Sélection des réactances de ligne et des filtres de sortie pour les variateurs de fréquence

Une installation avec variateur de fréquence peut présenter deux problèmes électriques différents, souvent regroupés sous le terme « bruit ». Côté alimentation, le redresseur du variateur absorbe un courant non sinusoïdal et peut perturber le réseau en amont. Côté moteur, les fronts de tension PWM rapides se propagent dans le câble et peuvent solliciter l’isolation, les roulements et le câblage de signaux voisin. Un réacteur ou un filtre doit donc être choisi en fonction du côté du variateur concerné et du problème mesuré.

Séparer le côté réseau du côté charge

Un réacteur de ligne d’entrée est une inductance série installée en amont du variateur de fréquence. Son impédance limite la vitesse de variation du courant. Il peut atténuer les perturbations du réseau, réduire les pointes de courant et ajouter une impédance utile lorsque le transformateur d’alimentation est rigide par rapport au variateur. Il introduit également une chute de tension et de la chaleur ; il ne doit donc pas être considéré comme un remède universel.

Un réacteur de sortie est installé entre l’onduleur et le moteur. Il agit sur la forme d’onde PWM en sortie du variateur. Son rôle diffère de celui d’un réacteur d’entrée : il peut réduire les pointes de courant, modérer le temps de montée de la tension et être utile dans certaines applications avec câbles moteur. Son efficacité dépend de la tension du variateur, de la fréquence de commutation, de l’isolation du moteur, du type et de la longueur du câble, ainsi que des limites fixées par le fabricant du variateur de fréquence.

Un filtre harmonique se place côté entrée et cible les harmoniques de courant d’ordre faible. Un filtre dV/dt ou un filtre sinusoïdal se place côté sortie. Un filtre dV/dt réduit la raideur et l’amplitude des impulsions de tension. Un filtre sinusoïdal atténue plus fortement les composantes haute fréquence de la sortie et fournit au moteur une forme d’onde plus proche d’une sinusoïde. Ces dispositifs ne sont pas interchangeables.

Ce qu’un réacteur d’entrée peut et ne peut pas faire

Un variateur à six impulsions charge son bus continu au moyen d’un redresseur à diodes. Le courant est absorbé sous forme d’impulsions proches des crêtes de la forme d’onde de tension alternative. L’ajout d’une réactance de ligne CA, ou l’utilisation d’un variateur équipé d’une self de bus continu, étale ces impulsions de courant et peut réduire la distorsion harmonique totale du courant. Les recommandations d’ABB relatives à l’atténuation des harmoniques distinguent cette amélioration modeste d’un filtre passif accordé ou d’un variateur à convertisseur actif.

Le réacteur fournit également une certaine isolation vis-à-vis des encoches de tension du réseau et des événements transitoires. Toutefois, ce n’est pas un dispositif de protection contre les surtensions et il ne limite pas la tension comme le ferait un SPD. Il ne peut pas corriger tous les problèmes de qualité de l’énergie. Un déséquilibre de tension important, des sous-tensions répétées, une résonance ou une alimentation fournie par un générateur faible nécessitent une étude à l’échelle du système.

Avant de spécifier un réacteur, relevez la puissance et l’impédance du transformateur, le courant de défaut disponible, le courant d’entrée du variateur, les condensateurs existants, le fonctionnement sur générateur et le spectre harmonique mesuré. Une indication d’impédance en pourcentage ne suffit pas à prouver que l’installation terminée respectera une limite harmonique.

Choisir une solution côté sortie

L’onduleur produit des impulsions de tension à fronts rapides. Aux bornes du moteur, l’impédance du câble et les effets d’ondes réfléchies peuvent porter la tension de crête au-delà de la valeur observée au niveau du variateur. Le risque augmente généralement avec la longueur du câble, la tension, le comportement de commutation et l’état de l’isolation du moteur. Il n’existe pas de seuil universel de longueur de câble garantissant la sécurité.

Utilisez le manuel matériel du variateur comme référence principale. Il doit définir la longueur de câble moteur autorisée et préciser quand un réacteur de sortie, un filtre dV/dt, un filtre de mode commun, un roulement isolé, une brosse de mise à la terre ou un filtre sinusoïdal est requis. ABB précise que les filtres sinusoïdaux sont des réseaux passe-bas constitués de réacteurs et de condensateurs. Ils atténuent les composantes haute fréquence de la tension de sortie et sont utilisés notamment pour les câbles moteur très longs, les transformateurs élévateurs ou les moteurs anciens.

Un filtre sinusoïdal peut également imposer des limites concernant la fréquence de sortie, la fréquence de commutation, la disposition des câbles ou le dimensionnement du variateur. Ses condensateurs absorbent du courant même lorsque la charge mécanique est faible. Considérez le variateur, le filtre, le câble et le moteur comme un seul système conçu dans son ensemble.

Une méthode pratique de sélection

1. Définir le symptôme

Ne commencez pas par choisir un composant. Déterminez s’il s’agit d’une distorsion du courant d’entrée, de déclenchements intempestifs pour surtension, d’une tension de crête aux bornes du moteur, de courants de roulement, de perturbations électromagnétiques conduites, d’interférences rayonnées ou de bruit audible du moteur. Un seul accessoire résout rarement tous ces problèmes.

2. Mesurer aux bons points

Pour les harmoniques du réseau, relevez la tension et le courant au point de couplage commun, dans des conditions de charge représentatives. Pour les problèmes côté sortie, utilisez des instruments et des sondes adaptés aux formes d’onde PWM des variateurs. Un multimètre standard ne peut pas révéler le temps de montée ni les pointes dues aux ondes réfléchies.

3. Vérifier les combinaisons approuvées par le fabricant

Confirmez que le réacteur ou le filtre est homologué pour la série exacte du variateur, la classe de tension, le courant continu, le régime de surcharge et la fréquence de sortie. Respectez les exigences relatives à l’armoire, à la ventilation, aux conducteurs, à la mise à la terre et aux distances d’isolement. Examinez également l’isolation du moteur et la configuration des roulements.

4. Modéliser les conditions extrêmes de fonctionnement

Vérifiez les faibles et fortes charges, le fonctionnement en dérivation, les conditions régénératives, l’alimentation par générateur, les longues liaisons, les moteurs multiples et la commutation de condensateurs. ABB avertit que les filtres harmoniques passifs peuvent créer un facteur de puissance capacitif à faible charge et interagir avec d’autres condensateurs par résonance.

5. Mettre en service avec des données à l’appui

Enregistrez la tension de ligne, le courant de phase, le comportement du bus continu, la forme d’onde aux bornes du moteur lorsque cela est pertinent, la température du filtre, les alarmes du variateur et les vibrations de référence. Répétez les mesures après que la machine a atteint ses conditions thermiques normales. Conservez ces relevés avec les paramètres du variateur et le schéma unifilaire.

Les détails d’installation qui déterminent le résultat

Positionnez les composants d’entrée conformément aux schémas du variateur et du filtre. N’installez pas accidentellement un filtre harmonique passif d’entrée en sortie ; ABB identifie explicitement cette erreur comme un risque de coordination sur site. Gardez les conducteurs entre le filtre de sortie et le variateur courts lorsque le fabricant l’exige. Éloignez les câbles moteur des câbles analogiques de faible niveau, des câbles d’encodeur et des câbles de communication.

Utilisez une liaison équipotentielle de protection continue et raccordez le câble moteur blindé conformément aux spécifications. Les filtres ne compensent ni une mauvaise mise à la terre ni un cheminement anarchique des câbles. Vérifiez la température de surface des réacteurs et des filtres, car tous deux ajoutent des pertes dans l’armoire.

Limites de l’ingénierie

Les réacteurs sont des dispositifs d’impédance utiles, tandis que les filtres sont des réseaux sélectifs en fréquence. Leur intérêt dépend de l’adéquation entre le dispositif et le mécanisme mesuré. Pour le matériel associé, consultez notre collection de variateurs de fréquence et de variateurs CA ainsi que notre gamme plus large de variateurs et de solutions de commande de mouvement. La note technique d’ABB sur l’atténuation des harmoniques et le guide d’ABB sur les filtres ACQ580 fournissent un contexte utile du fabricant. La sélection finale doit néanmoins respecter les manuels du variateur et du moteur installés.