Guide de dimensionnement des filtres actifs harmoniques (AHF) et des générateurs statiques de puissance réactive (SVG)

Dans les systèmes industriels et commerciaux modernes, garantir une qualité d’énergie optimale est devenu un enjeu majeur. Les charges non linéaires, notamment les variateurs de vitesse, les convertisseurs et les redresseurs, peuvent générer des courants harmoniques et des variations de puissance réactive susceptibles d’affecter l’efficacité énergétique, la fiabilité du réseau et la durée de vie des équipements.
L’utilisation de filtres actifs harmoniques (AHF) et de générateurs statiques de puissance réactive (SVG) constitue une solution efficace pour améliorer la qualité d’énergie. Toutefois, un dimensionnement adapté est essentiel afin d’assurer des performances optimales et une compensation fiable.

Comprendre les principes fondamentaux

Filtres actifs harmoniques (AHF) : Les filtres actifs harmoniques sont conçus pour analyser les perturbations du réseau, détecter les courants harmoniques et injecter des courants de compensation en temps réel. Cette technologie permet de maintenir une forme d’onde du courant proche d’une sinusoïde idéale et d’améliorer considérablement la qualité d’énergie, notamment dans les installations fortement affectées par les distorsions harmoniques.

Générateurs statiques de puissance réactive (SVG) : Les SVG offrent une compensation dynamique de la puissance réactive afin de maintenir la stabilité de la tension et d’optimiser le facteur de puissance. Ils sont particulièrement adaptés aux installations industrielles confrontées à des variations importantes de charge, des fluctuations de tension et des exigences élevées en compensation réactive.

Dimensionnement de la capacité d’un filtre actif harmonique (AHF)

Sur la base des pratiques courantes dans le domaine de la qualité d’énergie, deux méthodes de calcul sont généralement utilisées pour estimer la capacité de compensation harmonique requise.

(1) Compensation centralisée : Déterminer la capacité requise du système de traitement harmonique selon le secteur d’activité et la puissance du transformateur.

\[ I_h = \frac{S \times K}{\sqrt{3} \times U \times \sqrt{1 + \text{THD}_i^2}} \times \text{THD}_i \]

S ─── Puissance assignée du transformateur

U ─── Tension assignée du côté secondaire du transformateur

_Ih─── Courant harmonique

THD ─── Taux global de distorsion du courant, avec une plage de valeurs déterminée selon les différents secteurs industriels ou types de charges

K ─── Taux de charge du transformateur

Secteur industriel	Taux typique de distorsion harmonique du courant (%)
Métros, tunnels, trains à grande vitesse, aéroports	15%
Télécommunications, bâtiments commerciaux, banques	20%
Industrie médicale	25%
Automobile manufacturing, Ship manufacturing	30%
Industrie chimique / pétrolière	35%
Industrie métallurgique	40%

(2) Compensation sur site : Déterminer la capacité requise du système de compensation harmonique selon les différents équipements de charge.

$$ I_h = K \times I_N \times \frac{\mathrm{THD}_i}{\sqrt{1 + \mathrm{THD}_i^2}} $$

_Ih─── Courant harmonique

THD_i─── Taux global de distorsion du courant, avec une plage de valeurs déterminée selon les différents secteurs industriels ou types de charges

K ─── Taux de charge du transformateur

Nature de la charge	Contenu harmonique typique (%)	Nature de la charge	Contenu harmonique typique (%)
Onduleur	30~50	Alimentation de chauffage par induction à moyenne fréquence	30~35
Ascenseur	15~30	Redresseur triphasé à six impulsions	28~38
Éclairage LED	15~20	Redresseur à douze impulsions	10~12
Éclairage à lampes basse consommation	15~30	Poste de soudage électrique	25~58
Ballast électronique	15~18	Système de climatisation à vitesse variable	6~34
Alimentation à découpage	20~30	UPS	10~25

Dimensionnement de la capacité du générateur statique de puissance réactive (SVG)

1) Estimation selon la puissance du transformateur :

La capacité de compensation de puissance réactive est généralement dimensionnée entre 20 % et 40 % de la puissance assignée du transformateur, avec une valeur de référence couramment retenue de 30 %.

Q_compensation= 30 % × S

Q_compensation ─── Capacité de compensation de puissance réactive

S ─── Puissance assignée du transformateur

Par exemple, un transformateur d’une puissance assignée de 1000 kVA est configuré avec une capacité de compensation de puissance réactive de 300 kvar.

(2) Dimensionnement basé sur le facteur de puissance et la puissance active de l’équipement :

Lorsque des paramètres détaillés de la charge sont disponibles, notamment la puissance active maximale P, le facteur de puissance cosθ avant compensation et le facteur de puissance souhaité cosθ après compensation, la capacité de compensation réactive nécessaire du système peut être calculée directement :

Q_compensate = K × P × (tanθ₁ - tanθ₂)

Q_compensation ─── Capacité de compensation de puissance réactive

P ─── Puissance active maximale

Q ─── Coefficient moyen d’utilisation de la charge (généralement compris entre 0,7 et 0,8)

Comprendre les principes fondamentaux

Dimensionnement de la capacité d’un filtre actif harmonique (AHF)

Sur la base des pratiques courantes dans le domaine de la qualité d’énergie, deux méthodes de calcul sont généralement utilisées pour estimer la capacité de compensation harmonique requise.

(1) Compensation centralisée : Déterminer la capacité requise du système de traitement harmonique selon le secteur d’activité et la puissance du transformateur.

\[ I_h = \frac{S \times K}{\sqrt{3} \times U \times \sqrt{1 + \text{THD}_i^2}} \times \text{THD}_i \]

S ─── Puissance assignée du transformateur

U ─── Tension assignée du côté secondaire du transformateur

_Ih─── Courant harmonique

THD ─── Taux global de distorsion du courant, avec une plage de valeurs déterminée selon les différents secteurs industriels ou types de charges

K ─── Taux de charge du transformateur

Secteur industriel	Taux typique de distorsion harmonique du courant (%)
Métros, tunnels, trains à grande vitesse, aéroports	15%
Télécommunications, bâtiments commerciaux, banques	20%
Industrie médicale	25%
Automobile manufacturing, Ship manufacturing	30%
Industrie chimique / pétrolière	35%
Industrie métallurgique	40%

(2) Compensation sur site : Déterminer la capacité requise du système de compensation harmonique selon les différents équipements de charge.

$$ I_h = K \times I_N \times \frac{\mathrm{THD}_i}{\sqrt{1 + \mathrm{THD}_i^2}} $$

_Ih─── Courant harmonique

K ─── Taux de charge du transformateur

THD_i─── Taux global de distorsion du courant, avec une plage de valeurs déterminée selon les différents secteurs industriels ou types de charges

Nature de la charge	Contenu harmonique typique (%)
Onduleur	30~50
Alimentation de chauffage par induction à moyenne fréquence	30~35
Ascenseur	15~30
Redresseur triphasé à six impulsions	28~38
Éclairage LED	15~20
Redresseur à douze impulsions	10~12
Éclairage à lampes basse consommation	15~30
Poste de soudage électrique	25~58
Ballast électronique	15~18
Système de climatisation à vitesse variable	6~34
Alimentation à découpage	20~30
UPS	10~25

Dimensionnement de la capacité du générateur statique de puissance réactive (SVG)

1) Estimation selon la puissance du transformateur :

Q_compensation= 30 % × S

Q_compensation ─── Capacité de compensation de puissance réactive

S ─── Puissance assignée du transformateur

Par exemple, un transformateur d’une puissance assignée de 1000 kVA est configuré avec une capacité de compensation de puissance réactive de 300 kvar.

(2) Dimensionnement basé sur le facteur de puissance et la puissance active de l’équipement :

Q_compensate = K × P × (tanθ₁ - tanθ₂)

Q_compensation ─── Capacité de compensation de puissance réactive

P ─── Puissance active maximale

Q ─── Coefficient moyen d’utilisation de la charge (généralement compris entre 0,7 et 0,8)