Puissances, Énergies, Perturbations – 1 PUISSANCESÉNERGIESPERTURBATIONS.

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1 Puissances, Énergies, Perturbations – 1 PUISSANCESÉNERGIESPERTURBATIONS

2 Puissances, Énergies, Perturbations – 2 LES CHARGES LINEAIRES LES CHARGES LINEAIRES 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. HIER

3 Puissances, Énergies, Perturbations – 3 LES CHARGES DEFORMANTES LES CHARGES DEFORMANTES Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension. Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension. AUJOURD’HUI Les signaux analysés s’éloignent de l’allure sinusoïdale de départ. Les signaux analysés s’éloignent de l’allure sinusoïdale de départ.

4 Puissances, Énergies, Perturbations – 4 LE SPECTRE HARMONIQUE LE SPECTRE HARMONIQUE Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, d'amplitudes, de fréquences et multiples de la fréquence du signal fondamentale. Décomposition harmonique d’un signal déformé.

5 Puissances, Énergies, Perturbations – 5 LE SPECTRE HARMONIQUE (suite) LE SPECTRE HARMONIQUE (suite) Récepteurs consomment de l'énergie réactive

6 Puissances, Énergies, Perturbations – 6

7 Puissances, Énergies, Perturbations – 7 LA PROBLÉMATIQUE LA PROBLÉMATIQUE 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. 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. Présence de charges déformantes Courant déformé Courant déformé x Impédance interne des générateurs Tensions harmoniques = Tensions harmoniques = Tension non sinusoïdale =

8 Puissances, Énergies, Perturbations – 8 EFFETS DES HARMONIQUES 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  Réduction de la durée de vie des moteurs  Réduction de la durée de vie des transformateurs  Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques Effets à moyen et long terme

9 Puissances, Énergies, Perturbations – 9 COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE Le cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale " Courant" dans le cas de signaux non déformés. Le cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale " Courant" dans le cas de signaux non déformés. Puissance active : P = U x I x cos φ Puissance apparente : = U x I = cos φ

10 Puissances, Énergies, Perturbations – 10 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. On intègre dans cette formule la puissance dite DÉFORMANTE DÉFORMANTE qui traduit les effets de la distorsion harmonique. COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite) FACTEUR DE PUISSANCE Le cosinus φ n’est plus applicable, on parle alors de : FACTEUR DE PUISSANCE

11 Puissances, Énergies, Perturbations – 11 VOUS AVEZ DIT ENERGIE REACTIVE ! VOUS AVEZ DIT ENERGIE REACTIVE !

12 Puissances, Énergies, Perturbations – 12 INTÉRÊT DU RELEVEMENT DU INTÉRÊT DU RELEVEMENT DU FACTEUR DE PUISSANCE FACTEUR DE PUISSANCE  Une réduction de la chute de tension de ligne 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

13 Puissances, Énergies, Perturbations – 13 QUE FAIRE ? QUE FAIRE ? Compenser l'installation grâce à l'adjonction de batteries de condensateurs Formule : Qc = P ( tan  - tan  ')  '' S S' P active Q' Qc Q Réduire le taux d’harmoniques

14 Puissances, Énergies, Perturbations – 14 PRINCIPAUX PHENOMENES PRINCIPAUX PHENOMENES 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)  Les risques : Destruction des condensateurs de compensation d’énergie réactive Les phénomènes de résonance Ils génèrent des amplitudes élevées sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple).

15 Puissances, Énergies, Perturbations – 15 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.  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 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. Exemple :

16 Puissances, Énergies, Perturbations – 16 Des déclenchements intempestifs des dispositifs magnétiques des disjoncteurs peuvent se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matériel informatique important. Ils sont bien souvent dus aux problèmes de pollution harmonique. Les facteurs de crêtes élevés 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.

17 Puissances, Énergies, Perturbations – 17 Les courants harmoniques de rang 3, le fondamental x 3, soit 150 Hz, à partir des 3 phases vont s’additionner, ceux-ci étant en phase. Ils donnent naissance dans le conducteur du neutre à la circulation d’un courant. I Neutre = 3 fois I Harmoniques 3 Les effets dans le conducteur du Neutre Remarque : De nombreux incendies de bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre.

18 Puissances, Énergies, Perturbations – 18 ASPECT NORMATIF Rang de l'harmoniqueTaux en % 3 5 7 9 11 13 15 17 19 (1) 21 (2) 5 6 5 1,5 3,5 3 0,3 2 1,5 0,2 Dans le cadre de la fourniture d'électricité, les taux de tensions harmoniques ne doivent pas dépasser les valeurs précisées dans le tableau suivant. Ces valeurs représentent des taux individuels calculés par rapport au fondamental à 50 Hz, sachant que le taux global d'harmonique en tension ne doit pas dépasser 8 % dans une installation de distribution basse tension. Les valeurs de taux d'harmonique individuel sont données dans le tableau ci-après. - Niveau de compatibilité pour les tensions harmoniques individuelles

19 Puissances, Énergies, Perturbations – 19 LES REMEDES CONTRE LES HARMONIQUES LES REMEDES CONTRE LES HARMONIQUES  Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement - Une solution contre l'harmonique 3 et ses multiples de rangs impairs (9, 15, 21, 27,…) : Primaire Câblé en triangle Secondaire Câblé en étoile Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs. Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.

20 Puissances, Énergies, Perturbations – 20 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"  Mise en place de filtre(s) : LES REMEDES CONTRE LES HARMONIQUES (suite) LES REMEDES CONTRE LES HARMONIQUES (suite) Filtres actifs Injecte des courants harmoniques équivalents mais en opposition de phase de ceux émis par les appareils.

21 Puissances, Énergies, Perturbations – 21 QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER CES HARMONIQUES ? QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER CES HARMONIQUES ?

22 Puissances, Énergies, Perturbations – 22 Les appareils numériques dit R.M.S réalisent la mesure efficace d’un signal ALTERNATIF quelque soit sa forme, sinusoïdal ou déformé FORMULES FORMULES Valeur RMS Appareil RMS Même mesure : I = 16 A Appareil NON RMS Mesure : I = 12 A Courant mesuré

23 Puissances, Énergies, Perturbations – 23 Facteur de Crête Facteur de Crête 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 Dans le cas d’une charge linéaire

24 Puissances, Énergies, Perturbations – 24 Le taux distorsion harmonique global 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 Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du signal A ou V% % A ou V

25 Puissances, Énergies, Perturbations – 25 Exemple pour l’harmonique 3 : Détermination de la valeur efficace du rang d’harmonique considéré ainsi que de son pourcentage par rapport à la fondamentale Le taux distorsion harmonique rang par rang 100 % n 1 3 5 7 9

26 Puissances, Énergies, Perturbations – 26 Les différentes perturbations selon la EN 50160 Coupures Creux de tension, surtensions Fluctuations lentes Fluctuations rapides Déséquilibres Fréquence Harmoniques

27 Puissances, Énergies, Perturbations – 27 Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) 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. Origine : - Appel de courant important sur le réseau, démarrage de récepteur forte puissance, défaut sur le réseau : court-circuit, défaut de terre, commutation de charge.

28 Puissances, Énergies, Perturbations – 28 Les Surtensions Origine : Foudre, fusion de fusible, enclenchement de condensateur, coupure de contacteur… 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 Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) 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

29 Puissances, Énergies, Perturbations – 29 Variations lentes Origine : Élévation ou baisse de la valeur efficace de la tension (  V) en raison d’une variation de charge sur le réseau Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) EN 50160 : 95 % des valeurs efficaces moyennées sur 10 minutes doivent se situer dans la plage définie de tension nominale Un +/- 10 %

30 Puissances, Énergies, Perturbations – 30 Variations rapides "Flicker" EN 50160 : Variation rapide de tension, ne dépasse généralement pas 5% de Un. Origine : Fonctionnement de certains appareils à charge fluctuante (soudeuse, four à arc), Mise en service de gros moteur avec courant d’appel élevé, Variations de charge dans les installations des clients ou de manœuvre sur le réseau. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) 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. Plt = Perturbation pendant un temps long - Pst = Perturbation pendant un temps court

31 Puissances, Énergies, Perturbations – 31 Pour prendre en considération les mécanismes de la vision et établir une méthode représentative de la gêne, le Flicker doit être évalué sur une période de temps suffisamment représentative. De plus, en raison de la nature aléatoire du Flicker provoqué par certaines charges, il faut admettre que pendant cette période le niveau instantanée de Flicker peut varier considérablement et de façon imprévisible. Un intervalle de 10 Min a été jugé comme étant un bon compromis. Il est assez long pour éviter d’accorder trop d’importance à des variations isolées de tensions. Il est aussi assez long pour permettre à une personne non avertie de remarquer la perturbation et sa persistance, mais il est en même temps assez court pour permettre de caractériser de façon fine un matériel perturbateur avec un long cycle de fonctionnement. Les gênes sont détectées à partir d’un Pst égal à 1. La période 10 min sur laquelle a été basée l’évaluation de la sévérité du Flicker de courte durée est valable pour l’estimation des perturbations causées par des sources individuelles telles que les laminoirs, pompes à chaleurs ou appareils électrodomestiques. Dans les cas ou l’effet combiné de plusieurs charges perturbantes fonctionnant de manière aléatoires (par exemple postes de soudure, moteurs) doit être pris en compte, ou quand il s’agit de sources de Flicker à cycle de fonctionnement long ou variable ( four électrique à arc ), il est nécessaire d’utiliser un critère pour évaluer la perturbation ainsi créée sur une longue durée. La sévérité du Flicker pendant un temps long, Plt, sera déduite des valeurs de la sévérité du Flicker pendant des temps courts, Pst, sur une durée appropriée liée au cycle de fonctionnement de la charge ou sur une période pendant laquelle un observateur peut être sensible au Flicker, par exemple quelques heures. Dans le C.A 8350, le temps est fixé à 120 min. Flicker, quelques explications :

32 Puissances, Énergies, Perturbations – 32 Variation de fréquence EN 50160 : La valeur moyenne de la fréquence fondamentale mesurée pendant 10 secondes sur des réseaux de distribution doit être comprise dans l’intervalle : 50 Hz ±1 % pendant 95 % d’une semaine. Déséquilibre EN 50160 : Le déséquilibre est définit par l’écart de symétrie du système triphasé, caractérisé par l’égalité des modules de tension en valeur efficace et leurs déphasages relatifs. Pour chaque période d’une semaine, 95% des valeurs efficaces calculées sur 10 min de la composante inverse de la tension d’alimentation doit se situer entre 0 et 2% de la composante directe. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)

33 Puissances, Énergies, Perturbations – 33 Les harmoniques et les inter-harmoniques Origine: présence de charges non linéaires sur le réseau EN 50160 : la valeur moyenne sur 10 min de la valeur efficace des harmoniques ne doit pas dépasser la valeur limite définie, pour chaque rang, en pourcentage de la tension nominale Un pendant 95% d’une semaine. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) Exemple : H3:5%, H5:6%, H7:5%, H9:1.5%, H11:3.5%….) Le taux global d’harmoniques (THD) ne doit pas excéder 8% de l’amplitude de la fondamentale.

34 Puissances, Énergies, Perturbations – 34 COMMENT MESURER ? Il existe 4 groupes de produits dans le domaine de l’analyse d’énergie : de l’analyse d’énergie : Groupe 1 : Appareils de diagnostic en monophasé Groupe 2 : Appareils simplifiés de terrain pour l’analyse de 1 er niveau en mono ou triphasé équilibré Groupe 3 : Appareils de terrain d’enregistrement et d’analyse en T3FNE Groupe 4 : Appareils complexes d’analyse de haut niveau

35 Puissances, Énergies, Perturbations – 35 LES PINCES DE PUISSANCES MX 240 MX 2040 LES ACCESSOIRES OPTIONNELS ADP 1 Sortie analogique Courant ADP 2 Sortie analogique Courant Tension Puissance Résistance ADP 3 Sortie RS 232 Tout paramètres SX-DCOM Le logiciel de traitement de données

36 Puissances, Énergies, Perturbations – 36 LES PUISSANCEMÈTRES PX 110 Monophasé PX 120 Monophasé et Triphasé HX 0011 Commutateur de Wattmètre HX 0012 Transfo Multirapport Liaison RS 232 optique HX 0013 Logiciel de traitement de données

37 Puissances, Énergies, Perturbations – 37 LES PINCES PUISSANCES ET HARMONIQUES La pince Wattmétrique F 27

38 Puissances, Énergies, Perturbations – 38 L’ANALYSEUR DE PUISSANCES & D'HARMONIQUES QUALISTAR C.A 8334

39 Puissances, Énergies, Perturbations – 39 MISE EN SITUATION DE QUELQUES APPAREILS DE MESURAGE EN MILIEU INDUSTRIEL MISE EN SITUATION DE QUELQUES APPAREILS DE MESURAGE EN MILIEU INDUSTRIEL

40 Puissances, Énergies, Perturbations – 40