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AUTOMATISMES
EMPÊCHEZ VOS
VARIATEURS DE VITESSE
DE POLLUER LE RÉSEAU
■ Après s’être imposés dans les asservissements de fréquence, les variateurs de fréquence élargissent
leurs applications aux asservissements de couple, voire de position. De plus en plus, ils investissent le
domaine du pompage et de la climatisation, où les économies d’énergie qu’ils procurent sont de plus en
plus reconnues. Mais ces équipements créent des harmoniques de courant, polluant ainsi le courant d’ali-
mentation du réseau électrique. De nombreuses solutions peuvent être mises en œuvre pour limiter les
courants harmoniques (dont les fréquences sont des multiples du 50 Hz). Danfoss nous les présente ici.
L
es électroniques de puissance à
découpage déforment le courant
électrique livré par les fournisseurs
d’énergie électrique et polluent le
réseau électrique. Les équipements “cou-
pables” ne manquent pas : les systèmes
d’éclairage à lampes à décharge ou tubes
fluorescents, les redresseurs pour les instal-
lations d’électrolyse, les convertisseurs sta-
tiques pour les alimentations secourues, et
bien sûr les variateurs de vitesse pour
moteurs électriques. Surtout ces derniers,
devrait-on dire, car les moteurs électriques
représentent 75 % de l’électricité consom-
mée dans l’industrie… Tous les moteurs
industriels ne sont pas pilotés par des varia-
teurs, mais la variation de vitesse devient de
plus en plus incontournable, tant elle appor-
te des avantages en termes de précision de
positionnement ou d’économies d’énergie.
Et du coup, on se préoccupe de plus en plus
des perturbations dont peuvent être respon-
sables les variateurs de vitesse.
Le courant dans les phases d’alimentation du
variateur est périodique, en phase avec la ten-
sion d’alimentation mais son allure est très
différente de celle d’un courant sinusoïdal pur
à 50 Hz. Le mathématicien et physicien fran-
çais Joseph Fourier a montré que tout signal
périodique distordu pouvait être représenté
par une somme de signaux sinusoïdaux dont
la fréquence est un multiple entier de la fré-
quence fondamentale (dans le cas présent,
50 Hz) : ces signaux sont appelés des har-
moniques.
Dans les variateurs de fréquence, il existe
en fait deux sources d’harmoniques, liés à
olutions
S
Les variateurs de fréquen-
ce, de plus en plus nom-
breux sur les sites indus-
triels, déforment le cou-
rant électrique qu’ils
absorbent, créant ainsi
une pollution harmo-
nique. Plusieurs solutions
existent pour en limiter les
effets, notamment l’ajout
d’une self sur le circuit
intermédiaire interne
(entre le redresseur
d’entrée et l’onduleur de
sortie du variateur).
AUTOMATISMES
Danfoss
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S
olutions
la structure interne du variateur. Tout varia-
teur comprend en effet un pont redresseur
à l’entrée, qui convertit le courant triphasé
d’entrée en un courant continu. Ce courant
sert ensuite, via le circuit intermédiaire, à
alimenter un onduleur qui génère un cou-
rant alternatif haute fréquence (de plusieurs
dizaines de kHz) qui alimente les trois
phases du moteur. La fréquence de ce cou-
rant, son intensité, son déphasage par rap-
port à la tension sont calculés en perma-
nence en fonction de la vitesse ou du couple
à obtenir.
Le pont redresseur à l’entrée et l’onduleur à la
sortie incorporent tous deux des électroniques
à découpage responsables de la production
d’harmoniques. Mais les harmoniques créés
ne sont pas du tout de même nature. Les
“harmoniques réseau” sont créés par le
redresseur à pont de diodes à l’entrée du varia-
teur. En effet, ces diodes ne sont pas des élé-
ments de conduction linéaires : la conduction
des courants ne se fait que pendant un bref
instant à chaque crête de sinusoïde pour
recharger le banc de condensateurs du circuit
intermédiaire. Le pont à diodes travaille sur
le courant 50 Hz et il génère des harmoniques
basses fréquences.
Au niveau de l’onduleur, les choses sont tout
à fait différentes. Le pont de puissance à tran-
sistors IGBT génère une succession d’impul-
sions modulées en largeur que les bobinages
du moteur filtrent de sorte que le courant
effectivement appliqué au moteur présente
une allure sinusoïdale : la fréquence de ce
courant est relativement élevée, et les harmo-
niques ont par voie de conséquence une fré-
quence élevée: les fréquences harmoniques
de l’onduleur sont du ressort de la CEM (com-
patibilité électromagnétique).
Quelques définitions
Intéressons-nous aux harmoniques “réseau”,
c’est-à-dire ceux qui sont générés par le pont
redresseur d’entrée du variateur et qui sont
responsables de la pollution du réseau élec-
trique. Le courant dans une phase d’alimen-
tation du variateur est périodique, en phase
avec la tension d’alimentation mais il a de
nombreuses composantes harmoniques qui
expliquent sa forme distordue.
Pour une tension sinusoïdale 50 Hz avec un
courant distordu,seule la composante fonda-
mentale du courant contribue au transfert de
puissance. Mais les pertes du système sont
proportionnelles au carré du courant efficace
Ieff :
où I
n
est le courant correspondant à fréquen-
ce nF (Fétant la fréquence 50 Hz).Les cou-
rants harmoniques (I
2
à I
n
) augmentent les
pertes et ne transfèrent pas de puissance acti-
ve à la charge.
Pour quantifier le niveau de distorsion har-
monique d’un courant, on introduit le fac-
teur THD (taux de distorsion harmonique)
définissant le rapport entre la valeur des cou-
rants harmoniques et celle du courant fonda-
mental :
I
1
est le courant fondamental, I
2
à In sont les
courants harmoniques. Le courant efficace
peut être exprimé en fonction du taux de dis-
torsion harmonique :
Déplacement du facteur de puissance DPF.
Exception faite du cas où on a affaire à des
charges résistives pures, il y a un déphasage
ϕentre la tension et le courant. Ce déphasa-
ge a une grande incidence sur la puissance
active, c’est-à-dire la puissance effectivement
transmise à la charge. Dans le cas de courants
et tensions sinusoïdaux, on a les relations :
Puissance active P = U
eff
I
eff
cos ϕ
Puissance réactive Q = U
eff
I
eff
sin ϕ
où U désigne la tension, Idésigne le courant
et ϕle déphasage entre la tension et le courant.
Ieff = I1 √1+THD
2
Ieff =√∑ I
n max
n =1 n
2
THD = √∑I
n max
n =1 n
2
I1.100 %
1
Dans un asservissement pour variateur de fréquence, la pollution harmonique ou “harmo-
niques réseau” est imputable au pont redresseur d’entrée du variateur. Les courants d’alimen-
tation du moteur piloté présentent également des harmoniques, mais à des fréquences plus
élevées, qui relèvent du domaine de la CEM (compatibilité électromagnétique).
Tout courant périodique déformé peut être décomposé en une addition de courants sinusoï-
daux présentant des amplitudes, fréquences et phases différentes. La fréquence la plus basse
est appelée “fondamental”. Toutes les autres sont un multiple du fondamental et sont appelées
“harmoniques”.
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S
olutions
On définit également le facteur de puissance
PF (Power Factor) tel que :
où Sdésigne la puissance apparente, donnée
par :
S = UI
Pour les tensions et courants sinusoïdaux, le
facteur de puissance est égal à cosϕ.
Ainsi qu’on l’a vu, les courants industriels ne
sont pas sinusoïdaux et ils présentent des har-
moniques. Cependant, il est toujours intéres-
sant de connaître le déphasage entre les com-
posantes “fondamentales” (c’est-à-dire les
composantes 50 Hz) de la tension et du cou-
rant, pour par exemple calculer les conden-
sateurs de compensation de l’énergie réactive.
On définit alors le paramètre DPF, ou dépla-
cement du facteur de puissance :
DPF = cos ϕ
DPF ne correspond au facteur de puissance
que lorsque l’on a affaire à des formes d’onde
sinusoïdales.
Sinon, on a :
Lorsque l’on est en présence d’harmoniques,
le facteur de puissance est donc plus faible
que dans le cas où l’on a affaire à des courants
sinusoïdaux. Pour une même puissance acti-
ve, un facteur de puissance faible signifie des
courants efficaces plus élevés et davantage de
pertes dans les câbles et le transformateur.
Distorsion harmonique en tension. Les
variateurs de fréquence produisent des cou-
rants harmoniques, et donc une distorsion du
courant d’alimentation. Par contre la distor-
sion en tension n’est pas de leur fait : celle-ci
dépend de l’installation électrique placée en
amont, notamment le transformateur de puis-
sance et son impédance de court-circuit. Il
n’est pas possible de prévoir la distorsion en
tension en ne connaissant que les perfor-
mances des variateurs.
L’importance du type de pont d’entrée
Un pont redresseur triphasé classique placé
dans le circuit d’entrée d’un variateur de vites-
se génère un niveau important d’harmoniques
en courant (de l’ordre de 105 %). Il en décou-
le une augmentation du courant efficace du
variateur et un déclassement du transforma-
teur d’alimentation. Pour fixer les idées, un
transformateur de 1 MVA ne pourra alimen-
Quelques conseils pratiques
■
Le filtrage des harmoniques de courant
générés par les variateurs n’est pas une ques-
tion simple et les solutions sont coûteuses.
La première chose est d’essayer d’éviter à
mettre en œuvre des solutions de filtrage, ce
qui suppose de bien choisir son variateur.
Dans ce contexte, nous conseillons systémati-
quement d’utiliser des variateurs avec selfs de
lissage intégrées sur le circuit intermédiaire
pour limiter la chute de tension induite par
ces selfs. Ces variateurs seront associés à un
transformateur d’alimentation surdimension-
né pour tenir compte de l’effet des harmo-
niques réseau. Cette configuration est celle
du meilleur rapport efficacité/prix.
Si un système de filtrage complémentaire est
nécessaire, il faut privilégier un filtre actif plu-
tôt qu’un filtre passif. L’expérience montre
que compte tenu des frais d’étude et de calcul
d’un filtre passif, le surcoût d’un filtre actif est limi-
té. De plus, son utilisation est plus souple et plus
universelle.
Si l’utilisateur, pour des raisons budgétaires, préfè-
re un filtre passif, nous lui conseillons très vivement
de ne pas acheter le filtre en même temps que les
variateurs, mais plutôt d’installer les variateurs, de
les mettre en service et alors seulement de déter-
miner et calculer le filtre passif qui convient, sur la
base de la modélisation mathématique mais aussi
de campagnes de mesure de l’installation en fonc-
tionnement. Cette démarche permettra d’éviter de
mauvaises surprises vis-à-vis des conditions exis-
tantes de l’installation qui n’auraient pas fait l’objet
de la modélisation.
FP
PF = S
P
PF = cosϕ
I1.cosϕ
Ieff =
√1+THD
2
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S
olutions
ter que 18 variateurs de 25 kW (ce qui cor-
respond à une puissance de 450 kW) avec un
taux de distorsion harmonique en tension de
16 %. Un tel taux est généralement considé-
ré comme trop élevé. Pour garder un taux de
distorsion de 5 % (limite habituelle
conseillée), le transformateur de 1 MVA ne
pourra alimenter que 5 variateurs de 25 kW!
Ajout d’une self sur le circuit intermédiai-
re. Afin de limiter le contenu des courants
harmoniques générés sur le réseau, une pre-
mière solution consiste à insérer une self de
lissage sur le circuit intermédiaire du varia-
teur, entre le pont de diodes et le banc de
condensateurs.
Avec une valeur de self définie pour 3 % de
chute de tension pour le courant nominal du
variateur, le taux de distorsion harmonique
THD descend à 42,5 %. Si l’on revient à
l’exemple précédent, l’ajout de la self permet
d’augmenter à 29 le nombre de variateurs de
25 kW connectés au transformateur, avec un
taux de distorsion harmonique en tension ne
dépassant pas 11 %
Ajout de selfs coté réseau. Au lieu d’insérer
une self sur le circuit intermédiaire, on peut
également insérer trois selfs sur chacune des
phases d’alimentation du réseau. Pour com-
parer l’efficacité de cette solution par rapport
à la précédente, considérons que ces selfs sont
dimensionnées pour la même chute de ten-
sion (3 %) à leurs bornes pour la circulation
du courant nominal du variateur.
Avec cette solution, le taux de distorsion har-
monique est très légèrement meilleur que pré-
cédemment, permettant de raccorder
30 variateurs de 25 kW au transformateur.
Les selfs coté réseau ont également une action
bénéfique pour le lissage de surtensions éven-
tuelles à l’entrée du variateur.
Pour autant, cela ne veut pas dire que des selfs
coté réseau soient la solution optimale pour
un variateur de fréquence. En effet, pour fai-
re une comparaison objective, il y a deux
autres paramètres importants à prendre en
compte : il s’agit de la perte d’énergie dans
les selfs et de la chute de tension totale au
niveau du circuit intermédiaire, pour une
même efficacité de filtrage.
En effet, une des raisons du recours aux varia-
teurs de fréquence est de faire des économies
d’énergie. Et pour faire des économies d’éner-
gie, une self sur le circuit intermédiaire se
montre plus efficace.
L’autre point est la chute de tension totale
induite sur le circuit intermédiaire par la pré-
sence des selfs. En modulation de largeur
d’impulsion classique (PWM, Pulse Wave
Modulation), un variateur de fréquence est
incapable de restituer en sortie une onde sinu-
soïdale avec la même tension d’entrée réseau.
C’est pourquoi les constructeurs ont recours
à des techniques de modulation particulières
pour restituer le maximum de fondamental
(par exemple, chez Danfoss, Modulation 60 VVC
et VVC +). Le couple d’un moteur asynchro-
ne est proportionnel au produit du courant
magnétisant par le courant actif; le courant
magnétisant est égal au produit du courant
total par sin ϕet le courant actif est égal au
produit du courant total par cos ϕ.
Le courant magnétisant d’un moteur est direc-
tement lié à sa tension d’alimentation et tou-
te baisse de cette tension pour un courant total
moteur donné entraîne une baisse propor-
tionnelle de son couple de sortie, donc de sa
puissance. Il est donc important de choisir
l’architecture de filtrage par selfs limitant autant
que possible la chute de tension du fonda-
mental pour éviter de déclasser d’autant le
moteur pour ses périodes de fonctionnement
à la fréquence nominale (point de fonction-
nement où le variateur doit fournir la pleine
tension d’alimentation du moteur en sortie).
Il se révèle que pour une action de lissage
identique, une self montée sur le circuit inter-
médiaire entraîne une moindre réduction de
la tension et donc du couple disponible. C’est
pourquoi l’ensemble des variateurs de la gam-
me Danfoss sont équipés d’origine de selfs
montées sur le circuit intermédiaire.
Les ponts redresseurs à douze branches. Une
autre technique disponible pour limiter la
quantité de courant harmonique généré sur
le réseau est d’utiliser un pont d’entrée à dou-
ze branches. Plus précisément, il s’agit d’ali-
menter le circuit intermédiaire à l’aide de
De multiples effets indésirables
■
Les effets des perturbations liées aux courants
harmoniques générés par des variateurs ou tou-
te autre charge non linéaire sont multiples :
- L’augmentation très significative des pertes
par effet Joule et par hystérésis des transfor-
mateurs, avec d’importants déclassements en
découlant (il faut les surdimensionner)
- Le déclassement des câbles et des équipe-
ments de commande et de protection pour
pouvoir supporter la circulation de ces cou-
rants harmoniques
- Le sur-échauffement des condensateurs de
redressement du facteur de puissance du réseau
- L’excitation de résonances entre les conden-
sateurs de redressement du facteur de puis-
sance et les inductances de ligne du réseau.
Ces surtensions peuvent entraîner le claqua-
ge par surtension de ces condensateurs ou la
destruction d’autres équipements.
- La perturbation de fonctionnement d’équi-
pements d’électroniques de puissance ou
d’automatismes et d’instrumentation ne sup-
portant pas un taux trop élevé de pollution
harmonique de leur tension d’alimentation.
➤Importance de l’emplacement des selfs
Les redresseurs d’entrée des variateurs injectent des harmoniques de courant sur le réseau
électrique, nécessitant un déclassement du transformateur d’entrée (ou, si l’on préfère, de sur-
dimensionner le transformateur en question). On voit ici les deux emplacements possibles des
selfs permettant de limiter la pollution harmonique. La première (self sur le circuit intermédiai-
re) est celle qui présente le moins d’inconvénients.
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S
olutions
deux ponts de diodes standards triphasés,
montés soit en parallèle soit en série. Chacun
des ponts est alimenté par un transformateur
à doubles bobinages, les uns couplés en étoi-
le, les autres en triangle. Le montage en paral-
lèle permet d’utiliser un transformateur plus
simple mais il nécessite une self intermédiai-
re d’équilibrage des courants, ce schéma étant
très sensible aux déséquilibres de tension.
Les redresseurs avec pont à douze branches
sont très efficaces pour réduire les harmo-
niques de courant regénérés sur le réseau. Le
taux de distorsion n’est plus que de 10,5 %,
avec la disparition des harmoniques de rang 5
et 7. Cette structure permet de raccorder jus-
qu’à 36 variateurs de 25 kW sur le transfor-
mateur de 1 MVA en ne dépassant pas 6 % de
distorsion en tension
La multiplication de phases. Les ponts à dou-
ze branches nécessitent des variateurs et des
transformateurs spéciaux. Une alternative à
ce schéma est la multiplication de phases par
les transformateurs d’alimentation. Le prin-
cipe est d’utiliser une cascade de transforma-
teurs standards bobinés en étoile, en triangle
ou en zigzag, chacun alimentant des groupes
de variateurs standards. Ce principe doit être
utilisé à la conception d’une nouvelle instal-
lation et la répartition de charge des variateurs
en fonctionnement doit être homogène par
groupe. Au niveau de chaque groupe de varia-
teurs, la distorsion obtenue en courant est cel-
le d’un pont à six branches classique. C’est au
niveau de l’alimentation primaire des trans-
formateurs que l’effet 12 ou 24 branches est
obtenu.
Le pont d’entrée à modulation PWM. La
solution idéale serait de disposer d’un varia-
teur qui ne prélève que du courant purement
sinusoïdal. Ce variateur existe presque : il est
construit à l’aide d’un pont d’entrée à modu-
lation de largeur d’impulsion (PWM), avec
son pilotage basé sur la régulation de la ten-
sion du circuit intermédiaire.
En fait, le circuit d’alimentation du circuit
intermédiaire de ce variateur comprend deux
ponts à transistors montés tête-bêche. Dans
ce cas, le courant d’entrée est en phase avec
la tension d’alimentation et la distorsion har-
monique est faible. Le transformateur peut
être chargé sans déclassement jusqu’à près de
95 % de sa valeur nominale.
Mais ce variateur en théorie idéal présente un
prix beaucoup plus élevé et il nécessite un
filtre CEM beaucoup plus élaboré car la modu-
lation PWM du pont d’entrée est directement
présente sur le réseau. Les pertes dans les selfs
d’entrée, indispensables pour le fonctionne-
ment du pont PWM, sont également signifi-
cativement élevées.
Les effets “positifs” des charges complémen-
taires. Dans l’étude des harmoniques globales
d’un réseau, il n’y a pas que les variateurs de
vitesse. Le réseau comporte en général des
charges monophasées non-linéaires, comme
l’éclairage ou les alimentations des équipements
électroniques tels que les ordinateurs. Ces charges
génèrent principalement des harmoniques de
rang 3, qui se neutralisent partiellement avec les
harmoniques de rang 5 et 7 générés par les varia-
teurs. Enfin un effet bénéficiaire!
Les techniques de filtrage
des courants harmoniques
Toutes les installations ne peuvent être dimen-
sionnées à l’avance, dès le stade de la concep-
tion, pour éviter d’avoir à compenser les effets
des courants harmoniques. Sur une installa-
tion existante, pour conserver la distorsion
harmonique en tension à un niveau accep-
table, l’ajout de variateurs de fréquence peut
amener à rajouter des systèmes de filtrage des
courants harmoniques supplémentaires géné-
rés par le variateur.
Les filtres passifs. Ce sont les plus connus et
les plus anciens. Leur principe consiste à
mettre, en parallèle sur le réseau, des circuits
oscillants accordés sur les fréquences harmo-
L’utilisation d’un pont redresseur à
12 branches à l’entrée du variateur est très
efficace en terme de limitation des harmo-
niques. Mais la solution est onéreuse…
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7
1
/
7
100%
