Harmoniques – TP - Le Web Pedagogique
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LYCÉE ST GATIEN BTS Pollution d’un réseau ÉLECTROTECHNIQUE TRAVAUX PRATIQUES Système : Harmonique de courant Puissance déformante Facteur de puissance et cos Sensibilisation à la CEM 1. Présentation du problème Sous tension sinusoïdale de fréquence 50Hz, seul un courant sinusoïdal et de même fréquence 50 Hz apporte la puissance active nécessaire à l’équipement alimenté par cette tension. Or, la plupart du temps, les appareils n’appellent pas un courant purement sinusoïdal : le courant est plus ou moins déformé (par rapport à la sinusoïde). Ainsi, seul le fondamental à 50 Hz de ce courant déformé contribue, avec la tension, à l’apport de la puissance active consommée par l’équipement. Les harmoniques de courant n’apportent pas cette puissance (car leurs fréquences sont différentes de 50 Hz) mais contribuent malheureusement à augmenter inutilement l’intensité efficace du courant véhiculée par les câbles d’alimentation. Plusieurs normes existent pour cadrer ce sujet et parmi les plus importantes : CEI 61000-1-1 : Pour définir les harmoniques. CEI 61000-2-1 à 5 : Pour les réseaux basse fréquence et transmission. CEI 61000-3-2 à 6 : Pour les limites d'émission de courant harmonique. CEI 61000-4-1 à 15 : Pour les essais et les immunisations des matériels. EN 50160 : Pour les caractéristiques de la fourniture de la tension par les réseaux publics. Le guide UTE C15-105 : Pour le dimensionnement des câbles en présence d'harmoniques. 2. Manipulation Banc de test : oscilloscope numérique / PC / … (à préciser) Equipement de mesures : analyseur de réseau Chauvin Arnoux CA8332B, en mode ‘’Harmoniques’’ Oscilloscope numérique (facultatif) Un ordinateur alimenté sous 230V possède une allure de courant non sinusoïdal. Son allure est typique d’une alimentation redressée par un pont de Graetz avec lissage capacitif. Effectuer le montage ci-contre. Programmer l’analyseur de réseau CA8332B pour une visualisation de la tension et du courant aux bornes de l’équipement testé. Nb : plusieurs boucles de courant, permettant de ‘’multiplier’’ la valeur du courant sont mises à disposition, compte tenu de la valeur minimale de lecture de la pince MN93A. P 1 sur 8 Visualiser l’allure de la tension et du courant grâce au montage ci-dessus. Représenter les oscillogrammes correspondants Relever les informations suivantes : Information Courant efficace dans la ligne Tension efficace aux bornes de l’ordinateur Puissance active P Puissance réactive Q Puissance apparente S Facteur de puissance PF Cos Valeur DPF Représenter l’allure des spectres en fréquence de la tension et du courant de ligne. Spectre en tension P 2 sur 8 Spectre en courant Relever également les taux d’harmoniques en tension (THDV) et en courant (THDI). Rang Fréquence Tension (%) Courant (%) 1 f1 = 50 Hz 100 100 3 f3 = 5 f5 = 7 f7 = 9 f9 = 11 f11 = 13 f13 = 15 f15 = 17 f17 = 19 f19 = 21 f21 = …. fn = THD (%) Note : Les courants harmoniques sont les composantes sinusoïdales d'un courant électrique périodique décomposé en série de Fourier. Les harmoniques ont une fréquence multiple de la fréquence fondamentale, généralement de 50 ou 60 hertz dans les réseaux électriques. Les tensions harmoniques possèdent une définition analogue. La théorie des harmoniques et les séries de Fourier Mathématiques. seront reprises en Physique Appliquée et en P 3 sur 8 3. Exploitation des résultats 1- Facteur de puissance et cos Les mesures du facteur de puissance (PF) et du cos (DPF) donnent-ils un résultat différent ? Qu’en conclure ? Donner la différence de définition entre le facteur de puissance (PF) et le cos (DPF) 2- Taux de distorsion harmonique En reprenant les résultats tirés de l’analyse spectrale et en vous aidant des annexes (cf ‘’calcul du taux de distorsion harmonique’’), recalculer ces taux d’harmonique et comparer les résultats obtenus avec les taux THDV / THDI donnés par l’analyseur de réseau. Conclure. P 4 sur 8 D’après vos résultats et selon la norme NF C 15-105 (cf annexe), le réseau électrique considéré est-il ‘’pollué’’ en tension, en courant ? Justifier. 3- Puissance déformante (D, unité VAD) La puissance déformante est directement liée à la présence des harmoniques de courant Qu’appelle t’on puissance déformante (cf Internet) ? Calculer la puissance déformante D = √S² − (P 2 + Q2 ) que génère l’équipement testé. 4- Impact sur le courant de ligne et le choix de la section On considère une installation électrique monophasée en PVC3 véhiculant 19A. A l’aide des annexes, donner la section du câble cuivre pour la phase et le neutre (méthode de pose B) o En l’absence de perturbation réseau o Avec votre taux THDI précédemment calculé Conclure sur la nécessité de combattre les harmoniques P 5 sur 8 ANNEXES 1. Mode de représentation : le spectre en fréquence Le spectre est un histogramme fournissant l’amplitude de chaque harmonique en fonction de son rang. Son examen permet d’apprécier à la fois quels sont les harmoniques en présence et leur importance respective 2. Calcul du taux de distorsion harmonique L’une des solutions destinées à déceler la présence d’harmoniques est le calcul du THD, taux de distorsion harmonique. Il en existe 2 sortes : en tension (apparaît à la source) en courant (dû aux charges). Ce taux de distorsion harmonique correspond au rapport entre la réelle valeur efficace de l’harmonique d’un signal (U ou I) et sa valeur efficace à la fréquence du fondamental. Taux de distorsion harmonique en tension : THDV = Taux de distorsion harmonique en courant : THDI = √∑k>2 V2 k V1 √∑k>2 I2k I1 Lorsque le THD est égal à zéro, on peut conclure qu’il n’y a pas d’harmoniques sur le réseau. P 6 sur 8 3. Prise en compte des courants harmoniques par la norme NF C 15-105 (extraits) 3.1. analyse prévisionnelle du taux de distorsion harmoniques en courant de rang 3 et multiple de 3. Taux d’harmoniques Effets prévisibles THDU < 5 % et THDI < 10 % Néant 5 % < THDU < 8 % ou Pollution significative, 10 % < THDI < 50 % effets nuisibles possibles Pollution forte, THDU > 8 % et THDI > 50 % dysfonctionnement probables Taux d’harmoniques de rang 3 Courant non négligeable en courant > 15 % dans le neutre 3.2. Choix de la section de phase en l’absence de facteur de correction 3.3. Choix de la section du neutre selon NF C 15-105 P 7 sur 8 si Taux d’harmoniques de rang 3 (et multiple de 3) < 15% pas de modification o calcul des sections des câbles de phases o mise en œuvre de l’équilibrage des phases o application de la règle du 1/2 neutre protégé Cu Al Sphase Sneutre Sphase Sneutre 16 Sph 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 16 25 35 25 50 35 70 50 95 70 120 70 150 95 185 120 240 150 300 185 400 25 35 35 50 70 70 95 120 150 185 25 Sph Si 15% < Taux d’harmoniques de rang 3 < 33 % o calcul des sections des câbles de phases o mise en œuvre de l’équilibrage des phases o application de la section de phase au câble du neutre si Taux d’harmoniques de rang 3 > 33 %, o calcul de la section des câbles de phases o mise en œuvre de l’équilibrage des phases application d’un coefficient de 1,45 sur l’intensité nominale I phase pour calculer Ineutre calcul de la section du câble neutre. P 8 sur 8
