Qualité de l'énergie électrique et harmoniques sur les réseaux 31/03/2017 Qualité de l'énergie électrique et harmoniques sur les réseaux

Définitions de la qualité d'une alimentation électrique en basse tension pour des équipements industriels et domestiques Références fournisseur : la quantité physique de référence d'une alimentation électrique est la tension électrique entre phase et neutre ou phase et phase si le neutre n'est pas distribué Conséquence fondamentale : la majorité des équipements sont conçus pour être alimentés par une source de tension satisfaisant à ces références Amplitude 325 V  Veff = 230 V Amplitude325 V Période réseau : 20 ms T = 20 ms  f = 50 Hz Tolérance sur la fréquence : 1 Hz Tolérance sur la tension efficace : 10 %

Modèle équivalent de premier niveau monophasé de la majorité des distributions électriques sur charges linéaires Source de tension définissant la tension imposée aux bornes de la charge Tension aux bornes de la source de courant : Veff Veff Ieff Source de courant définissant le courant imposé dans la source Courant dans la source de tension : Ieff Si l'alimentation est dans la plupart des cas une source de tension, c'est donc que le courant appelé est imposé par la charge En conséquence, les charges sont à considérer comme des sources de courant

Tension et courant mesurés sur une charge résistive Caractérisée par une analyse spectrale où la seule composante est à 50 Hz et de valeur efficace 235,7 V Tension et courant maximum simultanément : f =0  Cos f = 1 Forme d'onde de courant sinusoïdale Forme d'onde de tension sinusoïdale Caractérisée par une analyse spectrale où la seule composante est à 50 Hz et de valeur efficace 12,03 A

Tension et courant mesurés sur une charge inductive Tension en avance sur le courant : f = 45°  Cos f = 0.70 av Caractérisée par une analyse spectrale où la seule composante est à 50 Hz et de valeur efficace 236,5V Forme d'onde de tension sinusoïdale Forme d'onde de courant sinusoïdale Caractérisée par une analyse spectrale où la seule composante est à 50 Hz et de valeur efficace 42,21 A

En résumé pour des charges dites linéaires (les 2 exemples précédents) : définition des grandeurs caractéristiques Représentation vectorielle Grandeurs caractéristiques Ia = I cos f Ia I1 U1 f Taux de distorsion harmonique Ir = I sin f Ir THDuf (%) = Vharm V1 X 100 En tension : = 0 % THDif (%) = Iharm I1 X 100 Courant actif : En courant : = 0 % Courant réactif : Facteur de déplacement : DPF = cos (f 1)  0,928 Courant efficace : I2eff = I12 = Ia2 + Ir2 Fc = Î Ieff = Facteur de crête : Les charges pour lesquelles formes d'onde de tension et de courant sont sinusoïdales sont des charges dites linéaires Leur spectre respectif en fréquence ne présente qu'une seule composante à 50 Hz dite le fondamental (indice 1) Si la valeur efficace de la tension vaut Veff = 230 V  10%, la qualité de l'énergie est préservée, sous réserve que le facteur de déplacement : cos f  0,928 ou encore tan f  0,4

Incidence du facteur de déplacement (cos f) en termes de puissances Représentation vectorielle des puissances S S2 = U2.I2 f puissance apparente : puissance de dimensionnement et qui renvoie aux valeurs efficaces S = U.I (kVA) I1 U1 f Représentation vectorielle Ia Ir P2 P Puissance active : représentant de l'énergie réelle fournie et consommée (valeur moyenne sur la période de u(t).i(t) qui vaut après calcul P = U.Ia =U. cos f (kW) S2 = U2.(Ia2 + Ir2) Q Puissance réactive : exprime en terme de puissance le complément de courant fourni et consommé en plus du courant actif Q = U.Ia =U. cos f (kVAr) + Q2 S2 = U2.Ia2 + U2.Ir2 S2 =

Un acquis déjà vieux pour améliorer la qualité de l'énergie : le relèvement du facteur de déplacement Position du problème en termes de sources Veff Ieff, f devient : Veff Ir, p/2 Ia, 0 Solution : ajout d'une source de courant (charge supplémentaire) de même valeur efficace et de phase opposée à Ir Ir, -p/2 Veff Ir, p/2 Ia, 0 Sur les charges résisto-inductives usuelles, la source de courant adaptée est un condensateur Ir, -p/2 C Veff Ir, p/2 Ia, 0 L R

Conséquence du relèvement du facteur de déplacement Interprétation en représentation vectorielle Avant relèvement I1 U1 f Ia Ir S P Q Relèvement - Ir - Q Après relèvement U1 F = 0 I1 = Ia F =0 S = P I1 U1 f Ia Ir S P Q Interprétation en termes de grandeurs physiques Diminution du courant efficace : échauffement moindre dans les lignes Diminution de la puissance réactive : plus de risques de pénalités de paiement de réactif L'explication du phénomène harmonique basse fréquence sur les réseaux et son traitement sont totalement équivalents

Conversion alternatif/alternatif Charges non linéaires charge non linéaire ou déformante : une charge est dite "non linéaire" lorsque le courant qu'elle absorbe n'a pas la même forme que la tension qui l'alimente. Ce courant est riche en composantes harmoniques dont le spectre sera fonction de la nature de la charge. ex : alimentations à découpage, variateurs de vitesse, onduleurs. i(t)  k.u(t-t0) U I La cause principale est la mise en place de charges faisant intervenir un étage de transformation de tension alternative sinusoïdale en tension continue : pont de diodes, ponts de thyristors ...  SCHEMA DE PRINCIPE (sans selfs) C e1 e2 e3 M i I Is Exemple : variateur de vitesse machine asynchrone Conversion alternatif/alternatif

Tension et courant mesurés sur une charge non linéaire Forme d'onde de courant non sinusoïdale Forme d'onde de tension quasi- sinusoïdale Onde de courant caractérisée par une analyse spectrale dont le contenu est riche en harmoniques avec deux contributions principales La plus importante à 50 Hz (fondamental) : I1 = 52,5 A La seconde à 150 Hz = 3 X 50 (rang 3) : I3 = 36,8 A Onde de tension caractérisée par une analyse spectrale dont le contenu fait apparaître, en plus du fondamental à 50 Hz : U1 = 217 V une contribution non négligeable à 150 Hz= 3 X 50 (rang 3) : U3 = 24,4 V ( 11,2% du fondamental)

Analyse d'une charge non linéaire en termes de sources de courant Dans l'exemple précédent, en se limitant, pour des raisons de simplicité, aux 2 composantes les plus contribuantes, le schéma équivalent de la distribution objet des mesures est le suivant : Veff Fondamental à 50 Hz : I1 = 52,5 A, f 1 = 0° 50 Hz 52,5 A 0° Rang 3 à 150 Hz : I3 = 36,8 A, f 3 = 264° 150 Hz 36,8 A 124° Le courant appelé par une charge non linéaire est décomposable en une somme non arithmétique de courants Chacun de ces courants est défini par sa fréquence, multiple du 50 Hz, son amplitude et sa phase On peut donc associer à chacun de ces courants une source de courant possédant les bonnes caractéristiques Ces sources sont placées en parallèle pour que la somme de leur courant respectif reconstitue le courant total

Dégradation de la qualité de l'énergie du fait de la présence de courants harmoniques sur les distributions L'onde de tension n'est plus sinusoïdale En conséquence, d'autres charges, même linéaires, connectées aux bornes de la même source de tension risquent de ne plus être alimentées dans des conditions satisfaisant aux références de tension exigées Pour expliquer le phénomène, à ce stade, il suffit de dire qu'il est dû à l'impédance de source (détaillé dans la communication "sources et harmoniques") 150 Hz 36,8 A 124° Veff Ls.w Rs Impédance de source : Zs = Rs + j. Ls.w 50 Hz 52,5 A 0° est, pour le rang 3 à 150 Hz, équivalent à : Ls.w Rs Impédance de source : Zs = Rs + j. Ls.w 150 Hz 36,8 A 124° Il apparaît bien aux bornes de la source de tension une chute de tension à 150 Hz : U150 Hz = Zs150 Hz .I150 Hz L'impédance de source se comporte comme une charge vis à vis de la source de courant harmonique à 150 Hz

Incidence du fait de la présence de courants harmoniques sur les distributions en termes de valeur efficace et de puissances In + I1 2 I2 . Courant efficace : Ieff = = 78 A  I1 = 52,5 A Un + U1 2 U2 . Tension efficace : Ueff = = 220 V  U1 = 217 V Puissance apparente dans le cas simplificateur où on néglige les harmoniques de tension S2 = U2 I2 S2 = U2 (I12 + I22 + …+ In2) S = 17,2 kVA [(Ia 2 + Ir 2 P = 11,48 kW S2 = U2 + I22 + …+ In2)] + D2 Q = - 0,9 kVAr P2 + Q2 S2 = D : Puissance déformante D = 12,7 kVArdef Total souvent désigné comme la contribution réactive à la puissance apparente

Pour des charges dites non linéaires (l'exemple précédent) : définition des grandeurs caractéristiques qui permettent d'analyser la qualité de l'énergie = P S  Facteur de puissance (PF) : = 0,67 1 = P S Facteur de déplacement : DPF = cos (f 1) = 1  PF ! Î Ieff = 2,46 > ! Facteur de crête : Fc = Taux de distorsion harmonique : THDuf (%) = Vharm V1 X 100 En tension : = 15,6 % ! > 8 % : énergie très fortement dégradée THDif (%) = Iharm I1 X 100 En courant : = 73,8 %

Autres effets nocifs des harmoniques (non exhaustif) Courants harmoniques = Echauffement du câble de neutre : les courants de fréquence harmonique de rang 3 et multiples de trois se somment dans le conducteur de neutre ; courant de neutre valant fréquemment 120 à 130 % des courants de phases Disjonctions principales (surintensités) et différentielles intempestives (courants de défaut accentués car la circulation au travers des capacités parasites est favorisée par l'augmentation de fréquence) Valeurs des courants efficaces plus élevées que celles nécessaires pour les besoins énergétiques de la charge : surdimensionnment des câbles surchéchauffement des câbles : 1 A à 150 Hz a des effets thermiques plus important qu'à 50 Hz par effet pelliculaire Résonance en tension au droit des sources en présence de condensateurs de relèvement de facteur de déplacement

Une nouvelle nécessité pour améliorer la qualité de l'énergie et limiter les effets nocifs : le relèvement du facteur de puissance par confinement des courants harmoniques Les harmoniques de courant ne peuvent pas être supprimées : c'est la charge qui les génère ! Il va donc falloir les confiner au plus près des charges polluantes pour éviter qu'elles remontent sur les distributions C'est par cette méthode (jusqu'à l'intégration dans les charges à composants de puissance électronique de nouvelles technologies -absorption sinus) que l'on évitera la dégradation de l'énergie (déqualification de la tension de source) due à la présence de courants harmoniques et que l'on limitera leurs autres effets nocifs Pour cela on fait appel au même type de stratégie que celle mise en œuvre pour relever un mauvais facteur de déplacement du au courant réactif : il s'agit donc de mettre en parallèle avec les sources de courant polluantes des sources de courant en opposition de phase

Relèvement du facteur de puissance : compensation des hamoniques Position du problème en termes de sources Veff Ieff Veff Ls.w Rs Impédance de source : Zs = Rs + j. Ls.w devient : 150 Hz 36,8 A 124° 50 Hz 52,5 A 0° Solution : ajout d'une source de courant (charge supplémentaire) de même valeur efficace et de phase opposée 150 Hz 36,8 A - 124° 50 Hz 52,5 A 0° Veff Ls.w Rs Impédance de source : Zs = Rs + j. Ls.w 150 Hz 36,8 A 124° 50 Hz 52,5 A 0° Veff Ls.w Rs Impédance de source : Zs = Rs + j. Ls.w Le schéma équivalent devient alors le suivant : La chute de tension 150 Hz aux bornes de la sources disparaît donc ! L'énergie fournie par la source aux autres charges est requalifiée

à différents couplages Mise en œuvre de la compensation des harmoniques : les solutions passives sources N. ou S. surdimensionnement des sources, câbles ... 1 D yn h3 h9 2 p1 = p2 h5, h7 D d y 3 D y Y p1 = p2 4 L 5 L 6 - On n'élimine pas les harmoniques. - Surcoût important. 1 filtres accordés selfs anti - hn. 3 4 et atténuation des rangs h5 et h7 (héxaphasés). transformateurs à différents couplages 5 traitement hn. à la fréquence d'accord. 2 confinement h3 et multiples. atténuation THD(i). 6

Mise en œuvre de la compensation des harmoniques : les solutions actives Dépollution harmonique par compensateur actif : principe Is Ich. Ic. Source de puissance Charge non linéaire Compensateur Actif d'Harmoniques Le compensateur actif génère les courants harmoniques demandés par les charges non linéaires (injection en opposition de phase et en temps réel). Il n'est dimensionné que pour les courants harmoniques (Puissance déformante). Le courant consommé par la charge sera : I charge = I source + I compensateur