Principe de fonctionnement du filtre harmonique actif : de la détection au courant source
La principe de fonctionnement du filtre harmonique actif utilise une boucle de régulation fermée : elle mesure le courant de charge déformé, calcule les composantes indésirables sélectionnées, commande un convertisseur de puissance et injecte un courant de compensation en parallèle sur un bus défini. À cette frontière, le courant de charge et le courant du filtre déterminent le courant de source, reliant la détection, la génération de référence, le suivi de courant et l'injection en dérivation en une seule chaîne de fonctionnement.
Ce qu'un filtre actif de harmoniques en dérivation change dans le réseau électrique
Un filtre actif parallèle fournit un courant de compensation en parallèle avec la charge, ce qui réduit la quantité du courant indésirable sélectionné qui doit circuler du côté source du bus choisi.
Une charge non linéaire ne tire pas un courant directement proportionnel à une tension d'alimentation sinusoïdale. Un étage d'entrée à redresseur dans un variateur de vitesse, par exemple, peut tirer du courant par impulsions, de sorte que la forme d'onde du courant de charge contient une composante fondamentale ainsi que des composantes harmoniques.
Le courant harmonique est la partie associée aux composantes de la forme d'onde situées au-dessus de la fondamentale. Le filtre actif parallèle fournit une contrepartie contrôlée des composantes sélectionnées au lieu de demander à la source en amont de toutes les fournir.
Le filtre actif de puissance (FAH) en dérivation est une source de courant commandée connectée à côté de cette charge. Il ne transporte pas tout le courant de charge en série ; il ajoute un autre chemin de courant au niveau du jeu de barres compensé.
Un filtre actif de puissance, ou APF, utilise de l'électronique de puissance commandée plutôt qu'un réseau passif fixe ; cet article se concentre sur la forme à courant shunt.
Choisissez la convention de signe avant de lire le courant nominal. Définissez le courant de source et le courant de filtre comme entrant dans le bus compensé, avec le courant de charge sortant vers la charge.
i_source + i_filter = i_load
De même, i_source = i_load - i_filter. Pour une composante de charge ciblée, cette convention de référence de branche attribue à la composante de filtre le même signe algébrique que la composante de charge ; la soustraction représente le filtre fournissant cette composante localement.
Considérez plusieurs redresseurs de variateurs de fréquence connectés à un même jeu de barres d'usine. Les variateurs continuent de consommer le courant exigé par leurs processus, tandis que le filtre actif de puissance (AHF) fournit localement certaines composantes harmoniques et de courant réactif sélectionnées ; les conducteurs en amont acheminent ensuite la somme restante à ce jeu de barres.
| Quantité ou poste fonctionnel | Ce qu'il représente | Pourquoi cela doit rester distinct |
|---|---|---|
| Courant de charge mesuré | Le signal actuel observé par le capteur au niveau d'une limite définie | C'est une entrée pour le contrôleur, pas la correction elle-même |
| Référence de courant de compensation | La cible variable dans le temps du contrôleur | Il indique ce que le convertisseur doit produire ensuite |
| Régulation du bus DC | Le travail de maintien de l'état d'énergie CC utilisable du convertisseur | Il prend en charge la synthèse de courant mais il ne s'agit pas du courant alternatif injecté |
| Courant de filtre actuel | Le courant produit par le convertisseur à découpage | Il doit suivre la référence d'assez près pour affecter le bus |
| Courant de source résultant | La somme observée du côté de l'offre de la frontière choisie | C'est ici que l'objectif de rémunération est évalué |
La mesure, la commande, le courant du convertisseur et le courant de la source restent des grandeurs distinctes tout au long du principe de fonctionnement de l'AHF.
Lu comme un schéma de filtre actif harmonique, la séquence va du signal de courant de charge mesuré à la consigne du contrôleur, au courant de filtre réel et au courant de source résultant.
Étape 1 : Le TC capture le signal de courant de charge
Le transformateur de courant fournit au contrôleur une représentation du courant au niveau d'une limite électrique définie ; le CT lui-même ne supprime pas les harmoniques et n'injecte pas de courant de correction.
L'emplacement du transformateur de courant détermine ce que le contrôleur peut voir. Un CT de départ et un CT de jeu de barres principal représentent des limites de compensation différentes, même lorsque le matériel du capteur est identique.
La polarité et la correspondance de phase préservent la direction prévue du signal. La guide d'emplacement et de câblage des transformateurs de courant (TC) pour filtre actif d'harmoniques associe ces décisions aux éléments de calcul, de routage et aux preuves de mise en service sur le schéma unifilaire.
Pour un nouveau venu qui lit un schéma fonctionnel de fabricant, la distinction claire est simple : la flèche allant du tore de courant (CT) au contrôleur est de l'information. Le chemin à fort courant allant du convertisseur au bus est l'action de compensation.
Étape 2 : Le contrôleur élabore une référence de courant de compensation
Le contrôleur traite les grandeurs électriques mesurées et élabore une référence de courant de compensation : la forme d'onde cible que l'étage de puissance doit fournir ensuite.
En termes de matériel, un processeur de signal numérique ou un autre contrôleur en temps réel convertit l'entrée du capteur en courant de référence. Cette référence est une commande, et non encore le courant physique circulant dans la branche du filtre.
Ce travail est plus précis que “ détecter les harmoniques ”. Le contrôleur doit distinguer les composantes du courant liées à son objectif configuré, former une référence avec le signe requis et continuer à mettre à jour la commande à mesure que la charge change.
Différents modèles peuvent utiliser des méthodes de repère synchrone, des méthodes p-q instantanées, une analyse spectrale ou une autre architecture de commande. Ces noms d'algorithmes décrivent des manières de calculer la cible ; ils ne modifient pas la séquence fonctionnelle commune de mesure, de génération de référence et de suivi de courant.
Un ingénieur comparant un diagramme fonctionnel étiqueté dq0 avec une autre étiquetée p-q devrait par conséquent poser deux questions distinctes : quel objectif actuel est calculé et comment le convertisseur suit-il cette référence dans les conditions de charge et d'alimentation prévues ?
L'estimation du signal de compensation, la régulation du bus DC et le contrôle du courant du convertisseur sont des tâches liées mais distinctes. Ensemble, elles forment le principe de fonctionnement du filtre actif, même lorsque l'algorithme interne et la mise en œuvre matérielle diffèrent.
Étape 3 : Le bus CC et le convertisseur IGBT produisent le courant de filtre
Le contrôle du bus continu prend en charge un convertisseur à commutation qui transforme la référence numérique en un courant de filtre alternatif réel sur le bus compensé.
Le bus CC est le tampon d'énergie interne régulé du convertisseur. Il offre à l'étage de puissance la marge électrique nécessaire pour façonner le courant, tandis qu'une fonction de commande séparée maintient la tension du circuit intermédiaire proche de sa cible de fonctionnement.
L'onduleur IGBT n'est pas seulement un interrupteur électronique marche/arrêt pour l'armoire. Ses branches à semi-conducteurs commutent sous contrôle de courant afin que la sortie du convertisseur suive la consigne de courant de compensation changeante.
C'est aussi pourquoi dire qu'un FHA “ stocke des harmoniques ” donne une mauvaise image mentale. Le contrôleur estime un courant désiré et le convertisseur échange continuellement de l'énergie électrique avec le réseau CA tout en synthétisant ce courant ; il n'y a pas d'entrepôt de formes d'onde harmoniques capturées qui attendent d'être vidé.
Le suivi actuel ferme la boucle entre la commande et l'action. Le contrôleur observe la réponse électrique, ajuste la commutation du convertisseur et met à jour la commande à mesure que la charge non linéaire change, de sorte que le courant de filtre réel suit la référence plutôt que de rester une forme d'onde fixe.
Étape 4 : Filtrer le courant de charge et le courant de charge total au niveau de la barre sélectionnée
Toutes les flèches de branches étant orientées comme défini ci-dessus, l'annulation se produit par sommation des courants au niveau du bus sélectionné : le filtre reproduit les composantes de courant de charge sélectionnées avec le même signe algébrique, de sorte que soustraire le courant du filtre réduit leur contribution au courant de la source.
Supposons que le courant de charge contienne une composante fondamentale ainsi que plusieurs composantes harmoniques. La source fournit toujours la puissance fondamentale exigée par le procédé, mais la branche de filtrage peut transporter une contrepartie contrôlée des composantes indésirables sélectionnées.
L'expression familière “ égale et opposée ” suppose que les courants de charge et de filtre sont tracés en utilisant une direction de référence globale commune. Selon la convention de référence de branche utilisée ici, les deux valeurs de composantes ont le même signe algébrique parce que les flèches des branches de charge et de filtre pointent dans des directions opposées par rapport au bus.
Le point de couplage commun, ou PCC, est la limite électrique convenue où l'équipe évalue la relation entre les courants de la source, de la charge et du filtre. En termes simples, il s'agit du bus où la question se pose : quel courant l'alimentation voit-elle maintenant ?
Le courant actuel répond également à une question fréquente de la communauté sur la destination des harmoniques. Le filtre ne déplace pas un paquet de distorsion stocké ailleurs ; il produit un courant contrôlé dont les composantes sélectionnées réduisent les composantes correspondantes dans la somme côté source.
Lorsque la charge change, la forme d'onde mesurée change, la référence est recalculée et la sortie du convertisseur suit. La mise à jour dynamique est la différence caractéristique entre une source de courant actif contrôlé et un réseau accordé fixe.
Pourquoi l'annulation active est différente du filtrage passif
Les filtres d'harmoniques actifs et passifs agissent par le biais de mécanismes physiques différents : un FHA mesure et génère un courant variable, tandis qu'un filtre passif utilise des inductances, des condensateurs et des résistances pour créer des chemins d'impédance dépendants de la fréquence.
Cette distinction résout la question familière :“Les filtres harmoniques sont-ils aussi des batteries de condensateurs ?”Une batterie de condensateurs peut fournir de l'énergie réactive et un filtre passif accordé peut inclure des condensateurs, mais ni l'un ni l'autre ne devient automatiquement le convertisseur contrôlé décrit ci-dessus.
| Point de comparaison | Filtre actif d'harmoniques shunt | Filtre harmonique passif accordé |
|---|---|---|
| Connexion et action | Se connecte en parallèle et injecte le courant commandé | Fournit un chemin d'impédance dépendant de la fréquence via des composants passifs |
| Réponse à une charge variable | Recalcule et suit une référence de courant changeante | Son réglage est déterminé par les valeurs des composants et l'interaction du système. |
| Grandeur réglée principale | Le courant du convertisseur suit une référence calculée | L'impédance du réseau façonne le trajet des fréquences sélectionnées |
| Dépendance de conception principale | Frontière de mesure, objectif du régulateur, capacité de courant, dynamique du convertisseur et intégration | Fréquence d'accord, valeurs des composants, impédance de réseau, résonance et conditions de commutation |
Des équipements actifs et passifs peuvent également être coordonnés dans une même installation, car chacun agit par le biais d'un mécanisme électrique différent.
Pour une décision de sélection complète — incluant l'accord, la résonance, le comportement en charge variable et les compromis d'installation — utilisez filtre harmonique actif versus filtre harmonique passif.
Ce que “ égal et opposé ” ne garantit pas
“ Égal et opposé ” décrit la relation des composantes physiques lorsque les deux courants partagent une direction de référence globale ; ce n'est pas la règle algébrique pour les flèches de branche utilisées ci-dessus. La distorsion résiduelle dépend toujours de la détection, du courant de compensation disponible, de la réponse du contrôleur, des conditions du réseau et de l'état de la charge.
Un relevé de compteur varie selon le point de mesure et l'état de fonctionnement. Un résultat obtenu à un tableau ne peut donc pas régler un PCC différent ou une condition de charge différente.
Important : Une lecture de courant harmonique plus faible sur un panneau ne prouve pas que l'emplacement des transformateurs de courant, la capacité du filtre ou un objectif d'acceptation au point de raccordement commun (PCC) sont réglés : reliez le résultat à la limite de mesure définie, à l'état de fonctionnement représentatif, au courant de compensation disponible et à la méthode d'acceptation convenue.
La distorsion harmonique totale, ou DHT, est un résumé utile de la teneur harmonique d'une forme d'onde. Elle ne constitue pas une réponse autonome quant à l'emplacement du transformateur de courant, au calibre de courant requis ou au respect d'une limite contractuelle.
Utilisez le Guide d'installation et de câblage des transformateurs de courant (TC) de définir la limite de mesure/contrôle avant de considérer qu'une lecture est représentative. Une fois cette limite fixée, Guide de calcul du dimensionnement des APF convertit la demande mesurée en capacités d'entrée, et le Guide de sélection AHF applique ces entrées à l'équipement et aux critères d'acceptation.
Un modèle de boucle de régulation correct ne fournit pas les données de site nécessaires au choix des équipements. Des diagraphies représentatives, un schéma unifilaire, des contraintes d'installation et un point de réception défini complètent cette décision suivante.
Comment la gamme de produits CNBYG AHF/APF met en œuvre la chaîne
La famille de produits CNBYG AHF/APF suit la même chaîne fonctionnelle décrite ci-dessus : détection par TC externe, extraction numérique des composantes de courant cible, et génération et injection à base d'IGBT du courant de compensation.
La Famille de produits CNBYG AHF/APF présente des formats muraux et en rack. À travers ces formats, une entrée de tore externe alimente le traitement numérique, qui commande le courant de l'onduleur injecté sur le jeu de barres.
Avant de comparer une série ou un calibre CNBYG, définissez la limite électrique, le profil représentatif des courants harmoniques, la tension et la configuration du système, les états de charge, les équipements de compensation existants, les conditions d'installation et l'objectif de réception.
La Système de Qualité d'Énergie Le hub organise la mesure et le contexte du système utilisés avant de choisir l'équipement. Les guides de TC, de dimensionnement et de sélection fournissent le niveau de détail suivant une fois cet enregistrement terminé.
FAQ
Comment fonctionne un filtre harmonique actif étape par étape ?
Il mesure le courant au niveau d'une limite définie, traite le signal pour en faire une référence de courant de compensation, utilise un convertisseur commandé pour produire le courant de filtrage, injecte ce courant en parallèle et met à jour la commande au fur et à mesure que la charge change. Les courants de la source et du filtre étant définis vers le bus, la source fournit le courant de charge moins la contribution du filtre.
Quelle est la différence entre un filtre harmonique passif et un filtre harmonique actif ?
Un filtre passif utilise des inductances, des condensateurs et des résistances accordés pour façonner l'impédance du réseau à des fréquences sélectionnées. Un filtre actif mesure l'état électrique et commande un convertisseur de puissance pour générer un courant de compensation variable.
Pourquoi le courant de compensation est-il qualifié d'égal et opposé ?
La phrase utilise une direction de référence globale commune, sous laquelle le composant de filtre physique est opposé au composant de charge ciblé. Avec les flèches de branche utilisées dans cet article, le composant de filtre est une copie de même signe du composant de charge ciblé, et i_source = i_load - i_filter la soustrait du courant de source.
Un filtre actif de puissance (AHF) élimine-t-il tous les harmoniques ?
Aucun résultat universel ne découle du seul principe. Le courant résiduel dépend de la limite de mesure, des composants ciblés, de la capacité de courant disponible, de la réponse du contrôleur et du convertisseur, de l'état de la charge et de l'intégration du système.
Où est connecté un filtre harmonique actif ?
Le filtre actif de harmoniques (FAH) shunt commun se connecte en parallèle avec la charge ou le jeu de barres afin de pouvoir injecter du courant. Le point de connexion exact et l'emplacement des transformateurs de courant (TC) doivent correspondre à la limite de compensation prévue et à la conception approuvée du projet.
Quels sont les quatre types de filtres actifs ?
Une taxonomie de haut niveau courante comprend le conditionneur de qualité de l'énergie shunt, série, hybride et unifié. Les filtres shunt injectent principalement du courant en parallèle, les filtres série injectent de la tension, les agencements hybrides combinent des fonctions actives et passives, et un UPQC coordonne les fonctions série et shunt.
Un AHF peut-il également corriger le facteur de puissance ?
Certains produits de filtres actifs peuvent inclure une compensation de courant réactif ou une correction du facteur de puissance en tant que fonction configurée. Il convient de confirmer si cette fonction est disponible et comment la capacité est partagée pour le produit et l'application sélectionnés.
Comment dimensionne-t-on un FAP et combien cela coûte-t-il ?
Le dimensionnement commence par la demande mesurée et représentative de courant harmonique à la limite prévue, puis prend en compte la tension, l'état de la charge, la topologie, l'installation, les conditions thermiques et l'objectif de réception. Le coût dépend de la capacité d'équipement requise et de l'intégration du projet plutôt que du seul schéma de principe de fonctionnement ; utilisez les guides de dimensionnement et de sélection associés pour cette décision.