PUISSANCES ÉNERGIES PERTURBATIONS

Liste des perturbations Echauffement Surcoût Coupure secteur Disfonctionnement Bruit Destruction Danger …

Une Installation aujourd’hui Source Perturbations Électrique Variateur de Vitesse Chauffage & Climatisation Éclairage Informatique

Notions de Charge L'énergie électrique est distribuée sous forme de trois tensions sinusoïdales constituant le réseau triphasé équilibré. Selon leurs caractéristiques d'entrée, certaines charges peuvent perturber cette distribution. Les appareils électroniques représentent aujourd'hui une part croissante de la charge industrielle et domestique. Ces dispositifs injectent sur le réseau des courants harmoniques, qui, conjugués à l'impédance du réseau, provoquent des tensions harmoniques perturbatrices et dangereuses.

 LES CHARGES LINEAIRES HIER Hier, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique étaient des charges dites LINÉAIRES : charges appelant un courant de forme identique à la tension, c’est à dire quasi sinusoïdal comme les convecteurs électriques ou encore les lampes à incandescences.

 COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE Puissance active : P = U x I x cos φ φ Puissance apparente : = U x I Le cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non déformés. = cos φ

 INTÉRÊT DU RELEVEMENT DU FACTEUR DE PUISSANCE La compensation d’énergie réactive apporte :  Un allègement de la facturation pour l’abonné  Une augmentation de la puissance disponible sur l’installation  Une diminution des pertes  Une réduction de la chute de tension de ligne

 LES CHARGES DEFORMANTES AUJOURD’HUI  Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension.  Les signaux analysés s’éloignent de l’allure sinusoïdale de départ.

 LE SPECTRE HARMONIQUE Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, d'amplitudes et de fréquences, et multiples de la fréquence fondamentale.

 EN PRATIQUE

Tension non sinusoïdale  LA PROBLÉMATIQUE Présence de charges déformantes = Courant déformé Courant déformé Tensions harmoniques Impédance interne des générateurs x = Tensions harmoniques = Tension non sinusoïdale 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.

 EFFETS DES HARMONIQUES 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 Effets à moyen et long terme  Réduction de la durée de vie des moteurs  Réduction de la durée de vie des transformateurs  Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques

COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite)  La charge non linéaire, lorsqu’elle est soumise à une tension sinusoïdale, absorbe un courant dit "déformé" : il n’y a plus proportionnalité entre courant et tension.  Le cosinus φ n’est plus applicable, on parle alors de : FACTEUR DE PUISSANCE  On intègre dans cette formule la puissance dite DÉFORMANTE qui traduit les effets de la distorsion harmonique.

Les échauffements dans les conducteurs et équipements électriques  Les conducteurs électriques véhiculent les courants harmoniques qui produisent, par effet Joule, un échauffement des conducteurs au même titre que le courant fondamental. Malheureusement, les harmoniques ne contribuant pas au transfert de la puissance active, ils créent uniquement des pertes électriques et participent à la dégradation du facteur de puissance de l’installation. Exemple :  Les condensateurs sont particulièrement sensibles à la circulation des courants harmoniques du fait que leur impédance décroît proportionnellement au rang des harmoniques en présence dans le signal déformé.

Les facteurs de crêtes élevés  Les déclenchements intempestifs des dispositifs magnétiques des disjoncteurs pouvant se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matériel informatique important, sont bien souvent dus aux problèmes de pollution harmonique. En effet, 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.

Les effets dans le conducteur Neutre  Les courants harmoniques de rang multiple de 3 à partir des 3 phases vont s’additionner et donner naissance dans le conducteur neutre à la circulation d’un courant. I neutre = 3 x I Harmoniques 3

QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER CES HARMONIQUES ?

 FORMULES Valeur RMS  Les appareils numériques dit R.M.S réalisent la mesure efficace d’un signal quelque soit sa forme, sinusoïdal ou déformé Valeur RMS Courant mesuré Appareil RMS Même mesure : I = 16 A Appareil NON RMS Mesure : I = 12 A

 Facteur de Crête 2  Dans le cas d’une charge linéaire  Charge linéaire : soit 1,414  Absence d'harmonique  Matériel informatique : 2 à 3  Présence d'harmoniques  Variateur de vitesse : environ 2  Présence d'harmoniques 2

 Le taux distorsion harmonique global A ou V %  Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale  Le facteur de distorsion global % A ou V  Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du signal

 PRINCIPAUX PHENOMENES Les phénomènes de résonance  Les phénomènes de résonance proviennent de la présence d’éléments capacitifs et réactifs sur le réseau d’alimentation électrique (ligne, transformateur, capacité de relèvement de facteur de puissance), générant ainsi des amplitudes élevées sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple). Destruction des condensateurs de compensation d’énergie réactive

Aujourd’hui : Plusieurs normes NF C 15-100 IEC 61000-4-30: définit les techniques de mesures de la qualité d’énergie IEC 61000-4-30 IEC 61000-4-7 pour les harmoniques IEC 61000-4-15 pour le flicker EN50160: définit la qualité de l’électricité (tension) au point de livraison au client.

IEC 61000-4-30 Définit les techniques et les spécifications des mesures de qualité d’énergie Pas (encore) imposée par l’EN50160 2 classes de performances : Class A & Class B Applications contractuelles Vérification à la conformité aux normes Résolution de litiges etc.…

Quelques règles Valeurs électriques mesurées Phase-neutre ou phase-phase / contexte Agrégation des intervalles de mesure 3s, 10mn, 2 heures Marquage Creux, surtensions, coupures peuvent entraîner des erreurs dans les autres mesures

Fréquence EN61000-4-30 Tension EN61000-4-30 10s Nb période peut ne pas être entier Tension EN61000-4-30 Tension RMS 10/12 périodes contiguës

Creux EN61000-4-30 Tension référence fixée par utilisateur Détection Basée sur 85% à 90% de Ueff ½ Monophasé < > Triphasé  : Une ou plusieurs  : Toutes Evaluation Ures : résiduelle = Ueff ½ mini Profondeur (%) Durée (peut commencer sur une voie, et terminer sur une autre) Heure et date

Surtension temporaire (bosse) EN61000-4-30 Tension référence fixée par utilisateur Détection Basée sur 110% de Ueff ½ Monophasé < > Triphasé  : Une ou plusieurs  : Toutes Evaluation Ures : résiduelle = Ueff ½ max Profondeur (%) Durée (peut commencer sur une voie, et terminer sur une autre) Heure et date

Coupure EN61000-4-30 Tension référence fixée par utilisateur Détection Basée sur 5% de Ueff ½ Monophasé < > Triphasé  : Toutes  : Une ou plusieurs Evaluation Ures : résiduelle = Ueff ½ mini Durée (Une voie peut être la dernière présente, et une autre re-franchira le cap) Heure et date

Flicker EN61000-4-30 Voir EN61000-4-15

Flicker = Papillotement “Impression de l’instabilité visuelle induite par un stimulus lumineux avec une luminance ou une distribution spectrale variant au cours du temps, dû à une modulation de la source de tension RMS”. M. De Koster - E. De Jaeger – W.Vancoetsem Les causes : Des charges qui consomment par à coup (ex: soudures à l’arc). Une variation de tension de 0,5%, 6 à 8 fois par seconde, engendre un flicker visible !

Flicker Définition Le flicker détecté dans l’éclairage sera dû à des creux de tension périodiques. Anciennement: EN 60868 - Sévérité du papillotement ou Flicker : Pour chaque période d’une semaine, le niveau de sévérité de longue durée du papillotement lié aux fluctuations de la tension, le Plt, doit être inférieur ou égal à 1 pendant 95% du temps. Mesuré grâce à un modèle statistique du type « source lumineuse-œil-cerveau » qui détermine la perception des personnes affectés par du flicker dans de l’éclairage. Défini le niveau de variation où vraisemblablement commence l’inconfort. Variation lente (entre 0,5 et 25 Hz) et de faible amplitude (<10%) Les principes de mesures PST – Un calcul statistique sur 10 minutes de la tension. Un résultat de 1,0 correspond à un flicker perceptible par 50% des gens. PLT – Un calcul statistique, dérivé du PST, sur 2 heures.

Flicker EN 61000-4-15 Tension RMS Enregistrement et intégration mathématiques, sur une période 2 mesures PST – Un calcul statistique sur 10 minutes de la tension. Un résultat de 1,0 correspond à un flicker perceptible par 50% des gens. PLT – Un calcul statistique, dérivé du PST, sur 2 heures

Déséquilibre Le déséquilibre s’observe lorsque les tensions du réseau triphasé ne sont pas de même amplitude. Causes: Différentes impédances Mauvaise distribution des charges Problèmes: Les moteurs sont conçus pour n’accepter qu’un faible déséquilibre en tension Apparition d’harmoniques de rang 3 sur les variateurs de vitesses. Existence de couple inverse Correspond à la décomposition de la composante fondamentale (Fortescue). Définitions: Déséquilibre inverse: rapport entre la composante inverse et la composante directe du signal. Déséquilibre homopolaire: rapport entre la composante homopolaire et sa composante directe.

Déséquilibre EN61000-4-30 Méthode des composantes symétriques Mesure sur 10/12 périodes Composante inverse U2 (%) et composante homopolaire U0 (%)

Harmoniques EN61000-4-30 Voir EN61000-4-7

Définition Taux de Distorsion Harmonique

Mesure harmoniques et inter-harmoniques Ces deux catégories de perturbations sont dues à des variations périodiques et aléatoires de la puissance absorbée par certaines machines (commande par train d'ondes, ...). Inter-harmoniques Ce sont des composantes sinusoïdales d'une grandeur qui ne sont pas des fréquences multiples entières de celle de la fondamentale. Infra-harmoniques Ce sont des composantes qui sont à des fréquences inférieures à celle de la fondamentale.

THD, Harm V, A, Inter harmoniques Spécifications IEC 61000-4-30 Class A Class B Mesure Intervalle Précision Fréquence Hz 10 s ± 10mHz Spécif. constructeur Tension (50Hz) Vrms 10/12 périodes ± 0,1% ± 0,5% Flicker (IEC 61000-4-15) Plt 2 h ± 5% Creux, bosses, coupures ou variations rapides de tension ½ période Vrms 10 ms ± 0,2% ± 1% Déséquilibre (méthode des composantes symétriques) Fondamentale Vrms 10 /12 périodes ± 0,15% Harmoniques (IEC 61000-4-7) THD, Harm V, A, Inter harmoniques 10 périodes ± 1-5% Transitoires (non spécifié) V crête 50 μ s (200kS/s) Mains signaling Inter harmonique Signalisation Creux, bosses, coupures entraînant une impossibilité de mesurer Hz, Vrms, déséquilibre et harmoniques. Non spécifié Synchronisation Horloge externe; GPS 1 période Spécification IEC 61000-4-30

Courant EN61000-4-30 Seulement en annexe Courant RMS 10/12 périodes contiguës

Puissances Puissance active Puissance apparente Puissance réactive Réelle (real), W, Puissance apparente Théorique, VA Puissance réactive Perdue, var

EN 50160 La tension attendu par le client Mais aussi IEEE 1159, ou …

Perturbations en tension Des normes internationales définissent la qualité de la fourniture. L'électricité distribuée comme tout produit consommable doit répondre à des critères de qualité bien définis. * CBEMA: Computer and Busines Equipment Manufacturers Assotiation  Les différentes perturbations selon la EN 50160

EN50160 Définit la qualité de l’électricité : C’est une norme ! Défini ce qui doit être livré au client final Définit des limites pour les caractéristiques principales de la tension secteur. La concordance à la norme EN50160 est une variable booléenne : « la fourniture d’énergie » correspond ou ne correspond pas à la norme. Attention: Respecter la norme ne résoudra pas tous les problèmes de Qualité d’Énergie ! Vous ne pourrez plus accuser votre fournisseur d’électricité ! La norme n’interdit pas les défauts, mais en limite leur nombre. (Certains paramètres sont interdit pendant 95% d’une semaine !) La plus part des relevés sont des moyennes de moyennes de mesure. Certaines limites ne sont qu’indicatives, non obligatoires, utilisées pour du diagnostique (Notion de limites définies et de limites indicatives).

Les différentes perturbations selon EN 50160  Coupures brèves, longues et creux de tensions Ici, la norme donne des valeurs indicatives Coupures brèves de tension : En utilisation normale, il se produit de brèves coupures avec une fréquence variant de 10 à 100 événements par an. La durée reste en général inférieure à 1 seconde. Coupures longues de tension : De durée supérieure à 3 min, ces événements sont considérés hors du domaine de validité de la norme et pour lesquelles il n’est pas possible de donner de valeurs indicatives. Origine : - Effets imprévisibles des intempéries et causes externes. Creux de tension : Diminution de la tension en dessous de 90 % de Un. Le nombre de creux peut varier de 10 à 10000 durant une année. La plupart ont une durée inférieure à 1 seconde et un niveau le plus bas de 60 % de Un. - Appel de courant important sur le réseau, démarrage de récepteur forte puissance, défaut sur le réseau : court-circuit, défaut de terre, commutation de charge.

Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Variations lentes : Origine: Elévation ou baisse de la valeur efficace de la tension (V) en raison d’une variation de charge sur le réseau EN 50160 : 95 % des valeurs efficaces moyennées sur 10 minutes doivent se situer dans la plage définie de tension nominale Un +/- 10 %

Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Les Surtensions Origine : Foudre, fusion de fusible, enclenchement de condensateur, coupure de contacteur… Surtensions temporaires : En Basse Tension : - la surtension peut atteindre la valeur de tension entre phase, à cause du déplacement du point de neutre du réseau triphasé. En Moyenne Tension : - réseau neutre à la terre, raccordés directement ou avec impédance, la surtension ne devra pas dépasser 1.7 Uc - réseau à neutre isolé ou résonant, elle ne devra pas dépasser 2.0 Uc  Surtensions transitoires Entre Phase et Terre, les surtensions ne dépassent généralement pas 6 kV. Le temps de montée peut varier de quelques microsecondes à plusieurs millisecondes

Probabilités à ne pas dépasser Phénomène Paramètre Limite Probabilités à ne pas dépasser Fréquence Valeur moyenne sur 10s +1%/-1% +4% / - 6% 99,5% sur un an 100% du temps Variations de tension Valeur TRMS moyenne sur 10 min +10%/-10% +10% / -15% 95% sur une semaine Variations rapides de tension Nombre d’évènements Courte durée et 5% Un Courte durée et 10% Un Normal Plusieurs fois par jour Flicker Plt (2hr) ≤ 1 pour 95% d’une semaine Creux de tension durée < 1 seconde et < 60% Un 10..1000 évènements par an > 50% sur tous les creux Interruptions courtes durée < 1 seconde et < 1% Un > 70% sur toutes les interruptions Interruptions longues durée >180 secondes et <1% Un 10...50 évènements par an Surtensions (50Hz) Durée de quelques s > 110% Un et ≤ 1,5kV Transitoires en surtensions Durée de la µs à la ms > 1,5kV et < 6kV Déséquilibre Uneg/Upos sur 10 min <2% 95% de la semaine Harmoniques en tension Valeur moyenne RMS sur 10 min THD ≤ 8% Voir tableau des limites harmonique par harmonique ≤ 8% InterHarmoniques A l’étude Mains signaling Valeur moyenne RMS sur 3 sec 99% de la journée EN 50160 Info. Octobre 2004

Comment lire l’EN50160. Prenons l’exemple que nous surveillons une alimentation secteur 230V. Après une semaine de surveillance nous trouverons: La tension TRMS avec un point toutes les 10 périodes (50 Hz) Ces mesures sont moyennées par intervalles de 10 min (Qta = moyenne de 10 périodes pendant 10 mn) 168 h (1 semaine) x 6 (6 Qta en 1 heure) = 1008 mesures de tension moyennes 95% des lectures (958 lectures) doivent être à +/-10% du nominal. Aucune lecture ne doit dépasser +10% ou -15% du nominal. Donc jusqu’à 5% des lectures (50 lectures) peuvent être en dessous 207V, mais sans jamais dépasser 195,5V. 95% des mesures Vrms prises durant une semaine doivent être dans cette gamme. La valeur moyenne en tension ne doit jamais sortir de cette gamme

EN50160 et Harmoniques Les limites maximales pour chaque harmonique en tension à la source en % de la tension nominale. 95% de la tension TRMS moyenne de 10 minutes pendant une semaine doit rester dans ces limites. Harmoniques impaires Harmoniques paires Non multiples de 3 Multiples de 3 Rang h Tension relative 5 6 % 3 5 % 2 2 % 7 9 1,5 % 4 1 % 11 3,5 % 15 0,5 % 6…24 13 3 % 21 17 19 23 25

SOLUTIONS

 Relèvement du cos Phi: QUE FAIRE ?  Compenser l'installation grâce à l'adjonction de batteries de condensateurs Formule : Qc = P ( tan - tan ')  Réduire le taux d’harmoniques  ' S S' Pactive Q' Qc Q

Des solutions électrotechniques Sur-dimensionner (également conseillée par NF C 15-100) Source D yn h3 D y Y h5, h7 d L Atténuer THD Filtrer L Rang harm. choisi Jouer sur des couplages de transfo

 SOLUTION AUX HARMONIQUES  Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement  Mise en place de filtre :  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 que ceux émis par les appareils.  Filtres mixtes Associe le mieux des 2 techniques

Armoires de filtrage Avant installation du filtre: Après installation du filtre ENERCLEAN RV, CLEAN 331 – In=180A. le Thd-I est passé de 33% à 5%.

Comment définir son Armoire de Filtrage Mesures à effectuer en différents points de l’installation: Bilan de Puissance Analyses complètes de la Pollution Harmonique Nouveau Catalogue Lexique technique Méthode de Mesures Exemples d’installations

LES SOLUTIONS DE MESURES

Outils Mesure MAP 5000V C.A 8352 C.A 8342 Enerium C.A 8334 C.A 8230 F 09 F 27

F09 Une pince de poche TRMS AC+DC tout automatique En format de poche, passe-partout, la nouvelle pince intensité AC + DC: 0,20 à 40/400A (600A crête) tension AC + DC : 0,20 à 40/400/600V (900V crête) rotation de phase (2 fils) Inrush current : courants de démarrage puissance (mono et triphasée) : 5 W à 240 kW ; 5 à 240 kvar ; 5 à 240 kVA facteur de puissance 2% fréquence Hz résistance : 0,2 à 40kΩ rétro-éclairage

F27 Tension, courant (jusqu’à 1000A) T-RMS Puissance: 600kW, VA ou var. Facteur de puissance et de déplacement de puissance. Mesure facteur K. Taux de distortion harmoniques, rang par rang, jusqu’au 25ième Triple afficheur rétro-éclairé Sortie RS 232 optique pour liaison vers PC IEC 1010-2-032 (600V- Cat III).

C.A 8220

C.A 8230

Qualistar C.A 8332B - C.A 8334B Un « Must » SIMPLICITE Analyseur triphasé complet: - Tension, courant, - Puissance / Energie, - Harmoniques (jusqu’au 50ième rang), flicker, - Capture de transitoire, - Déclenchement sur alarme... Fonctions en parallèle Logiciel de tranfert PC Mémoires de stockage IEC 61010-1, 600V Cat.IV

Ecrans

C.A 8340 EN 61000-4-30 Classe A Toutes mesures

C.A 8352 Analyseur d’énergie Architecture PC 4U / 4I Ecran tactile Mesures U,I,Freq, Puissances, Harm, Variations, Télécommande, …

Ecrans mesures

Infra-rouge Diagnostiqye rapide Intervention « hors danger » Tout types d’application

Isolement Isolement : jusqu’à 2GΩ sous 250V, 500V et 1000V DC • Indication de tension avant la mesure d'isolement : 0 à 600V AC/DC (blocage si U>25V) • Continuité : -20Ω à +20Ω (bip sonore et compensation des cordons) • Résistance : 0 à 400kΩ • Afficheur géant 4000 pts + bargraphe (lecture simultanée de la mesure et de la variation analogique) • Rétro-éclairage • Programmation d’alarmes