d`information sur Active Front End

Active Front End
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Introduction
Chaque convertisseur de fréquence contribue à la pollution harmonique totale du réseau
d’alimentation. Nous disposions jusqu’à présent de divers systèmes pour réduire cette
pollution, comme les filtres actifs et passifs ou les convertisseurs à 12 impulsions par
exemple.
Aujourd’hui, il existe toutefois une nouvelle solution qui s’avère bien plus efficace. Elle est
appelée Active Front End ou AFE. Cette solution permet de réduire quasi totalement la
pollution harmonique provoquée par le variateur de fréquence. Outre l’avantage du « clean
power », le système AFE offre de nombreux autres atouts importants tels qu’un
fonctionnement à 4 quadrants, une régulation du facteur de puissance, une sensibilité moins
grande à la pollution du réseau, un comportement très dynamique …
Le texte ci-dessous aborde plus en détail la nécessité, le fonctionnement et les avantages
des systèmes Active Front End.
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Distorsion harmonique des convertisseurs de fréquence traditionnels
Avec les convertisseurs MLI traditionnels, le circuit intermédiaire est alimenté à l’aide d’un
redresseur à diodes (voir fig. 1). La tension nominale dans le circuit intermédiaire s’élève
durant le fonctionnement à environ 95% de la tension de crête. Dans cette configuration, le
courant ne peut circuler vers le circuit intermédiaire que si la tension du réseau est supérieure
à la tension du circuit intermédiaire. Cela n’est toutefois le cas que durant une petite partie du
cycle de la tension du réseau. Le courant à l’entrée est dès lors tout sauf sinusoïdal. Il prend
la forme de ce qu’on appelle dans le jargon « des oreilles de lapin ».
Si nous effectuons une analyse de Fourier sur cette forme de courant, nous notons la
présence d’un taux relativement important d’harmoniques du 5ème, 7ème, 11ème et 13ème
rangs. Ce sont ces courants harmoniques qui provoquent la déformation de la tension du
réseau.
La « distorsion harmonique totale », également appelée THD, est une mesure de la
déformation de la tension du réseau. La taille de la THD dépend des amplitudes des
différentes harmoniques de courant et de l’impédance du réseau. Un réseau fort se pollue
moins vite. Les valeurs maximales admissibles pour les différentes harmoniques de tension
sont fixées dans des normes ( EN61000 et IEEE519).
En principe, le cos  à l’entrée du convertisseur du circuit intermédiaire de tension devrait
pratiquement être égal à 1. Cela vaut toutefois uniquement pour la fréquence fondamentale
du courant d’entrée. La présence relativement importante d’harmoniques de rang supérieur
entraîne un facteur de puissance à l’entrée d’une valeur plutôt égale à 0,85.
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Fonctionnement régénérateur
Un convertisseur de fréquence classique n’est pas en mesure, durant le freinage du moteur
et de la charge, de renvoyer de l’énergie sur le réseau, car le pont de diodes d’entrée bloque
le courant dans ce sens. En remplaçant le pont de diodes par deux ponts à thyristors en
antiparallèle (voir fig. 2) et un autotransformateur, il est possible de renvoyer sur le réseau
l’énergie de freinage du moteur. Le pont antiparallèle tentera de réguler la tension du circuit
intermédiaire à un niveau constant, quel que soit le sens du flux d’énergie. Nonobstant le fait
qu’il s’agit ici d’un concept relativement simple et éprouvé, le système comprend plusieurs
inconvénients de principe.
Il s’agit ici d’une commutation pilotée par réseau. Cela veut dire que les thyristors du pont en
génératrice sont éteints grâce à la contre-tension du réseau. Si la tension du réseau baisse
ou tombe soudainement lors du freinage du moteur, le pont à thyristors basculera et le
convertisseur se mettra en défaut en raison d’une surtension ou, pire encore, les fusibles à
l’entrée seront sollicités. Ce système convient donc moins bien pour les réseaux faibles ou
peu fiables.
En outre, la pollution du réseau engendrée par les ponts à thyristors enclenchés reste
relativement importante.
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Fluctuations de la tension du réseau
La tension maximale disponible à la sortie d’un convertisseur MLI standard est généralement
inférieure à la tension du réseau disponible. En utilisant des modèles de modulation
optimisés, il est possible d’obtenir des taux d’émission atteignant quasi 100%. Si la tension du
réseau baisse, la tension disponible au moteur baissera aussi et le moteur subira plus vite
une atténuation du champ. Cela empêchera entre autre le moteur de fournir sa puissance
nominale. Si la tension du réseau tombe en dessous du seuil de sous-tension du
convertisseur (par ex. Un –25%), le convertisseur se mettra en défaut (si l’on ne tient pas
compte de quelques fonctions spéciales comme le « buffering cinétique »). Ces phénomènes
peuvent par exemple se manifester lors de microcoupures de la tension, provoquées par le
démarrage direct sur le réseau de gros moteurs ou par des commutations avec des batteries
de condensateurs.
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Défauts de commutation ou « Notching »
Comme nous l’avons déjà mentionné, la tension du réseau est redressée au moyen de
diodes et/ou de thyristors. Le transfert de conduction d’une diode (thyristor) à l’autre est
appelé commutation. Durant la commutation, un bref court-circuit se manifeste en réalité
entre deux phases du réseau, générant dans le réseau d’alimentation des défauts de
commutation ou microcoupures de commutation. La taille de ces microcoupures dépend de la
puissance de court-circuit du réseau, de la réactance et du circuit du convertisseur. La durée
maximale admissible et « l’ampleur » de ces microcoupures sont définies dans des normes.
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Active Front End – Quoi et comment ?
Active Front End – Architecture
Le pont de diodes à l’entrée du convertisseur est remplacé dans un système AFE par un
onduleur AFE. Nous vous renvoyons à la fig. 4 pour le bon montage.
Nous y distinguons les principaux composants suivants :
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Onduleur côté réseau avec technologie IGBT
Filtre Clear-Power
Bobine de commutation
Filtre antiparasite radio
Contacteur principal et circuit de charge.
Régulateur et capteurs AFE
Fonctionnement
Après le démarrage du système, les condensateurs du circuit intermédiaire sont mis sous
tension via le circuit de charge (UTK = 2*Un). Le contacteur principal est ensuite fermé et
l’onduleur commence à augmenter la tension du circuit intermédiaire jusqu’à atteindre une
tension supérieure de 10 % à la tension de crête du réseau, ceci afin de permettre à tout
instant un fonctionnement générateur. Ensuite, l’unité AFE maintiendra la tension du circuit
intermédiaire constante, quelles que soient les conditions et indépendamment du sens du flux
d’énergie et des éventuelles fluctuations de la tension du réseau.
Principe ?
Afin de préciser le principe de fonctionnement d’un AFE, nous vous renvoyons à la fig. 5.
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L’idée de base est simple. Le circuit intermédiaire est initialement mis sous tension à l’aide du
circuit de charge.
Considérons maintenant que S1 (en réalité un transistor IGBT) est fermé. Un courant I1
circule et la bobine L charge de l’énergie. Si S1 est ouvert, l’énergie de L sera transférée vers
C par le courant I2. En raison de l’effet de tension inductive, la tension Udc augmente jusqu’à
Udc = U + UL. S1 est commuté de telle sorte que Udc reste constante, indépendamment de
la tension U ou de la charge du circuit intermédiaire (charge du moteur).
En commutant S1 à une haute fréquence d’horloge (3kHz), nous obtenons une bonne
régulation de Udc et un courant d’entrée parfaitement lisse. Le filtre Clean Power filtre toutes
les harmoniques de rang supérieur et ne laisse passer que la fréquence fondamentale.
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Avantages et caractéristiques d’un système AFE
Distorsion harmonique  prenez une loupe
Lors de l’utilisation d’un AFE, les courants du réseau présentent une forme sinusoïdale quasi
pure, tant en mode moteur que générateur. On peut même dire que la régulation AFE pilotera
les IGBT de manière à réduire pratiquement à zéro la déformation de la tension harmonique.
C’est le « CLEAN POWER ». La fig. 6 vous montre une comparaison entre des systèmes à 6
impulsions, à 12 impulsions et des systèmes AFE. Le résultat est sans appel.
La pollution harmonique est tellement réduite que la THD reste dans les limites des normes
les plus strictes, même sur des réseaux très faibles. En raison de la faible pollution
harmonique, des grands systèmes AFE peuvent également être alimentés par un
transformateur de distribution « low-cost » standard, sans déclassement.
Microcoupures de commutation  De quoi parlez-vous ?
En utilisant des transistors IGBT à commutation rapide avec une commutation forcée, les
systèmes AFE ne connaissent pas de microcoupures de commutation.
Fonctionnement régénérateur  100% et fiable
L’AFE est de manière intrinsèque un système à 4 quadrants autorisant un fonctionnement
tant en entraînement qu’en freinage avec récupération d’énergie à 100%. La transition du
mode moteur vers le mode générateur est contrôlée et « douce ». Il n’y a aucun temps mort
durant la commutation comme nous en rencontrons avec les systèmes conventionnels
(entraînements AC et DC).
L’AFE de Siemens résiste aussi aux soudaines chutes de tension du réseau en mode
générateur. Il n’est pas possible de basculer les onduleurs comme décrit ci-dessus. Voilà
pourquoi l’AFE convient parfaitement pour une mise en oeuvre dans des réseaux très faibles
et/ou peu fiables.
Fluctuations de la tension du réseau  Laissez venir…
Comme nous l’avons déjà dit, un AFE peut maintenir la tension du circuit intermédiaire
constante, même lorsque la tension du réseau baisse. Un pilotage parfait des IGBT de l’AFE
permet de booster la tension du réseau. En principe, un AFE de Siemens peut même
maintenir à niveau la tension du circuit intermédiaire avec 5% de la tension du réseau
nominale (par exemple 20VAC). De ce fait, la performance du moteur reste optimale, quelles
que soient les conditions.
Si l’AFE doit travailler pendant de longues périodes à une tension de réseau réduite sous
pleine charge, il est nécessaire d’en tenir compte lors du dimensionnement du système AFE.
Compensation du cos phi  ça ne s’arrête plus…
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Lors du paramétrage de base d’un AFE de Siemens, le cos  est parfaitement égal à 1 côté
réseau. En d’autres mots, le système se comporte comme une charge résistive. Seul du
courant actif circule vers ou à partir du convertisseur.
Un AFE peut toutefois faire mieux. Il peut également effectuer la compensation du cos  pour
d’autres consommateurs. Pour cela, il peut, si nécessaire, envoyer tant de la puissance
réactive qu’inductive sur le réseau. Nous distinguons deux types de fonctionnement différents
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Le mode Var constant
Le mode Power Factor (PF) constant
En mode Var constant, un pourcentage paramétrable (de 0% à 100%) du courant nominal de
l’AFE sera utilisé comme courant de compensation. L’importance du courant de
compensation ne dépend pas de la charge du moteur. Ce courant est par conséquent
totalement disponible, même à l’arrêt du moteur. Le pourcentage peut être paramétré de
manière fixe ou adapté en ligne, via une entrée analogique ou un bus de communication, en
fonction des besoins.
En mode PF constant, le PF peut être réglé à l’entrée du convertisseur entre 0,8cap…1…0,8
ind. (1= charge résistive pure). Il est clair que dans ce mode, la quantité de courant réactif
dépend de la charge du moteur.
Si l’AFE entre pour une raison ou une autre en surcharge, le « Line Current Management »
interviendra et réduira si nécessaire le courant réactif afin de pouvoir tout de même fournir au
moteur suffisamment de courant et garantir ainsi le bon fonctionnement du moteur.
Comportement dynamique  Lorsque la vitesse devient primordiale
Un AFE peut envoyer à tout instant de l’énergie du ou vers le réseau. Cela permet une
régulation plus dynamique de la tension du circuit intermédiaire par rapport aux systèmes
conventionnels. Cette solution offre de nombreux avantages
La régulation rapide de la tension du circuit intermédiaire induit une très faible ondulation du
bus DC, ce qui est bénéfique pour la longévité des condensateurs.
L’AFE se révèle ainsi idéal pour alimenter des systèmes servo très dynamiques avec une
tension DC quasi parfaite, malgré des variations de charge très rapides et importantes.
L’AFE peut aussi mieux réagir à des états de charge critiques comme par exemple de lourdes
variations de charge dans la plage d’atténuation du champ.
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Plage de puissance et champ d’application
L’Active Front End de Siemens est disponible de série pour une plage de puissance
s’étendant de 16kW à 1,2MW et des tensions de 400V AC à 690V AC. Pour des puissances
ou tensions supérieures, des solutions sont développées sur mesure.
Quand et où mettre en oeuvre un AFE
L’AFE est surtout intéressant pour les applications nécessitant le renvoi sur le réseau d’une
grande quantité d’énergie. Le système convient parfaitement de la sorte pour des applications
comme les entraînements de grues, les bancs de test, les parcs d’éoliennes et les
centrifugeuses, de même que pour les laminoirs d’aciérie et les machines à papier. Il se
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révèle aussi être la solution idéale pour des applications maritimes présentant des réseaux
plutôt « faiblards ». Mais cela ne s’arrête pas là. Les fournisseurs d’électricité imposent aux
grands consommateurs des exigences toujours plus strictes en termes de pollution
harmonique et de cos . Le non-respect de ces valeurs limites peut induire des amendes ou
un prix énergétique supérieur. La mise en œuvre d’un système AFE peut donc assurer des
économies immédiates. En outre, l’AFE permet de compenser le mauvais cos  d’autres
consommateurs.
L’investissement supplémentaire qu’entraîne un système AFE est rapidement compensé si
vous tenez compte de l’éventuelle récupération d’énergie mais surtout aussi de la réduction
des coûts de câblage, filtres de réseau spéciaux, systèmes de compensation et
transformateurs d’alimentation. Ajoutez à cela une disponibilité accrue et une meilleure
fiabilité de votre installation … et la décision sera rapidement prise.
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Convertisseurs disponibles
L’Active Front End de Siemens est disponible de série dans les :
- MASTERDRIVES AFE
- SINAMICS S150
- SINAMICS S120
Nous restons à votre disposition pour vous fournir de plus amples informations concernant les
convertisseurs Active Front End.
OK SL, LV, JBC
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