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La différence entre un redresseur à 12 impulsions et un redresseur à 6 impulsions
I. Dérivation théorique
1.6 Principe du redresseur d'impulsions :
Le terme « 6 impulsions » fait référence au redresseur en pont complet composé de 6 thyristors, car il y a 6 impulsions de commutation pour contrôler respectivement 6 thyristors, d'où son appellation de redresseur à 6 impulsions.
En négligeant le processus de commutation du thyristor triphasé en pont et les pulsations de courant, en supposant que la réactance côté AC est nulle, l'inductance DC est infinie et l'angle de déclenchement retardé a est nul, le développement en série de Fourier du courant côté AC est :
On peut conclure de la formule (1-1) que :
Le courant contient-il 6K ? 1 (k est un entier positif) sous-harmoniques, c'est-à-dire 5, 7, 11, 13... La valeur efficace de chaque harmonique est inversement proportionnelle au numéro de l'harmonique, et le rapport de la valeur efficace de l'onde fondamentale est l'inverse du numéro de l'harmonique.
Figure 1.1 Forme d'onde de la tension et du courant d'entrée d'un générateur 6 impulsions en phase A simulée par ordinateur
2. Principe du redresseur à 12 impulsions :
Le terme « 12 impulsions » fait référence au redresseur à 6 impulsions d'origine, basé sur l'extrémité d'entrée, auquel on ajoute un transformateur de déphasage après avoir ajouté un groupe de redresseurs à 6 impulsions, de sorte que le courant du bus CC est complété par 12 redresseurs à thyristors ; c'est pourquoi on l'appelle également redresseur à 12 impulsions.
Comme le montre la figure suivante, les deux circuits redresseurs triphasés I et II constituent un circuit redresseur à 12 phases grâce à différentes connexions du transformateur.
Schéma d'un redresseur à 12 impulsions (composé de 2 6 impulsions en parallèle)
On constate que deux ponts de redressement produisent des sous-harmoniques 5, 7, 17, 19,... qui s'annulent mutuellement, et seule l'harmonique 12k (k étant un entier positif) est injectée dans le réseau. Les harmoniques 11, 13, 23, 25 et autres ont une valeur efficace inversement proportionnelle à leur numéro, et le rapport de la valeur efficace de l'onde fondamentale est l'inverse du numéro de l'harmonique.
Figure 1.2 Forme d'onde de la tension et du courant d'entrée d'une phase A d'un système d'alimentation sans coupure (UPS) à 12 impulsions, simulée par ordinateur
2. Analyse des données mesurées.
Le calcul ci-dessus correspond à un état idéal, négligeant de nombreux facteurs tels que le processus de commutation, les pulsations du courant côté continu, l'angle de retard de déclenchement, la réactance côté alternatif, etc. Par conséquent, il existe des différences entre la valeur mesurée et la valeur calculée. Tableau de calcul théorique des harmoniques :
| Nombre harmonique | 5ème | 7e | 11e | 13e | 17e | 19e | 23 |
| 6 Contenu harmonique d'impulsion | 20% | 14% | 9% | 8% | 6% | 5% | 4% |
| 12 Contenu harmonique d'impulsion | 0% | 0% | 9% | 8% | 0% | 0% | 4% |
Modèle de tableau de données de mesure des harmoniques pour un système d'alimentation sans coupure (UPS) haute puissance :
| Fréquence harmonique | 5ème | 7e | 11e | 13e | 17e | 19e | 23 |
| 6 Contenu harmonique d'impulsion | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | 2% |
| 12 Contenu harmonique d'impulsion | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 2% |
D'après les deux tableaux ci-dessus, on constate que le redresseur à 6 impulsions présente jusqu'à 5 harmoniques, et le redresseur à 12 impulsions jusqu'à 11 harmoniques, ce qui est conforme aux résultats des calculs théoriques. La valeur mesurée de la 5e harmonique du redresseur à 6 impulsions est supérieure à la valeur calculée, tandis que la valeur mesurée de la 11e harmonique du redresseur à 12 impulsions est identique à la valeur calculée.
Troisièmement, l'analyse harmonique et les contre-mesures d'amélioration
Les harmoniques peuvent provoquer un échauffement des câbles de distribution et des transformateurs, une réduction de la qualité de la communication, un dysfonctionnement des commutateurs pneumatiques, des surtensions de générateur et d'autres conséquences néfastes ; les harmoniques sont divisées en séquence + (3k+1 fois, k étant égal à 0 ou à un entier positif), séquence - (3k+2 fois, k étant égal à 0 ou à un entier positif) et séquence 0 (3k fois, k étant un entier positif).
Un courant de séquence positif aggrave les pertes, un courant de séquence négatif provoque l'inversion du sens de rotation du moteur et son échauffement, et un courant de séquence nul entraîne une augmentation anormale du courant de ligne centrale.
D'après les mesures, le redresseur à 6 impulsions présente un maximum de 5 harmoniques et peut être équipé de 5 filtres pour les supprimer. Le redresseur à 12 impulsions, quant à lui, présente le maximum de 11 harmoniques et peut être équipé de 11 filtres pour les supprimer. Le schéma de principe du filtre est présenté ci-dessous :
Le tableau comparatif des harmoniques d'un certain type d'onduleur haute puissance après installation du filtre est le suivant :
| Fréquence harmonique | 3ème | 5ème | 7e | 11e | 13e | 17e | 19e | Total |
| Exigences relatives aux indicateurs IEC6000-3-4 | 21.6% | 10.7% | 7.2% | 3.1% | 2% | 1.2% | 1.1% | 25% |
| 6 Contenu harmonique d'impulsion | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | > 30% | |
| Redresseur à 6 impulsions + filtre passe-bande à 5 impulsions | 2% | 1% | 7% | 2% | 3% | 2% | 9% | |
| 12 Contenu harmonique d'impulsion | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 10% | |
| Redresseur à 12 impulsions + filtre passe-bande à 11 impulsions | 1% | 1% | 3% | 2% | 1% | 1% | 4.5% |
Comme on peut le constater dans le tableau ci-dessus, l'ajout de filtres a un effet très net sur la suppression des harmoniques.
Il convient de souligner que : la configuration à 6 impulsions + filtre harmonique 5 permet d'atteindre les exigences harmoniques d'environ 9 %. Cependant, la capacité du filtre harmonique 5 (250 Hz) étant plus importante, lorsque la charge de l'onduleur est faible (< 15 % de la charge nominale), le courant d'entrée du redresseur est en avance sur la tension d'entrée. Si l'enroulement d'excitation du générateur est auto-excité, un effet de rétroaction positive de l'induit risque de se produire, entraînant une hausse anormale de la tension de sortie du générateur et son arrêt en cas de mise en protection. Par conséquent, l'utilisation de cette configuration est déconseillée lorsque la charge de l'onduleur est faible. Dans ce cas, le filtre harmonique 5 peut être supprimé du redresseur.
Le redresseur à 12 impulsions unique peut également atteindre environ 10 % de l'indice harmonique du courant, mais il n'y a pas de circuit LC à gros condensateur, afin d'éviter l'effet de rétroaction positive avec l'excitation du générateur.
Un taux d'harmoniques inférieur à 4,5 % peut être atteint grâce à un redresseur à 12 impulsions et un dispositif de correction d'harmoniques à 11 impulsions. Les taux d'harmoniques individuels et totaux sont conformes aux exigences de la norme IEC 61000-3-4.
Annexe 1 : Données d'entrée sur le contenu harmonique du courant sous différentes conditions de charge
| Saisissez le contenu harmonique total | Sans charge | 25 % de charge | 50 % de charge | >75% de charge |
| 6 impulsions | 86% | 65% | 50% | > 30% |
| Filtre passe-bande à 6 impulsions + 5 | > 50% | 30% | 15-20% | 10-12% |
| 12 impulsions | 20% | 15% | 12% | 9.5% |
| Filtre à 12 impulsions + 11 passages | 12 ~ 15% | 8 ~12% | 5 ~ 8% | 4.5% |
Annexe 2 : Tableau du contenu harmonique total du courant d’entrée d’un onduleur de 400 kVA à 12 impulsions + filtre à 11 passes d’un certain modèle
Pourcentage de chargement | Composante harmonique de la batterie THDI% | Valeur absolue du courant harmonique total |
| 100% | 4.5% | 33A |
| 75% | 5% | 28A |
| 50% | 8% | 29A |
| 40% | 10% | 29A |
| 30% | 12% | 27A |
C'est la valeur absolue du courant harmonique qui affecte le réseau, et non son pourcentage. Comme le montre le tableau ci-dessus, la valeur absolue du courant harmonique est maximale à pleine charge. À mi-charge et en charge faible, elle ne dépasse pas 100 % de celle mesurée à pleine charge. Le filtre à 12 impulsions + 11 harmoniques minimise l'impact des harmoniques totales du courant d'entrée et évite les inconvénients liés à la compensation d'erreur des filtres actifs et au faible rendement du système. En effet, ce filtre génère une pollution minimale du réseau électrique et convient parfaitement aux applications exigeant une haute fiabilité.
Quatrièmement, comparaison des performances :
| Projet | Redresseur à 6 impulsions + filtre passe-bande à 5 impulsions | Redresseur à 12 impulsions + filtre à 11 degrés | Avantages techniques du redresseur à 12 impulsions + filtre à 11 passages |
| 1. Le contenu harmonique du courant d'entrée rayonné sur le réseau électrique | く10% | く4.5% | L'introduction d'une charge de redressement et de filtrage sur le réseau électrique principal peut le « polluer », entraînant la circulation d'un grand nombre de courants harmoniques d'ordre élevé dans l'ensemble du système d'alimentation. Ceci peut provoquer une surintensité sur la ligne principale et un échauffement anormal du moteur. Pour résoudre ces problèmes, il est recommandé d'utiliser un redresseur à 12 impulsions et un filtre à 11 harmoniques, afin de garantir une alimentation électrique conforme aux normes de qualité « verte » pour le réseau de l'utilisateur. |
| 2. Consommation d'énergie | Plus grand | Plus petit | Le courant d'entrée rayonné sur le réseau électrique présente un faible contenu harmonique. Les harmoniques d'ordre élevé provoqueront des pertes par échauffement au niveau du transformateur et du câble d'alimentation, entraînant un gaspillage d'énergie. |
| 3. Générateur en panne | facile | Ne | L'effet de rétroaction positive des enroulements de champ est évité. |
| 4. Provoque un dysfonctionnement du commutateur | facile | Pas facile | |
| 5. L'étage d'entrée de l'onduleur nécessite une capacité de générateur. | Grande, selon la configuration du générateur, soit 1,6 à 2 fois sa capacité. | Plus petite, selon la configuration du générateur, de 1,5 à 1,8 fois sa capacité | Un système d'alimentation sans coupure (UPS) à redresseur à 6 impulsions nécessite plus de 1,8 fois la capacité d'un moteur thermique. Les redresseurs à 12 impulsions nécessitent seulement 1,5 fois la capacité du moteur à huile |
| 6. Commutateur d'entrée UPS, configuration de capacité du câble | Ajouter | Pas d'augmentation | En raison du courant de crête élevé de l'entrée du redresseur à 6 impulsions, les transformateurs, les disjoncteurs, les câbles, etc., doivent être déclassés, ce qui entraîne une augmentation des coûts d'investissement. |
| 7. Tension d'ondulation de sortie du redresseur | Plus grand | 50 % moins cher | L'ondulation de la tension continue de sortie du redresseur à 12 impulsions est 50 % inférieure à celle du redresseur à 6 impulsions, ce qui réduit considérablement l'effet d'ondulation de la batterie pendant la charge et peut prolonger efficacement la durée de vie de la batterie. |
Comme le montre le tableau ci-dessus, les redresseurs à 12 impulsions sont supérieurs aux redresseurs à 6 impulsions sur plusieurs points. Apparue dans les années 1970, la technologie des redresseurs à 12 impulsions, grâce à des améliorations continues, est progressivement devenue la technologie de référence pour les redresseurs de forte puissance.
Enfin, comme indiqué précédemment, si votre budget le permet, privilégiez une configuration avec un redresseur à 12 impulsions et un filtre à 11 étages. Cette configuration répond aux exigences de la norme YD/T1095-2000 (Composantes harmoniques du courant d'entrée, classe I) du ministère de l'Industrie de l'Information et aux exigences de l'indice IEC 61000-3-4 de la Commission électrotechnique internationale.
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