5. composants et équipements pour la compensation de l`énergie
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CYDESA 2007 5. COMPOSANTS ET ÉQUIPEMENTS POUR LA COMPENSATION DE L’ÉNERGIE RÉACTIVE DANS LES INSTALLATIONS AVEC HARMONIQUES Autant dans les usines que dans les bureaux, il est de plus en plus fréquent de rencontrer des récepteurs qui déforment l’onde des courants absorbants, des courants qui à leur tour, à cause d’une simple chute de tension, arrivent à déformer la tension dans les barres, affectant par conséquent tous les autres récepteurs de l’installation. Ces ondes déformées se décomposent à l’analyse en un composant fondamental à la fréquence du réseau et d’harmoniques ou d’ondes à fréquence multiple du réseau. Les récepteurs générateurs d’harmoniques les plus fréquents sont les suivants : - Les sources d’alimentation monophasées. Propres des PC entre autres et qui génèrent des harmoniques d’ordre 3, 5 et 7 essentiellement. Les variateurs de fréquence pour la modulation de la vitesse des moteurs asynchrones, généralement à 6 impulsions et qui génèrent des harmoniques d’ordre 5, 7, 11 et 13 essentiellement, et dont les ordres 5 et 7 sont les plus importants. Les systèmes d’alimentation ininterrompue ou SAI qui, dans les cas à 6 impulsions, génèrent les mêmes harmoniques précédemment mentionnées. 189 Hz pour une fréquence de réseau de 50 Hz et de 227 Hz pour une fréquence de 60 Hz). ce qui équivaut à un facteur de résonance : hr = fr = 3,78 fN et à un facteur de réactance : 100 = 7% hr2 5.1 Comment savoir s’il est nécessaire d’installer un équipement avec des filtres ? p= Lors de la conception ou du choix d’un équipement ou d’une batterie de condensateurs, il est indispensable de tenir compte du besoin d’intégrer des ballasts pour les filtres à harmoniques. Cydesa propose deux possibilités : Utiliser le programme CYDESA PFC qui calcule les tensions et les distorsions harmoniques à l’aide de quelques données de base Utiliser le graphique représenté ci-dessous Les deux procédures répondent à la question posée. En résumé, les harmoniques caractéristiques mentionnées sont celles d’ordre 3, 5, 7, 11 et 13 et les plus significatives d’entre elles sont celles d’ordre : 3 et 5 5 et 7 Dans les bureaux dans les usines Les batteries de condensateurs sont l’un des éléments les plus sensibles aux harmoniques, les absorbant facilement, provoquant leur amplification et pouvant conduire à des problèmes de résonance. Pour éviter les inconvénients indiqués, dans la plupart des cas il est nécessaire de connecter en série les condensateurs à ballasts aux caractéristiques appropriées, et de disposer d’un filtre à harmoniques. Fig.5.1-1 Méthode de détermination pour savoir si des filtres sont nécessaires dans une installation. QC ST SCON Dans les installations avec présence d’harmoniques, il est généralement prévu de compenser l’énergie réactive pour éviter l’amplification des harmoniques et bien sûr des problèmes de résonance. Dans ces cas-là, des équipements seront installés avec des filtres de rejet ou à basse syntonisation (fréquence de syntonisation L-C de = = = Puissance de la batterie (kvar) Puissance du transformateur (kVA) Puissance des récepteurs générateurs d’harmoniques (kVA) En dessous de la ligne au tracé continu de la Fig. 5.1-1, il est possible d’installer une batterie conventionnelle, dont les condensateurs sont à la tension du réseau. Entre cette ligne et la ligne pointillée, il est recommandé d’utiliser des équipements avec des condensateurs renforcés (4.5), pour qu’ils supportent mieux une éventuelle surcharge. Au-dessus de la ligne pointillée, il est nécessaire de recourir à des équipements avec des filtres de rejet. Enfin, pour les valeurs Scon/ST supérieures aux 50 % recommandés, nous consulter car d’autres types de filtre pourraient convenir. CYDESA 2007 Exemple 5.1-1 Installation avec un transfo de 1000 kVA de puissance des condensateurs pour la compensation de 300 kvar. Il existe des modulateurs de vitesse de 150 kVA de puissance totale. QC 300 %= ⋅ 100 = 30% ST 1000 S CON 150 %= ⋅ 100 = 15% 1000 ST Cela nous situerait au point 1 de la Fig. 5.1-1, c’est-à-dire juste à la limite, et par conséquent, il serait possible d’installer une batterie de condensateurs renforcés (voir 4.6) ou un équipement avec des filtres de rejet (voir 5.6 5.8) Néanmoins, compte-tenu de la situation en limite, il est recommandé d’installer un équipement avec filtres. Exemple 5.1-2 Il s’agit du cas précédent, mais avec 500 kvar de puissance des condensateurs. QC 500 = ⋅ 100 = 50% S T 1000 FD = ∑ (3 2 + 10 2 + 2 2 ) 230 x 100 = 4,6% Habituellement, le facteur de distorsion ne dépasse les 5 % dans des installations industrielles. Des valeurs supérieures doivent entraîner des mesures de protection, notamment en ce qui concerne la batterie de condensateurs (5.1). Pour en savoir plus, consulter notre programme de calcul CYDESA PFC. 5.3 La résonance Elle constitue un phénomène très connu, autant en électricité qu’en mécanique, et ce n’est pas autre chose qu’une amplification importante d’une magnitude particulière. Dans une installation électrique où il existe un transformateur et une batterie de condensateurs, il se produit une résonance parallèle induite par hr = S CON = 15% ST 100 ⋅ S T uk ⋅ Q Dont: ST = puissance du transfo (kVA) uk = tension du CC du transfo (%) Q = puissance de la batterie (kvar) hr = harmonique en résonance Pour l’exemple 5.1-1, en supposant uk = 6 % (valeur standard), le calcul serait : Dans ce cas, nous sommes situés au point 2 et par conséquent, il est nécessaire d’utiliser un équipement avec des filtres de rejet. Il convient de signaler que l’observation de la Fig. 5.1-1 ne fournit qu’un critère orientatif pour la sélection de l’équipement le plus adéquat. Pour un calcul plus précis, nous recommandons d’utiliser le programme de calcul CYDESA PFC ou bien de consulter notre département technique. 5.2 La distorsion harmonique C’est un paramètre qui permet de calculer le contenu des harmoniques de courant ou de tension (FD ou THD). La formule la plus utilisée est la suivante : ∞ FD = Ainsi par exemple, si les harmoniques suivantes sont mesurées dans la tension simple du réseau U1 = 230 V, U3 = 3 V, V5 = 10 V et V7 = 2 V, le calcul serait le suivant : ∑X 2 X1 2 h x100 Dont : Xh = Valeur efficace de l’harmonique d’ordre h X1 = Valeur efficace de la fondamentale hr = 100x1000 = 7,4 6x300 c’est-à-dire que l’harmonique en résonance est éloignée du 5e harmonique qui est le plus important, mais très proche du 7e, par conséquent il est conseillé d’installer une batterie avec des filtres. Pour l’exemple 5.1-2, en supposant uk = 6 %, le calcul serait : hr = 100x1000 = 5,7 6x500 une fréquence trop proche de l’harmonique caractéristique d’ordre 5. Par conséquent, il est recommandé d’installer un équipement avec des filtres. Comme règle générale, la fréquence de résonance doit être suffisamment éloignée des harmoniques présentes dans le réseau d’une valeur appréciable. CYDESA 2007 5.4 Réactances pour les filtres de rejet à harmoniques (fr = 189 Hz) Ballasts triphasés avec noyau en fer bobinés de cuivre ou aluminium et terminaux en cuivre. Imprégnés à vide, surpressurisés en résine polyester et séchés au four à 150°. Caractéristiques • • • • • • • • • Classe d’isolation, F (155 °C) Température ambiante admissible maximale, 50 °C Tolérance de la L, -2 %…+3 % de LN Surcharge admissible U1 = 6 %, U3 = 0,5 %, U5 = U7 = 5 % relative à Un, Ith = 1,05 Irms Limite de linéarité L (à 1,2 ∑I) ≥ 0,95 LN Contrôle de température par microcontact NC à l’intérieur de l’enroulement Utilisation intérieure IP00 Tension de test, entre enroulement et noyau 3 kV, 1 min Norme CEI 60076 400 V, 50 Hz PUISSANCE UTILE DU CONDENSATEUR ASSOCIÉ DIMENSIONS POIDS PERTES NOMINALES INDUCTANCE TYPE MAXIMA LES HxAxB Nc (1) 400 V kvar 12,5 25 50 100 mm 160x180x110 205x225x135 235x296x167 325x296x177 kg 11 18 33 48 (1) La puissance utile Nc est celle réellement livrée au réseau et égale à celle du condensateur, une fois déduite la puissance réactive de la réactance et la correction de la tension réellement appliquée au condensateur. W (2) 65 90 135 250 W (2) 80 140 200 340 mH 3,067 1,535 0,766 0,384 R7P 400/12,5 R7P 400/25 R7P 400/50 R7P 400/100 (2) Les pertes nominales correspondent au courant nominal sans harmonique et les maximales incluent la surcharge admise à 50 Hz plus les harmoniques. CYDESA 2007 5.5 Condensateurs pour les filtres de rejet à harmoniques (fr = 189 Hz) Il s’agit de condensateurs pour une connexion en série avec les ballasts précédents (voir 5.4). Pour une tension du réseau de 400 V, la tension aux bornes du condensateur à cause du ballast sera de 430 V, par conséquent la tension assignée du condensateur devra être supérieure à 440 V. D’un autre côté, il faut prendre en compte la puissance réactive inductive absorbée par le ballast, par conséquent la puissance délivrée par le condensateur au réseau Nc sera inférieure à la puissance de celui-ci. Le tableau suivant indique la puissance Nc et la puissance assignée du condensateur par rapport à 440 V. 400 V, 50 Hz Puissance utile Puissance nominale Dimensions POIDS Type Nc (1) QN (1) Hx∅ 400 V 440 V ou H x A x B kvar kvar kg mm Utilisation cylindrique IP00 à connexion par bride avec résistances de décharge intégrées (caractéristiques à la page 11) 12,5 14 190x84 1,4 PhMKP 440/14/00 265x84 25 1,9 28,1 440/28,1/00 Utilisation prismatique IP43 avec résistances de décharge intégrées (caractéristiques à la page 11) 25 50 28,1 56,2 520x195x135 520x260x135 6,5 10 PhP 440/28,1 440/56,2 (1) La puissance utile Nc est celle réellement livrée au réseau et égale à celle du condensateur, une fois déduite la puissance réactive de la réactance et la correction de la tension réellement appliquée au condensateur. Terminaux (1) M10 (25 kvar) M12 (50 kvar) (2) M10 CYDESA 2007 5.6. Équipements ECF (EDF) avec filtres de rejet (fr = 189 Hz) Ces équipements intègrent des filtres L-C syntonisés à 189 Hz, ce qui équivaut à un ordre d’harmonique hr = 3,78 et un facteur de réactance p = 7 %. La fonction principale de ces filtres est la compensation de l’énergie réactive, par conséquent ils absorbent les courants harmoniques, principalement le 5e harmonique, et réduisent donc les tensions harmoniques. Cette réduction peut être estimée de l’ordre de 25 %. CARACTÉRISTIQUES Tension du réseau Tensions harmoniques admissibles Surcourant admissible à 50 Hz Pertes maximales totales approx. Régulateur Branchement Ventilation Température ambiante Altitude Protection Protection différentielle optionnelle (supplément à la page 35) Finition 400 V, 50 Hz U3 = 0,5 % Un, U5 = U7 = 5 % Un 6% IN 6 W/kvar RM Supérieur pour EC et inférieur pour ED Forcée -15 ºC /max 40 ºC (max 35º de moyenne en 24 h) 1000 m au-dessus du niveau de la mer IP30 RAL 7032 400 V, 50 Hz SUPPLÉMENT PAR INTERRUPTEUR PUISSANCE UTILE ÉCHELONS ÉQUIVALENTS Nc DIMENSIONS POIDS TYPE CALIBRE HxAxB n x kvar mm kvar 25 (2x12,5) 37,5 (12,5+25) 50 (2x12,5+25) 62,5 (12,5+2x25) 75 (2x12,5+2x25) 2x12,5 3x12,5 4x12,5 5x12,5 6x12,5 800x600x300 1000x600x500 kg 78 85 113 120 139 AUTRES SUPPLÉMENTS : - Par interrupteur différentiel à la page 35 - Par autotransfo de manœuvre 400/230 V A ECF 400/25-2/2 ECF 400/37,5-2/3 ECF 400/50-3/4 EDF 400/62,5-3/5 EDF 400/75-4/6 63 125 125 160 160 CYDESA 2007 5.7. Équipements ENF avec filtres de rejet (fr = 189 Hz) Ces équipements intègrent des filtres L-C syntonisés à 189 Hz, ce qui équivaut à un ordre d’harmonique de hr = 3,78 et un facteur de réactance p = 7 %. La fonction principale de ces filtres est la compensation de l’énergie réactive, par conséquent ils absorbent les courants harmoniques, principalement le 5e harmonique, et réduisent donc les tensions harmoniques. Cette réduction peut être estimée de l’ordre de 25 %. CARACTÉRISTIQUES Tension du réseau Puissances Tensions harmoniques admissibles Surcourant admissible à 50 Hz Pertes maximales totales approx. Régulateur Branchement Ventilation Température ambiante Altitude Protection Protection différentielle optionnelle (supplément à la page 35) Finition 400 V, 50 Hz Standard jusqu’à 300 kvar U3 = 0,5 % Un, U5 = U7 = 5 % Un 6% IN 6 W/kvar MC Supérieur Forcée -15 ºC /max 40 ºC (max 35º de moyenne en 24 h) 1000 m au-dessus du niveau de la mer IP30 RAL 7032 400V, 50Hz SUPPLÉMENT PAR INTERRUPTEUR PUISSANCE UTILE ÉCHELONS ÉQUIVALENTS Nc DIMENSIONS POIDS TYPE CALIBRE HxAxB n x kvar kvar mm kg 100 (2x25+50) 4x25 1900x800x400 190 125 (1x25+2x50) 5x25 205 150 (2x25+2x50) 6x25 230 175 (25+3x50) 7x25 315 200 (4x50) 4x50 330 200 (2x25+3x50) 8x25 340 AUTRES SUPPLÉMENTS : - Par interrupteur différentiel à la page 35 - Par autotransfo de manœuvre 400/230 V A ENF 400/100-3/4 ENF 400/125-3/5 ENF 400/150-4/6 ENF 400/175-4/7 ENF 400/200-4/4 ENF 400/200-5/8 Les équipements de 175 kvar et 200 kvar avec interrupteur ont unes dimensions de 1900x100x400 250 250 400 400 400 400 CYDESA 2007 5.8 Équipements EGF avec filtres de rejet (fr = 189 Hz) Ces équipements intègrent des filtres L-C syntonisés à 189 Hz, ce qui équivaut à un ordre d’harmonique de hr = 3,78 et un facteur de réactance p = 7 %. La fonction principale de ces filtres est la compensation de l’énergie réactive, par conséquent ils absorbent les courants harmoniques, principalement le 5e harmonique, et réduisent donc les tensions harmoniques. Cette réduction peut être estimée de l’ordre de 25 %. CARACTÉRISTIQUES Tension du réseau Puissances Tensions harmoniques admissibles Surcourant admissible à 50 Hz Pertes maximales totales approx. Régulateur Branchement Ventilation Température ambiante Altitude Protection Protection différentielle (supplément à la page 29) Finition 400 V, 50 Hz Standard jusqu’à 800 kvar U3 = 0,5 % Un, U5 = U7 = 5 % Un 6% IN 6 W/kvar MC Inférieur Forcée -15 ºC /max 40 ºC (max 35º de moyenne en 24 h) 1000 m au-dessus du niveau de la mer IP30 optionnelle RAL 7032 400 V, 50 Hz PUISSANCE UTILE DIMENSIONS POIDS TYPE SUPPLÉMENT POUR ÉCHELONS ÉQUIVALENTS Nc CALIBRE HxAxB n x kvar mm kvar 225 (25+4x50) 9x25 2000x600x800 250 (5x50) 5x50 250 /2x25+4x50) 10x50 275 (25+5x50) 11x25 300 (6x50) 6x50 300 (2x25+5x50) 12x25 325 (25+2x50+2x100) 13x25 2000x1200x800 350 (50+3x100) 7x50 375 (25+50+3x100) 15x25 400 (2x50+3x100) 8x50 425 (25+2x50+3x100) 17x25 450 (50+4x100) 9x50 2100x1200x800 475 (25+50+4x100) 19x25 500 (2x50+4x100) 10x50 550 (50+5x100) 11x50 600 (2x50+5x100) 12x50 650 (50+6x100) 13x50 2100x1800x800 700 (2x50+6x100) 14x50 750 (50+7x100) 15x50 800 (2x50+7x100) 16x50 OTROS SUPLEMENTOS: - Por interruptor diferencial: consultar kg 351 365 373 387 401 409 570 586 610 625 651 667 692 706 747 790 937 975 1015 1053 EGF 400/225-5/9 EGF 400/250-5/5 EGF 400/250-6/10 EGF 400/275-6/11 EGF 400/300-6/6 EGF 400/300-7/12 EGF 400/325-5/13 EGF 400/350-4/7 EGF 400/375-5/15 EGF 400/400-5/8 EGF 400/425-6/17 EGF 400/450-5/9 EGF 400/475-6/19 EGF 400/500-6/10 EGF 400/550-6/11 EGF 400/600-7/12 EGF 400/650-7/13 EGF 400/700-8/14 EGF 400/750-8/15 EGF 400/800-9/16 A 630 630 630 630 630 630 800 800 800 800 1000 1000 1000 1250 1250 1250 1600 1600 1600 1600
