Problèmes de pollution des réseaux D. Bareille 2006

Les charges "non linéaires" Examen des faits Dans la vie : Perceuse portative Pont redresseur à diodes, charge inductive Aspirateur domestique Eclairage Micro-ordinateur Au lycée : En TP

Des charges diverses…

De l’éclairage Au néon … À économie d’énergie…

Un micro-ordinateur… Courbe 1 : courant secteur (2A/div):  valeur efficace 0,82 A,  fondamental 0.4A quasiment en phase avec la tension,  Courant maximum 3,3A .   Courbe 3 : puissance instantanée (1250W/div):  valeur crête 1000w  une puissance moyenne 92W Courbe 2 : tension secteur (250V/div) : sinusoïde quasi idéale. 1 >

Réaliser une alimentation DC à partir du secteur Cahier des charges Réaliser une alimentation DC à partir du secteur pour l’électronique de commande des appareils de classe D (micro-ordinateurs, électroménager, Hi-FI…), pour l’étage d’entrée de la plus-part des variateurs de vitesse. Solution technique traditionnelle redresseur à diode + condensateur de forte capacité. Solution technique traditionnelle

En TP :

La tension de sortie est constante : la fonction est réalisée Les courants sont « impulsionnels » : la charge est non linéaire

Remarque : la tension du secteur est déformée

Caractérisation d’une charge "non linéaire" Alimentée par : Elle absorbe i(t) non sinusoïdal : • de valeur efficace : • de fondamental :

Caractérisation d’une charge "non linéaire" Ses puissances par phase Apparente S : Active P : Réactive Q : Il existe de la puissance déformante D La puissance déformante est liée aux harmoniques de courant

Caractérisation d’une charge "non linéaire" Des grandeurs de caractérisation utiles Le facteur de puissance fp : Le facteur de déplacement : Le taux de distorsion harmonique :

Caractérisation d’une charge "non linéaire" Le taux de distorsion harmonique ? Il sait tout faire ! La puissance déformante D : La puissance apparente S : Le facteur de puissance fp :

Courant absorbé par un PC : analyse harmonique Application Courant absorbé par un PC : analyse harmonique Tension efficace fondamentale = 236 V   Courant efficace I= 0,82 A Courant efficace fondamental = 0,4 A Facteur de déplacement = 0,956 Taux de Distorsion Harmonique = 179% Puissance moyenne = 92 W Facteur de puissance = 0,476 1 >

Modélisation du réseau en régime sinusoïdal v(t) Jeu de barres l ligne vg(t) source i(t) charge linéaire Z50 = lw : impédance isochrone de la ligne Puissance de court-circuit de la ligne :

Modélisation du réseau v(t) Jeu de barres l ligne i(t) vg(t) source i1(t) i2(t) in(t) Charge non linéaire i (t) = i1(t) + i2(t) + i3(t) + ….. + in(t)

Application Creux de tension causés par une dizaine de PC sur une phase analyse harmonique

Modélisation du réseau vis à vis : du fondamental du rang n Vg Z50 I1 V1 Jeu de barres Vn Jeu de barres Zn In In +

Propagation des harmoniques sur le réseau Vn (Zn)amont (Zn)aval (In)am (In)av In Vkn Les harmoniques « remontent » vers la source

Conséquence de la présence des harmoniques De tension creux de tension augmentation du flux Pertes ferromagnétiques Saturation Déclassement jusqu’à 50% De courant courant de neutre condensateurs résonnance vieillissement augmentation des pertes Joule en ligne Perturbation des protections dégradation du facteur de puissance

Conséquence réglementaire EXRAITS DE LA NORME CEI61000-3-2 Conséquence réglementaire   APPAREIL DE CLASSE D : Gabarit du courant d’entrée :  EXRAITS DE LA NORME CEI61000-3-2   0.35 1 /3 2/3   I/Imax  

Comment lutter contre les harmoniques FILTRAGE Filtrage passif : techniquement simple, faible investissement, lourd si beaucoup d’ harmoniques à filtrer Filtrage actif : Techniquement complexe, Très coûteux en forte puissance, Adapté aux filtrages multiples  filtrage mixte passif pour les harmoniques forte puissance (basses fréquences) actif pour tous ceux de haute fréquence (faible énergie)

Comment lutter contre les harmoniques SYSTEME NON POLLUANT Idée : contrôler la charge du condensateur Moyen : intercaler un dispositif de découpage  hacheur parallèle, alim Flyback… IS ie ve VS

Alimentation à absorption sinusoïdale iL IS ie Cde Hacheur parallèle

Analyse du fonctionnement De 0 à aT De aT à T L Q C VS vred iL D C VS vred L iL iL est croissant iL est décroissant Plusieurs modes de commande : • par fourchette de courant • au zéro de courant

Commande par fourchette de courant iL iL

Commande au zéro de courant iL RS

Conclusion Dans les deux cas : il faut ajouter des condensateurs coté secteur pour éliminer lés raies de découpage : elles sont à fréquence élevée cela ne pose pas de problème, Le facteur de puissance est pratiquement 1, Le taux de distorsion harmonique est très faible (20% avec notre petit montage simple ! )

Filtrage passif Circuit L,C série accordé sur l’harmonique à éliminer Zrésn Zfn Un circuit par harmonique à éliminer Peut aussi servir à compenser la puissance réactive Zfn << Zrésn

Filtrage actif Un onduleur autonome : spécialement conçu pour la chasse aux harmoniques en parallèle sur la charge polluante

Application Courant dans une phase et courant dans le neutre

Accroissement des pertes Joule Charge non linéaire absorbant un courant de valeur efficace I Ligne de résistance R Pertes Joule : Accroissement relatif :

Commande par fourchette de courant Référence de courant iL

Commande par fourchette de courant Commande de Q iL

Courant dans l’inductance Raies de redressement Raies liées au découpage

Courants iL ie 50Hz Raies liées au découpage

Coté réseau…

Coté sortie… Tension de sortie constante VS = 21,4V Taux d’ondulation < 10 %

Commande au zéro de courant ton iL

Courant dans le transistor Courant dans la diode

Courant dans l’inductance Raies liées au redressement Raies liées au découpage

Coté sortie…

Coté réseau…

Courants iL ie