LA POLLUTION HARMONIQUE BASSE FREQUENCE 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

QU’EST-CE QUE LA POLLUTION HARMONIQUE ? INTRODUCTION QU’EST-CE QUE LA POLLUTION HARMONIQUE ? MISES EN EVIDENCE EXPERIMENTALES CONCLUSION 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

LES POLLUEURS EFFETS LES REMEDES 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

LES POLLUEURS En quoi consiste la pollution harmonique? Qu’est-ce qu’un pollueur? Cette diapositive représente la partie sur les pollueurs. Dans un premier temps nous expliquerons ce qu ’est la pollution harmonique. Puis nous donnerons une définition d ’un pollueur. Ensuite, nous citerons quelques exemples. Puis, nous exposerons le petit plus qui correspond aux expériences menées, au matériel nécessaire et aux normes en vigueur. Quels sont les différents pollueurs? 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

la DEGRADATION D’UNE RESSOURCE. La POLLUTION est la DEGRADATION D’UNE RESSOURCE. Dans le cas de la pollution harmonique la RESSOURCE est l’ ENERGIE ELECTRIQUE fournie par le réseau E.D.F… La pollution est la dégradation d ’une ressource qui est dans le cas de la pollution harmonique l ’énergie électrique. On peut faire un parallèle avec la pollution d ’une rivière où la ressource est l ’eau. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Chaque bâteau contribue à l’augmentation de la houle MER CALME Evolution de la FORME des vagues Le deuxième bateau subit d’avantage la force des vagues Cette diapositive a pour objectif de faire une métaphore avec l ’ondulation des vagues puisqu’on peut considérer son ondulation comme sinusoÏdale. Le passage d ’un premier bateau perturbe la forme d ’avantage et le passage d ’un second plus encore. Chaque bâteau contribue à l’augmentation de la houle 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

c’est la POLLUTION HARMONIQUE. C’est ce qui ce passe pour le courant, l’allure du courant se déforme : c’est la POLLUTION HARMONIQUE. Plus il y a d’utilisateurs, plus la pollution est importante . C ’est exactement ce que l ’on peut constater pour l ’allure du courant dans le cadre de la pollution harmonique. Chaque utilisateur contribue à la dégradation de l ’énergie électrique. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

LES POLLUEURS En quoi consiste la pollution harmonique? Qu’est-ce qu’un pollueur? Quels sont les différents pollueurs? 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

i(t) v(t) Un POLLUEUR est une CHARGE DEFORMANTE , c’est-à dire une charge qui, alimentée par une tension sinusoïdale v(t) , appelle sur le réseau un courant déformé i(t) (non sinusoïdal) . i(t) Cette diapositive définit ce qu’est un pollueur, autrement dit une charge polluante. Un pollueur est une charge non linéaire, c ’est à dire une charge qui alimentée par une tension sinusoïdale absorbe un courant non sinusoïdal (courant déformé) Cette allure de courant déformé dans le temps entraîne l ’apparition d ’harmoniques du courant. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

MOTEUR ASYNCHRONE TRANSFORMATEUR REDRESSEUR TELEVISION ORDINATEUR Cette diapositive présente quelques équipements polluants, dont la plupart à base de convertisseurs statiques. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

TRANSFORMATEUR MOTEUR REDRESSEUR ASYNCHRONE ORDINATEUR TELEVISION 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Alimentation à découpage : redresseur monophasé à diodes avec filtrage capacitif… Micro-informatique Télévision Lampe à ballast électronique i Utilisation 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Moteur asynchrone Transformateur Machines-outils MAS i Machines-outils Appareils électroménagers Ascenseurs Utilisation i 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Redresseur triphasé avec filtrage Variation de vitesse des moteurs à courant continu Variation de vitesse des moteurs synchrones Utilisation 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Ces effets peuvent avoir des conséquences LES EFFETS Les courants harmoniques créés par les charges non linéaires induisent de façon générale : des pertes par effet Joule supplémentaires une diminution du facteur de puissance la création de tensions harmoniques Ces effets peuvent avoir des conséquences instantanées à long terme Réseau avec ou sans condensateur 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

La circulation des courants harmoniques Ih dans les conducteurs et les charges d’impédance Z Source de courant Ih: modèle d’une charge non linéaire Z Impédance des charges 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

engendre des tensions harmoniques Uh selon la loi d’Ohm : Uh = Z Ih La circulation des courants harmoniques Ih dans les conducteurs et les charges d’impédance Z engendre des tensions harmoniques Uh selon la loi d’Ohm : Uh = Z Ih Ih Uh Z Source de courant Ih : modèle d’une charge non linéaire Impédance des charges 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Ces effets peuvent avoir des conséquences LES EFFETS Les courants harmoniques créés par les charges non linéaires induisent de façon générale : des pertes par effet Joule supplémentaires une diminution du facteur de puissance la création de tensions harmoniques Ces effets peuvent avoir des conséquences instantanées à long terme Réseau avec ou sans condensateur 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Réseau sans condensateur Réseau avec condensateurs L’importance des effets instantanés de la pollution harmonique dépend de la constitution du réseau : Réseau sans condensateur Réseau avec condensateurs 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Elle reste acceptable si le pollueur est de faible puissance En l’absence de condensateurs, la pollution est proportionnelle aux courants des pollueurs. Elle reste acceptable si le pollueur est de faible puissance 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Réseau sans condensateur Réseau avec condensateurs L’importance des effets instantanés de la pollution harmonique dépend de la constitution du réseau : Réseau sans condensateur Réseau avec condensateurs 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Fréquence de résonance En présence de condensateurs, il y a un phénomène de résonance car le réseau est inductif Résistance des charges R L C Ih Fréquence de résonance parallèle Frp 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Uh Uh = R . Ih Ih avec R pouvant être très grand Si Frp = fréquence harmonique de rang n La tension harmonique Uh peut devenir très grande Ih Uh Z f (Hz) Z () Frp R avec R pouvant être très grand Uh = R . Ih 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

qui déclenchent les dispositifs qui provoquent la destruction Cette surtension harmonique peut engendrer des courants harmoniques intenses qui déclenchent les dispositifs de protection qui provoquent la destruction ou l'incendie des condensateurs 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Perturbation des lignes d’électricité car : le facteur de puissance diminue Surcoût de la facture Les effets instantanés des moteurs de supports magnétiques des ordinateurs Dysfonctionnement à courant faible lorsqu’elles circulent à côté d’une canalisation de distribution électrique Perturbation des lignes J’entends mal !!! des moteurs à cause des vibrations dues aux couples pulsatoires Perte de stabilité mécanique des condensateurs à cause de la résonance Claquage 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

des machines tournantes Ils sont dus à l’augmentation des pertes par effet Joule Les effets à long terme du aux pertes cuivre et fer supplémentaires à cause des champs tournants harmoniques Echauffement des machines tournantes dans les conducteurs Echauffement et pertes en ligne supplémentaires du à l’augmentation de l’hystérésis et des courants de Foucault Echauffement des transformateurs du aux surcharges causées par la résonance sur un rang harmonique Vieillissement des condensateurs 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Les remèdes Nous allons détailler les principes de quelques remèdes les plus utilisés contre la pollution harmonique basse fréquence sur les réseaux électriques. Nous ne serons pas exhaustifs étant donné que chaque type de remède comporte de nombreuses variantes et que l’on combine parfois différents types de solutions pour un même cas de pollution. Des solutions générales sont : le déclassement des appareils pollueurs, l ’utilisation de couplage particulier des transformateurs…. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Il existe plusieurs remèdes contre la pollution harmonique, en voici deux: La protection des condensateurs de compensation un filtrage anti-harmonique Autres remèdes 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Le but est de protéger les condensateurs installés sur le réseau contre les surcharges harmoniques 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

On installe des inductances anti-harmoniques en série avec le condensateur. Fréquence typique d ’accord : 135 Hz rang 2,7 pour le rang 3 c’est la solution retenue pour le cas du stade du Mans. La fréquence de résonance du circuit est alors déplacée. Il n ’y a plus résonance sur les harmoniques. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Il existe plusieurs remèdes contre la pollution harmonique, en voici deux: La protection des condensateurs de compensation un filtrage anti-harmonique Autres remèdes 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Le but est de dépolluer le réseau lorsque le niveau d’harmoniques est trop élevé. phase Réseau neutre pollueur 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

on piège les courants harmoniques dans des court-circuits pour harmoniques Réseau Court-circuit harmoniques pollueur 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

COMPENSATEUR ACTIF d’harmoniques MGE gamme SineWavec Exemple : Modèle SW 20 Compensation globale ou rang par rang des rangs 2 à 25 Capacité de compensation par phase : 20 A eff Capacité de compensation dans le neutre : 60 A eff Le but de ce compensateur est d’injecter dans le réseau des harmoniques en opposition de phase avec ceux créés par la charge, afin que l’onde résultante appelée côté réseau soit sinusoïdale. ce filtre est facile à mettre en œuvre On associe souvent le filtrage actif et le filtrage passif, on parle alors de filtrage hybride. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Principe du compensateur actif 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

CONVERTISSEUR PROPRE Le convertisseur propre absorbe un courant sinusoïdal, il possède une commande M.L.I. Charge Convertisseur source Commande M.L.I. Ceci est réalisable en utilisant une stratégie de commande des interrupteurs appropriée : la technique de commutation dite M.L.I. (Modulation de la Largeur d’Impulsion). Les convertisseurs soumis à une telle commande sont alors appelés : convertisseurs propres. Le principe de la M.L.I. est de faire varier le largeur des impulsions de commande des interrupteurs. En choisissant de façon appropriée les différentes largeurs, il est possible d’atténuer les premiers harmoniques et de les décaler vers des fréquences plus hautes. Un filtre passe bas permet alors de n’avoir plus que le fondamental du signal. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Déclassement des appareils Couplages particuliers des transformateurs AUTRES REMEDES Déclassement des appareils Couplages particuliers des transformateurs 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Approche possible de la pollution harmonique dans le BTS IRIS REDRESSEUR PRESENTATION POWERPOINT EXPERIENCE 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Savoir effectuer les mesures de pollution harmonique Détection de la présence de pollution sur un réseau d’alimentation Mesure de tensions harmoniques Localisation des pollueurs La première mesure à effectuer est celle de la mesure des tensions harmoniques. La déformation de la tension donne une idée de la pollution sur le réseau. La mesure des courants harmoniques permet de localiser où se trouvent les pollueurs. Mesure des courants harmoniques On se réfère aux différentes normes 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Norme CEI 6 1000-3-2 Le Contrat Emeraude Fixe l’émission de courants harmoniques dans les réseaux publics BT pour les appareils de moins de 16 A par phase I3 < 2,3 A …. Le Contrat Emeraude Les usagers s’engagent à limiter leur niveau de pollution EDF s’engage à fournir une énergie de qualité (THD < 8 %) 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

d’un signal périodique Valeur efficace d’un signal périodique quelconque å ¥ = n I Ieff 1 2 1 2 100 (%) I THD n å ¥ = Taux global de distorsion CE QU’IL FAUT MESURER Facteur de crête eff I crête FC = 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Acquisition informatisée MATERIEL NECESSAIRE Acquisition informatisée Pince harmonique Boîtier d ’adaptation Nous avons utilisé comme matériel pour mettre en évidence la déformation du courant et donc l ’importance d ’un pollueur plusieurs appareils. Le premier problème a été de visualiser et de mesurer les caractéristiques du courant de ligne. Un câble d ’alimentation ne permettant pas d ’avoir accès à un fil de phase, il a fallu construire un boîtier d ’adaptation aux normes de sécurité IP2X. La pince harmonique semble indispensable pour mesurer directement l ’importance des harmoniques, elle fait évidemment la mesure du courant efficace. Si on ne dispose pas d ’une telle pince, il est indispensable d ’utiliser un multimètre TRMS et une acquisition informatisée associée à un logiciel d ’analyse harmonique (IMP908) Multimètre TRMS 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

FICHE TECHNIQUE DU BOITIER DE RACCORDEMENT neutre fil de terre phase boîtier plastique Câblage d'un ampèremètre TRMS pour la mesure de la valeur efficace du courant FR FN fiche de sécurité femelle borne IP2X BN cordons sécurisés 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Décomposition du courant appelé par un ordinateur I (mA) (kHz) f FC = 2,4 THD = 158 % Voici l ’exemple de l ’analyse harmonique du courant appelé par un ordinateur. On peut constater que l ’harmonique de rang 3 a quasiment autant d ’importance que le fondamental, cela se traduit par un taux global de distorsion supérieur à 100%. Quand au facteur de crête il correspond bien aux valeurs typique de la pollution engendrée par une unité centrale. 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Comparaison de la pollution créée par différents matériels ordinateur téléviseur IEFF ICRETE FC 0,73 A 2,03 A 2,8 0,66 A 1,60 A 2,4 pont de Graëtz 1,74 A 5 A 2,87 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Application du filtrage passif au cas de l’ordinateur Les composants utilisés : La bobine typique de laboratoire d’inductance réglée à L = 1,126 H et de résistance interne r = 12  Un condensateur non polarisé de capacité C = 1 F Nous avons monté ce filtre dans le cas de l ’ordinateur. Nous n ’avons pas pu faire un filtre assez sélectif à cause des caractéristiques de la bobine. Le réseau étant pollué, nous n ’avons pas pu voir l ’efficacité de note filtre, mais nous avons constaté un niveau de l ’harmonique trois de 738 mA alors que du côté du réseau 367 mA et 373 mA côté charge. Ce qui montre que le filtre joue son rôle pour la charge mais aussi pour le réseau. le filtre piège non seulement l’harmonique trois de la charge, mais aussi celui du réseau 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

Visualisation du courant dans le neutre Transformateur à vide Visualisation du courant dans le neutre 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

POLLUTION HARMONIQUE L’ ELECTRONIQUE DE PUISSANCE C’ EST BIEN MAIS CELA ENTRAINE DES PROBLEMES DE POLLUTION HARMONIQUE POUR LE CONFORT DE TOUS LA CHASSE AUX POLLUEURS EST OUVERTE 5 juin 2002 Claude Dumortier - Philippe Enjalbert Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille