoniques et convertisseurs de frquence | Guide technique No. 6

Guide technique No. 6 Harmoniques et convertisseurs de frquence

Copyright 2012 ABB. Toutes les dispositions, indications et caractristiques sont susceptibles de modification sansravis. 3BFE64430777 REV C FR 20.2.2012

Guide technique No. 6 | Harmoniques et convertisseurs de frquence 3


Table des matiresChapitre 1 - Introduction ...........................................................................7 Gnralits .........................................................................................7 Chapitre 2 - Les phnomnes harmoniques ..............................................8 Chapitre 3 - Sources et effets des missions harmoniques ....................10 Chapitre 4 - Calculer la distorsion harmonique avec le programme DriveSize ..................................................................................................11 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 Schma pour lexemple de calcul ................................................11 Donnes entrer pour la charge moteur ......................................11 Slection du moteur....................................................................12 Slection de londuleur ...............................................................12 Donnes du redresseur ...............................................................12 Donnes entrer pour le rseau et le transformateur ....................13 Courant et tension harmoniques calculs .....................................13 Reprsentation graphique des courants harmoniques calculs .....13 Partie de ltat imprim ...............................................................14

Chapitre 5 - Normes de limites dmissions harmoniques ......................15 5.1 EN 61800-3 (CEI 1800-3) Entranements lectriques de puissance vitesse variable ........................................................15 5.2 CEI 61000-2-2, Compatibilit lectromagntique (CEM) ..............16 5.3 CEI 61000-2-4, Compatibilit lectromagntique (CEM) ..............16 5.4 CEI 61000-3-2, Compatibilit lectromagntique (CEM) ...............16 5.5 CEI 61000-3-4, Compatibilit lectromagntique (CEM) ...............17 5.6 IEEE519: Exigences et recommandations pratiques de IIEEE pour le contrle des harmoniques dans les systmes lectriques de puissance..............................................................................18 Chapitre 6 - Evaluer les missions harmoniques .....................................19 Chapitre 7 - Rduire les harmoniques en modifiant la structure du systme dentranement c.a...... .............................................................................20 7.1 Paramtres dun entranement c.a. influant sur les missions harmoniques .............................................................................20 7.2 Tableau: diffrents paramtres et leurs effets ................................21 7.3 Utilisation dun redresseur diodes 6 pulses................................21 7.4 Utilisation dun redresseur diodes 12 ou 24 pulses ....................21 7.5 Utilisation dun redresseur contrl thyristors ............................22


7.6 Utilisation dun pont dIGBT ........................................................23 7.7 Utilisation dune grosse inductance c.a. ou c.c. ...........................24 Chapter 8 - Autres mthodes de rduction des missions harmoniques 27 8.1 Filtre passif accord monobranche .............................................27 8.2 Filtre passif accord multibranche ..............................................27 8.3 Filtre actif externe ......................................................................28 Chapter 9 - Rcapitulatif des mthodes dattnuation des harmoniques ..30 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Redresseur 6 pulses sans inductance ..........................................30 Redresseur 6 pulses avec inductance ..........................................30 Redresseur 12 pulses avec transformateur en polygone ...............30 Redresseur 12 pulses avec transformateur double enroulement .31 Redresseur 24 pulses avec deux transformateurs trois enroulements .............................................................................31 9.6 Redresseur actif IGBT ..............................................................31 Chapter 10 - Dfinitions ...........................................................................32 Index .......................................................................................................34


Chapitre 1 - IntroductionGnralitsCe guide, qui fait partie de la srie des guides techniques ABB, dcrit les perturbations harmoniques, leurs origines et leurs effets; il dcrit galement le mode de calcul et dvaluation des missions harmoniques. Nous y prsentons plus spcifiquement les mthodes de rduction des harmoniques gnrs par les entranements lectriques de puissance (c.a.) vitesse variable.


Chapitre 2 - Les phnomnes harmoniquesLes courants et tensions harmoniques sont crs par des charges non linaires raccordes au rseau de distribution. La distorsion harmonique est une forme de pollution du rseau lectrique susceptible de poser des problmes si la somme des courants harmoniques est suprieure certaines valeurs limites. Tous les convertisseurs lectroniques de puissance utiliss dans diffrents types de systmes lectroniques peuvent accrotre les perturbations harmoniques en injectant directement des courants harmoniques dans le rseau. La figure 2.1 montre comment les harmoniques de courant (ih) du courant dentre (is) dun convertisseur lectronique de puissance affectent la tension dalimentation (ut).is(t) = i1(t) + ih(t) Charge convertisseur Rs Ls u(t) Point de couplage commun (PCC) Autres charges

Transformateur rseau

Figure 2.1 Installation lectrique avec convertisseur, transformateur rseau et autres charges.

Le courant rseau dun redresseur triphas en montage hexaphas (6 pulses) peut tre calcul partir du courant continu de sortie avec la formule suivante:

, o courant efficace total et courant continu de sortie du redresseur (valable pour un courant continu idal filtr)

Le courant fondamental est alors


Les phnomnes harmoniques

Dans un cas thorique o le courant de sortie est considr comme du courant continu propre, les frquences de courant harmonique dun redresseur triphas en montage hexaphas (6 pulses) reprsentent n fois la frquence fondamentale (50 ou 60 Hz). Les informations ci-dessous sappliquent lorsque linductance rseau est insignifiante par rapport linductance de la self c.c. Le courant rseau est alors rectangulaire avec des blocs de 120 . Les rangs n sont calculs avec la formule suivante:o Les valeurs efficaces des composantes harmoniques sont:

et ces composantes harmoniques sont montres dans la figure 2.2.Courant harmonique (%)

Rangs des composantes harmoniques Figure 2.2 Teneur en harmoniques du courant rectangulaire thorique dun redresseur 6 pulses.

Le mode de superposition des composantes harmoniques au courant fondamental est illustr la figure 2.3, o seul lharmonique de rang 5 est montr.

H1 H5 H1+H5

Figure 2.3 Le courant total est la somme du fondamental et de lharmonique de rang 5. Guide technique No. 6 | Harmoniques et convertisseurs de frquence 9

Chapitre 3 - Sources et effets des missions harmoniquesLes charges non linaires les plus courantes sont les dmarreurs lectroniques des moteurs, les variateurs lectroniques de vitesse, les ordinateurs et autres dispositifs lectroniques, les clairages lectroniques, les postes souder et les alimentations sans interruption (ASI). Les harmoniques peuvent provoquer lchauffement des transformateurs, cbles, moteurs, gnrateurs et condensateurs raccords la mme alimentation que les dispositifs gnrateurs dharmoniques. Les afficheurs des appareils lectroniques et les clairages se mettent papilloter, les disjoncteurs peuvent dclencher, les ordinateurs dysfonctionner et les instruments de mesure donner des valeurs errones. Si lorigine de ces symptmes nest pas connue, il est alors prconis de rechercher la source des missions harmoniques dans le rseau interne de lusine. Les effets se feront probablement sentir dans le rseau interne du client avant dapparatre dans le rseau du distributeur dlectricit. Ce guide technique a t ralis pour aider les clients comprendre les ventuels problmes dharmoniques et sassurer que les niveaux dmissions harmoniques restent tolrables.


Chapitre 4 - Calculer la distorsion harmonique avec le programme DriveSizeLes courants harmoniques provoquent une distorsion de la tension rseau. En principe, les harmoniques de tension peuvent tre calculs en tout point du rseau si les courants harmoniques et les impdances de source correspondantes sont connues. La figure 4.1 montre le rseau alimentant le variateur de vitesse et les autres lments de base de linstallation. Le programme DriveSize dABB est utilis pour cet exemple de calcul.

4.1 Schma pour lexemple de calculAlimentation: Sk = 150 MVA U = 22 kV Transformateur: S = 400 kVA U1 = 22 kV U2 = 415 V z = 4,5 % Cble: Longueur = 60 m R = 0,007 m/m Moteur: P = 100 kW IN = 200 A

Xk

S'k

Xt

X'k I

Figure 4.1. Rseau alimentant un convertisseur de frquence (milieu) et schma quivalent (droite). Les donnes pour cet exemple sont sur la gauche.

4.2 Donnes entrer pour la charge moteurMotor load Load type Overload type Const. torque/power One overload min Speed [rpm] Power [kW] Overload [%] 0 0 base 1450 100 100 max 1500 100 100

Overload time [s]

60

every [s]

600

Figure 4.2. La donne indispensable de charge moteur pour le calcul des harmoniques est la puissance de base en kW.


Calculer la distorsion harmonique avec le programme DriveSize

4.3 Slection du moteurSelected motor data M2BA 315 SMC 6 Selection Voltage [V] Connection Frequency [Hz] Power [kW] Poles Speed [rpm] DriveSize 415 D 50 110 6 992 Max mech.speed [rpm] 2300 Current [A] 197 Torque [Nm] 1060 T max/Tn 3,2 Power factor 0,82 95,6 Efciency [%] Insulation class F

Figure 4.3. Le programme slectionne le moteur pour la charge dfinie. Au besoin, lutilisateur peut slectionner un moteur diffrent de celui spcifi par DriveSize.

4.4 Slection de londuleurSelected inverter data ACS607-0140-3 Selection Selection method Voltage [V] Drive power [kVA] Pn [kW] Normal Icont [A] Normal Imax [A] User Current (normal) 400 140 110 216 238 90 Phd [kW] Heavyduty Icont [A] 178 Heavyduty Imax [A] 267 6 Pulse R8 Frame type P&F 12Nsq [A] 260

4.4. Londuleur slectionn est fonction du moteur spcifi ltape prcdente. Ici galement, lutilisateur peut imposer son propre choix.

4.5 Donnes du redresseurSupply unit data Pulse # Lv [H] Cdc [mF] Udc [V] Idc [A] 6 110 4,95 560 191

Figure 4.5. Les donnes du redresseur sont dfinies par DriveSize en fonction du type donduleur spcifi.



4.6 Donnes entrer pour le rseau et le transformateurNetwork and Transformer data Primary voltage [V] Frequency [Hz] Network Sk [MVA] 22000 50 150 unknow Secondary voltage [V] 415

Transformer Sn [kVA] 400 Transformer Pk [kW] 3,0 Transformer Zk [%] 3,8 Supply cable type Cable quantity Cable lenght [m] Cable 3 60 Busbar Impedance [] 70

Figure 4.6. Les donnes du rseau et du transformateur sont affiches dans cette fentre. Pour les transformateurs standard ABB, les donnes sont automatiquement affiches.

4.7 Courant et tension harmoniques calculsTHD Current Voltage Result IEEE Calc IEEE Limit Data Primary side Secondary Show Mode Table Graph 47,1% 0,2% 0,2%/ 0,2%/ 15,0% 0,5% n 1 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 f [Hz] 50 250 350 550 650 850 950 1150 1250 1450 1550 1750 1850 Current [A] 2,8 1,2 0,6 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 In/I1 100,0% 41,2% 19,5% 8,6% 5,6% 4,2% 2,7% 2,3% 1,4% 1,2% 0,8% 0,5% 0,6% Voltage [V] 21996,6 32,9 21,7 15,1 11,7 11,3 8,1 8,2 5,5 5,3 3,7 3,0 3,3

Figure 4.7. Les harmoniques sont calculs par transformation discrte de Fourier du courant de phase simul de la section darrive. Diffrents types de modles de montage sont utiliss, un pour variateur SingleDrive avec inductances c.a. et un pour redresseur diodes et thyristors avec inductances c.c. Dautres modles existent pour les redresseurs 6, 12 et 24 pulses.

4.8 Reprsentation graphique des courants harmoniques calculus50 40 30[%]

20 10 0 250 350 550 650 850 950 1150 1250 1450 1550 1750 1850

Frequency [Hz]

Figure 4.8. Les rsultats des calculs peuvent tre reprsents sous forme de tableau (figure 4.7) ou de graphique comme ci-dessus.



4.9 Partie de ltat imprim

Network check ACS607-0140-3Network and Transformer data Normal voltage [V] Frequency [Hz] Network Sk [MVA] Transformer Sn [kVA] Transformer Pk [kW] Transformer Zk [%] Supply cable type Cable quantity Cable lenght Result Cosi Tot. power factor Unmax mot. 0,999 0,90 98%THD Current THD Voltage

Supply unit dataPulse # Lv [H] Cdc [mF] Udc [V] Idc [A]

22000 (primary side) 50 150 400 3,0 3,8 Cable 3 60

6 110 4,95 560 191

IEEE 519 limits 47,1% 0,2%THD Current THD Voltage

calc/limit0,2%/15,0% 0,2%/5,0%

Figure 4.9. Les donnes entres et les rsultats des calculs peuvent tre imprims sous forme dtat, dont une partie est illustre.


Chapitre 5 - Normes de limites dmissions harmoniquesNous reprenons ci-dessous les principales normes internationales et nationales qui dfinissent des limites dmissions harmoniques. La figure 5.1 montre un exemple de limites de distorsion harmonique.

5.1 EN 61800-3 (CEI 1800-3) Entranements lectriques de puissance vitesse variablePartie 3: Norme de produit relative la CEM incluant des mthodes dessais spcifiques Les pays de lEspace Economique Europen (EEE) se sont mis daccord pour dfinir des rgles minimales communes pour garantir la libre circulation des produits au sein de lEEE. Le marquage CE indique que le produit est conforme aux directives applicables. Les directives fixent les principes qui doivent tre mis en oeuvre. Les normes spcifient les exigences respecter. La norme EN 61800-3 est la norme de produit relative la CEM pour les entranements lectriques de puissance vitesse variable (galement dsigns PDS, Power Drive Systems). Le respect des exigences de cette norme est la condition minimale pour la libre circulation des convertisseurs lectroniques de puissance au sein des pays de lEEE. La norme EN 61800-3 prcise que le constructeur doit donner dans la documentation du PDS, ou sur demande, le niveau des harmoniques de courant, aux conditions de charge assignes, en pourcentage du courant fondamental assign sur laccs puissance. Les courants harmoniques doivent tre calculs chaque rang et au moins jusquau rang 25 inclus. Le taux de distorsion harmonique total en courant THD (jusquau rang 40 inclus) et sa composante haute frquence PHD (des rangs 14 40 inclus) doivent aussi tre valus. Pour ces calculs standard, on doit supposer que le PDS est raccord un PC avec Rsc = 250 et ayant un taux de distorsion harmonique initial en tension infrieur 1%. On doit galement supposer que limpdance interne du rseau est une inductance pure. Dans un rseau public basse tension, les limites et les exigences de la CEI 61000-3-2 sappliquent aux quipements de courant assign 16 A. Lutilisation de la future norme CEI 61000-3-4 est prconise pour un quipement de courant assign > 16 A. Un PDS destin une installation industrielle doit tre pris en compte en examinant linstallation complte; cela reprsente une approche conomique raisonnable. Cette approche est base sur la puissance convenue, que le rseau peut fournir tout moment.


Normes de limites dmissions harmoniques

La mthode de calcul des harmoniques de linstallation complte est convenue et les limites soit de distorsion de tension, soit dmissions de courant harmonique total, sont convenues. Les limites de compatibilit donnes dans la CEI 61000-2-4 peuvent tre utilises comme limites de distorsion de tension.

5.2 CEI 61000-2-2, Compatibilit lectromagntique (CEM)Partie 2: Environnement - Section 2: Niveaux de compatibilit pour les perturbations conduites basse frquence et la transmission de signaux sur les rseaux publics dalimentation basse tension Cette norme fixe les limites de compatibilit pour les perturbations conduites basse frquence et la transmission de signaux sur les rseaux publics dalimentation basse tension. Les phnomnes perturbatoires incluent les harmoniques, interharmoniques, fluctuations de tension, creux de tension, dsquilibres de tension transitoires, etc. Cette norme dfinit essentiellement les critres de conception pour le constructeur de lquipement et les niveaux dimmunit mini de cet quipement. La norme CEI 61000-2-2 est en accord avec les limites fixes par la norme EN 50160 en ce qui concerne la qualit de la tension que le distributeur dlectricit doit fournir aux bornes du rseau du client.

5.3 CEI 61000-2-4, Compatibilit lectromagntique (CEM)Partie 2: Environnement - Section 4: Niveaux de compatibilit dans les installations industrielles pour les perturbations conduites basse frquence La norme CEI 61000-2-4 est similaire la norme CEI 61000-2-2, mais fixe les niveaux de compatibilit pour les rseaux industriels et non publics. Elle couvre les rseaux basse tension de mme que les alimentations moyenne tension, lexclusion des rseaux des navires, des avions, des plates-formes offshore et des installations ferroviaires.

5.4 CEI 61000-3-2, Compatibilit lectromagntique (CEM)Partie 3: Limites - Section 2: Limites pour les missions de courant harmonique (courant appel par les appareils

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