La qualité de l’énergie électrique

PRODUCTION DISTRIBUTION

doivent veiller à la qualité de l’énergie fournie Distributeur et Fournisseur Utilisateur Client doivent veiller à la qualité de l’énergie fournie

Les principales causes de perturbations EDF La Foudre Les courts-circuits accidentels Utilisateurs Charges déformantes

de la pollution harmonique Analyse de la pollution harmonique Qualité de la tension Qualité du courant

La tension du réseau Sinusoïdale

NORME Lister Fixer Perturbations les plus fréquentes Valeurs limites

Basse tension (BT) < 1 kV Élaborée par le CENELEC NORME EUROPEENNE NF EN 50160 Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Basse tension (BT) < 1 kV Moyenne tension (MT) 1 kV < Vr < 35 kV Élaborée par le CENELEC

NF EN 50160 Caractérise la qualité de la tension fournie Elle liste les paramètres à surveiller et la durée de la surveillance

Caractéristiques de l’alimentation BT La fréquence L’amplitude de la tension fournie La forme d’onde La symétrie des tensions triphasées

La fréquence 50 Hz  1% (sur 99,5 % de 1’année) Elle doit être de 50 Hz 50 Hz  1% (sur 99,5 % de 1’année) 50 Hz + 4 % / - 6% (100 % du temps) Enregistrement par période de 10 s

L’amplitude de la tension fournie Vr (Ph - N) = 230 V Par semaine : Vr - 10 % < 95 % des VrN < Vr +10 % En continu : Vr - 15 % < VrN < Vr + 15 % Moyennées sur 10 min

La forme d’onde Variations rapides Variations lentes Surtensions transitoires (foudre, commutation sur charge inductive,…) Creux de tension (2/3 des creux de tension ont une amplitude qui ne dépasse pas 25 % et les 3/4 durent moins de 320 ms) Flicker (démarrage de gros moteurs de fours à arc, de chaudières...) Coupures

La forme d’onde Surtensions Flicker Creux de tension coupures 230 V

Le déséquilibre des tensions causé par la dissymétrie de la consommation sur les 3 phases en aval du transformateur En particulier par des charges monophasées mal réparties entre phases

LE CA 9334 L’évolution électrique du réseau L ’ANALYSEUR DE RESEAUX ELECTRIQUE TRIPHASE LE CA 9334 OBSERVER SURVEILLER DIAGNOSTIQUER ENREGISTRER L’évolution électrique du réseau

Le logiciel d’exploitation Analyse des données suivant la norme EN 50160 (exploitation des données sur tableur Excel)

… le 26 et le numéro complémentaire… Toujours rien ?

La pollution harmonique ou les émissions de courant harmonique

Le réseau impose LA TENSION L’utilisateur impose LE COURANT

Exemple d’appareil de mesure

CHARGE LINEAIRE R E S A U Courant SINUSOIDAL

Puissance consommée v(t) = V2 sin (2 50 t) En sinusoïdal v(t) = V2 sin (2 50 t) i(t) = I 2 sin (2 50 t - ) cos  Sans variateur P = V I cos 

EXEMPLE Charge : 920 W / cos  = 1 Réseau : 230 V Câbles : 0,1  1,6 W I = 4 A

Charge : 920 W / cos  = 0,86 Réseau : 230 V Câbles : 0,1  2,1 W cos  = 0,86 230 V 0,1  920 W I = 4,65 A

cos  = 1 1,6 W 0 var 920 VA 920 W I = 4 A cos  = 0,86 2,1 W 545,5 var 1069,5 VA 920 W I = 4,65 A

CHARGE NON LINEAIRE ou déformante R E S A U Courant NON SINUSOIDAL

i (t) = I0 + i1 (t) + i2 (t) + i3 (t) + ... Puissance consommée i (t) = I0 + i1 (t) + i2 (t) + i3 (t) + ... k = P/S v(t) = V2 sin (2 50 t) p (t) = v(50Hz) x [ i1 (50 Hz) + i2 (100 Hz) + i3 (150Hz)…]

v (50Hz) x i (50 Hz)  V I1cos  1 Le fondamental 50Hz + En Valeurs moyennes v (50Hz) x i (50 Hz)  V I1cos  1 + i2 (100 Hz)  0 i3 (150Hz)  0 …… Donc P = V x I1 cos  1 Les harmoniques 150 250 350 450 f (Hz)

Seul le fondamental de l’intensité correspond à une consommation de puissance Avec une tension réseau sinusoïdale P = V I1 cos 1

UTILISATION DU FLUKE 41 Tension appliquée EDF Courant absorbé tension Charge déformante (Moteur + variateur)

Les principaux critères d’évaluation de la pollution harmonique Relevé harmonique (signaux, tableau, spectre) Taux de distorsion Harmonique Facteur de crête Facteur de puissance

Distorsion Harmonique : Rang individuel % I RMS = Fluke % I1 RMS = global THD - R THD - F

Taux de Distorsion Harmonique Poids relatif des composantes harmoniques vis à vis : Du fondamental De la valeur efficace

Apprécier la forme des courants Facteur de crête Apprécier la forme des courants Fc =  2 Fc >  2 Pour le Fluke : Fc Crest

Absence d’harmoniques Charges linéaires Fc =  2 Présence d ’harmoniques Variateurs de vitesse Fc = 2 Équipements informatiques Fc = 2 à 3

k = Pavtive / S apparente Facteur de puissance k k = Pavtive / S apparente En sinusoïdal V(t) = V 2 sin t i (t) = I1 2 sin (t - 1) P1 = V I1 cos 1  S1 = V I1 k = cos 1

i (t) non sinusoïdal EDF V(t) = V 2 sin t i (t) = I1 2 sin (t - 1) + I2 2 sin (2t - 2) + ….

Apparition d’une nouvelle puissance traduisant la dégradation P1 = V I1 cos 1 S = V I = V  I12+I22+I32+... V I1 cos 1  (V2 I12) + V2 ( I22+ I32 + ..…) k = P1  (S12) + ( D2 ) K = Apparition d’une nouvelle puissance traduisant la dégradation de l’onde de courant

Le facteur de puissance diminue Puissance déformante D = V  I22+I32+... D = S1 . THD cos 1  1 + (THD2) k = 1 : déphasage entre v (t) et i (t) à 50 Hz Le facteur de puissance diminue quand le THD augmente

CHARGE NON LINEAIRE RESEAU 1 2 4 5 3

EXEMPLE Non sinusoïdal Charge : 920 W / cos  = 0,86 Réseau : 230 V Câbles : 0,1  cos 1 = 0,86 230 V 920 W avec variateur

Relevé des amplitudes harmoniques I1 = 4,65 A (50 Hz) I3 = 2,05 A (150 Hz) I5 = 1,52 A (250 Hz) I7 = 0,91A (350 Hz) Résultats : I =  I12+I22+I32+... = 5,4 A THD = 58 % P1 = 920 W S = 1237,8 VA D = 623 vad k = 0,74 2,9 W

Courants harmoniques Intensité en ligne et puissance apparente augmentées Dégradation du facteur de puissance Apparition de tensions harmoniques Échauffement (pertes, vieillissement) Dysfonctionnement Risques de résonance

SUR UNE INSTALLATION TRIPHASEE DANS LE CONDUCTEUR NEUTRE ? B C N TERRE Sin t Sin (t -120) Sin (t -240) { V(t) = V 2 LES EFFETS DANS LE CONDUCTEUR NEUTRE ?

Réseau triphasé de tensions Charges triphasées équilibrées (système équilibré) Sin t Sin (t -120) Sin (t -240) { V(t) = V 2 Charges triphasées équilibrées mais déformantes Sin nt Sin [ n (t -120) ] Sin [ n (t -240) ] { i (t) =  In 2

C’est le cas d’une charge triphasée équilibrée linéaire Pour n = 1 50 Hz Sin t Sin (t -120) Sin (t -240) { i 1 (t) = I1 2 -240 Somme nulle -120 Pas de courant 50 Hz dans le neutre C’est le cas d’une charge triphasée équilibrée linéaire

{ Pour n = 2 Pas de courant 100 Hz dans le neutre 100 Hz Sin 2t i 2 (t) = I2 2 -240 Somme nulle -480 Pas de courant 100 Hz dans le neutre

{ Pour n = 3 150 Hz Sin 3t Sin (3t -360) Sin (3t -720) i 3 (t) = I3 2 Somme non nulle I3 -240 -720 3 I3

Exemple de structure déformante Le montage redresseur Synchronisées sur le réseau, les grandeurs instantanées des harmoniques 150Hz s’ajouteront I3 Ph 1 Ph 2 Ph 3 I3 150Hz I3 Amplitude du 150Hz : 3 x I3

Les harmoniques de courant 150 Hz (et multiple de 3) i3A(t) + i3B(t) + i3C(t) = 3 I3 sin t Les harmoniques de courant 150 Hz (et multiple de 3) s’ajoutent dans le neutre NEUTRE

Résumons :

La norme de famille de produits Limites pour les émissions de courant harmonique ( I < 16 A / phase ) Soit 3,84 kVA en mono NF EN 61000-3-2(=CEI 1000-3-2) La norme de famille de produits définit les limites des harmoniques de courant produits par des appareils et injectés dans le réseau public d’alimentation (BT)

Triphasé Équilibré Portatif Classe B CLASSIFICATION DES APPAREILS D’après EN 61000-3-2 Portatif Classe B CLASSIFICATION DES APPAREILS Classe C Éclairage Forme Spéciale et P  600 W Classe D Moteur Classe A

Classe A Alimentés en triphasé équilibré Outils sauf portatifs Variateurs de lumière pour lampe à incandescence Appareils audio Appareils électro-domestiques sauf ceux répertoriés en D Appareils que l’on n’a pu classer ni en B, ni en C, ni en D

Classe B Soudage à l’arc non professionnel Outils portatifs Classe C Appareils d’éclairage

Pas de limite pour P < 75 W Classe D Appareils ayant un courant d’entrée à " forme d’onde spéciale " et P  600 W Pas de limite pour P < 75 W Ordinateurs et écrans Récepteurs de TV

C’est un appareil de classe D Exemple Ancien ordinateur C’est un appareil de classe D P = 110 W

Ordinateur récent P = 170 W

(A) ( mA/W) ( A) ( mA/W) (A) ( mA/W) Comparaison à la norme NORME (A) ( mA/W) ( A) ( mA/W) (A) ( mA/W)

Pour un vieil ordinateur, le respect des normes n’est pas obtenu….

Analyse harmonique sur un réseau Degré d’intervention de 1er niveau : Qualifier une installation en terme de niveau de pollution harmonique DIAGNOSTIC

Degré d’intervention de 2e niveau : Quantifier le niveau de pollution et localiser les charges polluantes (intervention technicien) THD en courant et comparaison à la norme

Degré d’intervention de 3e niveau : Préconiser la ou les solutions à mettre en œuvre (bureau d’étude)

Pollution harmonique BF et RF RF BF 2 kHz 30 MHz Électronique de 2 kHz Rang 40 EN 50160 EN 61000-3 -[2 et 3] 30 MHz Électronique de commutation RF BF EN 550 [11, 14 ou 22]

Facteurs affectant la CEM d’un appareil Tension d’alimentation Fréquence Masse Découplage des alimentations Conception des circuits intégrés

Les perturbations en mode conduit BF et RF Principalement dues aux harmoniques de courant appelés au réseau par les convertisseurs de puissance à diodes, triacs, thyristors, …. Redresseurs Gradateurs … Remèdes utilisés le plus fréquemment: Filtrage Correction du facteur de puissance

Les solutions de filtrage Réduire l’effet des courants harmoniques générés par une charge polluante Empêcher les harmoniques de tension, générés au niveau de la source, d’affecter l’utilisation

Le filtre résonant (L,C) f résonance = f harmonique à éliminer 50Hz + 150Hz ... FILTRE 150Hz C UTILISATEUR DISTRIBUTEUR L

50Hz DISTRIBUTEUR UTILISATEUR 150Hz DISTRIBUTEUR UTILISATEUR

A 50 Hz, le filtre résonant réalise la compensation d’énergie réactive UTILISATEUR DISTRIBUTEUR L L h3 h5 h7 150Hz 250Hz 350Hz A 50 Hz, le filtre résonant réalise la compensation d’énergie réactive

Le filtre actif ou compensateur actif On génère des courants harmoniques qui doivent compenser ceux émis par la charge polluante Le réseau voit une charge linéaire

Mesure du courant absorbé par la charge 50Hz + harm 50Hz harm Générateur de courants harmoniques UTILISATEUR DISTRIBUTEUR Mesure du courant absorbé par la charge

I réseau = ich - (ich - ifond) On récupère l’image du courant (shunt) absorbé par la charge ich On isole le fondamental (555 + MF10) On génère (ich - ifond) (ampli diff + géné courant) filtre actif I réseau = ich - (ich - ifond) = ifond

Correction du facteur de puissance PFC : Power Factor Correction Alimentation à absorption sinusoïdale PFC : Power Factor Correction But : Absorber sur le réseau le courant le plus sinusoïdal possible avec un minimum de déphasage (secteur / fondamental du courant) Structure d’alimentation à découpage LE HACHEUR PARALLELE

! Énergie stockée Hacheur Élévateur dans un condensateur (BOOST) Tension Continue Mesure du courant Asservissement à Commande du hacheur ! Mais attention à la pollution HF !

PFC : Power Factor Correction S A U L BOOST C H A R G E DC Shunt DC Image de iL Commande de  - + R A1 I réf h Q - + S A2 I réf b BASCULE RS

I réf h iL I réf b Q (commande de ) Après filtrage de iL

Les perturbations RF en mode rayonné De nombreuses sources: Éclairs Moteurs électriques Tubes fluorescents Câbles électriques … Remèdes utilisés le plus fréquemment: Blindage ou atténuation par écran Disposition « étudiée » des différents éléments

Disposition « étudiée » Ce qu’il ne faut pas faire Ce qu’il faut faire

Disposition « étudiée »