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Copyright © 2011 Véronique Beauvois 1 Qualité de lénergie Mars 2011.

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1 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 1 Qualité de lénergie Mars 2011

2 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 2 Plan 1.Introduction / Notions de base 2.Introduction / Qualité de lénergie 3.Phénomènes perturbateurs 4.La facture électrique ? 5.PQ – Exemples 6.Annexes

3 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3 1. Introduction / Notions de base Signal AC : tension et courant Si la tension u fournie par la source varie suivant une loi sinusoïdale, un courant sinusoïdal (lui aussi) s'établit : c'est un circuit à courant alternatif. Tension u en Volt (V) Courant i en Ampère (A)

4 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 4 1. Introduction / Notions de base Signal AC : forme donde v(t) = V max. sin ( f t) Valeur de crête V max = 2.V Cest la valeur maximale quatteint le signal. Par exemple pour un réseau 230 Vac, la valeur de crête ou maximale est de 325 V. Valeur efficace ou rms Cest la valeur quadratique moyenne. En sinusoïdal Veff=Vmax/2 Valeur moyenne En sinusoïdal, sur une période complète, la valeur moyenne est nulle. Vmax Veff

5 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 5 1. Introduction / Notions de base Signal AC : facteur de crête Le facteur de crête fournit une mesure de la déformation du signal. Cest le rapport entre la valeur de crête (max) et la valeur rms. Dans le cas dune charge linéaire 5 Vmax Veff

6 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 6 Plan 1.Introduction / Notions de base 2.Introduction / Qualité de lénergie 3.Phénomènes perturbateurs 4.La facture électrique ? 5.PQ – Exemples 6.Annexes

7 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 7 Acteurs concernés par la problématique ? Tous les acteurs en présence : gestionnaires de réseaux (ELIA) ; utilisateurs (producteurs / consommateurs) ; intervenants divers (fournisseurs délectricité ou de services, organismes de régulation – CREG – VREG/CWAPE/BRUGEL). Position centrale du gestionnaire de réseau : importance de la qualité aux interfaces entre réseau et monde extérieur (utilisateurs locaux et réseaux voisins). Remarque : croissance des unités de production décentralisée ! 2. Introduction / Qualité de lénergie

8 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 8 Electricité ? domaine dutilité publique ; forme dénergie souple et adaptable ; convertie en dautres énergies (therm., méca., chimique) ; pas de stockage possible (production vs demande) ; influences : conditions climatiques, phénomènes transitoires inhérents (défauts, manœuvres), phénomènes atmosphériques (foudre), configuration du réseau. 2. Introduction / Qualité de lénergie

9 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 9 Electricité ? Contexte de lUnion Européenne Electricité = produit (Directive Européenne de 1985) marché libéralisé ; cela signifie que tout producteur peut vouloir vendre son produit à nimporte quel consommateur ; nécessité dune vérification qualitative plus rigoureuse (avant « règles de lart »). Electricité = produit + « services associés » 2. Introduction / Qualité de lénergie

10 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Introduction / Qualité de lénergie En anglais, on parle de Power Quality ? En français : - qualité de lalimentation - qualité de lénergie (électrique) - qualité de lélectricité - qualité de la tension Selon lI.E.E.E.* (U.S.A.) : on appelle « Power Quality Problem » toute variation dans lalimentation en puissance électrique, ayant pour conséquence le dysfonctionnement ou lavarie déquipements des utilisateurs (creux de tension, surtension, transitoire, harmoniques, déséquilibre, …). * Institute of Electrical and Electronics Engineers

11 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Introduction / Qualité de lénergie Qualité de lélectricité = Qualité de la tension + Continuité (pour tenir compte du concept de fiabilité de lalimentation, de continuité de la tension, en fonction du nombre dinterruptions et de leur durée). Lalimentation est dautant plus fiable que le nombre annuel dinterruptions est petit et que leur durée moyenne est faible. Qualité = aptitude à alimenter de façon continue et satisfaisante les appareils qui utilisent lélectricité. Continuité Cela dépend : de la conception des réseaux publics et industriels, de la qualité du matériel, des bonnes pratiques de maintenance et dexploitation. Compromis technico-économique (explicite ou implicite). Elle se mesure par le nombre de coupures dalimentation en un point donné : coupure/unité de temps.

12 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Introduction / Qualité de lénergie Tous ces phénomènes affectent essentiellement la tension qui est fournie à lutilisateur. - (1) soit pas de charge perturbatrice : le courant est peut-être déformé mais uniquement en fonction des caractéristiques de la tension. - (2) soit charge perturbatrice : elle perturbe dabord le courant qui perturbe la tension (car limpédance du réseau nest pas nulle), ce qui se traduit par une dégradation de lalimentation des autres utilisateurs. (1) > Cest pourquoi on dit parfois que le qualité de lélectricité se réduit à la qualité de la tension (Power Quality = Voltage Quality).

13 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 13 Plan 1.Introduction / Notions de base 2.Introduction / Qualité de lénergie 3.Phénomènes perturbateurs 4.La facture électrique ? 5.PQ – Exemples 6.Annexes

14 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs Les perturbations dégradant la qualité de la tension peuvent résulter de : défauts dans le réseau électrique ou dans les installations des clients (court- circuit dans un poste, une ligne aérienne, un câble souterrain, …); ces défauts pouvant résulter de causes atmosphériques (foudre, givre, tempête), matérielles (vieillissement disolants, …) ou humaines (fausses manœuvres, travaux de tiers, …) ; installations perturbatrices : fours à arc, soudeuses, variateurs de vitesse et toutes les applications de lélectronique de puissance, téléviseurs, éclairage fluorescent, démarrage ou commutation dappareils, etc. Nous allons poursuivre avec une description des principaux phénomènes qui peuvent affecter la qualité de la tension.

15 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Représentation du signal alternatif (courant et tension) v(t) = V max. sin ( f t) Suivant le type de charge, le courant peut être soit en phase avec la tension, soit déphasé en avance ou en retard par rapport à la tension. Donc, lorsque la tension est maximum, le courant ne l'est pas forcément.

16 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Les différentes charges – impédances Charges résistives Exemples : filament de lampe, chauffage électrique, … Toute l'énergie fournie est entièrement convertie en chaleur. Le courant est en phase avec la tension. R est en ohm. U = R.I = R.I. sin (2 ft +

17 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Les différentes charges – impédances Charges inductives Exemples : un câble, un bobinage de moteur, un transformateur, un ballast de tube fluo, … Linductance L soppose au passage du courant (phénomène magnétique). L se mesure en Henry (H). L déphase le courant qui sera en retard par rapport à la tension (90°). U = Z.I = j L.I U = L.I. sin (2 ft +

18 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Les différentes charges – impédances Charges capacitives Le condensateur C est un réservoir de charges. C se mesure en Farad (F). C déphase le courant qui sera en avance par rapport à la tension (90°). U = Z.I = I /j C U = 1/ C.I. sin (2 ft +

19 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Puissances Puissance instantanée fournie : p(t) = u(t).i(t) u(t) = U max.sin( t+ u ) i(t) = I max.sin( t+ i ) Si on calcule p(t), on arrive à une somme de 2 termes : -P puissance active (Watt) qui dépend de U et de I et de leur déphasage, P = U.I.cos -p f puissance fluctuante (Watt) de moyenne nulle. Si on poursuit les développements mathématiques, on trouve également : -Q puissance réactive (Var) qui dépend de U et I et de leur déphasage. Q = U.I.sin On a également la puissance apparente S (VA) qui est le produit de U et I. Ne pas confondre kW et kWh qui est lunité dénergie (consommation). Donc une lampe qui a une puissance de 10W, consomme en 24h 240Wh.

20 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Facteur de puissance On sait que la puissance active vaut : P = U.I.cos = S.cos cos est le facteur de puissance du circuit -si circuit résistif : cos = 1 -si circuit purement inductif ou capacitif : cos = 0 Ce facteur de puissance dépend donc directement du déphasage entre courant et tension, et est compris entre 1 et 0. Plus il est proche de 1, plus la situation est idéale. Si la forme donde nest plus sinusoïdale, la charge non linéaire, alors le facteur de puissance nest plus égal au cos mais est défini par :

21 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Facteur de puissance

22 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 0. Puissances – Facteur de puissance et cos phi Facteur de puissance

23 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 23 Si on considère un système dalimentation triphasé équilibré, les tensions sont égales en amplitude dans les 3 phases et décalées dun tiers de période. Va(t) = 2 V sin 2 ft Vb(t) = 2 V sin (2 ft – 120°) Vc(t) = 2 V sin (2 ft – 240°) Quels en sont les paramètres ? la fréquence f (50 Hz) lamplitude (V) la forme donde (sinusoïdale) léquilibre (même amplitude avec déphasage de 120°) Phénomènes perturbateurs

24 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 1.Fréquence – Déviations Les variations de fréquence sont très faibles (moins de 1 %) au sein du réseau synchrone européen en régime normal de fonctionnement et ne causent généralement pas de préjudice aux équipements électriques ou électroniques. 50Hz +/- 1% pendant 99,5% dune année [EN 50160]. La situation peut être différente dans un petit réseau isolé. Certains processus industriels nécessitent un réglage très précis de la vitesse des moteurs et peuvent subir des dysfonctionnements en cas dalimentation par un groupe de secours mal conçu. 50Hz +/- 2% pendant 95% dune semaine[EN 50160].

25 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.Amplitude 2.1 Creux de tension et coupures brèves Les creux de tension sont dus aux courts-circuits survenant dans le réseau général ou dans les installations clients (évènements aléatoires, dus à des phénomènes atmosphériques - foudre, givre, tempête -, des défaillances dappareils, daccidents). Seules les chutes de tension supérieures à 10 % sont considérées (sinon ce sont des « fluctuations de tension »). Définition creux de tension [EN 50160] : diminution brutale de la tension dalimentation à une valeur située entre 90 et 1 % de la tension déclarée, suivie du rétablissement après un court laps de temps. Leur durée peut aller de 10 ms (1/2 période du 50 Hz) à 1 minute, par convention (fonction de la localisation du ct-ct et du fonctionnement des protections – un défaut est éliminé en s en HT et de 0.2 s à qq s en MT. Conséquences : ils peuvent provoquer le déclenchement déquipements, si leur profondeur et leur durée excèdent certaines limites (voir sensibilité des charges), larrêt de certains équipements, voire des pertes de production et des dégâts.

26 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.Amplitude 2.1 Creux de tension et coupures brèves

27 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.Amplitude 2.1 Creux de tension et coupures brèves (suite) Interruption dalimentation [EN 50160] : condition dans laquelle la tension aux points de fourniture est inférieure à 1 % de la tension déclarée. Elle peut être classée comme : -prévue : les clients sont informés par avance pour permettre lexécution de travaux programmés sur le réseau de distribution, ou -accidentelle : lorsquelle est provoquée par des défauts permanents ou fugitifs, la plupart du temps liés à des évènements extérieurs, à des avaries ou causes externes. Elle peut être classée comme : - coupure longue (dépassant 3 minutes) provoquée par un défaut permanent ou, - coupure brève (jusquà 3 minutes) provoquée par un défaut fugitif. Solutions possibles : on peut prévoir des conditionneurs de réseau, des alimentations sans interruption (ASI/UPS) et des alimentations de secours en fonction de la sensibilité des équipements et de la durée des coupures et/ou creux.

28 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.Amplitude 2.1 Variations lentes de tension La valeur efficace de la tension varie continuellement, en raison des modifications des charges alimentées par le réseau. Le réseau est exploité pour maintenir ces variations dans des limites contractuelles. Les appareils peuvent supporter +/- 10%. On vient de voir que les chutes de tension sont des diminutions supérieures à 10 % sinon ce sont des « fluctuations de tension ». [EN 50160] : pour chaque semaine, 95% des valeurs moyennées sur 10 minutes valent Un +/- 10% et toutes les valeurs sont tels que UN-10% et Un+15%. Conséquences : ces variations sont souvent acceptables pour les équipements.

29 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.Amplitude 2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement Dans les installations où il y a des variations rapides de puissance absorbée ou produite ou des démarrages fréquents (soudeuses, éoliennes, fours à arc pendant la période de fusion, compresseurs, moteurs à démarrages fréquents, éoliennes, générateurs dair conditionné, …), on observe des variations rapides de tension, répétitives ou aléatoires. Définition du flicker [EN 50160] : impression dinstabilité de la sensation visuelle due à un stimulus lumineux dont la luminosité ou la répartition spectrale fluctuent dans le temps. Conséquences : papillotement des éclairages à incandescence (flicker), gênant pour les consommateurs.

30 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement

31 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement

32 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs Pour prendre en considération les mécanismes de la vision et établir une méthode représentative de la gêne, le Flicker doit être évalué sur une période de temps suffisamment représentative. De plus, en raison de la nature aléatoire du Flicker provoqué par certaines charges, il faut admettre que pendant cette période le niveau instantanée de Flicker peut varier considérablement et de façon imprévisible. Un intervalle de 10 min a été jugé comme étant un bon compromis. Il est assez long pour éviter daccorder trop dimportance à des variations isolées de tensions. Il est aussi assez long pour permettre à une personne non avertie de remarquer la perturbation et sa persistance, mais il est en même temps assez court pour permettre de caractériser de façon fine un matériel perturbateur avec un long cycle de fonctionnement. Les gênes sont détectées à partir dun Pst (perturbation pendant un temps court – short time) égal à 1. La période de 10 min sur laquelle a été basée lévaluation de la sévérité du Flicker de courte durée est valable pour lestimation des perturbations causées par des sources individuelles telles que les laminoirs, pompes à chaleurs ou appareils électrodomestiques. Dans les cas où leffet combiné de plusieurs charges perturbantes fonctionnant de manière aléatoires (par exemple postes de soudure, moteurs) doit être pris en compte, ou quand il sagit de sources de Flicker à cycle de fonctionnement long ou variable (four électrique à arc), il est nécessaire dutiliser un critère pour évaluer la perturbation ainsi créée sur une longue durée. La sévérité du Flicker pendant un temps long (long time), Plt, sera déduite des valeurs de la sévérité du Flicker pendant des temps courts, Pst, sur une durée appropriée liée au cycle de fonctionnement de la charge ou sur une période pendant laquelle un observateur peut être sensible au Flicker, par exemple quelques heures. Classiquement, le temps est fixé à 120 min. 2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement

33 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement Remèdes choix des sources lumineuses : lampes fluorescentes moins sensibles que les lampes à incandescence, les « fluo-compactes » sont encore moins sensibles. installer un régulateur de tension ou un onduleur sur les lignes éclairage. agir sur le cycle de fonctionnement des charges perturbatrices. gestion du réseau : par ex. raccordement des circuits déclairage au plus près du transfo., augmenter la puissance du transfo à Ucc constant ou diminution de Ucc à puissance constante, raccordement de la charge perturbatrice à un niveau de tension plus élevé. ajout de C série. ajout dune réactance série avec un four à arc (consommation de Q !). ajout dune réactance shunt saturée (coût et consommation de Q !). ajout dune réactance de découplage entre ligne source et ligne victime. ajout dun compensateur synchrone ou dun compensateur statique (qui ajout comme compensateur de Q mais aussi sur le flicker).

34 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement Remèdes

35 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement Remèdes compensateur statique

36 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.1 Harmoniques et interharmoniques Harmoniques : composantes de fréquence multiple de la fondamentale (50 Hz), qui provoquent une distorsion de londe sinusoïdale. Interharmoniques : composantes dont la fréquence nest pas un multiple entier de la fondamentale – rares – fours à arc, cycloconvertisseurs. Conséquences : valeurs crêtes de la sinusoïde modifiées et déplacement du passage par zéro. 3. Phénomènes perturbateurs Harmonique h = 5 Interharmonique h = 3.5

37 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 37 Un physicien nommé Fourier a démontré quun signal périodique quelconque pouvait se décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux ayant différentes amplitudes et phases et dont la fréquence est un multiple entier du fondamental de fréquence f. Ceci nous amène tout naturellement à parler des harmoniques. 3. Forme donde 3.1 Harmoniques – Notions de base 3. Phénomènes perturbateurs

38 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 38 Conversion mathématique temporel fréquentiel Signaux périodiques - Série de Fourier f(t) de période T : f(t) = f(t+kT) k entier 3. Forme donde 3.1 Harmoniques – Notions de base 3. Phénomènes perturbateurs

39 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Forme donde 3.1 Harmoniques – Notions de base Grandeurs souvent utilisées Taux de Distorsion Harmonique global (THD) = Rapport de la valeur efficace de lensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale Facteur de Distorsion global (DF) = Rapport de la valeur efficace de lensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du signal 39 A ou V% % A ou V 3. Phénomènes perturbateurs

40 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.1 Harmoniques – Origine Hier, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique étaient des charges dites LINEAIRES : charges appelant un courant de forme identique à la tension, cest-à-dire quasi-sinusoïdal comme les convecteurs électriques ou encore les lampes à incandescence. 3. Phénomènes perturbateurs

41 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.1 Harmoniques – Origine Aujourdhui, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique sont des charges dites NON LINEAIRES ou DEFORMANTES. 3. Phénomènes perturbateurs

42 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.1 Harmoniques – Origine 3. Phénomènes perturbateurs

43 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.1 Harmoniques – Origine 3. Phénomènes perturbateurs

44 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.1 Harmoniques – Origine 3. Phénomènes perturbateurs

45 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.1 Harmoniques – Origine Si on veut résumer la problématique 3. Phénomènes perturbateurs 45 Conclusion : Cette tension déformée est commune à tous les autres récepteurs du réseau. Elle est préjudiciable au bon fonctionnement de l'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau. Conclusion : Cette tension déformée est commune à tous les autres récepteurs du réseau. Elle est préjudiciable au bon fonctionnement de l'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau. Présence de charges déformantes Présence de charges déformantes Courant déformé Courant déformé Courant déformé x Impédance interne des générateurs Impédance interne des générateurs Tensions harmoniques = Tensions harmoniques Tensions harmoniques = Tension non sinusoïdale = U = Z.I

46 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 46 machines synchroneséchauffements transformateurspertes & échauffements suppl. risque de saturation machines asynchroneséchauffements, couples pulsatoires câblesaugm. pertes ohmiques et diél. ordinateursproblèmes fonctionnels électronique de puissanceproblèmes liés à la forme donde condensateurséchauff., vieillissement, résonance, etc. régulateurs, relais, compteursfonct. intempestif, erreurs, mesure faussée 3. Forme donde 3.1 Harmoniques – conséquences ? 3. Phénomènes perturbateurs

47 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs Effets immédiats Pertes par effet Joule Dégradation du facteur de puissance Réduction de la puissance des moteurs Surcharges des câbles, transformateurs et moteurs Disjonctions intempestives Augmentation du bruit dans les moteurs Surdimensionnement de certains composants : conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs Réduction de la durée de vie des moteurs Réduction de la durée de vie des transformateurs Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques Effets à moyen et long terme 3. Forme donde 3.1 Harmoniques – conséquences ?

48 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive ?

49 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive ? Si le réseau doit alimenter des convertisseurs AC/DC, des variateurs de vitesse, …, il est, en plus de la charge normale due à la consommation de puissance active, sollicité par une demande de puissance réactive et est également pollué par les harmoniques générés par les convertisseurs. Il faut donc trouver des solutions pour soulager le réseau et éviter les pénalités liées à la consommation de puissance réactive. Il faut sarranger pour que le facteur de puissance cos soit plus grand et supérieur à 0,9.

50 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive ? Diminuer la puissance réactive consommée et augmenter le cos Pourquoi ? Un allègement de la facturation pour labonné Une augmentation de la puissance disponible sur linstallation Une diminution des pertes Une réduction de la chute de tension de ligne

51 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ? Ajout de bancs de condensateur

52 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ? Ajout de bancs de condensateur

53 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ? Ajout de bancs de condensateur Paradoxalement, le fait d'ajouter un équipement (et donc de générer un courant supplémentaire) Entraîne une diminution du courant total demandé au réseau !

54 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ? Ajout de bancs de condensateur : où ? - Compensation individuelle : solution chère, efficace, pas de perte en ligne ni de chute de tension dans linstallation, on évite les surcompensations. - Compensation centralisée : solution simple. Batteries fixes et/ou batteries avec enclenchement automatique (gestion par régulateur qui enclenche et déclenche en fonction de la valeur du cos ce qui évite les surcompensations. - Compensation par groupes : solution intermédiaire, par ex. pour les utilisateurs en aval dun tableau.

55 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ? Ajout de bancs de condensateur : conséquences, risques et précautions ? Ne pas surcompenser ! Un dimensionnement correct est essentiel. Si on compense trop peu, le résultat est insuffisant mais si on compense trop, il y aura un renvoi dénergie réactive capacitive vers le réseau qui sera comptabilisé et facturé.

56 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ? Ajout de bancs de condensateur : conséquences, risques et précautions ?

57 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs Des déclenchements intempestifs des dispositifs magnétiques des disjoncteurs peuvent se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matériel informatique important. Ils sont bien souvent dus aux problèmes de pollution harmonique. Les disjoncteurs assurant la protection des installations électriques comprenant des matériels informatiques voient leur seuil de sensibilité atteint lors des pointes de courant engendrés par des signaux déformés ayant des facteurs de crête importants. 3.1 Harmoniques – Conséquences ? Les facteurs de crête élevés

58 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs Les courants harmoniques de rang 3, le fondamental x 3, soit 150 Hz, à partir des 3 phases vont sadditionner, ceux-ci étant en phase. Ils donnent naissance dans le conducteur du neutre à la circulation dun courant. I Neutre = 3 fois I Harmoniques 3 Remarque : Des incendies de bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre. 3.1 Harmoniques – Conséquences ? Les effets dans le conducteur de neutre

59 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement - Une solution contre l'harmonique 3 et ses multiples de rangs impairs (9, 15, 21, 27,…) : Primaire Câblé en triangle Secondaire Câblé en étoile Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs. Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs. 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit des modifications structurelles dans linstallation

60 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Phénomènes perturbateurs Filtres passifs Filtre résonnant, extrêmement efficace pour éliminer une harmonique de rang particulier "filtre passe-haut" Filtre amorti, filtrage de toutes les fréquences inférieures au rang considéré "filtre passe-bas" Filtres actifs Injecte des courants harmoniques équivalents mais en opposition de phase de ceux émis par les appareils. 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres

61 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Considérons une installation typique DriveCharge Réseau HT/MT 120 MVA 6 kV Transformateur 1300 kVA 6% Bus bar BT 400 V 50 Hz Compensation de puissance réactive

62 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Considérons son schéma équivalent Joue le rôle dun injecteur de courant Drive Charge Transformateur Réseau MT IhIh Compensation

63 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Solution : contrôler la résonnance via une inductance série Ajout dune inductance en série avec le condensateur Imposition de la fréquence daccord

64 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Solution : contrôler la résonnance via une inductance série Le but est de protéger le condensateur contre les harmoniques (résonnance) et une propriété de filtrage « gratuite » (L-C série). Choisir la valeur de L pour avoir un accord proche dune harmonique, on a donc un filtre passif accordé. La règle utilisée est que la fréquence daccord sera toujours inférieure au rang de la première harmonique significative présente dans le circuit. On peut généraliser avec des échelons en parallèle (un échelon par fréquence)

65 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Avantages : économiques, fourniture de réactif (L), assez bon rendement. Inconvénients : Peu de flexibilité, de souplesse. Coût. Encombrement. Risque de surcompensation. Très sensibles aux variations de charge, doù risque de surcharge et donc de destruction. Nécessité de protection contre les surcharges. En cas de modifications du réseau ou de changement des conditions dexploitation, la solution étant figée, elle peut ne plus être adaptée. Si on veut filtrer des charges dynamiques (dont le profil de charge varie beaucoup trop vite – laminoirs, soudeuses par points, ascenseurs, grues, …), les enclenchements des filtres par contacteurs sont trop lents. Solution : enclenchement par thyristors.

66 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Inconvénients (suite) : Il est important également de veiller à ce que les enclenchements et déclenchements des branches se fassent dans un certain ordre sous peine de destruction du filtre due à lintroduction de fréquences de résonnance entre les différentes branches, ce qui réduit encore la souplesse dutilisation. Problème davoir du filtrage sans apport de puissance réactive. Vu lévolution des systèmes délectronique de puissance, cest de plus en plus souvent le cas

67 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Si on veut filtrer des charges dynamiques, lautre solution est dutiliser des filtres actifs. RéseauCharge Injection dharmoniques

68 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres FA RéseauCharge Seulement fondamentalSeulement harmoniques Solution shunt pour ne pas être parcouru par le courant principal

69 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres + = Courant de charge Courant du filtre actif Courant dalimentation propre Formes dondes Harmoniques Harmoniques en opposition de phase avec ceux créés par la source

70 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 3. Phénomènes perturbateurs 3.1 Harmoniques – Remèdes ? Soit ajouter des filtres Avantages - Un seul système peut contrôler lensemble des harmoniques avec un parfait accord. - Il peut tout à fait cohabiter avec dautres solutions, comme des filtres passifs. - Le niveau de filtrage est contrôlable (filtrage maximum, jusquà un niveau prescrit, …). Il est complètement programmable. - Cest une solution modulaire, quon peut facilement étendre. - Il peut gérer la production ou consommation de réactif.

71 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Forme donde 3.2 Transitoires Les plus fortes mais les moins fréquentes : celles dues à la foudre. Surtensions dues au déclenchement dappareils BT, de charges inductives. Surtensions transitoires amorties (enclenchement de batteries de condensateurs). Conséquences : déclenchements, danger pour le matériel et les personnes. Protections : séparation galvanique, parasurtenseurs. 3. Phénomènes perturbateurs

72 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Symétrie - Déséquilibre Les dissymétries du réseau ne provoquent que de faibles niveaux de déséquilibre de la tension (qq dixièmes de %). Par contre, certaines charges monophasées sont la cause de courants déséquilibrés importants et dès lors dun déséquilibre significatif de la tension. Conséquence majeure : échauffement supplémentaire des machines tournantes triphasées, vibrations, dysfonctionnement de protections. Solutions possibles : dispositif déquilibrage, conditionneur de réseau. 3. Phénomènes perturbateurs

73 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 73 Type de perturbation OrigineConséquencesSolutions possibles Coupure longue Court-circuit, surcharge, déclenchement intempestif, (maintenance) Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâtsAlimentation de secours (réseau), alimentation sans interruption (ASI) Creux de tension et coupure brève Court-circuit, (enclenchement de gros moteur) Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâtsConditionneur de réseau, conception de l'équipement sensible, alimentation sans interruption Fluctuation rapide (flicker) Installations fluctuantes (four à arc, soudeuse, moteur à démarrage fréquent, éolienne…) Papillotement de l'éclairageCompensateur synchrone, compensateur statique de puissance réactive, conditionneur actif, condensateur série HarmoniqueInstallations non linéaires (électronique de puissance, arcs électriques…) Effets thermiques (moteurs, condensateurs, conducteurs de neutre…), diélectriques (vieillissement d'isolant) ou quasi instantanés (automatismes) Filtrage actif ou passif, self anti-harmonique, déclassement d'appareil Interharmoni que Installations non linéaires et fluctuantes (four à arc, soudeuse, éolienne), changeurs de fréquence, télécommande centralisée Papillotement de l'éclairage fluorescent, dysfonctionnement d'automatismes, dégâts mécaniques sur machines tournantes Filtrage actif ou passif, amortissement de filtres anti- harmoniques, conception de l'équipement sensible DéséquilibreInstallations déséquilibrées (traction ferroviaire…) Echauffement de machines tournantes, vibrations, dysfonctionnement de protections Dispositif d'équilibrage, conditionneur de réseau Surtension transitoire Court-circuit, commutations, foudre Déclenchements, danger pour les personnes et pour les matériels Séparation galvanique, parasurtenseurs, enclenchement "synchronisé", résistance de pré-insertion 3. Phénomènes perturbateurs

74 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 74 Plan 1.Introduction / Notions de base 2.Introduction / Qualité de lénergie 3.Phénomènes perturbateurs 4.La facture électrique ? 5.PQ – Exemples 6.Annexes

75 Copyright © 2011 Véronique Beauvois La facture électrique ? Depuis la libéralisation complète du marché de lélectricité en Janvier 2007, bien des choses ont changé au niveau de la tarification. En ce qui concerne la tarification BT (< 1 kV), la facture comporte 3 postes : le prix de lélectricité qui vous est fourni "commodity" ; le coût de son transport et de sa distribution "timbre poste"; les surcharges régionales et fédérales "taxes".

76 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 76 Tarification BT Partie production : totalement libéralisée et négociable. Elle comprend : Terme fixe en fonction du type de compteur (jour, nuit ou bi-horaire), qui dépend de Ne ; Terme proportionnel à lénergie consommée en fonction du type de compteur, qui dépend de Ne et Nc ; Cotisation verte proportionnelle à lénergie consommée, indépendamment du type de compteur, fixée annuellement. Coefficients fixés par la CREG (publiés chaque mois) Ne : facteur lié à lexploitation (main dœuvre et indice des prix des matériaux) Nc : lié au prix des combustibles (nucléaire, charbon, produits pétroliers et gaz) Les formules des différents termes varient suivant les fournisseurs. 4. La facture électrique ?

77 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 77 Tarification BT Partie transport et distribution (timbre poste) : Les frais de distribution, transport et location de compteur sont règlementés et non négociables. Ils sont fixés par la CREG. Facturation en cascade : GRT facture au GRD les frais de transport selon un tarif approuvé par la CREG ; GRD refacture au fournisseur les frais de transport et les frais de distribution selon un tarif approuvé par la CREG ; le producteur facture au fournisseurs lélectricité achetée ; le fournisseur transmet la facture au client final avec tous les termes précédents plus ses propres frais. selon un tarif approuvé par la CREG. 4. La facture électrique ?

78 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 78 Tarification BT Redevances diverses : Les taxes, redevances, cotisations et surcharges sont également non négociables. Elles sont proportionnelles à lénergie consommée. Elles comprennent : redevance pour le contrôleur (CREG) ; les obligations de services publics (OSP) ; le fonds « Kyoto »; le financement du passif nucléaire; la surtaxe pour clients protégés; une taxe énergie et une redevance de raccordement. 4. La facture électrique ?

79 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 79 Tarification BT 4. La facture électrique ?

80 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 80 En ce qui concerne la tarification HT Les tarifs HT pour fournitures dans le réseau de distribution sont appliqués aux clients qui installent leur propre cabine HT vers BT et qui sont donc raccordés au réseau HT. Le comptage se fait côté HT et il évalue séparément P et Q. 4. La facture électrique ?

81 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 81 En ce qui concerne la tarification HT Puissance maximum Il s'agit de la puissance maximale relevée par le compteur durant le mois facturé, exprimée en kW. Ce nest pas la pointe instantanée (exemple lors du démarrage dun ascenseur) mais la pointe maximum enregistrée durant un 1/4h du mois. Cest la pointe ¼ horaire. En fait, le distributeur souhaite rémunérer son investissement matériel pour fournir à son client lénergie demandée. Si A consomme 1000 kWh avec 1000kW durant une heure et B consomme 1000 kWh avec 1kW durant 1000 heures, alors il est plus aisé de fournir B que A ! On mesure durant 15 minutes lénergie et on divise par 15 minutes, on a la puissance et on cherche le maximum de cette valeur sur 1 mois. Il est donc très important danalyser son profil de charge ! Et de reporter vers des périodes creuses certaines consommations. 4. La facture électrique ?

82 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 82 En ce qui concerne la tarification HT Pointe ¼ horaire. Comment la diminuer ? En utilisant la technique de délestage. Quelles charges ? Celles qui ont une inertie thermique importante comme les groupes frigos, production deau chaude, … conditionneurs dair, … 4. La facture électrique ?

83 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 83 En ce qui concerne la tarification HT Heures pleines (HP) / Heures creuses (HC) HP : 15 heures en journée, du lundi au vendredi (sauf jours fériés légaux), de 7 à 22 h généralement (horaire variable suivant les GRD), soit, 43 % du temps, soit, h/an. HC : nuits (de 22 h à 7 h) + WE et jours fériés légaux (du vendredi 22 h au lundi 7 h), soit 57 % du temps, soit h/an. 4. La facture électrique ?

84 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 84 En ce qui concerne la tarification HT Inductif C'est le relevé de la puissance réactive inductive demandée par linstallation. Elle provient des inductances de linstallation, bobinages de moteurs, ballasts de lampes fluorescentes, … Capacitif C'est le relevé de la puissance réactive capacitive, essentiellement générée par les condensateurs, installés pour compenser un mauvais cos phi. 4. La facture électrique ?

85 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 85 En ce qui concerne la tarification HT Redevance fixe Contribution du consommateur à la mise à disposition de puissance électrique. Contribution énergie renouvelable Contribution du consommateur à la couverture, par les services publics, d'une partie de la fourniture d'électricité par des certificats "d'électricité verte". Distribution et transmission Les tarifs applicables au transport et à la distribution de lélectricité sont approuvés par la CREG (Commission de Régulation de lÉlectricité et du Gaz) et constituent le "timbre poste ». 4. La facture électrique ?

86 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 86 En ce qui concerne la tarification HT Contributions fédérales Contribution à la surcharge sur lélectricité empruntant le réseau de transport (70 kV), au financement du démantèlement des réacteurs nucléaires expérimentaux BP1 et BP2, de la CREG (Commission de Régulation de lÉlectricité et du Gaz),... Contributions régionales Contribution au financement de la CWAPE (Commission Wallonne pour l'Energie) principalement. 4. La facture électrique ?

87 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 87 En ce qui concerne la tarification HT Ne et Nc Majoration pour consommation réactive Il s'agit d'une pénalité appliquée parce que la consommation dénergie réactive est trop importante. Cos phi 0, La facture électrique ?

88 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 88 Plan 1.Introduction / Notions de base 2.Introduction / Qualité de lénergie 3.Phénomènes perturbateurs 4.La facture électrique ? 5.PQ – Exemples 6.Annexes

89 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Power Quality – Exemples A. Harmoniques - Neutre - Section des conducteurs Harmoniques 3 en phase Somme non nulle Somme dans neutre : 3 x Iphase Echauffement Destruction Adapter la section du neutre (idem pour les multiples de 3) Un des effets les plus importants dans la présence de courants harmoniques est laccroissement de la valeur des courants efficaces qui vont circuler sur lalimentation triphasée.

90 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 90 Exemple numérique Taux de distorsion I1 225A I3 183A81.3 % I5 152A67.6 % I7 118A52.4 % Iphase = 348A (1,55 x I1) (somme quadratique des harmoniques) Ineutre = 3 x 183A = 549A (soit 2,44 x I1) Phases : 225A > 70mm² avec Harmoniques Phases : 150mm² (385A) Neutre > 35mm² avec Harmoniques Neutre : 300mm² (615A) 5. Power Quality – Etude de cas A. Harmoniques – Neutre- Section des conducteurs

91 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Power Quality – Exemples B. Ampoules économiques

92 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Power Quality – Exemples B. Ampoules économiques

93 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Power Quality – Exemples B. Ampoules économiques 3dB V

94 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Power Quality – Exemples C. Ampoules LED

95 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Power Quality – Exemples C. Ampoules LED 6,5dB V

96 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 96 Plan 1.Introduction / Notions de base 2.Introduction / Qualité de lénergie 3.Phénomènes perturbateurs 4.La facture électrique ? 5.PQ – Exemples 6.Annexes

97 Copyright © 2011 Véronique Beauvois Annexes Puissances – Facteur de puissance et cos phi Puissances Puissance instantanée fournie : p(t) = u(t).i(t)

98 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 6. Annexes Puissances – Facteur de puissance et cos phi Puissances

99 Copyright © 2011 Véronique Beauvois 6. Annexes Puissances – Facteur de puissance et cos phi Puissances


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