Étude par simulation des effets des harmoniques et de la puissance

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
Faculté des Sciences Appliquées
Département de Génie Electrique
Mémoire
MASTER ACADEMIQUE
Domaine : Sciences et technologies
Filière : Électrotechnique
Spécialité : Réseaux électriques
Présenté par :
MIDOUNE Nasreddine
HIKA El-Mehdi
‫ميدون نصرالدين‬
‫حيقة المهدي‬
Thème :
Étude par simulation des effets
des harmoniques et de la puissance
réactive sur le réseau électrique
Soutenu publiquement
Le : 31/05/2016
Devant le jury :
Mr REZOUG Mohamed Redah
MA (A)
Président
UKM Ouargla
Mme BENBOUZA Naima
MA (A)
Encadreur/rapporteur
UKM Ouargla
Mr TAIBI Djamel
MA (A)
Co-Encadreur
UKM Ouargla
Mr BOUAKAZ Wahid
MA (A)
Examinateur
UKM Ouargla
Année Universitaire 2015/2016
DÈDICACES
Nous dédions cette œuvre qui est l’aboutissement de
plusieurs années de sacrifice, aux êtres les plus chers au monde.
nos pères et nos chères mères qui n’ont ménages aucun effort
moral et matériel pour nous prêter leurs assistances indéfectibles.
que Dieu les protèges.
À nos frères et nos sœurs.
À nos professeurs auxquels nous rendons un grand
hommage pour la science et le savoir prodigués tout au long de
notre cursus universitaire. Ce qui nous a permis de réaliser ce
mémoire duquel ils tireront toute leur fierté et qui, nous
espérons, sera à la hauteur de leurs espérances.
Ma belle-famille notamment ma belle-mère.
À mes amis.
A tous ceux qui m’ont aidés à réaliser ce mémoire.
Nasreddine & El-Mehdi
REMERCIEMENTS
Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au département
d'électrotechnique de l'université KASDI MERBAH-OUARGLA
Nos remerciements vont tout premièrement à Dieu tout puissant pour la
volonté, la santé et la patience, qu'il nous a donné durant toutes ces longues
années.
Nous tenons également à exprimer nos vifs remerciements à nos encadreurs
Mme BENBOUZA Naima et Mr.TAIBI Djamel pour nous avoir d'abord
proposé ce thème, pour le suivi continue tout au long de la réalisation de cette
thèse et qui n’ont pas cessé de nous prodiguer leurs conseils et remarques.
Nos remerciements aux agents de la société gestion du réseau de transport de
l’électricité (GRTE) filiale SONELGAZ notamment monsieur
BOUKHALIFA Ahmed qui nous a encadrés durant notre stage pratique.
Nos sincères remerciements à messieurs les membres du jury pour l'honneur
qu'ils nous ont fait en participant au jugement de ce travail.
Nos remerciements vont aussi à tous les enseignants du département
d'électrotechnique qui ont contribuer à notre formation.
Enfin nous tenons à exprimer notre reconnaissance à tous nos amis et
collègues pour leur soutien moral et matériel
Hika El-Mehdi & Midoune Nasreddine
Sommaire
 Dédicaces
 Remerciements
 Sommaire
 Liste des Figures
 Liste des Tableaux
 Liste des Acronymes et Symboles
 Introduction Générale...........................................................................................................01
CHAPITRE I : GÈNÈRALITÈS SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
I.1.INTRODUCTION...............................................................................................................02
I.2.Classification des réseaux électriques..................................................................................02
I.2.1.Classification des réseaux électriques Par niveau de tension.........................................02
a. Réseau de transport et répartition...................................................................................02
b. Le réseau de distribution................................................................................................03
I.2.2.Classification des réseaux électriques selon la fonction.................................................04
a. Réseaux domestiques.....................................................................................................04
b. Réseaux industriels........................................................................................................04
c. Réseaux distribution......................................................................................................04
d. Réseaux répartition........................................................................................................04
e. Réseaux transport..........................................................................................................04
f. Réseaux d’interconnexion.............................................................................................04
I.2.3.Les différentes structures des réseaux électriques.........................................................04
I.2.3.1.Réseau radial en étoile..............................................................................................04
I.2.3.2.Réseau en boucle......................................................................................................05
I.2.3.3.Réseau maillé ou connecté.......................................................................................05
I.2.4.Choix de système et de la fréquence..............................................................................06
I.2.5.Choix de type et de structure des réseaux BT.................................................................06
I.2.6.Différents types de branchement...................................................................................06
I.2.7.Les postes de transformation MT/BT............................................................................06
I.3.Les phénomènes électriques dans réseaux électriques..........................................................07
I.3.1.Tensions harmoniques....................................................................................................07
I.3.2.Déséquilibre de tension..................................................................................................07
I.3.3.Coupures brèves (Durée < 1Min)...................................................................................08
I.3.4.Creux de tension.............................................................................................................08
I.3.5.Surtension temporaires...................................................................................................09
I.3.6.Variation de fréquence...................................................................................................09
I.3.7.Variations rapides de tension..........................................................................................09
I.4.CONCLUSION ...................................................................................................................10
CHAPIRE II : ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
II.1.INTRODUCTION..............................................................................................................11
II.2. Définition des harmoniques...............................................................................................11
II.2.1.Les perturbations harmoniques.....................................................................................11
II.2.2.Caractéristiques d’un signal..........................................................................................12
II.2.2.1.Rang d’un harmonique............... .............................................................................12
II.2.2.2.Réprensentation spectrale.......................................................................................12
II.2.3. Problématique des harmoniques..................................................................................12
II.2.4.Notion des Charges.......................................................................................................13
II.2.4.1. Exemples de Charges Non-linéaires......................................................................14
II.2.4.2.Décomposition d'un courant distordu périodique en série de Fourier......................15
II.2.5. Valeur caractérisant un signal déformé........................................................................16
II.2.5.1. Valeur efficace d’une grandeur déformée..............................................................16
II.2.5.2.Taux individuel.......................................................................................................17
II.2.5.3. Taux de distorsion harmonique global (%)............................................................17
II.2.5.4. Facteur de crête......................................................................................................18
II.2.5.5. Facteur de puissance..............................................................................................18
a. Les représentations graphiques......................................................................................18
II.2.5.6. Facteur de déphasage.............................................................................................19
II.2.5.7. Facteur de déformation..........................................................................................19
II.2.6. Les inter-harmoniques.................................................................................................20
II.2.7. Les infra-harmoniques.................................................................................................20
II.2.8. Impédance harmonique................................................................................................20
II.3. Les harmoniques et les grandeurs électriques....................................................................21
II.3.1. Courant harmonique.....................................................................................................21
II.3.1.1. Les principales sources de courants harmoniques..................................................21
a. Les moteurs asynchrones...............................................................................................21
b. L’éclairage (public ou domestique) ...............................................................................22
c. Les fours à arc................................................................................................................22
d. Les convertisseurs statiques de forte puissance........................................................23
II.3.2.Tension harmonique.....................................................................................................24
II.3.2.1. Appareils générant des tensions harmoniques.......................................................24
a. Les alternateurs..............................................................................................................24
b.Les transformateurs.......................................................................................................25
c. Les charges électrodomestiques....................................................................................25
II.4.Les effets des harmoniques sur le Réseau électrique..........................................................25
II.5.Mesures et prévention des harmoniques............................................................................ 25
II.5.1.Mesures des harmoniques.............................................................................................25
II.6.La puissance active et réactive et appartenant....................................................................26
II.6.1. La Puissance Réactive..................................................................................................26
II.6.1.1.Importance de la puissance réactive........................................................................27
II.6.1.2.Transport de la puissance active et réactive............................................................27
a. Impédances séries..........................................................................................................28
b.Susceptance shunt..........................................................................................................28
II .6.1.3.Les contrôles dans le problème tension / puissance réactive.................................28
a. Chute de tension sur une ligne.......................................................................................29
b.Contrôle de la tension....................................................................................................30
II.7.CONCLUSION..................................................................................................................31
CHAPITRE III : DEPOLLUSTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
III.1.INTRODUCTION…........................................................................................................ 32
III.2. Solution de filtrage des dépollutions harmoniques...........................................................32
III.2.1.Les filtrages passifs..................................................................................................... 32
III.2.1.1. Classification des filtres passifs............................................................................32
a. Filtre passif série............................................................................................................33
b.Filtre passif parallèle..................................................................................................... 33
III.2.1.2. Différents types de filtres parallèles......................................................................33
a. Inductance anti-harmonique..........................................................................................33
b.Filtre résonant................................................................................................................34
c. Filtre amorti...................................................................................................................35
III.2.2 Les Filtrages actifs....................................................................................................36
III.2.2.1. Classification des filtres actifs...........................................................................36
a. Filtres actif parallèle (FAP)...........................................................................................36
b.Filtres actif série (FAS)..................................................................................................37
c. Filtrage à structure hybride............................................................................................37
d.Filtre universel (FU) .....................................................................................................38
III.3.La Compensation de la puissance réactive.........................................................................39
III.3.1.Les dispositifs conventionnels.....................................................................................39
III.3.2. Les groupe de production (générateurs) ....................................................................40
III.3.3. Les condensateurs.......................................................................................................40
III.3.4.Les inductances........................................................................................................... 40
III.3.5. Les compensateurs synchrones...................................................................................40
III.3.6.Les compensateurs statiques........................................................................................40
III.4.Composantes active et réactive du courant et de la puissance............................................41
III.4.1. Composantes active et réactive du courant..................................................................41
III.4.2. Composantes active et réactive du de la puissance......................................................41
III.4.3.Choix du type de compensation...................................................................................42
a. Compensation fixe.........................................................................................................42
b.Compensation automatique...........................................................................................42
III.4.4. Compensation d’énergie réactive en présence d'harmoniques....................................42
III.5.La problématique de l’énergie réactive en milieu industriel..............................................42
III.6.CONCLUSION.................................................................................................................43
CHAPITRE IV : COMPENSATION DE PUISSANCE RÈCTIVE ET CHARGE NON –LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUE
IV.1. INTRODUCTION............................................................................................................44
IV.2. Partie simulation...............................................................................................................44
IV.2.1. Simulation de la charge non linéaire..........................................................................44
IV.2.2.Compensation de l’énergie réactive............................................................................46
IV.2.2.1.Dimensionnement.................................................................................................46
IV.2.2.2.Compensation de l’énergie réactive par condensateur seul....................................47
IV.2.2.3.Compensation de l’énergie réactive par condensateur associé à une inductance...49
IV.3.Études des perturbations des réseaux électriques-phénomènes harmoniques..................51
IV.3.1.Présentation de l’équipement......................................................................................51
IV.3.2.Descrption de la partie commande..............................................................................52
a. Sur la face avant (porte)................................................................................................52
b.Utilisation des filtres......................................................................................................53
c. A l’intérieur de partie commande..................................................................................53
IV.3.3.Descrption de la partie opérative.................................................................................54
a. Sur le dessus..................................................................................................................54
b.A l’intérieur, en haut.....................................................................................................54
c. En dessous.....................................................................................................................55
d.Utilisation des lampes....................................................................................................55
IV.4.Étude comparative des différentes charges « CAS PRATIQUE ».....................................60
IV.4.1.Résultats de Simulation...............................................................................................61
IV.5.CONCLUSION.................................................................................................................62
CONCLUSION GENERALE...................................................................................................63
LISTE DES FIGURES
CHAPITRE I
Figure.I.1.Schéma général du transport d'électricité.................................................................03
Figure.I.2.Structure étoile.........................................................................................................05
Figure.I.3.Structure radiale ou bouclée.....................................................................................05
Figure.I.4.Structure maillée......................................................................................................05
Figure.I.5.Poste en cabine maçonnée........................................................................................07
Figure.I.6.Poste aérien sur poteau ou pylône............................................................................07
Figure.I.7.La différence entre régime triphasé équilibre et déséquilibre des tensions..............08
Figure I.8.Creux et coupures de tension....................................................................................09
CHAPIRE II
Figure II.1.Exemple Réprensentation spectrale........................................................................12
Figure.II.2.Exemple d’un courant distordu et sa décomposition en composantes Harmonique.13
Figure.II.3. (a).Charge linéaire (b).Charge non-linéaire............................................................13
Figure.II.4.Onde déformée et sa décomposition........................................................................16
Figure.II.5.Représentations graphiques....................................................................................18
Figure II.6.Diagramme de Fresnel des puissances.....................................................................19
Figure II.7.Réprésentation d’inter-harmoniques et d’infra-harmoniques..................................20
Figure.II.8.Moteur asynchrone triphasée..................................................................................22
Figure.II.9.L’éclairage (public ou domestique) ........................................................................22
Figure.II.10.Le four à arc alimenté en courant Alternatif et courant continu.............................23
Figure II.11.Circuit équivalent en π d'une ligne électrique........................................................27
Figure II.12.Impédance série d’une ligne électrique.................................................................28
Figure II.13.Susceptance shunt d'une ligne électrique...............................................................28
Figure II.14.Circuit équivalent du réseau électrique..................................................................29
Figure II.15.Diagramme vectoriel associé au circuit précédent.................................................29
CHAPITRE III
Figure III.1.filtre passif série.....................................................................................................33
Figure III.2.filtre passif parallèle...............................................................................................33
Figure III.3.Raccordement d'une inductance anti-harmonique.................................................34
Figure III.4.Installations de filtres résonants.............................................................................34
Figure III.5.Filtres amortis passe-haut......................................................................................35
Figure III.6.Installation d’un filtre amorti.................................................................................35
Figure III.7.Schéma de principe du filtrage actif parallèle........................................................37
Figure III.8.Schéma de principe du filtrage actif série...............................................................37
Figure III.9.Filtre active série et filtre passif parallèle.............................................................38
Figure III.10.Filtre actif série connecté en série avec un filtre passif parallèle..........................38
Figure III.11.Filtre actif parallèle avec filtre passif parallèle.....................................................39
Figure III.12.Combinaison parallèle-série des filtres actifs.......................................................39
Figure.III.13.Composition vectorielle des courants..................................................................41
Figure III.14.Composition vectorielle des puissances...............................................................41
CHAPITRE IV
Figure.IV.1.Schéma de simulation de la charge non-linéaire.....................................................44
Figure.IV.2.La tension à l’entrée du pont tout thyristors et Courant alternatif...........................45
Figure.IV.3.Les graphes la puissance active (P) et la puissance réactive (Q) ............................45
Figure.IV.4.La décomposition spectrale de ia(t)......................................................................46
Figure.IV.5.Schéma de simulation du montage avec le condensateur de compensation............47
Figure.IV.6.Lse Courants ia (t) et ir (t) et ic (t) ........................................................................48
Figure.IV.7.La décomposition spectrale de ir(t) et ic(t)..........................................................48
Figure.IV.8.Schéma de simulation inductance en série avec le condensateur de compensation49
Figure.IV.9. Les Courants 𝑖𝑟 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑐 (𝑡)...................................................................................50
Figure.IV.10.La décomposition spectrale de ir(t) et ic(t)........................................................51
Figure.IV.11.HarmoCem vue de face (partie commande et partie opérative) .........................52
Figure.IV.12.Partie Commande-Face Avant.............................................................................52
Figure.IV.13.Les filter S1, S2, S3, S4 ET filter CEM S5.........................................................53
Figure.IV.14.Les condensateurs................................................................................................53
Figure.IV.15.Les Selfs..............................................................................................................54
Figure.IV.16.Partie opérative, face avant.................................................................................54
Figure.IV.17.Les différents type des lampes............................................................................55
Figure.IV.18.Moteur asynchrone..............................................................................................55
Figure.IV.19.Les interrupteurs des lampes...............................................................................55
Figure.IV.20.Traveaux Pratique................................................................................................56
Figure.IV.21.Capteur de courant ACS712................................................................................58
Figure.IV.22.La carte Arduino uno...........................................................................................58
Figure.IV.23.Les éléments de la carte Arduino Uno R3...........................................................59
Figure.IV.24.Schéma d’acquisition du courant et la tension....................................................60
Figure.IV.25.Présentation spectral compensation harmonique du courant la tension............. 61
Figure.IV.26.Présentation spectral compensation harmonique du courant la tension..............62
LISTE DES TABLEAUX
Tableau.II.1.Spectres de courant harmonique émis par les équipements perturbateurs.............14
Tableau.II.2.THDi pour diverses charges non linéaires.............................................................17
Tableau.II.3.Limite des composants harmoniques en courant...................................................21
Tableau.II.4.Niveaux de compatibilité des harmoniques en tension..........................................24
Tableau.IV.1.Taux de distorsion harmonique (𝑇𝐻𝐷)...............................................................46
Tableau.IV.2.Valeur efficace du fondamental et des harmoniques de rang 3, 5 et 7...................49
Tableau.IV.3.Valeur efficace du fondamental et des harmoniques de rang 3, 5 et 7...................51
Tableau.IV.4.Matérielles de l’utilisation et principe de fonctionnement tous l’élément............57
LISTES DES
ACTONYMES ET SYMBOLES
 Actonymes
THT
Très Haute Tension
HT
Haute Tension
MT
Moyenne Tension
BT
Basse Tension
THD
Taux de Distorsion Harmonique
THDi
Taux de Distorsion Harmonique Courant
THDv
Taux de Distorsion Harmonique Tension
CEI
Commission Électrotechnique Internationale
GTO
Gate Turn Off
IGBT
Transistors Bipolaires a Gachette Isolee
FAP
Filtre Actif Parallèle
FAS
Filtre Actif Série
FAH
Filtre Actif Hybride
FU
Filtre Universel
UPQC
Unified po3wer Quality Conditioner
HarmoCem Compatibilité Électromagnétique
 Symboles
f1
Fréquence Fondamentale
fc
Facteur de crête
fp
Facteur de puissance
fd
Facteur de déformation
i
Le courant
D
Les effets de la distorsion harmonique
h
Rang harmonique
Ti
Taux individuel
Gc
Valeur crête
Geff
Valeur efficace
P
Puissance Active
Q
Puissance Réactive
S
Puissance Apparente
V1
La valeur efficace de la tension du rang h
INTRODUCTION
GÈNÈRALE
INTRODUCTION GÈNÈRALE
_________________________________________________________________________________
Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures énergétiques plus ou moins disponibles
permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs
d'électricité. Il est constitué de lignes électriques exploitées à différents niveaux de tension,
connectées entre elles dans des postes électriques. Les postes électriques permettent de répartir
l'électricité et de la faire passer d'une tension à l'autre grâce aux transformateurs.
Un réseau électrique doit aussi assurer la gestion dynamique de l'ensemble (production
- transport – consommation) mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de
l'ensemble.
L’énergie électrique est généralement distribuée sous la forme de trois tensions constituant un
système sinusoïdal triphasé. Un des paramètres de ce système est la forme d’onde qui doit être la
plus proche possible d’une sinusoïde.
La correction de la forme d'onde est rendue nécessaire si la déformation dépasse certaines
limites, souvent atteintes dans les réseaux possédant des sources de perturbations harmoniques
tels que : fours à arc, convertisseurs statiques de puissance, ou encore certains types d'éclairage,
etc.
Un autre problème affectant le bon fonctionnement du réseau électrique c’est celui de la
puissance réactive. En effet L’énergie consommée est composée d’une partie “active”, transformée
en chaleur ou mouvement, et d’une partie “réactive” transformée par les actionneurs électriques
pour créer leurs propres champs électromagnétiques. L’utilisateur ne bénéficie que de l’apport
énergétique de la partie “active” ; la partie “réactive” ne peut pas être éliminée, mais doit être
compensée par des dispositifs appropriés. L’énergie totale soutirée au réseau de distribution sera
ainsi globalement réduite. Ce mémoire est composé de quatre chapitres
Dans le premier chapitre on a donné un aperçu général sur les réseaux électriques depuis la
production jusqu’à la consommation et sur les différents phénomènes affectant le bon
fonctionnement de ce système.
Dans le deuxième chapitre on a présenté les deux problèmes de la puissance réactive et la
pollution des harmoniques
Dans le troisième chapitre on a présenté les différentes solutions pour la dépollution harmonique
et la compensation de la puissance réactive.
Le dernier chapitre est composé de deux parties : la première porte sur l’étude par simulation
de la compensation de la puissance réactive et la dépollution des harmoniques générés par une
charge non linéaire alimenté par le réseau électrique.
La deuxième partie concerne une étude pratique faite au sein du centre de formation à ouargla
dans laquelle on a étudié le phénomène des harmoniques et leur dépollution
En fin une conclusion générale est faite sur le travail et les résultats obtenus.
1
CHAPITRE I
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
________________________________________
I.1. Introduction
Les réseaux électriques sont un ensemble d'infrastructures énergétiques permettant
d'acheminer l'énergie électrique des centres de production centrale vers les consommateurs.
Les entreprises chargées de la production et de la livraison de l’énergie électrique se fixent
comme objectifs principaux :
 Assurer au client la puissance dont il a besoin.
 Fournir une tension stable.
 Fournir une fréquence stable.
 Fournir l’énergie à un prix acceptable.
 Maintenir des normes de sécurité.
 Veiller à la protection de l’environnement.
 Assurer la livraison des puissances actives et réactives demandées par les utilisateurs
 Éviter que les perturbations générées par un utilisateur ne se répercutent sur les autres,
en choisissant des dispositifs de protection convenables.
Ces critères sont indispensables tant pour le bon fonctionnement du réseau que pour le
maintien de la qualité de service.[1]
I.2.Classification des réseaux électriques
I.2.1.Classification des réseaux électriques Par niveau de tension
Le réseau est structuré en plusieurs niveaux, assurant des fonctions spécifiques et
caractérisés par des tenions adaptées à ces fonctions. On distingue :
a. Réseau de transport et de répartition
Le rôle du réseau aérien de transport est d’acheminer l’énergie électrique à partir des
centrales situées à différents endroits du territoire jusqu’au réseau de distribution qui en
dernier lieu alimente les charges. Les lignes de transport assurent aussi l’interconnexion des
réseaux régionaux, ce qui permet, non seulement d’assurer une répartition économique de
l’énergie électrique dans les régions elles-mêmes dans les conditions normales d’exploitation,
mais aussi, un transfert inter-régional de l’énergie, dans les situations d’urgence. Les niveaux
de tension utilisés pour le transport différent d’un pays à l’autre, mais une tendance à une
normalisation existe. Font partie du réseau de transport toutes les lignes dont le niveau de
tension est supérieur à 60 kV. En Algérie les tensions usitées pour le transport sont de 90 𝑘𝑉,
150 𝑘𝑉, 220 𝑘𝑉, 400 𝑘𝑉.Aux États-Unis, les tensions sont normalisées à
69 𝑘𝑉, 115 𝑘𝑉, 138 𝑘𝑉, 161 𝑘𝑉, 230 𝑘𝑉, 345 𝑘𝑉, 500 𝑘𝑉, 𝑒𝑡 756 𝑘𝑉.
2
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
________________________________________
Les lignes de transport dont la tension est supérieure à 500 𝑘𝑉 sont dites à ultra haute
tension, celles dont la tension est supérieure à 150 𝑘𝑉, mais inférieure à 500 𝑘𝑉, sont dites à
très haute tension (THT).
Ces seuils varient d’un pays à l’autre. Les lignes de transport aboutissent toutes à des
sources dites de répartition. Ces dernières permettent d’assurer la commutation des lignes
d’une part, et d’abaisser la tension à des niveaux permettant la répartition de l’énergie
électrique d’autre part. Il est à noter que de très grands centres de consommation industriels
sont directement alimentés à partir du réseau de transport. [1]
La portion de réseau reliant les postes sources de répartition aux postes sources de
distribution, au travers de transformateurs abaisseurs est dite réseau de répartition. Nous
remarquerons qu’il n’existe pas de délimitation franche des niveaux de tension entre les
réseaux de transport et de répartition. Il est communément admis, que pour le réseau de
répartition, les tensions situées sont comprises entre 60 𝑘𝑉 𝑒𝑡 150 𝑘𝑉. Notons aussi que, de
grandes unités industrielles sont alimentées par le réseau de répartition.
b. Le réseau de distribution
Le réseau de distribution est la partie de réseau reliant les postes sources de distribution
aux postes de consommateurs. Les lignes du réseau primaire de distribution sont d’un niveau
de tension compris entre 5.5 𝑘𝑉 𝑒𝑡 36 𝑘𝑉 et alimentent les charges d’une zone géographique
bien précise. Certaines petites unités industrielles sont directement alimentées par le réseau
primaire moyen tension (MT). Le réseau secondaire de distribution est généralement à basse
tension pour un usage commercial et résidentiel.
En Algérie, la basse tension est de 380/220𝑉 triphasé-4 conducteurs.
Le réseau de distribution est à la fois, aérien et souterrain. Ce dernier a connu ces
dernières décennies un accroissement rapide du fait qu’il représente aujourd’hui la majeure
partie du réseau de distribution.
Figure.I.1.Schéma général du transport d'électricité
3
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
________________________________________
I.2.2.Classification des réseaux électriques selon la fonction
a.Réseaux Domestiques : Ils alimentent directement un grand nombre d’appareils
domestiques ou petits moteurs dont la puissance individuelle va de quelques dizaines de
watts à quelques KW.
b.Réseaux Industriels : ces réseaux sont généralement intérieurs aux usines, nécessitant
des puissances relativement élevées. Ils peuvent alors utiliser la BT (jusqu’à1𝐾𝑉) et
même la MT (jusqu’à10𝐾𝑉).
c. Réseaux Distribution : Ils ont pour fonction de fournir aux réseaux d’utilisation, la
puissance dont ils ont besoins. Les réseaux de distribution utilisent au moins deux
échelons de tension (BT et MT).
d.Réseaux Répartition : Ils fournissent la puissance à haute tension (HT) aux points de
livraison à la distribution (de 60 et 150 KV), à l’échelle régionale mais ne peuvent la
transiter que sur des distance limitées à quelques dizaines de kilomètres.
e. Réseaux Transport : Ils assurent l’alimentation de l’ensemble du territoire grâce à des
transits de puissance importants sur des distances atteignant plusieurs centaines de
kilomètres. Les tensions utilisées pour ces réseaux vont de (90 𝐾𝑉 à 400 𝐾𝑉)
f. Réseaux D’interconnexion : Ils constituent les liaisons entre les réseaux de transport
puissants. Les liaisons qui ont un double rôle, d’abord un rôle de sécurité en permettant
le secours réciproque entre réseaux dans le cas où un incident surgit. Un rôle
économique grâce à des échanges en fonction des prix de revient de l’énergie produite
par les différents réseaux, et dont le but de minimiser le coût total de production. Les
réseaux d’interconnexion utilisent la même gamme de tenson que les réseaux de
transport. [2]
I.2.3.Les différentes structures des réseaux électriques
Les liaisons entre les points de livraison de l’énergie et chaque centre de consommation
sont multipliées suivant l’importance qualitative et quantitative de la charge desservie. On
distingue essentiellement trois natures de structure :
 La structure radiale en étoile
 La structure radiale en boucle
 La structure maillée
I.2.3.1.Réseau radial en étoile
Il représente le réseau sous sa forme la plus simple. Les lignes partent d'un point
central, par exemple une station de transformation locale, et rayonnent depuis celui-ci. Si une
4
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
________________________________________
perturbation se produit sur ce type de réseau, l'alimentation électrique de tous les clients
rattachés à ce rayon défectueux est interrompue, jusqu'à ce que la panne soit réparée. La
panne d'une station de transformation peut paralyser tout un quartier.
Figure.I.2.Structure étoile
Structure étoile (les postes rouges représentent les apports d'énergie) :
La sécurité d'alimentation est faible puisqu'un défaut sur la ligne ou sur le poste rouge coupe
l'ensemble des clients en aval.
I.2.3.2.Réseau en boucle
L'assemblage en boucle des lignes permet de mettre hors circuit une partie de la ligne
défectueuse grâce à ses points de séparation. L'alimentation électrique est interrompue
uniquement dans cette partie jusqu'à la réparation de la panne ; le reste du réseau peut
continuer à fonctionner.
Figure.I.3.Structure radiale ou bouclée
Structure radiale ou bouclée (Les postes rouges représentent les apports d'énergie) :
La sécurité d'alimentation, bien qu'inférieure à celle de la structure maillée, reste élevée.
I.2.3.3.Réseau maillé ou connecté
Lorsque des lignes en boucle sont regroupées pour relier des points très éloignés les
uns des autres, elles forment un réseau maillé. Ce type de réseau offre une très grande fiabilité
d'approvisionnement car chaque tronçon de ligne peut être alimenté via différentes voies.
Même une défaillance sur plusieurs tronçons n'engendre pas une grosse perturbation
Figure.I.4.Structure maillée
5
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
________________________________________
Structure maillée les postes électriques sont reliés entre eux par de nombreuses lignes
électriques, apportant une grande sécurité d'alimentation
Les
réseaux
maillés
sont
surtout
construits
et
exploités
là
où
la
sécurité
d'approvisionnement d'un grand nombre de clients peut être compromise par une perturbation,
comme c'est particulièrement le cas pour les réseaux de transport et de distribution haute
tension.
I.2.4.Choix de système et de la fréquence
Les fréquences actuellement utilisées à travers le monde sont :50𝐻𝑧, notamment en
Europe, et 60𝐻𝑧, principalement en Amérique du Nord.
Une valeur commune de la fréquence permet l’interconnexion internationale des réseaux de
transport. Le cahier des charges algérien spécifie ce qui suit :
Art. 13.-La fréquence du courant distribué est fixée à 50𝐻𝑧 : elle ne doit pas varier de plus de
1,5 𝐻𝑧 en plus ou en moins de sa valeur nominale. [3]
I.2.5.Choix de type et de structure des réseaux BT
On fait le choix en fonction :
 des réseaux préexistants
 de la situation géographique
 du type d’habitat
 de la densité des charges, etc…
I.2.6. Différents types de branchement
Le branchement peut être :
 Aérien
 Aéro -souterrain
 Souterrain
I.2.7.Les postes de transformation MT/BT
On rencontre essentiellement 2 types de postes de transformation MT/BT en cabine
maçonnée, aérien sur poteau ou pylône.
a.Poste en cabine maçonnée : c’est le modèle le plus répandu actuellement. Il constitue
en lui-même une unité complète comportant le transformateur MT/BT (Matériel
d’interruption, de protection)
6
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
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Figure.I.5.Poste en cabine maçonnée
b.Poste aérien sur poteau ou pylône : ce poste est d’une conception nettement périmée à
l’heure actuelle. Sa structure électrique est rigoureusement identique à celle du poste en
cabine maçonnée, mais l’ensemble du matériel est monté à l’air libre en haut d’un
poteau.
Figure.I.6.Poste aérien sur poteau ou pylône
I.3.Les phénomènes électriques dans les réseaux électriques
I.3.1.Tensions harmoniques
Description : Les harmoniques sont des tensions ou des courants sinusoïdaux dont les
fréquences correspondent à des multiples entiers de la fréquence fondamentale
(50 𝑜𝑢 60 𝐻𝑧). On considère dans la présente définition les harmoniques de longue durée,
excluant les phénomènes transitoires isolés.
Causes : Les harmoniques sont créés par des appareils dont la caractéristique
tension/courant n’est pas linéaire, comme c’est le cas avec les convertisseurs électroniques de
puissance des entraînements de moteurs, les redresseurs utilisés pour l’électrolyse, les fours à
arc, etc. [4]
I.3.2.Déséquilibre de tension
Description : Cet indice sert à caractériser les asymétries d’amplitude et de déphasage des
tensions triphasées en régime permanent. Le taux de déséquilibre de tension est défini, suivant
7
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
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la méthode des composantes symétriques, comme le rapport existant entre le module de la
composante inverse de la tension et celui de la composante directe.
Causes : Les déséquilibres de tension qui s’appliquent aux tensions triphasées ont deux
causes principales, soient les asymétries d’impédance des lignes du réseau et les déséquilibres
de charge.
Figure.I.7.La différence entre régime triphasé équilibre et Déséquilibre des tensions
I.3.3.Coupures brèves (Durée < 1min)
Description : Les coupures brèves correspondent à la perte momentanée de la tension
d’alimentation sur toutes les phases pour des durées inférieures à 1 minute.
Causes : La plupart du temps, les coupures brèves sont dues à l'action des dispositifs de
protection des réseaux en vue d'éliminer les défauts. Sur les lignes aériennes, en moyenne
tension, il est de pratique courante d'effectuer de un à trois ré enclenchements automatiques
dans le but de réalimenter le plus rapidement possible une ligne perturbée par un défaut
fugitif. Ainsi, au lieu d'une interruption, les clients alimentés par la ligne perturbée ne
subissent qu'une à trois coupures brèves dont la durée respective peut varier de 2 à 60
secondes. Évidemment tout ré enclenchement a des répercussions sur tout le réseau en aval.
Ainsi un ré enclenchement sur une ligne de distribution moyenne tension affectera tous les
clients moyenne tension et basse tension alimentés par cette ligne. [4]
I.3.4.Creux de tension
Description : Les creux de tension sont des réductions soudaines de plus de 10% de la
tension nominale, suivies de son rétablissement après une courte durée variant entre 8
millisecondes et une minute.
Causes : Les creux de tension sont généralement attribuables à de forts appels de courant
dus à des défauts du réseau ou des installations des clients. Il s'agit d'événements aléatoires
imprévisibles pour la plupart. La fréquence annuelle de ces événements dépend largement du
type de réseau et du point d'observation, et leur répartition sur une année peut être très
irrégulière. [4]
8
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
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Figure I.8. Creux et coupures de tension
I.3.5.Surtension temporaires
Description : Les surtensions temporaires sont des hausses soudaines de la valeur efficace
de la tension de plus de 110% de la tension nominale, laquelle se rétablit après une courte
durée. Les surtensions temporaires comprennent des durées entre 8 millisecondes et une
minute.
Causes : Les surtensions temporaires peuvent être attribuables à des défauts, à des
délestages de charge ou à des phénomènes de résonance et de Ferro résonance. Le plus
souvent, elles résultent des surtensions qui se produisent sur les phases saines lors de courtcircuit monophasé à la terre, par exemple. [5]
I.3.6.Variation de fréquence
Description : La fréquence nominale de la tension alternative fournie par le réseau est
de50 𝑜𝑢 60 𝐻𝑧. Cette valeur est déterminée par la vitesse des alternateurs des centrales.
Causes de Variation : Le maintien de la fréquence d'un réseau dépend de l'équilibre établi
entre la charge et la puissance des centrales. Comme cet équilibre évolue dans le temps, il en
résulte de petites variations de fréquence dont la valeur et la durée dépendent des
caractéristiques de la charge et de la réponse de la production. Par ailleurs, le réseau peut être
soumis à des variations plus importantes dues à des défauts ou des variations de charge ou de
production qui causent des variations de fréquence temporaires dont l'amplitude et la durée
dépendent de la sévérité de la perturbation [6].
I.3.7.Variations rapides de tension
Description : Les variations rapides de tension sont des variations soudaines, mais
relativement faibles, de la tension se produisant à l'intérieur des plages définies pour
l'amplitude de la tension en régime permanent. Les variations rapides de tension
occasionnelles n'ont pas nécessairement beaucoup d'effet sur le papillotement, mais elles
peuvent perturber certains équipements et doivent par conséquent être limitées en amplitude.
9
CHAPITRE I
GÈNÈRALITÈS
SUR LE RÈSEAU D’ÈNERGIE ÈLECTRIQUE
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Causes : La plupart du temps, elles résultent de variations de la charge des clients ou de
manœuvres sur le réseau. Elles peuvent être occasionnelles ou répétitives [7].
I.4.CONCLUSION
Dans ce chapitre, nous avons présenté les différentes structures des réseaux électriques et les
différents types de perturbations affectant le réseau et qui ont des effets néfastes sur les
équipements électriques. Nous présenterons les différentes solutions existantes pour la
dépollution harmonique dans le chapitre suivant.
10
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
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II.1.Introduction
Depuis les dernières décennies, il y a une forte augmentation des charges non-linéaires
connectées au réseau électrique telles que les : ordinateurs, télécopieurs, lampes à décharge,
fours à arc, chargeurs de batterie, systèmes électronique de puissance, alimentations
électroniques [8-9].
Les conséquences sur les systèmes d'alimentation électrique deviennent préoccupantes du fait
de l’utilisation croissante de ces équipements, mais aussi de l'utilisation de composants
électronique dans presque toutes les charges électriques. En effet, une charge non-linéaire
impose au réseau un courant discontinu, déformé avec une amplitude très importante et son
fondamental est déphasé par rapport à la tension du réseau. Cette discontinuité s’accompagne
d’un inconvénient perturbant le réseau d’alimentation :
 L’injection sur le réseau de courants harmoniques
Ce qui se traduit par un facteur de puissance très faible de l’installation globale.
La présence de ces harmoniques génère des effets négatifs sur la quasi-totalité des composants
du système électrique, en créant de nouvelles contraintes diélectriques, thermiques et/ou
mécaniques ainsi que des perturbations électromagnétiques et acoustiques importantes [8 -10].
II.2. définition des harmoniques
Les harmoniques sont des tensions ou des courants sinusoïdaux dont la fréquence est un
multiple entier de la fréquence fondamentale du réseau. En général, les harmoniques pairs sont
négligeables et seuls les harmoniques impaires existent. Les principaux harmoniques présents
sont le troisième, le cinquième, le septième et le neuvième [11].
Ils sont produits dans de faibles proportions par les appareils de production et de distribution
d’électricité. La grande majorité des sources d’harmoniques sont constituées :
 De charges industrielles [10].
 Équipements d’électronique de puissance : redresseurs, onduleurs
 Charges utilisant l’arc électrique : machine à souder, éclairage (tube fluorescents), four
à arc.
 Muni de convertisseurs ou d’alimentation à découpage : four à micro-onde, ordinateur,
imprimante, téléviseur, plaque à induction.
II.2.1.Les perturbations harmoniques
Les signaux (tension et courant) relevés sur le réseau sont des signaux déformés et loin
d’être des sinusoïdes parfaites.
11
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
Un signal déformé est la superposition d’un signal fondamental (à 50 Hz) est des signaux
harmoniques de fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence du fondamental (100,
150, 200, 250…etc.). En pratique en s’intéresse qu’aux harmoniques significatifs (jusqu’au
rang 40).
II.2.2.Caractéristiques d’un signal
II.2.2.1. Rang d’un harmonique
Le rang harmonique est le rapport de sa fréquence 𝑓𝑛 à celle du fondamental, généralement
la fréquence industrielle 50Hz ou 60Hz. Par principe, le fondamental 𝑓1 a le rang 1 [12].
𝑛=
𝑓𝑛
𝑓1
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 1)
II.2.2.2. Réprensentation spectrale
C’est un histogramme donnant l’amplitude de chaque harmonique en fonction du rang.
L’amplitude est donnée en valeur relative par rapport au fondamental en un point spécifié.
Figure II.1. Exemple Réprensentation spectrale
II.2.3. Problématique des harmoniques
La problématique des harmoniques, également appelée pollution harmonique, n’est pas un
phénomène nouveau. Néanmoins, du fait que de plus en plus de charges non-linéaires se
connectent au réseau, la problématique des harmoniques est devenue très répandue.
Les charges non-linéaires provoquent une distorsion dans le courant, et donc dans la tension,
ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement des dispositifs raccordés au réseau. D’où,
l’intérêt d’éliminer ou repousser ces harmoniques vers les fréquences les plus élevées [12].
Un récepteur d’énergie est considéré par le réseau électrique comme une charge
perturbatrice s’il absorbe des courants non sinusoïdaux ou des courants déséquilibrés ou s’il
consomme de la puissance réactive. Les deux premiers types de perturbations peuvent déformer
ou déséquilibrer les tensions du réseau lorsque l’impédance de celui-ci n’est pas négligeable.
le troisième réduit la capacité de production ou de transmission de la puissance active des
générateurs, des transformateurs et des lignes électriques [13].
12
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
Les harmoniques de courant, une fois injecté par des charges non-linéaires, se propagent à
travers le réseau électrique en affectant la forme d’onde des tensions aux différents points du
réseau. Cette propagation n’est limitée que par les bifurcations (points de division des courants)
et les impédances du réseau qui dépendent généralement de la fréquence des courants
harmoniques. La présence des harmoniques de courant se révèle essentiellement à travers leurs
effets sur la tension du réseau [12].
Un signal déformé est la résultante de la superposition des différents rangs d’harmoniques
Figure.II.2. Exemple d’un courant distordu et sa décomposition
en composantes harmoniques de rang 1 (fondamental), 3, 5, et 7.
II.2.4.Notion des Charges
Les récepteurs peuvent être classés en deux familles principales [8-14]
 Les récepteurs linéaires ou charges linéaires.
 Les récepteurs non-linéaires ou charges non-linéaires.
Une charge est dite linéaire si, alimentée par une tension sinusoïdale, elle consomme un
courant sinusoïdal (résistances, capacités et inductances). Cependant, le courant et la tension
peuvent être déphasés (figure.a).
Une charge est dite non-linéaire lorsque la relation entre la tension et le courant n’est plus
linéaire. Un tel récepteur alimenté par une tension sinusoïdale, consomme un courant nonsinusoïdal. typiquement, les charges utilisant l’électronique de puissance sont non linéaires.
Or, elles sont de plus en plus nombreuses et leur part dans la consommation d’électricité ne cesse
de croître (figure.b).
Figure .II.3. (a).Charge linéaire (b).Charge non-linéaire
13
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
II.2.4.1. Exemples de Charges Non-linéaires
Les principales sources des harmoniques sont :
 Les équipements industriels (machines à souder, fours à arc, fours à induction..).
 Les variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones ou moteurs à courant continu
 Les appareils de bureautique (ordinateurs, photocopieurs, fax, …).
 Les appareils domestiques (TV, fours micro-onde, éclairage néon, …).
Tous ces systèmes contribuent à la pollution harmonique du réseau auquel ils sont connectés.
Comme par exemple Sur le (Tableau II.1) des charges non linéaires citées ci-dessus
Type de charge
Éclairage
Redresseur monophasé à
diodes avec filtrage
Alimentation à
découpage
Gradateur monophasé
(commande par angle de
phase)
Appareils concernés
Courant absorbé
Spectre Harmonique
- Tubes fluorescents
- Lampes à vapeur HP
- Micro-informatique
- Télévisions
- Lampes à ballast
électronique.
- Régulation de puissance
de fours à résistances
- Modulation de puissance
des lampes halogènes
- Machines-outils
Moteur asynchrone
- Appareils électroménagers
- Ascenseurs.
Redresseur triphasé à
thyristors
-Variation de vitesse des
moteurs à courant continu
et des moteurs synchrones
Tableau.II.1. Spectres de courant harmonique émis par les équipements perturbateurs [15]
14
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
II.2.4.2.Décomposition d'un courant distordu périodique en série de Fourier
Avec les charges non-linéaires, les courants ne sont pas sinusoïdaux et peuvent être
considérés comme la somme d’un courant sinusoïdal de 50/60 𝐻𝑧 appelé fondamental et d’une
série de courants sinusoïdaux de fréquences multiples de la fréquence fondamentale appelés
harmoniques. Le passage de ces courants harmoniques dans les impédances du réseau électrique
peut entrainer des tensions harmoniques aux points de raccordement et alors polluer les
consommateurs alimentés par le même réseau électrique.
Le courant alternatif périodique déformé absorbé par une charge non-linéaire peut être
décomposé en série de Fourier comme :
∞
𝑎0
𝑖(𝜔𝑡) =
+ ∑(𝑎𝑛 (𝑛𝜔𝑡) + 𝑏𝑛 𝑐𝑜𝑠(𝑛𝜔𝑡)
2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 2)
𝑛=1
Avec : 𝑎0 , 𝑎𝑛 , 𝑏𝑛 sont les coefficients de Fourier
1 2𝜋
𝑎0 =
∫ 𝑖(𝜔𝑡)𝑑𝜔𝑡
2𝜋 0
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 3)
1 2𝜋
𝑎𝑛 = ∫ 𝑖(𝜔𝑡) sin(𝑛𝜔𝑡)𝑑𝜔𝑡
𝜋 0
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 4)
1 2𝜋
∫ 𝑖(𝜔𝑡) cos(𝑛𝜔𝑡)𝑑𝜔𝑡
𝜋 0
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 5)
𝑏𝑛 =
L’expression du courant d’une charge non-linéaire est :
∞
𝑖(𝜔𝑡) = ∑ 𝐼𝑛 sin(𝑛𝜔𝑡 + 𝜑𝑛 )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 6)
𝑛=1
Ou : n est un nombre entier.
𝜑𝑛 : Est le déphasage de la composante harmonique à l’instant initial 𝑡 = 0 d’une autre
manière :
∞
𝑖(𝜔𝑡) = 𝐼1 sin(𝜔𝑡 + 𝜑1 ) + ∑ 𝐼𝑛 sin(𝑛𝜔𝑡 + 𝜑𝑛 )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 7)
𝑛=2

𝐼𝑛 = √𝑎𝑛2 + 𝑏𝑛2

𝜑𝑛 = 𝐴𝑟𝑐𝑡𝑔(𝑎𝑛 )
𝑏
𝑛
Les harmoniques se distinguent par leur rang, de type pair ou impair. Les harmoniques de
rang pair (2, 4, 6, 8…), très souvent négligeables en milieu industriel, s’annulent en raison de
la symétrie du signal. Ils n’existent qu’en présence d’une composante continue. Par contre, les
harmoniques de rang impair (3, 5, 7, 9…), sont fréquemment rencontrés sur le réseau électrique.
15
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
Dans le cas où il y a des variations périodiques ou aléatoires de la puissance absorbée par
certains récepteurs, on notera qu’il existe d’autres composantes harmoniques :
 Inter-harmoniques : Ce sont des composantes sinusoïdales qui ne sont pas à des
fréquences multiples de celle du fondamental : 130 Hz, 170 Hz, 220 Hz.
 Infra-harmoniques : Ce sont des composantes sinusoïdales qui sont à des fréquences
Inférieures à celle du fondamental : 10 Hz, 20 Hz.
Figure.II.4 : Onde déformée et sa décomposition.
II.2.5.Valeur caractérisant un signal déformé
II.2.5.1.Valeur efficace d’une grandeur déformée
Un procédé couramment utilisé pour décrire un signal 𝐺(𝑡) périodique de période T est
l’évaluation de sa valeur efficace :
1 𝑇
𝐺𝑒𝑓𝑓 = √ ∫ 𝐺 2 (𝑡). 𝑑𝑡
𝑇 0
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 8)
Lorsque le développement en série de Fourier d’une fonction périodique est continu, on
peut déterminer sa valeur efficace comme suit :
∞
𝐺𝑒𝑓𝑓 = √∑(𝐺ℎ )2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 9)
ℎ=1
h : Rang harmonique de rang h.
Remarque
Lorsqu’un signal comporte des composantes harmoniques, sa valeur efficace est différente de
la valeur efficace du signal fondamental. Il est donc possible d’évaluer grossièrement la
déformation du signal en comparant la valeur efficace de la composante fondamentale et la
valeur efficace [13].
16
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
II.2.5.2. Taux individuel
Il donne une mesure de l’importance de chaque harmonique par rapport au fondamental
ou C’est le rapport de la valeur efficace de l’amplitude de l’harmonique du rang h à celle du
fondamental [12].
𝐺ℎ
𝑇𝑖 (%) = 100 ( )
𝐺1
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 10)
II.2.5.3. Taux de distorsion harmonique global (%)
Il donne une mesure de l’influence thermique de l’ensemble des harmoniques, C’est le
rapport de la valeur efficace des harmoniques à celle du fondamental [12].
𝑇𝐻𝐷(%) = 100
2
√∑∞
ℎ=2(𝐺ℎ )
𝐺1
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 11)
 Taux de distorsion harmonique en courant TDHi
𝑇𝐻𝐷𝑖 (%) = 100
2
√∑∞
ℎ=2(𝐼ℎ )
𝐼1
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 12)
𝐼ℎ : Courant harmonique de rang ℎ
I1 : Fondamental de courant.
Différents taux de distorsion en courant sont proposés dans le tableau suivant [18] :
Charges Non linéaires
𝑻𝑯𝑫𝒊 (%)
Variateurs de vitesse
80
Alimentation de micro-ordinateur
70
Tubes fluorescents
>100
Tableau.II.2. THDi pour diverses charges non linéaires
 Taux de distorsion harmonique en tension TDHv
𝑇𝐻𝐷𝑣 (%) = 100
2
√∑∞
ℎ=2(𝑉ℎ )
𝑉1
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 13)
𝑉ℎ : Tension harmonique de rang h
V1 : Tension fondamentale.
Remarque
Le 𝑇𝐻𝐷𝑖 ne dépend que des valeurs efficaces du courant de charge. En revanche, le 𝑇𝐻𝐷𝑣 est
fonction des courants harmoniques, caractérisant la charge, et de l’impédance de court-circuit
imposée par le réseau Zcc
2
2
√∑∞
√∑∞
ℎ=2(𝑉ℎ )
ℎ=2(|𝑍𝑐𝑐 |. 𝐼ℎ )
𝑇𝐻𝐷𝑣 =
=
𝑉1
𝑉1
17
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 14)
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
II.2.5.4. Facteur de crête [13]
Il est défini par le rapport entre la valeur de crête d’un signal et sa valeur efficace. Il
caractérise la surtension ou la surintensité instantanée maximale subie par un appareil.
𝐹𝑐 =
𝐺𝑐
𝐺𝑒𝑓𝑓
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 15)
Gc : Valeur crête
Geff : Valeur efficace
Pour une onde sinusoïdale, le facteur de crête est égale à √2 = 1.41 une onde ayant un
facteur de crête inférieur à cette valeur (√2) sera plutôt aplatie, par contre, si le facteur est
supérieur à (√2) l’onde sera plutôt pointue.
II.2.5.5. Facteur de puissance
C’est le quotient de la puissance active consommée et de la puissance apparente fournie.
Le cos φ est le facteur de puissance qui est fondamental et ne prend pas en compte la puissance
véhiculée par les harmoniques.
 Un facteur de puissance proche de 1 indique une faible consommation d’énergie réactive
et optimise le fonctionnement d’une installation. Il permet d'identifier facilement les
appareils plus ou moins consommateur de puissance réactive.
 Un facteur de puissance égale à 1 ne conduira à aucune consommation de la puissance
réactive (résistive pure).
 Un facteur de puissance inférieur à 1 conduira à une consommation de la puissance
réactive d'autant plus importante qu'il se rapproche de 0 (inductive pure).
Dans une installation électrique, le facteur de puissance pourra être différent d'un atelier à
un autre, selon les appareils installés.
a. Les représentations graphiques
 𝑃 = 𝑆 cos(𝜑)
 𝑄 = 𝑆 Sin(𝜑)
 𝑆 = √𝑃2 + 𝑄 2
Figure II.5. Représentations graphiques
Les expressions instantanées de tension et du courant sont données par :
18
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
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∞
𝑣(𝑡) = ∑ √2𝑉𝑛 𝑆𝑖𝑛 (𝑛𝜔1 𝑡 + 𝜃𝑛 )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 16)
𝑛=1
∞
𝑖(𝑡) = ∑ √2𝐼 𝑛 𝑆𝑖𝑛 (𝑛𝜔1 𝑡 + 𝛽𝑛 )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 17)
𝑛=1
On définit la notion de puissance D permettant de rendre compte des harmoniques :
∞
𝐷 = 𝑉1 √∑ 𝑖𝑛2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 18)
𝑛=2
L'expression du facteur de puissance peut alors se mettre sous la forme suivante :
𝐹𝑝 =
𝑃
𝑆
=
𝑃
√𝑃 2 + 𝐷2 +𝑄2
= 𝐶𝑜𝑠𝜑1 . 𝐶𝑜𝑠 𝛾
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 19)
On voit bien que les harmoniques affectent aussi le facteur de puissance.
Figure II.6. Diagramme de Fresnel des puissances
Ainsi, les harmoniques de courant créent une puissance dite déformante qui dégrade le facteur
de puissance. [16]
II.2.5.6. Facteur de déphasage
Le facteur de déphasage est le rapport entre la puissance active et apparente de la
composante fondamentale [17].
𝐶𝑜𝑠 𝜑1 =
𝑃1
𝑆1
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 20)
Comme il peut être défini par le cosinus du déphasage entre les composantes
fondamentales de courant et de la tension.
𝜑1 = 𝐷é𝑝ℎ𝑎𝑠𝑎𝑔𝑒 (𝑉1 , 𝐼1 )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 21)
II.2.5.7. Facteur de déformation
Il caractérise le lien entre le facteur de puissance et le facteur de déphasage [19].
𝐹𝑑 =
𝑓𝑝
𝐶𝑜𝑠 𝜃
=
𝐶𝑜𝑠𝜑1 𝐶𝑜𝑠𝜑1
Remarque
19
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 22)
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
Dans le cas où les tensions et courants sont parfaitement sinusoïdaux, le facteur de déformation
est égal à 1 et le facteur de déphasage 𝐶𝑜𝑠𝜑1 est égal au facteur de puissance 𝐶𝑜𝑠𝜃 [12].
II.2.6. Les inter-harmoniques
Les inter-harmoniques sont des signaux de fréquence non multiples entiers de la fréquence
fondamentale (130Hz, 170Hz, 220Hz…) c'est-à-dire situées entre les harmoniques.
Certains sont émis par les charges non linéaires, d’autres sont injectés intentionnellement
par les distributeurs sur leurs réseaux pour télécommander des relais et ainsi piloter les
changements de tarification des compteurs domestiques et professionnels [13] [17].
II.2.7. Les infra-harmoniques
Ce sont des composantes sinusoïdales ou des fréquences inférieures à celles du
fondamentales : 10Hz, 20Hz, ….
La présence d’inters harmoniques ou d’infra harmoniques est due à des variations
périodiques ou aléatoires de la puissance absorbée par certains récepteurs. Dans ce cas, le signal
n’est pas périodique à une période fondamentale T, ce qui explique l’apparition de composantes
supplémentaires à celles du développement en série de Fourier [17].
Ces variations sont provoquées par des machines telles que :
 Fours à arc
 Cyclo convertisseur
 Variateurs de vitesses.
Figure II.7.Réprésentation d’inter-harmoniques et d’infra-harmoniques
Remarque
L’amplitude des harmoniques des tensions décroît avec la fréquence, selon les normes on
prend en considération les harmoniques jusqu’au rang 40 [12].
II.2.8. Impédance harmonique
L’impédance harmonique présentée par le réseau dépend de la fréquence à laquelle on la
considère. On peut définir en tout point du réseau une impédance harmonique Zn qui dépend du
rang harmonique n considéré.
elle représente la mise en parallèle de toutes les lignes qui convergent vers ce point.
20
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
Les courants harmoniques émis par une charge perturbée se propagent entre les différentes
lignes. Le produit des harmoniques du courant provenant des charges non linéaires In et de
l’impédance Zn donne une tension harmonique selon la loi d’Ohm [13].
𝑉̅𝑛 = 𝑍̅𝑛 ∙ 𝐼𝑛̅
(𝐸𝑄. 𝐼𝐼. 23)
II.3. Les harmoniques et les grandeurs électriques
II.3.1. Courant harmonique
Les courants harmoniques présents sur le réseau électrique proviennent de l’utilisation des
charges non linéaires. Ces charges se comportent approximativement comme des sources
harmoniques. L’amplitude de ces courant ne dépend que de la charge, elle est d’autant plus
élevée que la charge est importante. Le (Tableau II.3) illustre les limites des composantes
harmoniques en courant [18] [14] [19].
Harmoniques impairs
Harmoniques pairs
Rang (k)
Courant harmonique
admissible maximal (A)
Rang (k)
Courant harmonique
admissible maximal (A)
3
2.30
2
1.08
5
1.14
4
0.43
7
0.77
6
0.33
9
0.44
8 ≤ k ≤ 40
11
0.33
13
0.21
15 ≤ k ≤ 39
0.15 ×
0.23 ×
8
𝐾
15
𝐾
Tableau.II.3.Limite des composants harmoniques en courant. [19]
II.3.1.1. Les principales sources de courants harmoniques
a.Les moteurs asynchrones
En théorie, ces moteurs génèrent des ondes sinusoïdales, mais en particulier ils génèrent
certains harmoniques. Les harmoniques rencontrés s’expliquent par le fait que pour des raisons
économiques, les moteurs ne sont pas optimisés par rapport au contenu harmonique en courant.
Dans le secteur domestique et tertiaire plusieurs appareils fonctionnent avec des moteurs
asynchrones, ces derniers, étant connectés aux réseaux monophasés 220V, nécessitent des
condensateurs pour le démarrage. Certains moteurs gardent les condensateurs connectés en
fonctionnement, ce qui a une répercussion sur l’impédance harmonique [13] [20].
Les moteurs de grandes puissances produisent moins d’harmoniques que les moteurs de
faibles puissances.
21
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
Figure II.8.MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE (Germany 50140)
TAYPE : SE2662-5G 50HZ 1.1KW 400/690V 2,5/1,5A
b. L’éclairage (public ou domestique)
L’éclairage par lampes à décharge et tubes fluorescents, est générateur de courants
harmoniques. Le taux individuel d’harmonique 3 peut même dépasser 100% pour certaines
lampes fluo-compactes modernes [12].
Une attention particulière est à porter pour la détermination de la section du conducteur
neutre, qui en véhiculant la somme des courants d’harmoniques 3 dans trois phases risque un
échauffement important [12].
Figure.II.9.L’éclairage (public ou domestique)
c. Les fours à arc
Les fours à arc utilisés en sidérurgie peuvent être à courant alternatif ou à courant
continu comme illustré dans les Figures (a et b) respectivement
22
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
Figure.II.10. (a). Le four à arc alimenté en courant Alternatif et (b). Le four à arc alimenté
en courant continu
1. Cas du four à arc à courant alternatif
L’arc est non linéaire, dissymétrique et instable. Il va induire des spectres possédant des
raies impaires, paires et un spectre continu (bruit de fond à toutes les fréquences).
Le niveau spectral est en fonction du type de four, de sa puissance, de la période de
fonctionnement considérée : fusion, affinage…
2. Cas du four à arc à courant continu
L’arc est alors alimenté par l’intermédiaire d’un redresseur. L’arc est plus stable qu’en
courant alternatif. Le courant absorbé se décompose en :
 Un spectre semblable à celui d’un redresseur
 Un spectre continu de niveau inférieur à celui d’un four à arc à courant alternatif.
d. Les convertisseurs statiques de forte puissance
Le pont redresseur et en général les convertisseurs statiques (à diodes et à thyristors)
sont générateurs de courants harmoniques. Ainsi avec le pont de Graëtz, le courant continu
parfait débité, impose un courant alternatif non sinusoïdal, composé de créneaux lorsque la
charge est fortement inductive, ou de pointes lorsque le pont de diodes est suivi d’un
condensateur comme c’est souvent le cas. Malgré leur forme différente, les deux courants ont
les mêmes composantes harmoniques caractéristiques.
Dans la pratique, les spectres de courant sont sensiblement différents.
En effet de nouvelles composantes harmoniques paires et impaires dites non caractéristiques et
de faibles amplitudes sont créées.
Les amplitudes des harmoniques caractéristiques sont modifiées par plusieurs facteurs tels
que :
23
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
 La dissymétrie de construction
 L’imprécision de l’instant d’ouverture des thyristors
 Le temps de commutation
 Le filtrage imparfait [12].
II.3.2.Tension harmonique
Les normes CEI-1000-2-2 et CEI-1000-2-4 précisent le niveau des harmoniques en
tension à respecter au point de raccordement sur les réseaux de distribution respectivement
basse tension, public et industriel (Tableau II.4).
Harmoniques impairs non
Multiple de 3
Rang
Vk(%)
Harmoniques impairs
Multiple de 3
Rang
Vk(%)
Harmonique pairs
Rang
Vk(%)
5
6
3
5
2
2
7
6
9
1.5
4
1
11
3.5
15
0.3
6
0.5
13
3
21
0.2
8
0.5
17
2
>21
0.2
10
0.5
19
1.5
12
0.2
23
1.5
>12
0.2
25
1.5
>25
0.2 + 0.5 ×
25
𝑘
Tableau.II.4. Niveaux de compatibilité des harmoniques en tension. [19]
L’émission harmonique en tension due aux matériels du réseau n’est pas assez importante,
elles due aux imperfections de construction des bobinages, des machines tournantes, des
moteurs, des alternateurs et des transformateurs. (Le Tableau II.3) donne les différents niveaux
de compatibilité des harmoniques en tension.
II.3.2.1.Appareils générant des tensions harmoniques
a. Les alternateurs
Les alternateurs des centrales de production émettent des tensions à moins de 0.5%
d’harmoniques. Ces harmoniques sont liés à la qualité des bobinages et des pièces polaires qui
assurent la forme sinusoïdale de l’onde. Pour un groupe électrogène, le taux de distorsion
harmonique en tension est de 5% à vide et de 1% s’il est en pleine charge [13].
24
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
b. Les transformateurs
Les transformateurs peuvent être générateurs de tension harmonique lorsqu’ils
fonctionnent en régime saturé. Sur les réseaux, le taux de distorsion harmonique en tension dû
à ces appareils reste toujours inférieur à 1% [8].
c. Les charges électrodomestiques
Ce terme englobe tous les appareils domestiques de faible puissance tels que les
récepteurs de télévision, les magnétoscopes, les gradateurs de lumière,...etc. Ces charges sont
raccordées en grand nombre sur le réseau et, bien que de puissance unitaire réduite, elles sont
responsables d’une part importante de la pollution harmonique.
II.4.Les effets des harmoniques sur le Réseau électrique
La présence d’harmoniques de courant ou de tension conduit a des effets néfastes sur le réseau
de distribution, comme par exemple :
 L’échauffement des conducteurs, des câbles, des condensateurs et des machines est du
aux pertes en cuivre et en fer.
 L’interférence avec les réseaux de télécommunication, causée par le couplage
électromagnétique entre les réseaux électriques et les réseaux de télécommunication qui
peut induire dans ces derniers des bruits importants.
 Le dysfonctionnement de certains équipements électriques comme les dispositifs de
commande et de régulation. En présence d’harmoniques, le courant et la tension peuvent
changer plusieurs fois de signe au cours d’une demi-période. Par conséquent, les
équipements sensibles au passage par zéro de ces grandeurs électriques sont perturbes.
 Des phénomènes de résonance. Les fréquences de résonance des circuits forment par les
Inductances du transformateur et les capacités des câbles sont normalement assez élevées,
mais celles peuvent coïncider avec la fréquence d’un harmonique. Dans ce cas, il y aura
une amplification importante qui peut détruire les équipements raccordes au réseau.
 La dégradation de la précision des appareils de mesure.
 Des perturbations induites sur les lignes de communication, rayonnement
électromagnétique Notamment. [15]
II.5. Mesures et prévention des harmoniques
II.5.1.Mesures des harmoniques
La mesure de cette pollution est très importante car elle permet de caractériser les
installations et de s’assurer de la bonne qualité de l’énergie distribuée. Plusieurs critères existent
25
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
pour mesurer les perturbations harmoniques mais c’est la Distorsion Totale des Harmoniques
(en anglais, Total Harmonic Distorsion, THD) qui est le plus couramment utilise [21].
L’équation (II.24) peut être écrite sous la forme suivante [22]
∞
𝑖(𝑡) = √2𝐼1 𝑆𝑖𝑛(𝜔1 𝑡 + 𝜑1 ) + ∑ √2𝐼ℎ 𝑆𝑖𝑛 (ℎ𝜔1 𝑡 + 𝜑ℎ )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 24)
ℎ=2
𝐼1 : Valeur efficace du courant du fondamental
𝐼ℎ : Valeur efficace du courant harmonique de rang h
𝜑1 : Déphasage du courant fondamental
𝜑ℎ : Déphasage de l'harmonique de rang h
Le 𝑇𝐻𝐷 étant défini comme le rapport entre la résultante de toutes les composantes
harmoniques (ℎ ≥ 2) et le fondamental du courant peut être exprimé en pourcentage et calculé
comme suit :
√𝐼 2 − 𝐼12
𝐼ℎ
=
𝐼1
𝐼1
𝑄(𝐼𝐼. 25)
I : Valeur efficace de i(t)
𝐼ℎ : Résultante des composantes harmonique
II.6.La puissance active et réactive et apparente
Toute machine électrique utilisant le courant alternatif (moteur, transformateur) met en jeu
deux formes d’énergie :
L’énergie active et l’énergie réactive. L’énergie active consommée (𝑘𝑊ℎ) résulte de la
puissance active 𝑃 (𝑘𝑊) des récepteurs. Elle se transforme intégralement en puissance
mécanique travail) et en chaleur (pertes).
L’énergie réactive consommée (kvarh) sert essentiellement à l’alimentation des circuits
magnétiques des machines électriques. Elle correspond à la puissance réactive Q (kvar) des
récepteurs.
L’énergie apparente (kVAh) est la somme vectorielle des deux énergies précédentes.
elle correspond à la puissance apparente 𝑆 (𝑘𝑉𝐴) des récepteurs, somme vectorielle de 𝑃 (𝑘𝑊)
et𝑄 (𝑘𝑣𝑎𝑟).
II.6.1. La Puissance Réactive
Les réseaux électriques à courant alternatif fournissent l’énergie apparente qui correspond
à la puissance (ou puissance appelée). Cette énergie se décompose en deux formes d’énergie :
 L’énergie active : transformée en énergie mécanique (travail) et en chaleur (pertes).
26
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
 L’énergie réactive : utilisée pour créer des champs magnétiques.
Les consommateurs de puissance réactive sont les moteurs asynchrones, les
transformateurs, les inductances (ballasts de tubes fluorescents) et les convertisseurs statiques
(redresseurs)
II.6.1.1.Importance de la puissance réactive
L’énergie réactive est un facteur très important qui influe sur la stabilité et l’équilibre du
réseau électrique, ainsi que son fonctionnement. Les effets secondaires de ce facteur ce résume
dans les points suivants :
La chute de tension dans les lignes et les postes de transformation.
 Les pertes supplémentaires actives dans les lignes, les transformateurs et les
générateurs.
 Les variations de tension du réseau sont étroitement liées à la fluctuation de la puissance
réactive dans le système de production. [5]
II.6.1.2.Transport de la puissance active et réactive
Quand un régime permanent de circulation d'énergie est établi dans un réseau électrique,
on peut écrire les équations reliant les puissances actives 𝑃𝑖 et réactives 𝑄𝑖 injectées ou soutirées
en chaque sommet i et les tensions en modules | | et phases θ. La détermination des tensions
et courants sur une ligne électrique peut être effectuée en utilisant la notation complexe. [5].
En schématisant chaque liaison (du sommet i au sommet k) par un π symétrique tel que
(𝑖 = 1 , 𝐾 = 2)
Figure II.11. Circuit équivalent en π d'une ligne électrique
Les lignes sont normalement spécifiées par :
 Une impédance série : 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 Ω/Km
 Une admittance shunt : 𝑌 = 𝐺 + 𝑗𝐵 𝜇𝑚ℎ𝑜𝑠/𝐾𝑚.
En pratique G est extrêmement petit (G=0) et par conséquent 𝑗𝐵 = 𝑗𝑐𝑤 ou 𝐵 représente la
suspectant shunt μmhos /Km. [5]
27
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
a. Impédances séries
Figure II.12. Impédance série d’une ligne électrique
Les pertes dans les impédances série sont donnés par :

𝑆 = 𝑉 × 𝐼 ∗ (𝐼 − 5)

𝑉 = 𝑍. 𝐼
C’est-à-dire que :
𝑆 = 𝑍𝐼 × 𝐼 ∗ = 𝑍(𝐼𝑟 + 𝑗𝐼𝑖 ) (𝐼𝑟 − 𝑗𝐼𝑖 )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 26)
𝑆 = 𝑝 + 𝑗𝑄 = 𝑍(𝐼𝑟2 + 𝐼𝑖2 ) = 𝑍| |2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 27)
Avec :

𝑃 = 𝑅|I|2 𝑒𝑡 𝑄 = 𝑋 |I|2
Si :
{
𝑅 = 0 𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑃 = 0
𝑋 = 0 𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑄 = 0
b. Susceptance shunt
Figure II.13. Susceptance shunt d'une ligne électrique
II.6.1.3.Les contrôles dans le problème tension / puissance réactive
Un système est dit bien conçu s'il peut délivrer une énergie d'alimentation fiable et de
bonne qualité, ce qui sous-entend un niveau de tension dans des limites acceptables.
1. à chaque fois On observé un déséquilibre entre puissance fournie et consommée
2. chaque fois que le niveau de tension en un point du système est soumis à des variations dû à
(un déséquilibre entre la puissance fournie et consommée).
En effet quand une charge est alimentée à travers une ligne de transmission dont la tension
de départ est constante, la tension de la charge dépend de l'amplitude de la charge et du facteur
de puissance de la charge.
28
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
La variation de tension en un nœud est un indicateur de déséquilibre entre la puissance
réactive délivrée et celle consommée cependant une importation de la puissance réactive donne
une augmentation des pertes de puissances et de la chute de tension à travers l'impédance
d’alimentation.
a. Chute de tension sur une ligne
Figure II.14. Circuit équivalent du réseau électrique.
Afin d'illustrer les relations entre la puissance réactive et la chute de tension, considérons le
circuit équivalent ci-dessous.
La chute de tension due au courant I dans l'impédance.
𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 𝑒𝑡 ∆𝑉 = 𝑍𝐼 = 𝑉1 − 𝑉2 (𝐼 − 𝐼3 )
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 28)
Si nous traçons le diagramme vectoriel de ce circuit.
Figure II.15.Diagramme vectoriel associé au circuit précédent.
𝑉2 : Étant pris comme référence
𝑆𝐷 = 𝑉2 × 𝐼 = 𝑃𝐷 + 𝑗𝑄𝐷
𝐼=
(𝑃𝐷 − 𝑗𝑄𝐷)
𝑉2
∆𝑉 = 𝑍𝐼 =
∆𝑉 =
(𝑅 + 𝑗𝑋)(𝑃𝐷 − 𝑗𝑄𝐷)
𝑉2
(𝑅 ∙ 𝑃𝐷 + 𝑋 ∙ 𝑄𝐷)
(𝑋 ∙ 𝑃𝐷 − 𝑅 ∙ 𝑄𝐷)
+𝑗
𝑉2
𝑉2
∆𝑉 = ∆𝑉𝑅 + 𝑗 ∆𝑉𝑋
29
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 29)
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 30)
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 31)
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 32)
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 33)
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
C'est-à-dire que la chute de tension a une composante ∆𝑉𝑅 en phase avec 𝑉2 et une
composante ∆𝑉𝑋 en quadrature avec 𝑉2.
Il est clair que la chute de tension dépend simultanément de la puissance Comme :
∆𝑉 = 𝑉1 − 𝑉2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 34)
Donc :
𝑉1 = 𝑉2 + ∆𝑉
Et en considérant de 𝑉1
|𝑉1 |2 = (𝑉2 + ∆𝑉𝑅 )2 + (∆𝑉𝑋 )2
|𝑉1
|2
𝑉2 + (𝑅 ∙ 𝑃𝐷 + 𝑋 ∙ 𝑄𝐷) 2
(𝑋 ∙ 𝑃𝐷 − 𝑅 ∙ 𝑄𝐷) 2
=(
) + (
)
𝑉2
𝑉2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 35)
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 36)
Comme ∆𝑉𝑋 < (𝑉2 + ∆𝑉𝑅 ) on peut approximer
|𝑉1
|2
𝑉2 + (𝑅 ∙ 𝑃𝐷 + 𝑋 ∙ 𝑄𝐷) 2
=(
)
𝑉2
(𝑋 ∙ 𝑃𝐷 − 𝑅 ∙ 𝑄𝐷) 2
𝑉1 − 𝑉2 = (
)
𝑉2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 37)
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 38)
Puisque la réactance X est le paramètre prédominant dans l'impédance du réseau c'est-à-dire
R X, on peut écrire que :
∆𝑉 = 𝑉1 − 𝑉2 ≈
(𝑋 ∙ 𝑄𝐷)
𝑉2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 39)
Donc la cause de la chute de tension à travers une impédance est due principalement au
courant réactif passant dans cette impédance, en d’autres termes elle est due à la variation de la
puissance réactive. Pour maintenir 𝑉2 constante si la courant I change, il faut varier la puissance
réactive au point de raccordement de la charge.
b. Contrôle de la tension
La chute de tension sur un élément de réseau s'exprime par :
∆𝑉 = 𝑉1 − 𝑉2 =
(𝑅 ∙ 𝑃 + 𝑋 ∙ 𝑄) (𝑋 ∙ 𝑄𝐷)
≈
𝑉2
𝑉2
𝐸𝑄(𝐼𝐼. 38)
L'examen de cette équation montre que pour maintenir 𝑉2 constante au niveau du
consommateur. On dispose de plusieurs solutions à savoir :
 Augmentation de la tension de départ 𝑉1
 Diminution de la réactance de la ligne par insertion de réactance capacitive.
 Fourniture de la puissance réactive au niveau des usagers (compensation de la puissance
réactive).
30
CHAPITRE II
ÈTUDE DE POLLUTION HARMONIQUES
ET LA PUISSANCE DANS RÈSEAU ÈLECTRIQUE
____________________________
II.7.Conclusion
Les deux principales grandeurs dans la transmission d’énergie électrique sont la tension et le
courant. La déformation de ces grandeurs peut entrainer un mauvais fonctionnement du
système. Un récepteur d’énergie est considéré par le réseau électrique comme une charge
perturbatrice s’il absorbe des courants non sinusoïdaux ou des courants déséquilibrés ou s’il
consomme de la puissance réactive. Les deux premiers types de perturbations peuvent déformer
ou déséquilibrer les tensions du réseau lorsque l’impédance de celui-ci n’est pas négligeable.
Le troisième réduit la capacité de production ou de transmission de la puissance active des
générateurs, des transformateurs et des lignes électriques. Parmi ces charges perturbatrices les
charges non-linéaires ; celle-ci provoquent une distorsion dans le courant et donc dans la
tension, ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement des dispositifs raccordés au réseau.
Dans le chapitre suivant seront données des solutions pour éviter ces problèmes de pollution
harmoniques et pour la compensation de la puissance réactive.
31
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
III.1.Introduction
Le problème de la pollution harmonique et de la puissance réactive dans le réseau
électrique nécessite plusieurs techniques de dépollution et de compensation.
Différentes solutions seront présentées dans ce chapitre.
III.2.Solution de filtrage des dépollutions harmoniques
Pour faire face aux problèmes de la pollution harmonique, plusieurs solutions ont été
proposées et développées. Elles sont scindées principalement en deux grandes classes :
III.2.1.Les filtrages passifs
Le principe d’un filtrage passif est de modifier l’impédance du réseau, de façon à réduire
les courants harmoniques et à éliminer les tensions harmoniques. Pour ce faire, on associe des
éléments capacitifs et inductifs de manière à obtenir une résonance "série" raccordée à une
fréquence choisie.
 Inconvénient
 L’impédance du réseau en présence des filtres passif peut faire apparaître des
résonances.
 Le filtrage passif peut absorber les courants harmoniques d’autres charges non
linéaires et dans ce cas, le filtre passif peut être surchargé.
 Le filtrage passif est peu flexible et, en cas de modifications dans le réseau, il peut
avoir du mal à s’adapter aux nouveaux besoins du filtrage.
III.2.1.1. Classification des filtres passifs
Le filtrage passif est la plus simple solution conventionnelle pour atténuer la distorsion
harmonique [23]. Les filtres passifs sont des éléments à base d’inductance, capacité et
résistance configurés et réglés pour contrôler les harmoniques. On peut classifier les filtres
passifs suivant leur fréquence de résonance, leur mode de connexion et leur emplacement sur
le réseau.
Cela permet de définir deux grands modes de filtres passifs :
Les filtres "série" utilisé pour les charges génératrices de tensions harmoniques et les filtres
"parallèles" utilisé dans le cas des charges génératrices de courants harmoniques et, suivant le
modèle choisi, les harmoniques peuvent être précisément bloqués par une grande impédance
série entre le convertisseur, déviés par une faible impédance en parallèle ou une combinaison
des deux.
32
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
a.Filtre passif série
Une façon d'atténuer les harmoniques générées par les charges non linéaires est d'introduire
un filtre passif série (figure III.1) dans l'alimentation à la ligne d’entrée de sorte que le filtre
offre une impédance élevée à la circulation des harmoniques à partir de la source à la charge
non-linéaire. Le filtre passif "série" est raccordé sur une fréquence particulière, il offre une
impédance élevée à sa seule fréquence d'accord. Selon la propriété physique de L et C choisie,
il existe généralement une bande étroite autour de la fréquence d'accord lorsque l'impédance
reste élevée [24].
Figure III.1.filtre passif série
b.Filtre passif parallèle
Le filtre passif parallèle est montré sur la (Figure III.2.) il est constitué d'une inductance en
parallèle avec un condensateur. Il présente une impédance faible pour tous les harmoniques et
une impédance suffisamment importante par rapport au fondamental, ce qui empêche les
courants harmoniques de se propager vers le réseau.
Le filtre passif parallèle à un comportement inductif pour les fréquences inférieures à la
fréquence fondamentale et un comportement capacitif pour les fréquences supérieures à la
fréquence fondamentale, ce qui est un avantage majeur pour le contrôle du courant dans
l'inductance [25].
Figure III.2.filtre passif parallèle
III.2.1.2.Différents types de filtres parallèles
a.Inductance anti-harmonique
Cette première solution consiste à installer une inductance en série avec les condensateurs
de compensation sur chaque branche monophasée.
33
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
Figure III.3. Raccordement d'une inductance anti-harmonique
Ce type de filtre a pour objectif essentiel de protéger les batteries de condensateurs d'une
surintensité due aux harmoniques. Il a en outre pour effet de réduire les tensions harmoniques
aux bornes de ces condensateurs. Il permet souvent de réduire les valeurs d'impédance
harmonique du réseau, vues du point d’injection au voisinage de la fréquence d'accord et donc
les tensions harmoniques sur le réseau.
b.Filtre résonant
Un filtre résonant a pour objet de présenter une impédance très faible au passage d'un
courant harmonique à un rang déterminé.
Le facteur de qualité d'un filtre résonant est élevé ; l'accord du filtre est donc très pointu.
Plusieurs filtres résonants correspondant aux différents rangs harmoniques à filtrer, sont souvent
installés, en parallèle.
Figure III.4.Installations de filtres résonants
La puissance réactive nécessaire pour l'installation est répartie entre condensateurs de différents
filtres. Ceci nécessite une étude fine du profil de charge de l'installation.
Les filtres résonants présentent l'inconvénient d'être sensibles aux variations de l'inductance
(dues à la qualité de réalisation) ou de la capacité (dues au vieillissement ou à la température), ce
qui entraîne un désaccord de l'ensemble. Cette dérive est plus marquée pour les filtres utilisant des
condensateurs de faible capacité. Afin d'ajuster la fréquence du filtre à la mise en service,
l'inductance doit être munie de prises de réglage.
34
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
c. Filtre amorti
On distingue trois types de filtres amortis tels qu'illustrés en (figure III.5) nous avons en (a) un
filtre amorti de premier ordre, en (b) un filtre amorti de second ordre et en (c) un filtre de
troisième ordre.
Figure III.5.Filtres amortis passe-haut
Le filtre de premier ordre exige une grande capacité et présente une perte de puissance excessive
à la fréquence fondamentale.
Les filtres de 2éme ordre et d'ordre 3éme sont couramment utilisés.
Tous les deux sont en général conçus avec un faible facteur de qualité 𝐹𝑞 compris entre 0,7 et
1,4.un filtre amorti de second ordre se compose d'une capacité en série avec un ensemble constitué
de mise en parallèle d'une inductance et d'une résistance appelée résistance d'amortissement. Il est
utilisé lorsque les performances demandées ne sont pas élevées pour filtrer simultanément les plus
hautes fréquences du spectre ; c'est un filtre passe-haut de deuxième ordre.
Figure III.6.Installation d’un filtre amorti
En pratique, il est courant de mettre en œuvre :
 des filtres résonants accordés sur les premiers rangs harmoniques (rangs 5 et
7)
où les
injections de courant sont importantes.

Un filtre amorti pour limiter l'impédance harmonique sur le reste du spectre (rangs>Il).
la résonance des filtres provoque une amplification des rangs harmoniques inférieurs à la
fréquence d'accord. Le premier filtre est alors accordé sur la première fréquence d’injection de
façon à ne pas faire coïncider la fréquence d’anti-résonance avec une injection de courant.
35
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
Il est important de prévoir une inductance ajustable afin d'accorder correctement le filtre ; en
raison des tolérances sur les valeurs des condensateurs et de l’inductance dont l’effet peut être
très important sur l’efficacité du filtre.
III.2.2.Les Filtrages actifs
Les filtres actifs sont des convertisseurs de puissance, agissant comme source de
courants ou de tensions harmoniques, qui injectent en série ou en parallèle sur les réseaux des
courants ou des tensions harmoniques en opposition par rapport aux perturbations existantes.
Les convertisseurs de Puissance totalement command ables utilisent un GTO, IGBT ou un
MOFSET comme organe de réglage en vue d'asservir l'évolution de certaines grandeurs
relatives au générateur ou au récepteur. Ces interrupteurs sont à amorçage et blocage
commandés.
L'utilisation de réseaux de commutation avec les thyristors classiques limite la fréquence de
l’onduleur à environ 100Hz. Les thyristors interruptibles par la gâchette étendent la fréquence
jusqu'à environ 2kHz, le transistor bipolaire à 10kHz et le transistor MOS de puissance à 25
kHz.
La principale raison de l’utilisation de dispositifs de commutation rapides est de pouvoir
commander l'onduleur par modulation de largeur d'impulsions. Plus on effectue des
commutations par période, plus on élimine les harmoniques de rangs supérieurs.
III.2.2.1.Classification des filtres actifs
Dans la littérature il existe une grande variété de types de filtres actifs. Ils sont classés
de différentes manières selon le nombre de phases (Monophasés ou Triphasés), la technologie
de l’onduleur «avec ou sans neutre raccordé», et la topologie (l’onduleur de tension ou de
courant) [26].
a. Filtres actif parallèle (FAP)
Le filtre actif connecte en parallèle sur le réseau, comme le montre (La figure III.8) est
le plus souvent commandé comme un générateur de courant. Il injecte dans le réseau des
courants perturbateurs égaux à ceux absorbes par la charge polluante, mais en opposition de
phase avec ceux-ci.
Le courant coté réseau est alors sinusoïdal. Ainsi l’objectif du filtre actif parallèle (FAP)
consiste à empêcher les courants perturbateurs, produits par des charges polluantes, de
circuler à travers l’impédance du réseau, située en amont du point de connexion du filtre actif
[27].
36
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
Figure III.7.Schéma de principe du filtrage actif parallèle
b. Filtres actif série (FAS)
Le filtre actif série se comporte dans ce cas, comme le montre (La figure III.9) comme un
point de tension qui s’oppose aux tensions perturbatrices venant de la source et également à
celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance du
réseau. Ainsi la tension aux bornes de la charge à protéger est purement sinusoïdale [27].
Figure III.8.Schéma de principe du filtrage actif série
c. Filtrage à structure hybride
Le filtre hybride est l’association de filtre (s) passif (s) avec filtre actif. Les filtres passifs sont
charges pour éliminer les harmoniques de rangs élevés, tandis que le filtre actif s’occupe des
autres rangs d’harmonique. On distingue alors plusieurs types d’association de filtres actifs et
passifs, les plus étudiées étant :
 Le filtre actif "série" avec des filtres passifs parallèles
 Le filtre actif "série" connecte en série avec des filtres passifs parallèles
 Le filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle
(Les figures III.10a, III.11et III.12) montrent la configuration de chaque un de ces types.
37
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
Figure III.9.Filtre active série et filtre passif parallèle
Figure III.10.Filtre actif série connecté en série avec un filtre passif parallèle
Figure III.11.Filtre actif parallèle avec filtre passif parallèle
d.Filtre universel (FU)
La combinaison parallèle-série des filtres actifs, aussi appelée, en anglais, Unified Power
Quality Conditioner (UPQC), résulte de l’association des deux filtres actifs parallèle et série
profitant des avantages des deux. L’UPQC assure la forme d'onde sinusoïdale pour le courant
et de même pour la tension [22].
38
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
Figure III.12.Combinaison parallèle-série des filtres actifs
III.3.La Compensation de la puissance réactive
Le bilan global de la puissance réactive produite et consommée dans l'ensemble du système
électrique doit être équilibré. Toutefois, l'équilibre local n’est pas naturel. Il en résulte des
transits de la puissance réactive. Or, ces transits provoquent des chutes de tension et des
pertes. Il faut, donc, éviter ces transits par la production de la puissance réactive, autant que
possible, à l'endroit où elle est consommée.
Les variations de tension du réseau sont étroitement liées aux fluctuations de la puissance
réactive dans le système de production et de transport. Ceci tient au fait que la puissance
réactive intervient de manière importante dans l'expression de la chute de tension.
L’analyse des variations de la demande de la puissance réactive montre que le problème de
l’adaptation offre-demande présente deux aspects qui nécessitent l’emploi de dispositifs aux
caractéristiques très différentes [6].
 Le premier consiste à suivre les fluctuations périodiques. Celles-ci sont connues, tout
au moins pour les charges dans une large mesure prévisible. Une grande part de
l’ajustement peut donc être réalisée à l’aide de moyen dont l’action est discontinue et le
temps de réponse relativement long. Cette catégorie comprend les batteries de
condensateurs et les inductances installées sur les réseaux.
 Le second consiste à faire face aux variations brusques et aléatoires. Ceci nécessite la
mise en œuvre de moyens dont le temps de réponse est très court. Cette catégorie comprend
les groupes de production ainsi que les compensateurs synchrones et les compensateurs
statiques.
III.3.1.Les dispositifs conventionnels
Le réseau en lui- même est une source non négligeable de puissance réactive. Ainsi, en
dehors de la production de l’énergie réactive par les générateurs, le réseau doit faire appel à
39
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
d’autres sources ou plutôt d’autres moyens de compensation, qui finalement sont souvent
consommateurs que fournisseurs d’énergie réactive.
III.3.2. Les groupes de production (générateurs)
Les groupes de production sont bien situés pour satisfaire les besoins en énergie
réactive. D'autant plus,que leurs performances dynamiques leurs permettent de faire face aux
fluctuations brusques de la demande. En revanche, ils ne peuvent compenser que
partiellement les charges réactives, en raison des chutes de tension importantes que créent les
transits d'énergie réactive sur les réseaux.
III.3.3. Les condensateurs
Ils ont pour rôle de fournir une partie de l’énergie réactive consommée par les charges
dans le réseau. On distingue deux types :
 Des batteries de condensateurs HT, raccordées aux jeux de barres HT des postes
THT/HT. Elles sont essentiellement destinées à compenser les pertes réactives sur les réseaux
HT et THT.
 Des batteries de condensateurs MT, raccordées aux jeux de barres MT des postes
HT/MT ou THT/MT. Ces batteries servent à compenser l’appel global de l’énergie réactive des
réseaux de distribution aux réseaux de transport. Elles sont localisées et dimensionnées
individuellement en fonction du réglage de tension.
III.3.4.Les inductances
Elles sont utilisées pour compenser l’énergie réactive fournie en heures creuses par les
lignes à très haute tension ou par les câbles. Elles sont soit directement raccordées au réseau,
soit branchées sur les tertiaires des transformateurs. Par conséquent, elles permettent une
limitation des surtensions dans le réseau.
III.3.5. Les compensateurs synchrones
Les compensateurs synchrones sont des machines tournantes qui ne fournissent aucune
puissance active, mais qui peuvent suivant qu’elles soient sous ou surexcités, fournir ou
absorber de la puissance réactive.
III.3.6.Les compensateurs statiques
Ils sont constitués par l’ensemble de condensateurs et d’inductances commandées par
thyristors, montés en tête-bêche dans chaque phase. Chacun d’entre eux étant ainsi conducteur
pendant une demi- période. La puissance réactive absorbée par l’inductance varie en
contrôlant la valeur efficace du courant qui la traverse par action sur l’angle d’amorçage des
thyristors. [6].
40
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
III.4.Composantes active et réactive du courant et de la puissance
III.4.1. Composantes active et réactive du courant
À chacune des énergies active et réactive, correspond un courant.
Le courant actif (𝐼𝑎) est en phase avec la tension du réseau. Le courant réactif (𝐼𝑟) est
déphasé de 90° par rapport au courant actif, soit en retard (récepteur inductif), soit en avance
(récepteur capacitif).
Le courant apparent (𝐼𝑡) est le courant résultant qui parcourt la ligne depuis la source
jusqu’au récepteur.
Si les courants sont parfaitement sinusoïdaux, on peut utiliser la représentation de Fresnel.
Ces courants se composent alors vectoriellement comme représenté à la (figure III.14)
Figure.III.13.Composition vectorielle des courants
𝐼𝑡 = √𝐼𝑎2 + 𝐼𝑟2
𝐼𝑎 = 𝐼. 𝑐𝑜𝑠 𝜑
𝐼𝑟 = 𝐼. 𝑠𝑖𝑛 𝜑
III.4.2.Composantes active et réactive du de la puissance
Le diagramme précédent (figure III.14) établi pour les courants est aussi valable pour les
puissances, en multipliant chacun des courants par la tension commune U. On définit ainsi
(figure III.15).
 la puissance apparente : 𝑆 = 𝑈𝐼 (𝑘𝑉𝐴).
 la puissance active: 𝑃 = 𝑈𝐼. 𝐶𝑜𝑠𝜑 (𝑘𝑊).
 la puissance réactive : 𝑄 = 𝑈𝐼. 𝑆𝑖𝑛𝜑 (𝑘𝑣𝑎𝑟).
Figure III.14.Composition vectorielle des puissances
Citons les valeurs approximatives de 𝑐𝑜𝑠𝜑 des principaux actionneurs consommateurs
d'énergie réactive :
 Moteur asynchrone à 100 % de charge : 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,85
 Moteur asynchrone à 50 % de charge :𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,73
41
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
 Lampes à fluorescence : 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,5
 Chauffage par induction : cos𝜑 = 0,5
Ces quelques exemples montrent l'impact énorme de la partie réactive de la consommation
énergétique des actionneurs qui comportent des circuits magnétiques
III.4.3.Choix du type de compensation
a. Compensation fixe
On met en service l’ensemble de la batterie dans un fonctionnement
La mise en service peut être manuelle (par disjoncteur ou interrupteur), semi-automatique
(par contacteur), asservie aux bornes des moteurs.
Ce type de compensation est utilisé lorsque la puissance réactive est faible (< 15 % de la
puissance du transformateur) et la charge relativement stable.
b. Compensation automatique
Une batterie de condensateurs est fractionnée en gradins la sollicitation de ces derniers se fait
selon les besoin. Et, généralement, d’une façon automatiques
Ce type de batterie est installé en tête de la distribution BT ou d'un secteur important. Cela
permet une régulation pas à pas de l’énergie réactive. L’enclenchement et le déclenchement
des gradins sont pilotés par un relais varmétrique.
III.4.4. Compensation d’énergie réactive en présence d'harmoniques
Les équipements faisant appel à l’électronique de puissance (variateurs de vitesse,
redresseurs, onduleurs, etc.), de plus en plus utilisés, sont responsables de la circulation de
courants harmoniques dans les réseaux. Ces harmoniques perturbent le fonctionnement de
nombreux dispositifs. En particulier, les condensateurs y sont extrêmement sensibles du fait
que leur impédance décroît proportionnellement au rang des harmoniques présents.
Dans certaines circonstances, des phénomènes de résonance peuvent se produire entraînant
une forte distorsion de tension et la surcharge des condensateurs. Selon la puissance des
générateurs d’harmoniques présents, différents types de condensateurs doivent être choisis,
associés éventuellement à des inductances.
Pour les valeurs élevées de puissance des générateurs d’harmoniques, le traitement des
harmoniques est en général nécessaire. Le dispositif approprié (filtre d'harmonique) remplit à
la fois les fonctions de compensation d’énergie réactive et de filtrage des harmoniques.[28]
III.5.La problématique de l’énergie réactive en milieu industriel
Dans l’environnement industriel actuel, la prolifération des charges « déphasantes » sur
les réseaux de distribution électrique entraîne une dégradation du facteur de puissance.
42
CHAPITRE III
DEPOLLUTIONS HARMONIQUES ET COMPENSATION LA PUISSANCE RÈACTIVE
________________________________________
Les principaux consommateurs d’énergie réactive concernent :
 Les moteurs asynchrones ordinaires
 Les lampes à ballast magnétiques à fluorescence ou à décharge
 Les fours à induction et à arc
 Les machines à souder.
Les conséquences de cette énergie réactive sont nombreuses :
 Pénalités (en tarif vert) par le fournisseur d’électricité,
 Augmentation de la puissance souscrite au fournisseur d’énergie, des pertes Joules et
des chutes de tension dans les circuits,
 Surcharge au niveau du transformateur et des câbles d’alimentation,
 Dégradation de la qualité de l’installation électrique [28].
III.6.CONCLUSION
Nous avons présenté dans ce chapitre, des solutions de compensation pour cette pollution
harmonique. Plusieurs solutions traditionnelles et modernes de dépollution ont été présentées.
nous avons montré que la solution classique à base de filtres passifs est souvent pénalisée en
termes d’encombrements et de résonance. En revanche, l’utilisation des filtres actifs parallèles
et séries avec leurs combinaisons se présente comme la meilleure solution jusqu'à ce jour pour
tous types de perturbations susceptibles d’apparaître dans le réseau électrique.
43
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
IV.1.Introduction
Dans ce chapitre seront présentées deux parties :
-
La première consiste dans la simulation par le logiciel PSIM d’un circuit électrique
composé d’un variateur de vitesse associé à un moteur à courant continu qui sont alimentés
par le réseau électrique.
L’objectif de cette simulation c’est l’analyse du courant absorbé par la charge non
linéaire et la mesure des puissances active et réactive absorbées et l’étude de l’influence
d’un condensateur de compensation de puissance réactive sur les courants harmoniques
générés par le récepteur non linéaire.
-
Dans la deuxième on présentera notre travail expérimental effectué au sein du centre
de formation de Ouargla. Dans cette expérience on a étudié et analysé l’effet de la
pollution des harmoniques générés par des charges non linéaires sur le réseau
électrique.
IV.2. Partie simulation
IV.2.1. Simulation de la charge non linéaire
(Pont tout thyristors + moteur à courant continu)
 Schéma de simulation

Le variateur est un redresseur commandé de type pont tout thyristors.

La charge du pont (moteur + inductance de lissage) est modélisée par une source de
courant continu.
Figure.IV.1. Schéma de simulation de la charge non-linéaire
Les Données numériques :

𝑣𝑟 = 𝟒𝟎𝟎 V

𝐼𝑜 = 𝟑𝟗𝟎 𝑨
44
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________

𝛼 : angle de retard à l’amorçage = 𝟒𝟓°

𝐿𝑟 inductance de la source d'alimentation : 𝐿𝑟 = 𝟎, 𝟐𝟐 𝒎𝑯

𝑅𝑟 résistance de la source : 𝑅𝑟 = 𝟒𝟎 𝒎𝜴
 Résultat Simulation
 Graphes de 𝑣𝑎 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑎 (𝑡) :
Figure.IV.2.La tension à l’entrée du pont tout thyristors et Courant alternatif
 Mesure la valeur efficace (𝑅𝑀𝑆) de 𝑖𝑎 et le déphasage du fondamental 𝜑 de 𝑖𝑎 par
rapport à 𝑣𝑎 :

La valeur efficace de 𝑖𝑎 (𝑡) : 𝑖𝑎 = 𝟑𝟖𝟒. 𝟖𝟕𝐴

Le déphasage du fondamental de 𝑖𝑎 /à 𝑣𝑎 : 𝜑 ≈ 𝟒𝟓°
 Graphes de P(t) et Q(t) :
Figure.IV.3.les graphes la puissance active (P) et la puissance réactive(Q)

Mesure des puissances active (P) et réactive (Q) absorbées par le pont

La valeur moyenne de 𝑃(𝑡) : 𝑃 = 85.2086 𝐾𝑊 ↔ 85208.6 𝑊

La valeur moyenne de 𝑄(𝑡) : 𝑄 = 97.4824 𝐾𝑉𝑟 ↔ 97482.4 𝑉𝑟
La puissance réactive absorbée est très élevée : cos 𝜑 = 0,658
Cela est dû au déphasage du fondamental de 𝑖𝑎(𝑡) par rapport à 𝑣𝑎(𝑡).
45
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________

Décomposition spectrale de 𝑖𝑎(𝑡) :
Figure.IV.4. La décomposition spectrale de 𝑖𝑎(𝑡)
 Taux de distorsion harmonique (𝑇𝐻𝐷) :
Composante
Fréquence (𝐻𝑧)
Valeur efficace (𝐴)
𝑖𝑎𝑓
𝑖𝑎ℎ3
𝑖𝑎ℎ5
𝑖𝑎ℎ7
50
150
250
350
496.2
164.5
97.6
68.6
33.1
19.7
13.8
𝑇𝐻𝐷 individuel (%)
Tableau.IV.1.Taux de distorsion harmonique (𝑇𝐻𝐷)
La valeur de 𝑇𝐻𝐷 𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝑒 = 41%
IV.2.2.Compensation de l’énergie réactive
IV.2.2.1.Dimensionnement
Pour compenser l’énergie réactive, on place un condensateur en dérivation, en amont du
pont. On dimensionne le condensateur pour obtenir : cos𝜑 = 0,96.
 Calcule la puissance réactive produite par un condensateur de compensation C
Un condensateur de capacité 𝐶, présentant à ses bornes une tension 𝑈 de pulsation 𝜔
fournit une puissance réactive de :
𝑄𝑐 = 𝐶 × 𝑈 2 × 𝜔
𝐸𝑄(𝐼𝑉. 1)
 La puissance réactive ancienne est donnée par 𝑄𝑎 = 𝑃 × 𝑡𝑎𝑛(𝜑𝑎 )
 La puissance réactive novelle est donnée par 𝑄𝑛 = 𝑃 × 𝑡𝑎𝑛(𝜑𝑛 )
La puissance réactive de compensation est d) donnée par la différence 𝑄𝑐 = 𝑄𝑎 − 𝑄𝑛
Donc :
𝑄𝑐 = 𝑃(𝑡𝑎𝑛𝜑𝑎 − 𝑡𝑎𝑛𝜑𝑛 )
 Application numérique
𝑄𝑎 97.48
=
= 1.14
𝑃
85.20
𝑡𝑎𝑛(𝜑𝑎 ) = 1.14
𝑄𝑎 = 𝑃 × 𝑡𝑎𝑛(𝜑𝑎 ) ↔ 𝑡𝑎𝑛(𝜑𝑎 ) =
46
𝐸𝑄(𝐼𝑉. 2)
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
𝑄𝑛 = 𝑃 × 𝑡𝑎𝑛(𝜑𝑛 )
𝐶𝑜𝑠𝜑𝑛 = 0.96 ↔ 𝜑𝑛 = 𝐶𝑜𝑠 −1 (0.96) = 16.26
Alors
𝑡𝑎𝑛(16.26) = 0.29
𝑡𝑎𝑛(𝜑𝑛 ) = 0.29
𝑄𝑛 = 85.20 × 0.29 = 24.85 𝐾𝑉𝑟
𝑄𝑛 = 24.85𝐾𝑉𝑟
𝑄𝑐 = 97.48 − 24.85 = 72.63𝐾𝑉𝑟
Donc :
𝑄𝑐 = 72.63𝐾𝑉𝑟
 La valeur numérique de C
𝐶=
𝑄𝑐
72.63
=
= 1.45 𝑚𝐹
2
× 𝜔 (400) × 2 × 3.14 × 50
𝑈2
𝐶 = 1.45 𝑚𝐹
 La valeur efficace du courant C
𝐼𝑐 = 𝑈 × 𝑗𝑐𝜔 ↔ 400 × 1.45 × 10−3 × (2 × 3.14 × 50) = 181.5𝐴
𝐼𝑐 = 181.5𝐴
IV.2.2.2.Compensation de l’énergie réactive par condensateur seul
 Schéma de simulation
Figure.IV.5. Schéma de simulation du montage avec le condensateur de compensation
Les Données numériques :

𝑣𝑟 = 𝟒𝟎𝟎 V

𝐶 = 𝟏, 𝟒𝟖 𝒎𝑭

𝐼𝑜 = 𝟑𝟗𝟎 𝑨

𝛼 : angle de retard à l’amorçage = 𝟒𝟓°

𝐿𝑟 inductance de la source d'alimentation : 𝐿𝑟 = 𝟎, 𝟐𝟐 𝒎𝑯

𝑅𝑟 résistance de la source : 𝑅𝑟 = 𝟒𝟎 𝒎𝜴
47
CHAPITRE IV
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____________________________________________
 Simulation et résultats
 Graphes de 𝑖𝑎 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑟 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑐 (𝑡):
Figure.IV.6.Les Courants 𝑖𝑎 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑟 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑐 (𝑡)

Mesures
 Valeur efficace 𝑖𝑟 (𝑡) = 457𝐴
 Valeur efficace 𝑖𝑐 (𝑡) = 364 𝐴
 Valeur moyenne (𝑃) = 93,4 𝐾𝑊
 Valeur moyenne (𝑄) = 23,5 𝐾𝑉𝐴𝑟
- La puissance réactive absorbée passe de 97,48 𝑘𝑉𝐴𝑟 à 23,5 𝑘𝑉𝐴𝑟 : 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,97.
- Ce résultat est conforme au cahier des charges (le condensateur a été dimensionné
pour 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,96). On constate une augmentation importante du courant fourni par
le réseau qui passe de 384,72𝐴 à 457𝐴. De même, le courant dans le condensateur est
très supérieur à la valeur prédéterminée (𝐼𝑐 = 186𝐴) en négligeant les harmoniques.
 Décomposition spectrale de 𝑖𝑟 (𝑡) et 𝑖𝑐 (𝑡)
Figure.IV.7. La décomposition spectrale de 𝑖𝑟(𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑐(𝑡)
48
CHAPITRE IV
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PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
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 Valeur efficace du fondamental et des harmoniques de rang 3, 5 et 7 :
Composante
𝑖𝑓
𝑖𝑎ℎ3
𝑖𝑎ℎ5
𝑖𝑎ℎ7
Fréquence (𝐻𝑧)
50
150
250
350
𝐼𝑟 (𝐴)
373
232
456
120
1,41
4,67
1,74
68
368
190
𝐼𝑟 /𝐼𝑎
𝐼𝑐 (𝐴)
254
Tableau.IV.2. Valeur efficace du fondamental et des harmoniques de rang 3, 5 et 7
𝑇𝐻𝐷 du courant réseau : 140.88%
𝑇𝐻𝐷 du courant dans le condensateur : 165.23 %
- Les harmoniques du courant réseau ont subi une augmentation importante par
rapport au montage non compensé, notamment l’harmonique de rang 5.
- Le courant dans le condensateur comporte également une composante harmonique
de rang 5 très élevée.
En conclusion, on peut dire, qu’en présence d’une charge non linéaire
(Ici, le redresseur commandé), un condensateur de compensation de la puissance réactive
peut amplifier très significativement certains rangs d’harmoniques.
IV.2.2.3. Compensation de l’énergie réactive par condensateur associé à une
inductance
On ajoute une inductance 𝐿𝑠 = 1 𝑚𝐻 en série avec le condensateur de compensation.
 Schéma de simulation
Figure.IV.8.Schéma de simulation inductance en série avec le condensateur de compensation
49
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Les Données numériques :

𝑣𝑟 = 𝟒𝟎𝟎 V

𝐶 = 𝟏, 𝟒𝟖 𝒎𝑭

𝐿𝑠 = 𝟏 𝒎𝑯

𝐼𝑜 = 𝟑𝟗𝟎 𝑨

𝛼 : angle de retard à l’amorçage = 𝟒𝟓°

𝐿𝑟 inductance de la source d'alimentation : 𝐿𝑟 = 𝟎, 𝟐𝟐 𝒎𝑯

𝑅𝑟 résistance de la source : 𝑅𝑟 = 𝟒𝟎 𝒎𝜴
 Simulation et résultats
 Graphes de 𝑖𝑟 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑐 (𝑡):
Figure.IV.9. Les Courants 𝑖𝑟 (𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑐 (𝑡)

Mesures
 Valeur efficace 𝑖𝑟 (𝑡) = 279𝐴
 Valeur efficace 𝑖𝑐 (𝑡) = 227 𝐴
 Valeur moyenne (𝑃) = 93,6 𝐾𝑊
 Valeur moyenne (𝑄) = 16,5 𝐾𝑉𝐴𝑟
- On constate une diminution très significative du courant fourni par le réseau et du
courant dans le condensateur.
- D’autre part, la puissance réactive a un peu diminué :
Le circuit condensateur-inductance fournit plus de réactif que le condensateur seul.
50
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
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 Décomposition spectrale de 𝑖𝑟 (𝑡) et 𝑖𝑐 (𝑡)
Figure.IV.10. La décomposition spectrale de 𝑖𝑟(𝑡) 𝑒𝑡 𝑖𝑐(𝑡)
 Valeur efficace du fondamental et des harmoniques de rang 3, 5 et 7 :
Composante
𝑖𝑓
𝑖ℎ3
𝑖ℎ5
𝑖ℎ7
Fréquence (𝐻𝑧)
50
150
250
350
𝐼𝑟 (𝐴)
352
94.1
76.4
53.6
𝐼𝑐 (𝐴)
299
71
22.3
15.8
Tableau.IV.3. Valeur efficace du fondamental et des harmoniques de rang 3, 5 et 7
- THD du courant réseau : 37.65 %
- THD du courant dans le condensateur : 25.44 %
Les harmoniques du courant réseau et du courant dans le condensateur
sont très atténués par l’ajout de l’inductance 𝐿𝑠 en série avec le condensateur C.
IV.3.Études des perturbations des réseaux électriques-phénomènes harmoniques
IV.3.1.Présentation de l’équipement
L’équipement pédagogique HarmoCem est constitué de deux coffrets permettant de
reproduire les phénomènes de perturbations rencontrés en milieu industriel et d’apprécier les
performances des solutions mises en œuvre.
1.
Le coffret commande est constitué de :
 Une structure de distribution électrique
 Un variateur de vitesse
 Des produits apportant des solutions aux phénomènes étudiés (filtres, compensateurs,
selfs ou capacités).
51
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
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____________________________________________
2. Le coffret charges (La partie opérative) contient :
 Des charges non linéaires (gradateurs, lampes, tubes fluo) permettant de mettre en
évidence les phénomènes harmoniques.
 Un moteur asynchrone avec charge (frein à poudre) associé au variateur.
Figure.IV.11. HarmoCem vue de face (partie commande et partie opérative)
IV.3.2.Descrption de la partie commande
a. Sur la face avant (porte)
Est représenté le schéma de puissance de l’ensemble où l’on peut situer les points de
mesures. Un voyant ‘’SOUS TENSION’’ (1), quatre commutateurs lumineux bleus (2), de
mise en service des différents filtres et selfs, un bouton poussoir lumineux vert (3),
permettant la mise en service du variateur, un bouton poussoir lumineux rouge (4),
permettant la mise hors service du variateur, un commutateur trois positions (5) ’’AV-0AR’’ pour valider le sens de rotation du moteur et un potentiomètre (6), ‘’CONSIGNE
VITESSE’’ permettant de varier la fréquence de rotation du moteur .un bouton coup de
poing ‘’ARRET D’URGENCE’’(7).
Figure.IV.12.Partie Commande-Face Avant
52
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
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b. Utilisation des filtres
Figure.IV.13.Les filter S1, S2, S3, S4 ET filter CEM S5
 Pour mettre en service un ou plusieurs filtres (condensateur / self), basculer chaque
commutateurs lumineux bleus vers la droit. Les commutateurs S1 à S4 sont situés sur la
partie du synoptique et le commutateur S5 (Filtre CEM) est situé sur le flanc droit du
coffret au niveau des points de mesure.
 Le voyant bleu allumé indique que le filtre est en service .pour désactiver le filtre,
positionner chaque commutateur à gauche, le voyant bleu s’éteint alors indiquant que le
filtre est hors service.
 En ce qui concerne le variateur, le filtre est toujours connecté au réseau quelque soit la
position du commutateur S5. Le dispositif consiste simplement à le déconnecter de la
terre. Dans ce cas, l’évacuation des courants harmoniques est supprimée, ce qui le rend
moins efficace.
c. A l’intérieur de partie commande
Figure.IV.14.Les condensateurs
1. Deux condensateurs repérés C2 et C3 avec un bornier de raccordement.
53
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
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Figure.IV.15.Les Selfs
2. Une self repérée L1 permettant de mettre en évidence les phénomènes harmoniques.
3. Une self repérée L2 qui associée au condensateur C2, joue le rôle d’un filtre passif.
4. Une self repérée L3 permettant de mettre en évidence les phénomènes anti-résonnance.
IV.3.3.Descrption de la partie opérative
Figure.IV.16.Partie opérative, face avant
a. Sur le dessus
D’une balise lumineuse incolore (1) indiquant que le coffret est sous tension.
b. A l’intérieur, en haut
Quatre lampes :
1. Une lampe halogène HL1.
2. Une lampe à ballast magnétique HL2.
3. Une lampe à ballast électronique HL3.
4. Une lampe à induction HL4.
54
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
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PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
Figure.IV.17.Les différents type des lampes
c. En dessous
Le moteur asynchrone accouplé à un frein à poudre.
Figure.IV.18.Moteur asynchrone
d. Utilisation des lampes
Figure.IV.19.Les interrupteurs des lampes
55
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
1. Premier interrupteur en partant du fond "LAMPES A HALOGENE" doit allumer la
première lampe.
2.
Variateur de lumière. Cette lampe est à incandescence avec l’interrupteur et fonctionne
en halogène avec le variateur.
3. Deuxième interrupteur en partant du fond "LAMPES A BALLAST MAGNETIQUE"
doit allumer la deuxième lampe en partant de la gauche.
4. Troisième interrupteur en partant du fond "LAMPES A BALLAST ÈLECTRONIQUE"
doit allumer la troisième lampe en partant de la gauche.
5.
Quatrième interrupteur en partant du fond "LAMPES A INDUCTION" doit allumer la
dernière lampe à droite.
Figure.IV.20.Traveaux pratique
56
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
 Matériels de l’utilisation
N°
Les éléments
Nom
Principes des fonctionnements
 Mesures d’harmonique sur des charges non linéaires
01
HarmoCem
 Influence des harmoniques sur un condensateur de
compensation d’énergie réactive (anti résonnance).
02
03
Les câbles
 Connecté entre Le coffret commande et le circuit
électrique… (la tension U1 et le courant I1)
Plaque d’essai
GL-24
 Nous permet de réaliser rapidement un montage
électronique en insérant les pattes des composants et les
fils dans les trous.
 Le transformateur permet de transférer de l’énergie (sous
04
05
06
07
08
09
Transformateur
220V-9V
Capteur de
Courant
ACS712-20A
Les Résistances
10KΩ.100KΩ
Condensateur
10 𝜇𝑓
Arduino
UNO + Câble
PC
forme alternative) d’une source à une charge, tout en
modifiant la valeur de la tension.
 Pour Mesurer des courants continus et alternatifs
 Pour protéger les autres composants
 stabiliser une alimentation électrique
 traiter des signaux périodiques (filtrage…)
 Comme interface entre capteurs/actionneurs et ordinateur
 On utilise le logiciel de simulation MATLAB pour
analyser le courant absorbé par les charges
 Le port USB à deux connexions internes pour la tension
10
Câble USB
continue DC +5v un pour positif et l'autre pour la masse.
Et il a aussi deux connexions internes pour les données.
Tableau.IV.4.Matérielles de l’utilisation et principe de fonctionnement tous l’élément
57
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
 Capteur de courant
Ce capteur de courant est basé sur un composant capteur ACS712, qui peut détecter avec
précision les signaux de courant alternatif ou courant continue. Le courant maximal qui peut
être détecté peut atteindre 5A et le signal de courant actuel peut être lu via un port analogue.
 Caractéristique
 Capteur de courant linéaire à effet hall totalement intégré ACS712
 Fournit une mesure précise du courant pour les signaux CA et CC
 Type de brique : module capteur
 Alimentation électrique 5V
 Capteur : ±5A
Figure.IV.21. Capteur de courant ACS712
 Carte Arduino
Le système Arduino est une plate-forme open-source d'électronique programmée qui est
basée sur une simple carte à microcontrôleur (de la famille AVR), et un logiciel, véritable
environnement de développement intégré, pour écrire, compiler et transférer le programme vers
la carte.
 La carte Arduino uno
Arduino uno (carte basique, aux dimensions voisines de celle d'une carte bancaire).
Figure.IV.22. La carte Arduino uno
58
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
 Caractéristiques de la carte Arduino Uno
- Microcontrôleur : ATmega328
- Tension d'alimentation interne = 5V
- tension d'alimentation (recommandée) = 7 à 12V, limites = 6 à 20 V
- Entrées/sorties numériques : 14 dont 6 sorties PWM
- Entrées analogiques = 6
- Courant max par broches E/S = 40 mA
- Courant max sur sortie 3,3V = 50mA
- Mémoire Flash 32 KB dont 0.5 KB utilisée par le boot loader
- Mémoire SRAM 2 KB
- mémoire EEPROM 1 KB
- Fréquence horloge = 16 MHz
- Dimensions = 68.6mm x 53.3mm
 Les avantages
• Pas cher
• Environnement de programmation clair et simple.
• Multiplateforme : tourne sous Windows, Macintosh et Linux.
• Nombreuses librairies disponibles avec diverses fonctions implémentées.
• Logiciel et matériel open source et extensible.
• Existence de « shield » (boucliers en français) : ce sont des cartes supplémentaires
qui se connectent sur le module Arduino pour augmenter les possibilités comme par
exemple : afficheur graphique couleur, interface ethernet, GPS, etc...
 Les éléments de la carte Arduino Uno R3
Figure.IV.23. Les éléments de la carte Arduino Uno R3
59
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
IV.4.Étude comparative des différentes charges « CAS PRATIQUE »
 Objectif de l’étude
 Mise en évidence des sources de pollution dans le spectre (harmonique) et leurs
absorbations par les filtres et les selfs.
 Génération de formes d’ondes de courants harmoniques par l’utilisation de charges
non linéaires de type industriel et domestique (gradateur, sources d’éclairage...).
 Étude des différents paramètres :𝑇𝐷𝐻𝑖, 𝑇𝐷𝐻𝑣.
Schéma d’acquisition du courant et la tension
Figure.IV.24. Schéma d’acquisition du courant et la tension
60
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
IV.4.1.Résultats de Simulation
1er cas : Gradateur plein charge plus Une lampe halogène HL1 Sans et Avec filtre
Courant I1
Courant I1
10
10
5
5
0
0
-5
-5
-10
-10
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Temps
0.08
0.09
0.1
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Module de la FFT de (I1)
Module de la FFT de I1
2
6
1.5
4
1
2
0.5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
0
50
100
150
fréquences en Hz
200
400
200
200
0
0
-200
-200
0.03
0.04
0.05
0.06
300
350
400
0.08
0.09
0.1
450
Tension (V1)
Tension (V1)
400
-400
250
Fréquences en Hz
0.07
0.08
0.09
-400
0.1
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Temps (S)
Module de la FFT de (V1)
Temps
Module de la FFT de (V1)
200
300
150
200
100
100
50
0
0
50
100
150
200
250
Fréquences en Hz
300
350
400
450
0
0
50
100
150
200
250
Fréquences en Hz
300
350
400
Figure.IV.25.présentation spectral compensation harmonique du courant (I1) la tension (V1)
− 𝑂𝑛 𝑟𝑒𝑚𝑎𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑒. 𝐼𝑉. 25. 𝑞𝑢𝑒 𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 ℎ𝑎𝑟𝑚𝑜𝑛𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑖𝑓𝑖é 𝑞𝑢’𝑖𝑙
𝑓𝑎𝑢𝑡 é𝑙𝑖𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑑é𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑒𝑟 𝑙𝑒 𝑟é𝑠𝑒𝑎𝑢 à 𝑢𝑛𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒 𝑏𝑟𝑢𝑖𝑡é 𝑛𝑜𝑛 𝑠𝑖𝑛𝑢𝑠𝑜ï𝑑𝑎𝑙𝑒.
− 𝐿𝑒 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑟𝑒 𝑝𝑟é𝑠𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙, 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑙’ℎ𝑎𝑟𝑚𝑜𝑛𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑’𝑜𝑟𝑑𝑟𝑒 5 𝑒𝑡 7 𝑑𝑒 𝑡𝑟è𝑠 𝑏𝑎𝑠𝑒
𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒, 𝑐𝑒 𝑞𝑢𝑖 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑟𝑚𝑒 𝑢𝑛𝑒 𝑡𝑟è𝑠 𝑏𝑜𝑛𝑛𝑒 𝑞𝑢𝑎𝑙𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑔𝑒 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑢𝑛
𝑇𝐻𝐷𝑖 𝑑𝑒 2.93 % 𝑒𝑡 𝑠𝑎𝑛𝑠 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑔𝑒 𝑑𝑒 18.72 % 𝑙𝑒 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑢 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 𝑝𝑟é𝑠𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑢𝑠
𝑑𝑢 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙.
61
450
CHAPITRE IV
COMPENSATION DE LA PUISSANCE RÈCTIVE DU CHARGE NON-LINÈAIRE
ÈTUDE PRATIQUE DES
PHÈNOMEMES DE PERTURBATION HARMONIQUES
____________________________________________
2éme cas : Gradateur mi charge + Une lampe halogène HL1 Sans et Avec filtre
Courant I1
Courant I1
10
10
5
5
0
0
-5
-5
-10
-10
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Temps
Module de la FFT de I1
0.08
0.09
0.1
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Temps
Module de la FFT de I1
2
6
1.5
4
1
2
0.5
0
0
50
100
150
200
250
Fréquences en Hz
300
350
400
450
0
0
50
100
150
200
250
Fréquences en Hz
Tension (V1)
400
200
200
0
0
-200
-200
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Temps (S)
Module de la FFT de (V1)
0.08
0.09
-400
0.1
300
300
200
200
100
100
0
0
50
100
150
350
400
450
Tension (V1)
400
-400
300
200
250
Fréquences en Hz
300
350
400
450
0
0.03
0
0.04
50
0.05
100
0.06
150
0.07
Temps (S)
Module de la FFT de (V1)
200
250
Fréquences en Hz
0.08
300
0.09
0.1
350
400
450
Figure.IV.26.Présentation spectral compensation harmonique du courant (I1) la tension (V1)
− 𝐿𝑒 𝑇𝐻𝐷𝑖 = 75.30 % 𝐴𝑣𝑒𝑐 𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑔𝑒
− 𝐿𝑒 𝑇𝐻𝐷𝑖 = 103.22 % 𝑆𝑎𝑛𝑠 𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑔𝑒
IV.5.Conclusion
En présence d’une charge non linéaire, l’installation d’un condensateur de compensation de
puissance réactive peut amplifier très significativement certains rangs d’harmoniques, créant
une augmentation importante du courant dans le condensateur et dans la source.
La solution consiste à placer une inductance de valeur adaptée, en série avec le condensateur.
Cette solution est délicate à mettre en œuvre car la valeur adéquate de l’inductance est critique.
62
CONCLUSION
GÈNÈRALE
CONCLUSION GÈNÈRALE
_________________________________________________________________________________
Les deux principaux facteurs dans la transmission d’énergie électrique sont la tension et le
courant. La déformation de ces facteurs peut entrainer un mauvais fonctionnement du système.
Un récepteur d’énergie est considéré par le réseau électrique comme une charge perturbatrice
s’il absorbe des courants non sinusoïdaux ou des courants déséquilibrés ou s’il consomme de
la puissance réactive.
Les deux premiers types de perturbations peuvent déformer ou déséquilibrer les tensions du
réseau lorsque l’impédance de celui-ci n’est pas négligeable. Le troisième réduit la capacité de
production ou de transmission de la puissance active des générateurs, des transformateurs et
des lignes électriques. Les charges non-linéaires provoquent une distorsion dans le courant, et
donc dans la tension, ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement des dispositifs raccordés
au réseau.
Deux parties ont été présentées dans ce travail :
La première consiste en la présentation des différentes perturbations affectant le réseau
électriques, leurs causes, et leurs conséquences.et les solutions existantes pour éviter les
problèmes de pollution harmoniques et surtout pour la compensation de la puissance réactive.
La deuxième consiste dans la simulation de deux phénomènes principaux qui sont la
pollution harmonique et la puissance récrive dans le réseau électrique avec une partie
expérimentale faite au sein du centre de formation de Ouargla.
Les résultats des simulations et de expérimentation ont confirmés l’efficacité des dispositifs
assurant la dépollution harmonique et la compensation de la puissance réactive.
63
Références Bibliographiques
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sur les réseaux électriques » Thèse de doctorat, Université Virtuelle de Tunis
[2]. Guillaume RAMI «Contrôle de tension auto adaptatif pour des productions décentralisées
d'énergie connectées au réseau électrique de distribution » Thèse de doctorat INPG, 2006
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en régime permanant‘’ thèse d’ingénieur de conception, École Polytechnique de Thiès.
[4]. SIEMENS, « Power Engineering Guide - Transmission and Distribution » 4th Edition,
2005.
[5]. J.M DELBARRE, « Postes à HT et THT – Rôle et Structure », Techniques de l’Ingénieur,
Traité Génie électrique D4570, 2004.
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de transport d’Hydro Québec ».
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Electric, Cahier technique n°213 décembre 2004.
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distribution électrique’’, Thèse de doctorat, École Doctorale Sciences pour l’Ingénieur de
Nantes, Janvier 1997.
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basse tension « Automatisation des systèmes de puissance électriques »’’, Thèse de doctorat,
Université Louis Pasteur, Strasbourg I, 12 Octobre 2002.
[10]. L. Marroyo, "Contribution à l’étude des redresseurs triphasés à absorption de courants
sinusoïdaux", Thèse de docteur, Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT),
Toulouse, 1999.
[11]. R.P.Bouichard, G.Olivier ; « Électrotechnique : deuxième édition » ; AGMV Marquis
Quebec, Canada, 2001.
[12]. C.Collombet, J.M.Lupin et J.Schonek ; « Perturbations Harmoniques dans les Réseaux
Pollués, et leur Traitement » ; Merlin Guerin N°152, Septembre 1999.
[13]. Amaia Lopez De Heredia Bermeo, ‘’ Commandes avancées des systèmes dédies à
l’amélioration de la qualité de l’énergie : de la basse tension à la montée en tension’’, Thèse
de doctorat, Institut National Polytechnique de Grenoble, 14 novembre 2006.
[14]. A Bouafia, "Techniques de commande prédictive et floue pour les systèmes
d’électronique de puissance : application aux redresseurs à MLI", Thèse de doctorat en
sciences, Université Ferhat Abbas Sétif (UFAS), Algérie, 06 Octobre 2010.
[15]. S. Kerrouche, ‘’Développement et implémentation d’un système de filtrage actif de
puissance à base d’onduleur triphasé ’’, Mémoire de magister, Université Ferhat Abbas Sétif
(UFAS), Algérie, 2009.
[16]. I. Etxeberria.otadui, ‘’ Les systèmes de l’électronique de puissance dédiés à la distribution
électrique. Application à la qualité de l’énergie électrique ‘’. Thèse de doctorat, 2003, Institut
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Juin 2001.
[18]. T.Gouraud, « Identification et Rejet de Perturbations Harmoniques dans des Réseaux de
Distribution Electrique » ; Thèse de Doctorat, École Doctorale S.P.I de Nante, France, 1997.
[19]. R.Kiffouche, «’ Identification des Harmoniques et Génération de Courant de Référence
‘Application au Convertisseur Statiques’ », Mémoire de Magister, Université de M’Hamed
Bougara, Boumerdes, 2006.
[20]. H.Godfroid ; « La commande numérique des moteurs à courant alternatif, besoins et
solutions » ; RGE, N° 5, pp 13-26, Mai 1993.
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2003.
[22]. M. Ferhat, "Commande en temps réel d’un filtre actif de puissance". Mémoire de magister,
2012, Université de Sétif, Algérie.
[23]. C. Tan Perng « A single-phase hybrid active power filters with photovoltaic application»,
Thèse de Master en Génie Electrique, Université de Technologie Malaysia 2006.
[24]. M.M. Swamy « Passive techniques for reducing input current harmonics », WP.AFD.01
Copyright by Yaskawa Electric America, Inc. 2005.
[25]. A. Hamadi « Contribution à l'étude des filtres hybrides de puissance utilises pour
améliorer la qualité de l'énergie dans le réseau électrique de distribution », Thèse Doctorat.
Université du Québec 2010.
[26]. S.A. Tadjer « Étude d’un système de compensation d’harmonique en utilisant
un générateur photovoltaïque ‘GPV’ », Mémoire de Magister. Université de Boumerdes 2008.
[27]. M. A. E. Alali, "Contribution à l’étude des compensateurs actifs des réseaux électriques
basse tension". Thèse de doctorat, 2002, Université Louis Pasteur, Strasbourg I, France.
Annexe
1. Code MATLAB De FFT Analyse et Le THD
clear
fe=200;
t=(1:fe)/fe;
%Signaux source bruités
%load gradateurDCsans.mat
load gradateurDCsans.mat
Nx = length(I1);
subplot(2,1,1)
plot(0.02*x,I1);
title('Courant I1');
xlabel('Temps')
grid
% fft du signal somme
subplot(2,1,2)
tf=fft(I1,Nx);
w=(0:Nx-1)/Nx*fe;
% function THD
[ THD_cos, ph, amp ] = compute_THD(0.02*x,I1,fe );
THD_cos
plot(8.7*w(1:Nx/2),(1/2000)*abs(tf(1:Nx/2)));
grid
xlabel('Fréquences en Hz')
title('Module de la FFT de I1')
2. Schéma Capteur du courant
3. Schéma la carte Arduino Uno
‫ من خالل الشبكات الكهربائية فإن التيارات الكهربائية والتوترات تكون على شكل موجات جيبية ترددھا ھو‬:‫ ملخــص‬
‫ فإننا نتأكد بإن جودة الموجة الكهربائية ليست مثالية وھذا‬،‫ لكن من خالل األبحاث المنشورة والمنجزة‬،‫التردد األساسي للشبكة‬
‫راجع إلى إستعمال الحموالت الغير خطية التي تقوم بتوليد التيارات التوافقية وإستهالك الطاقة الغير فعالة‬
‫من اجل ھذا فإن ھدف ھذا العمل المنجز في ھذه المذكرة ھو الدراسة النظرية والمحاكاة الرقمية لعمل المصفاه الفعال الذي يعمل‬
‫على تعويض التيارات التوافقية المولدة من الحموالت الغير خطية‬
‫يعد التذكير حول أسباب وأثار التلوث التوافقي على الشبكات الكهربائية وكيفية مواجهتها أدت إلى نتائج مرضية للغاية من‬
THD ‫حيث قيمة‬
.‫ التوافق الكهرومغناطيسي‬،‫ البطارية المكثفة‬،‫ المرشح الكهربائي‬،‫ التوافقيات‬:‫الكلمات المفتاحية‬
 Résumé : En se propageant à travers les réseaux électriques, les tensions et les courants sont
idéalement des ondes sinusoïdales à la fréquence fondamentale du réseau. Cependant, selon les
travaux de recherches publiées dans la littérature, nous constatons que la qualité de l'onde électrique
est loin d'être parfaite, à cause de l’utilisation des charges non linéaires, ces charges génèrent des
harmoniques de courant et consomment de la puissance réactive.
Pour cela l'objet le travail présenté dans ce mémoire sur l'étude théorique et la simulation numérique
du fonctionnement d'un filtre permettant de compenser les harmoniques, qui découle directement de
la prolifération des charges non linéaires.
Après un rappel des origines et des effets de la pollution harmonique sur les réseaux électriques.
Cette étude est consacré à la dépollution des réseaux électriques par les filtres qui sont étudies par
simulation BSIM et MATLAB
Les simulations ont conduit à des résultats très satisfaisants en termes de THD.
Mots Clés : harmoniques, filtre Active et passif, batterie de condensateur, HarmoCem.