وزارة التعليــم العالـي والبحـث العلمـي عنابة- جامعــــــة باجـــــي مختـــار BADJI MOKHTAR- ANNABA UNIVERSITY UNIVERSITÉ BADJI MOKHTAR- ANNABA Année : 2017 Faculté : Sciences de L’Ingéniorat Département : Électromécanique MÉMOIRE Présenté en vue de l’obtention du diplôme de: MASTER EEeeeee Filtrage et qualité d’énergie Domaine: Sciences et Technologie Filière: Electromécanique Spécialité: Commande et automatisation des systèmes Electromécaniques Par : Mme LAHMAR Amel DEVANT LE JURY Président : Mr BELHAMRA .A U.B.M. Annaba Directeur de mémoire : Mr MERIDJAT U.BM. Annaba Examinateur : Mr BENLALLI.Y Examinateur : r M FARAH. L M.S U.B.M. Annaba U.B.M. Annaba REMERCIEMENT : Le grand remerciement revient à dieu .qui nous a donne la force et le courage de pouvoir fermier ce travail. Nous tenons à remercier notre encadreur Dr.Meridjet.M.S pour son soutien et son aide à l’élaboration de cette étude. Ainsi que Mr.Boughaba.M et Melle.Zenoun.S pour leurs conseils et surtout leur compréhension. Sans oublier tous ceux qui nous ont aidés et encouragés de prés ou de loin à la réalisation de ce travail. RESUME: Résumé : Les récents développements apparus dans plusieurs domaines de l'utilisation de l'énergie électrique surtout dans le domaine de l'électronique de puissance, ont causée de la détérioration de la qualité de l'onde de courant fournie, en raison de l'apparition des harmoniques dans le réseau de transport et de distribution de l'énergie électrique, ayant ainsi des effets néfastes sur les charges sensibles alimentées par ce même réseau. Puisque la présence de ces harmoniques est due à l'utilisation croissante de ces appareils pollueurs, leur traitement donc revient à exiger aux consommateurs pollueurs de réduire à des valeurs acceptables les taux des harmoniques qu'ils injectent dans le réseau. Plusieurs solutions adoptées pour l’élimination de ces harmoniques : le filtrage passif et le filtrage actif. L’utilisation du filtre actif est la plus efficace et la plus appropriée. Dans ce travail nous avons abordé le principe de fonctionnement du filtre passif. Nous avons examiné les deux types de ce filtre : filtre passif résonnant, filtre passif amorti. En deuxième partie nous avons traité le redresseur MLI à absorption sinusoïdale et le filtre actif parallèle. Pour le filtre actif shunt deux méthodes d’identification des courants perturbateurs sont présentées : méthode des courants et méthode des puissances instantanées. Pour la régulation du courant nous avons utilisé les deux méthodes, qui sont la commande MLI sinus triangle et la régulation par hystérésis. Les résultats de simulation sont obtenus en utilisant le logiciel (PSIM). Summary: Recent developments in several areas of the use of In the field of power electronics, have caused deterioration in the quality of the current wave Due to the appearance of harmonics in the transmission and distribution Thereby adversely affecting the sensitive loads supplied by the same network. Since the presence of these harmonics is due to the increasing use of these polluting Demanding polluters to reduce to acceptable levels Harmonics that they inject into the network. Several solutions have been adopted for the elimination of these harmonics: passive filtering and active filtering. The use of the active filter is the most effective and most appropriate. In this work we discussed the principle of operation of the passive filter. We examined the Two types of this filter: passive resonant filter, passive damped filter. In the second part we dealt with the MLI rectifier with sinusoidal absorption and parallel active filter. For the active shunt filter two methods For the identification of interfering currents are presented: method of currents and method of powers instant. For the regulation of the current we used the two methods, which are the MLI command Sine triangle and hysteresis control. The simulation results are obtained using the software (PSIM). ملخص: إن التطورات األخيرة التي ظھرت في عدة ميادين أدت إلى ازدياد استعمال الطاقة الكھربائية خاصة في ميدان إلكترونيك االستطاعة )القوة ( ,الشيء الذي أدى إلى تسبب في تدھور نوعية موجة التيار الكھربائي ,بسبب ظھور و تضاعف تواجد التوافقيات في شبكة النقل و توزيع الطاقة الكھربائية و بالتالي إفساد و تعطيل بعض األجھزة المربوطة بالشبكة و ازدياد استھالك الطاقة الغير فعالة . بما أن معظم التوافقيات مصدرھا يكمن في االستعمال المتزايد لتلك األجھزة الملوثة فإن مكافحتھا تعود إلى إرغام مستعمليھا على اتخاذ إجراءات لتخفيض وتقليص نسبة ھذه التوافقيات إلى ماھو مقبول من طرف المعايير الدولية. ھناك عدة طرق من أجل التخلص من ھذه التوافقيات :استعمال المصفاة) ( FILTREالغير فعالة و المصفاة الفعالة حيث أن ھذه األخيرة تعتبر األمثل و األرجح . قمنا في دراستنا ھذه بشرح طريقة عمل كل من المصفاة الغير فعالة و استعراض نوعين منھا كما قمنا بدراسة المصفاة الفعالة المتوازنة من أجل الحصول على التيارات المرجعية استخدمنا طريقة التيارات الكھربائية و طريقة االستطاعة اآلتية. لھذا قمنا باستعمال البرنامج في اإلعالم اآللي ) ( PSIMمن أجا استعراض النتائج المختلفة و تقييم اإليجابيات و السلبيات لكل طريقة . SOMMAIRE Résume ……………………………………………………. Introduction générale ………………………………………………………………………………….. P 1 CHAPITRE I : qualité d’énergie électrique Introduction……………………………………………………………………………………………….p2 I. 1. Phénomènes perturbateurs de QEE …………………………………………………….P 3 I.2.1.Indice de QEE……………………………………………………………………………………………P3 I.2.2. Variations de Fréquence………………………………………………………………………….P5 I.2.3. Variation Lente de Tension……………………………………………………………………..P5 I.2.4. Variation rapide de Tension …………………………………………………………...........p5 I.2.5.Déséquilibre du système triphasé de tension …………………………………………..p6 I.2.6. Creux de tension………………………………………………………………………………………P6 I. 2.7. Les Surtensions …………………………………………………………………………….………..P7 I.2.8 Harmoniques…………………………………………………………………………………………...p8 I.3. Classification possible des différents types de perturbations……………………..p9 I. 4.Conclusion ………………………………………………………………………………………………..p12 CHAPITRE II : Généralités sur la pollution harmonique II.1 Introduction…………………………………………………………………………………………….p13 II.2. Définition de l’harmonique ……………………………………………………………………..p14 II.2.1. source des harmoniques ………………………………………………………………………p14 II.2.2.Harmonique de courant et de tension …………………………………………………..p15 II.2.3. Le taux individuel distorsion …………………………………………………………………p19 II.2.4. le taux global de distorsion……………………………………………………………………p20 II.1.5. Les résonances …………………………………………………………………………………….p22 II.2.6.les inter harmoniques ……………………………………………………………………………p25 II.2.7. comparaison entre harmonique et inter harmonique …………………………..p25 II.2.8.les infra harmoniques…………………………………………………………………………….p25 II.3.Effet des harmoniques ……………………………………………………………………………..p26 II.4. Conséquences des harmoniques……………………………………………………………..p28 II.5.Limites tolérable……………………………………………………………………………………….p29 II.6. comparaison entre filtrage passif et filtrage actif……………………………………..p30 II.6.Conclusion ………………………………………………………………………………………………..p31 CHAPITRE III : filtrage III.1.Introduction …………………………………………………………………………………………….p32 III .2. Les solutions traditionnelles…………………………………………………………………..p32 III .2.1 Transformateur à couplage spécial ……………………………………………………p33 III .2.2 Pont dodécaphasé……………………………………………………………………………….p33 III .2.3 Surdimensionnement des installations électriques ………………………….p35 III .2.4 Agir sur la structure de l'installation…………………………………………………….p35 III .2.5. Utilisation une inductance (selfs) série……………………………………………….p36 III .2.6. Filtres passifs d'harmoniques…………………………………………………….………..p36 III .2.6.1. Filtre résonant ………………………………………………………………………………..p37 III .2.6.2 . Filtre amorti …………………………………………………………………………………….p38 III.3. Solutions modernes de dépollution ………………………………………………………..p39 III.3.1. Filtrage actif ………………………………………………………………………………………..p39 III.3.2. Filtre actif parallèle ……………………………………………………………………………..p40 III.3.3. Filtre actif série …………………………………………………………………………………….p41 III.3.4. Combinaison parallèle série actif ………………………………………………………..p42 III.3.5. Filtrage hybride …………………………………………………………………………………..p43 III.3.6. Principe ,caractéristique du filtrage ……………………………………………………..p44 III.3.7. Les redresseurs MLI …………………………………………………………………………….p45 III.3.8. Redresseur de tension …………………………………………………………………………p45 III.3.9. Redresseur de courant…………………………………………………………………………p46 III.4. Avantage des filtres harmoniques……………………………………………………………p47 III.5.Conclusion………………………………………………………………………………………………..p48 CHAPITRE IV : Simulation du FAP IV. 1.INTRDUCTION …………………………………………………………………………………………P49 IV.2. Partie expérimental et simulation……………………………………………………………p50 IV.3. paramètre de simulation …………………………………………………………………………p51 IV.4.Résultat de simulation ……………………………………………………………………………..p56 IV.4.1. avant filtrage…………………………………………………………………………………………p56 IV.4.2. après filtrage………………………………………………………………………………………..p57 IV.4.3. interprétation des résultat……………..………..……………………………………….….p57 IV.5.CONCLUSIN.……………………………………………………………………………………………..p58 V.CONCLUSION GENERALE ………………………………………………………………….. Liste des figures : Fig. I.1.Fluctuations de tension. Fig. I.2. Creux de Tension. Fig. I.3.Surtension transitoire. Fig. I.4.Comparaison les différents types de perturbations par apport à tension instantanée Fig. II.1.La représentation de la forme de l’onde d’un courant déformé avec les différents courants harmonique le constituent. Fig. II.2.Représentation spectrale des harmoniques. Fig. II.3.Différents types de résonances rencontrées sur le réseau. Fig. II.4.Diagramme de Frensel des puissances. Fig. II.5.Représentation des inters et infra harmoniques. Fig. III.1.A) filtre résonant. B) filtre passif amorti. Fig. III.2.Structure du pont dodécaphasé. Fig. III.3.Forme des courants et rang des harmoniques. Fig. III.4.Une distribution en étoile permet le découplage par les impédances naturelle et /ou additionnelle. Fig. III.5.a. Structure du filtre résonant. Fig. III.5.b.Structure du filtre amorti. Fig. III.6.Montage d’un filtrage actif parallèle. Fig. III.7. Montage d’un filtrage actif en série. Fig. III.8.Combinaison parallèle-série actif(UPQC). Fig. III.9.Redresseur de tension. Fig. III.10.Redresseur de courant. Fig.IV.1.Tension triphasée. Fig.IV.2.Allures des courants de la source avant filtrage. Fig.IV.3.Allures des courants de référence (identifiés). Fig.IV.4.Allure des courants injectée. Fig.IV.5.Allure du courant de la source avant et après filtrage et courant injectée. Fig.IV.6.Spectre du courant avant filtrage. Fig.IV.7.Spectre du courant après filtrage. Liste des tableaux : Tab.I.1.QEE phénoménes perturbateurs. Tab.I.2.Classification possible des différents types de perturbations. Tab.II.1.Limites des composants harmoniques en courant . Tab.II.2.Limites des émissions des courants harmoniques. Tab.II.3.Niveaux de comptabilité des harmoniques tension(CEI-1000-2-2). Tab.II.4.Charges non linéaires. Tab.II.5. Charges non linéaires par apport a forme d’onde de courant et spectre. Tab.III.1.Principe et caractéristique du filtrage passif ;actif ;série. Tab.IV.1.LeTHD avant filtrage. Tab.IV.2.Le THD après filtrage. Introduction générale : La qualité de l’énergie électrique concerne tous les acteurs du domaine énergétique, qu’ils soient gestionnaires de réseaux, fournisseurs, producteurs, ou consommateurs d’électricité. Elle est devenue un sujet de grand intérêt ces dernières années, essentiellement pour les raisons suivantes : - Des impératifs économiques : les perturbations électriques ont un coût élevé pour les industriels car elles engendrent des arrêts de production, des pertes de matières premières, une baisse de la qualité de la production, un vieillissement prématuré des équipements, etc. - La généralisation des équipements sensibles aux perturbations et/ou générateurs de perturbations : du fait de leurs multiples avantages (souplesse de fonctionnement, excellent rendement, performances élevées) on constate le développement et la généralisation des équipements d’électronique de puissance. Ces équipements ont la particularité d’être à la fois sensibles aux perturbations de tension, et générateurs de perturbations. - L’ouverture du marché de l’électricité : la libéralisation du marché de l’électricité fait que la qualité de l’énergie électrique est devenue un des critères de choix d’un fournisseur d’énergie plutôt qu’un autre de la part des consommateurs. Les fournisseurs se doivent donc de fournir à leurs clients une énergie avec une qualité maximale. Ce mémoire comporte quatre chapitres organisés comme suit : le premier chapitre nous présenterons la qualité d’énergie et leur caractéristique et les différents types de perturbations. Le second chapitre ; nous étudierons le phénomène de perturbation harmonique (le taux de distorsion……..etc.). Le troisième chapitre nous étudierons les solutions de filtrage (classique et moderne) et dans le dernier chapitre nous utilisons la simulation par matlab pour simuler le filtre parallèle actif .les résultats obtenue de la simulation seront illustrés et discutés. QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I Chapitre I : Qualité d’énergie électrique I.1. Introduction : Ces vingt dernières années, on parle beaucoup de la qualité de l’énergie électrique (QEE). Cette dernière est supposée excellente à la sortie des centrales, le système de transmission de cette énergie contribue à consolider cette qualité (stabilité d’amplitude et de fréquence, puissance de court-circuit….), alors qu’en pratique elle subit nombreuse altérations au cours de son transport, principalement sous l’influence des installations perturbatrice, de la clientèle ou des incidents fortuits. La tension subit généralement beaucoup de perturbations de deux origines distinctes [1] : • Les perturbations de tension causées par le passage, dans les réseaux électrique, des courants perturbateurs comme les courants harmoniques, déséquilibres réactifs. • Les perturbations de tension causées par des tensions perturbatrices comme les tensions harmoniques et déséquilibrées et les creux de tension. [1] Ces perturbations ont des conséquences néfastes sur le réseau, allons parfois à l’effondrement de ce dernier et mettre en nocturne toute une population. Ce qui oblige tous les acteurs en présence, qu’ils soient gestionnaires de réseaux, utilisateurs ou intervenants. Parmi tous ces acteurs le gestionnaire à une responsabilité de mettre en œuvre les moyens pour maîtriser ces contraintes qui s’imposent. Pour ce faire plusieurs solutions d’amélioration de sont à distinguées. 2 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I I. 2 Phénomènes perturbateurs de QEE : I.2.1. Indice de QEE L’alimentation électrique consiste en un système triphasé d’ondes de tension qui se caractérise par [1] : La fréquence, L’amplitude des trois tensions, La forme d’onde qui doit être la plus proche possible d’une sinusoïde, La symétrie du système triphasé, caractérisé par l’égalité des modules des trois tensions et leur déphasage relatif. Une alimentation parfaite n’existe pas, on dit que les quatre caractéristiques sont affectées de « perturbations », de nature physique, incidents liés à l’installation ou bien des incidents liées à l’exploitation. Le tableau I.1 synthétise la définition de la qualité d’énergie et met en évidence les phénomènes perturbateurs qui dégradent cette qualité [1]. QUALITE DE PUISSANCE= Continuité de Tension+ Qualité de Tension. QEE Phénomènes perturbateurs Continuité de Tension -Longues interruptions Qualité de tension -Fréquence : Déviations -Amplitude : Déviations Flicker Descente -Forme d’onde : Harmoniques (inter.) -Symétrie : Déséquilibre TAB. I.1. QEE et phénomènes perturbateurs Donc quatre possibilités distinctes de perturbations sont àsouligner : 1. Les fluctuations de la fréquence : Elles sont rares et ne sont observées que lors de circonstances exceptionnelles, par exemple certains défauts graves du réseau, au niveau de la production ou du transport. 3 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I 2. Les variations de l’amplitude : Il ne s’agit pas des variations lentes de tension qui sont corrigés par les transformateurs de réglage, mais de variations rapides de tension ou de creux de tension se présentant souvent sous forme d’à-coups brusque. Les creux de tension peuvent être soit isolés, soit au moins répétitifs, de forme régulière ou non. 3. La modification de la forme d’onde de la tension : Cette onde n’est alors plus sinusoïdale, et peut être considérée comme représentable par une onde fondamentale à 50Hz, associée soit à des harmoniques de fréquences multiples entier de 50Hz, soit de même parfois à des ondes de fréquence quelconque. 4. La dissymétrie du système triphasé, que l’on appelle déséquilibre.[1] On peut, en plus, mentionner un type particulier de perturbations difficile à classer puisqu’il concerne tout à la fois l’amplitude et la forme d’onde : ce sont les variations transitoires d’amplitude dont la durée est inférieure à 10 ms [1]. Afin de bien analyser les perturbations des réseaux électriques, afin de trouver les meilleures méthodes d’amélioration, nous allons s’intéresser à deux types de perturbations, à savoir les perturbations de courant et celles de tension. • Les courants perturbateurs comme les courants harmoniques, les courants déséquilibrés et la puissance réactive sont majoritairement émis par des charges non linéaires, à base d’électronique de puissance, et/ou déséquilibrés. La puissance réactive peut être aussi consommée par des charges linéaires inductives comme les moteurs asynchrones qui sont largement présents dans les sites industriels. • Les perturbations de tension comme les creux, les déséquilibres et les harmoniques de tension trouvent généralement leurs origines dans le réseau électrique lui-même parfois également dans les charges. 4 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I I.2.2. Variations de Fréquence : Les variations de fréquence sont généralement très faibles (moins de 1%) et ne causent pas en général des préjudices aux équipements électriques et électroniques [1]. Mais peuvent être gênantes sur dans les petits réseaux isolé ou certain processus nécessitent un réglage très précis et peuvent subir des dysfonctionnements en cas d’alimentation par un groupe de secours avec des fréquences non stable. La norme EN50160 exige que la fréquence ne doit pas dépasser (50+1 HZ), à la rigueur et en tenant compte parfois des conditions extérieurs la valeur de la fréquence peut être tolérée jusqu’au (50+2 HZ). I.2.3. Variation Lente de Tension : La valeur efficace de la tension varie continuellement, en raison de modifications des charges alimentées par le réseau. Les appareils usuels peuvent supporter sans inconvénients des variations lentes de tension dans une plage d’au moins de ±10% de la tension nominale. I.2.4. Variation rapides de Tension : Des fluctuations de tension, répétitives ou aléatoires, sont provoquées par des variations rapides de puissance absorbée ou produite par des installations telles que les soudeuses, four à arc, éoliennes…etc. Fig.I.1. Fluctuations de Tension 5 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I Les fluctuations de tension sont des variations périodiques ou erratiques de l'enveloppe de la tension qui se produisent à des intervalles de temps de quelques centièmes de secondes. L'amplitude de la tension doit se situer dans une bande de ±10% de sa valeur nominale. Ces fluctuations entraînent des variations de flux lumineux pour les lampes à incandescence créant un papillotement de la lumière. [2] I.2.5. Déséquilibre du système triphasé de tension Lorsque les trois tensions ne sont pas identiques en amplitude et/ou ne sont pas décalées d'un angle de 120° les unes par rapport aux autres, elle pariera de déséquilibre du système triphasé. Un réseau électrique triphasé équilibre alimentant un récepteur électrique triphasé non équilibre conduit à des déséquilibres de tension dus à la circulation des courants non équilibrés dans les impédances du réseau. I.2.6. Creux de tension : Un creux de tension est une diminution brusque de la tension de fourniture U f. Cette diminution, située entre 90% et 10% de la tension nominale U n, est suivie du rétablissement de la tension après un court laps de temps. Un creux de tension peut durer de 10 ms à 3 min [1]. La plupart des appareils électriques admettent une coupure totale d’alimentation d’une durée inférieure à 10 ms. Fig. I.2. Creux de Tension 6 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I Origines : Il y a deux types de phénomène à l’origine des creux de tension : Ceux provenant du fonctionnement d’appareils à charge fluctuante ou de la mise en service d’appareils appelant un courant élevé au de démarrage (moteurs, transformateurs……….etc.). Ceux liés aux phénomènes aléatoires, comme la foudre ou tous les courts circuits accidentels sur les réseaux de distribution, ou les réseaux internes des clients (défaut d’isolation, blessure de câble, projection de branches sur les lignes aériennes). Les creux de tension sont caractérisés par leur profondeur et par leur durée. Ils sont monophasés, biphasés ou triphasés suivant le nombre de phases concernées. [1] Conséquences : Les creux de tension sont susceptibles de perturber le fonctionnement de certaines installations industrielles et tertiaires. En effet, ce type de perturbation peut causer des dégradations de fonctionnement des équipements électriques qui peuvent aller jusqu’à la destruction totale de ces équipements. I.2.7. Les Surtensions Les surtensions les plus fortes, mais heureusement peu fréquente sont du généralement aux conditions atmosphérique (Foudre). Leur amplitude peut atteindre plusieurs KV dans les réseaux aériens BT. Et elles peuvent se propager même dans les réseaux BT souterrains. Les surtensions transitoires se produisent aussi dans les installations des utilisateurs (clients) lors du déclenchement d’appareils BT. Leur contenu énergétique est moindre que pour les surtensions de foudre, mais leur amplitude peut dépasser 1 KV en BT [1], ce qui présente un danger pour les circuits électroniques. 7 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I Fig. I.3. Surtension transitoire [2] Conséquences : Les surtensions transitoires peuvent provoquer des dégâts importants, dysfonctionnement des appareils sensible, cette sensibilité a augmenté avec le développement de l’électronique de contrôle, commande et de puissance. La norme EN50160 fixe les niveaux de surtensions selon le schéma de liaison à la terre de l’installation. réseaux à neutre à la terre (raccordé directement ou avec une impédance) : la surtension ne devra pas dépasser 1,7 Un ; réseaux à neutre isolé ou résonant : la surtension ne devra pas dépasser 2 Un. I.2.8. Harmoniques :[2] I.2.8.1.Origines : Dans de nombreux cas le courant consommé par la charge n’a plus une forme de sinusoïde pure, notamment ces dernières années avec la présence des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques a entraîné une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique dans les réseaux. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques de différentes fréquences. Le passage de ces courants harmoniques dans les impédances du réseau électrique peut entraîner des tensions harmoniques au point de raccordement et alors polluer les consommateurs alimentés par le même réseau électrique. 8 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I I.2.8.2.Harmoniques et inter harmonique : Les harmoniques sont une superposition à l'onde fondamentale (50Hz) des ondes sinusoïdales mais de fréquences multiples entier du fondamental. La principale source de la présence des harmoniques dans les réseaux électriques est l'utilisation intensive des convertisseurs statiques. Les inter harmoniques sont superposés à l'onde fondamentale mais ne sont pas des multiples entiers de la fréquence du réseau.[4] I.3.Classification possible des différents types de perturbations : [1] Le tableau suivant présente une classification possible des différents types de perturbations. Il est à noter qu’aucune classification ne fait actuellement référence, et d’autres notions peuvent être parfois utilisées : variations rapides de tension, surtensions temporaires, etc. Il faut noter, également, que l’impact à long terme de ces différents types de perturbations sur la durée de vie des appareils électriques reste aujourd’hui assez méconnu. Précisons enfin qu’en langage courant le terme « tension » fait le plus souvent référence à la valeur efficace de l’onde de tension (la valeur efficace d’une sinusoïde parfaite est égale à la valeur maximum de la sinusoïde divisée par √2), ou à une moyenne de la valeur efficace sur une certaine durée (pour une onde imparfaitement périodique, la valeur efficace n’a de sens que localement, pour un intervalle de temps suffisamment court), et non à la valeur instantanée de la tension (qui oscille autour de 0 V avec une période de 20 ms). 9 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I Perturbation Définition Conséquences possibles Creux de tension Effondrement bref de la valeur efficace de la tension - de quelques dizaines de millisecondes à quelques seconde(s) Micro-coupures, altération du fonctionnement de certains appareils électriques. Surtension impulsionnelle Pic bref ou très bref de la valeur efficace de la tension, ou de la valeur instantanée de la tension Altération du fonctionnement decertains appareils électriques,dommages potentiels à long terme, dégâts matériels instantanés dans certains cas extrêmes Papillotement Fluctuations rapides et relativement faibles de la valeur efficace de la tension Variations de l’intensité de l’éclairage, gêne visuelle, inconfort physiologique Tension basse Valeur efficace de la tension (moyennée sur plusieurs secondes à quelques minutes) durablement inférieure au(x) seuil(s) admis typiquement 90 % de la tension nominale Altération du fonctionnement de certains appareils électriques Tension haute Valeur efficace de la tension durablement supérieure au(x) seuil(s) admis typiquement 110 % de la tension nominale Altération du fonctionnement de certains appareils électriques, dommages potentiels à long terme 10 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I Fluctuation la fréquence de Ecart de la fréquence par rapport à sa valeur de référence - 50 Hz en France Peu d'impact sur les installations tant que les variations de la fréquence restent limitées Harmoniques inter-harmoniques et Signaux parasites de fréquence multiple de 50 Hz (harmoniques) ou de fréquence quelconque (interharmoniques) Altération du fonctionnement de certains appareils électriques, perturbation de signaux, notamment tarifaires Différences entre les valeurs efficaces des trois phases Altération du fonctionnement de certains appareils électriques triphasés Déséquilibre Tab I.2.Classification possible des différents types de perturbations Fig. I.4 comparaison les différents type de perturbation par apport à tension instantanée 11 QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE CHAPITRE I I.9.Conclusion : Depuis quelques années, les mesures de puissance et de la qualité du réseau électrique prennent beaucoup d'importance. Parallèlement, il existe un besoin croissant pour une meilleure qualité et une plus grande fiabilité du réseau électrique. Par conséquent, l'utilisation accrue, dans l'industrie, des systèmes commandés à base d'électronique de puissance provoque de plus en plus des problèmes de perturbation au niveau des réseaux électriques [1], tels que les distorsions harmoniques, les déséquilibres, le papillotement, les coupures brèves, les creux de tension, les surtensions temporaires, les variations de fréquence et de tension, et les surtensions transitoires. En outre, ces perturbations peuvent générer des nuisances, pannes ou des dégâts par l'affectation d'un ou plusieurs paramètres de la tension du réseau électrique suivants : la fréquence, l'amplitude, la symétrie des tensions triphasées et la forme de l'onde. 12 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II CHAPITRE II : Généralités sur la pollution harmonique II-1 Introduction : L’objectif du distributeur de l’énergie électrique est de fournir à ces clients une électricité de bonne qualité c’est-à-dire une onde de tension sinusoïdale, d’amplitude et de fréquence constante. En pratique, le transport et l’usage qui en est fait par différents utilisateurs provoquent la déformation de la sinusoïde .cette déformation ou distorsion de l’onde est appelée : perturbation harmonique.[2] C’est ce qui fait que la forme des ondes du courant et de tension relevée sur le réseau s’éloigne assez souvent de la sinusoïde idéale. Les perturbations harmoniques sont dues pour une large part au développement de nouveaux usages qui se répondent tant dans l’industrie que dans les ménades. Ces perturbations qui augmentent au fil des années risquent d’être gênantes à terme .elles provoquent des dysfonctionnements d’appareils sensible .des claquages de condensateurs, De disjoncteurs, il est donc important de prévoir cette évolution dans le temps. La distorsion harmonique sur le réseau dépend donc de l’importance de la puissance totale des charges non linéaires qui y sont raccordées. Par rapport à celle de l’ensemble des charges alimentées par le réseau. Quand l’impédance du réseau est très faible par rapport à celle des charges non linéaires qu’il alimente .on peut considérer ces dernières comme une source idéale de courants harmoniques. La cause principale de l’existence des harmoniques de tension est la consommation des courants non sinusoïdaux par les charges non linéaires qui provoquent une chute de tension non sinusoïdale en circulant à travers l’impédance du réseau. 13 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II II.2. définition de l’harmonique : Les harmoniques sont de tension ou des courants sinusoïdaux dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamental du réseau ; les harmoniques impaires existent mais les harmoniques paires en général n’existent pas. Et on peut observer des sous harmoniques ou des inters harmoniques à des fréquences non multiples entières de la fréquence fondamentale. Toute fonction périodique peut être représenté e par une série de fourrier de la forme : (II-1) Bh= la valeur efficace de la composante de rang h ∅h=phase de la composante h lorsque t=o B0 = amplitude de la composante continue, généralement nul. II.2.1.Source des harmoniques : La prolifération des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques a entraîné ces dernières années une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique des réseaux électriques. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, ou parfois à des fréquences quelconques. Le passage de ces courants harmoniques dans les impédances du réseau électrique peut entraîner des tensions harmoniques aux points de raccordement et alors polluer les consommateurs alimentés par le même réseau électrique. Les différents secteurs industriels concernés sont aussi bien du type secondaire (utilisation des gradateurs, des redresseurs, des variateurs de vitesse….), que du type tertiaire (informatique ou éclairage dans les bureaux, commerces,…) ou domestique (téléviseurs, appareils électroménagers en grand nombre).[2] 14 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II II.2.2.Harmonique de courant et de tension : Les harmoniques présentes sur les réseaux électriques proviennent de l’utilisation de charges non linéaires. Quand elles sont connectées au réseau d’une certaine fréquence. Elles absorbent un courant pas sinusoïdal mais de même fréquence. Ces charges se comportent comme des sources de courant harmonique, c’est-à-dire que le courant est fixé par la charge et non par tension du réseau. Ces courants provoquent, dans le réseau, des chutes de tension harmoniques selon la loi d’Ohm :[2] (II-2) Vh : tension harmonique de rang h ; Zh : impédances harmoniques de rang h ; Ih : courant harmonique de rang h ; • Rang harmonique : Est le rapport de sa fréquence fn à celle du fondamental, généralement la fréquence industrielle (50Hz-60Hz) Le fondamental f1à le rang 1. (II-3) • Spectre : C’est l’histogramme donnant l’amplitude dechaque harmonique en fonction du rang (fig II-2). 15 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Fig.II.1 La représentation de la forme de l’onde d’un courant déformé avec les différents courants harmonique le constituant Fig.II.2 Représentation spectrale des harmoniques 16 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Les normes internationales :[4] Au niveau international (CEI), les normes CEI-1000 définissent les niveaux des courants et des tensions harmoniques à respecter. Le tableau. II.1 présente la norme CEI-1000- 3-2 qui fixe la limitation des courants injectés dans un réseau public basse tension pour des équipements dont le courant par phase est inférieur à 16A. Harmonique impaire Rang Courant harmonique Harmonique paire Rang Admissible maximal (A) Courant harmonique Admissible maximal (A) 3 2.30 2 1.08 5 1.14 4 0.43 7 0.77 6 0.30 9 0.40 8≤h≤40 0.23×8/h 11 0.33 13 0.21 15≤h≤39 0.15×15/h TAB (II .1) Limites des composantes harmoniques en courant [4] La norme (CEI-1000-3-4) spécifie les limites d’émissions de courants harmoniques Deséquipements individuels d'intensité assignée supérieure à 16A et jusqu'à 75A. Ces limitess'appliquent aux réseaux publics de tensions nominales comprises entre 230 V (monophasé) et600 V (triphasé).[5] 17 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Rang courant harmonique en du fondamental 21.6 10.7 7.2 3.8 3.1 2.0 0.7 1.2 1.1 ≤ 0.6 0.9 0.8 ≤0.6 0.7 0.7 ≤0.6 ≤0.6 ou 0.158/h 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 ≥33 pair TAB (II.2) Limites des émissions de courants harmoniques [4] Les normes CEI-1000-2-2 et CEI-1000-2-4 précisent le niveau des harmoniques detension à respecter au point de raccordement sur les réseaux de distribution basse tension, public et industriel respectivement Le tableau II.3 présente les niveaux de compatibilité pour les tensions harmoniques sur les réseaux publics basse tension.[5] 18 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II harmoniques impairs harmoniques impaires non multiples de 3 multiples de 3 rang tension rang tension harmonique paire rang tension harmonique harmonique en% harmonique en% en% du du fondamental du fondamental fondamental 5 6 3 5 2 2 7 5 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 TAB (II.3) Niveaux de compatibilité des harmoniques de tension (CEI-1000-2-2).[4] II.2.3. Le taux individuel distorsion : Le taux de distorsion harmonique se mesure normalement harmonique par harmonique dans les phases de conception et d'essai des matériels. L'indication de la répartition des harmoniques permet, en effet, de diagnostiquer l'origine des non-linéarités. Certaines formes de distorsion peuvent être plus indésirables que d'autres. Dans une définition ancienne, on calcule le taux d'harmonique par rapport au fondamental (harmonique 1). [2] Où h est le rang de l'harmonique, yh la valeur efficace de l'harmonique de rang h, y1 étant celle de l'harmonique 1, le fondamental. Mesure l’importance de chaque rang par rapport au fondamental. 19 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II D(%)= yh/y1*100 (II-4) II.2.4. le taux global de distorsion : Le taux global de distorsion en courant ou (total harmonique distorsion pour courant, mesure l’importance des harmonique de tous le rang par rapport au fondamental.[12] (II-5) Il faut préciser s’il s’agit d’in THD de courant : THDI ou de tension : THDV Contrairement au niveau de courant, le niveau de tension est une valeur fixe et prédéfinie pour un réseau. On définie donc les contraintes en terme de THDV. Différents taux de distorsion en courant sont proposés dans le tableau : Charges non linières TDHI (%) Variateurs de vitesse 80 Alimentation de micro-ordinateur 60 Tablesfluorescentes > 110 TAB( II-4) Charges non linières[5] On a quelques exemples pourCharges non linières :[9] 20 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II TAB (II-5) Charges non linières par apport a forme d’onde de courant et spectre [4] 21 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II II.2.5. Les résonances : Sur les réseaux, on rencontre deux types de résonance (résonance parallèle et résonance série) .la présence de résonances entraîne des contraintes supplémentaires sur certains matériels, et notamment sur les condensateurs qui peuvent alors se détériorer rapidement. Certaines précautions doivent donc être prises lors de l’installation de ces matériels, de manière à ne pas amplifier les courants et les tensions harmoniques présents sur les réseaux.[5] fig. II.3.Différents types de résonances rencontrées sur le réseau. le facteur de puissance : Pour un signal sinusoïdal le facteur de puissance est donné par le rapport entre la puissance active P et la puissance apparente S. Une faible valeur du facteur de puissance se traduit par une mauvaise utilisation de ces équipements. 22 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Donc le facteur de puissance(FP) devient : FP=p(KW)/S(KVR) (II-5) En présence des harmoniques, la puissance apparente S est composée de trois parties : Active P, réactive Qet déformante D. Son expression est donnée par l'équation suivante : (II-6) La puissance réactive Qest associée au courant fondamental. La puissance déformante D est due aux harmoniques de courant avec : (II-7) Où Icest la valeur efficace du courant de la charge. Pour un signal sinusoïdal le facteur de puissance FP est égal au quotient de la Puissanceactive Ppar la puissance apparente S: (II-8) Le facteur de puissance sera toujours inférieur à 1, en posant : P=3v . Ic1.Cosø (II-9) On aura FP = Ic1 / Ic .cosΦ= Fdis .cosΦ ( II-10) 23 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Où Fdis représente le facteur de distorsion. Il vaut 1 lorsque le courant est parfaitement Sinusoïdal et il décroît lorsque la déformation de l'onde s'accentue. Φ représente le déphasageentre le courant fondamental et la tension. Afin d'éviter les désagréments causés par la présencede courants et de tensions harmoniques dans le réseau, des normes sont imposés aux utilisateurs.[2] Observation: Par définition le facteur de puissance -autrement dit le Cosø d’un appareil électrique- est égal au rapport dela puissance active P (kw) sur la puissance apparente S(kVA) et peut varier de 0 à 1. Il permet ainsi d’identifier facilement les appareils plus ou moins consommateurs d’énergie réactive. • Un facteur de puissance égal à 1 ne conduira à aucune consommation d’énergie réactive (résistance). • Un facteur de puissance inférieur à 1 conduira à une consommation d’énergie réactive d’autant plus importante qu’il se rapproche de 0 (inductance). Fig.II.4 diagramme de Fresnel des puissances [10] 24 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II II.2.6.Les inter harmoniques : Les inters harmoniques sont des signaux de fréquence non multiple 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. [5] II.2.7. Comparaison entre Harmoniques et inter harmonique : Les harmoniques sont une superposition à l'onde fondamentale (50Hz) des ondes sinusoïdales mais de fréquences multiples entière du fondamental. La principale source de la présence des harmoniques dans les réseaux électriques est l'utilisation intensive des convertisseurs statiques. Les inters harmoniques sont superposés à l'onde fondamentale mais ne sont pas des multiples entiers de la fréquence du réseau. II.2.8. Les infra harmoniques : Ce sont composantes sinusoïdales qui sont des fréquences inférieurs à celles du fondamentale 10Hz, 20Hz,…….. La présence d’inters harmoniques ou d’infra harmoniques est due à 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’application de composantes supplémentaires à celles du développement en série de Fourier ces variations sont provoquées par des machines telles que : fours à arc. Cycloconvertisseur. Variateurs de vitesse. 25 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Infra-harmonique Fondamental Inter-harmonique Harmoniques 1 2 3 4 5 6 7 Fig II.5 Représentation des inters et infra harmoniques.[4] II.3.Effet des harmoniques :[8] Les tensions et courants harmoniques superposés à l’onde fondamentale conjuguent leurs effets sur les appareils et équipements utilisés. Les effets les connus des harmoniques sont la destruction de condensateurs et de disjoncteurs suite à de fortes intensités dans les réseaux internes. En présence des harmoniques, la valeur efficace résultante est la somme des valeurs efficaces de toutes harmoniques et la fondamentale qui traversent le circuit. Les appareils dimensionnés pour un courant fondamental donné peuvent être soumis à de sévères contraintes supplémentaires. Donc les courants et les tentions harmoniques ont des effets néfastes sur le fonctionnement, la rentabilité et la durée de vie de certains équipements électriques. Parmi les effets instantanés, on peut citer : 26 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Effets immédiats : Dégradation des facteurs de puissance ; Réducteur de la puissance des moteurs ; Surcharges des câbles, transformateurs et moteurs ; Augmentation du bruit dans les moteurs ; Erreur d’enregistrement dans les compteurs ; Sur dimensionnement des câbles ; Réduction de la capacité du réseau ; Mauvais fonctionnement des contacteurs ; Perturbation des systèmes électronique ; perturbations des électroniques des dispositifs de mesure et de protection ; perturbations des lignes de téléphones proches de lignes de puissance ; résonance ; vibrations et bruits ; En ce qui concerne les effets à long terme : Effets à moyen et long terme : Réduction de la durée de vie des moteurs ; Détérioration des batteries de condensateurs ; Réduction de la duréede vie des transformateurs ; Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques ; Pertes fer ; usure mécanique des matériaux due aux vibrations ; 27 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Échauffement qui réduit la durée de vie des matériels (condensateurs, transformateur, machines tournantes). II.5. Conséquences des harmoniques : De nombreux effets des harmoniques sur les installations et les équipements électriques peuvent être cités. Les effets les plus importants sont l’échauffement, l’interférence avec les réseaux de télécommunication, les défauts de fonctionnement de certains équipements électriques et le risque d’excitation de résonance : L’échauffement : Les pertes totales par effet Joule sont la somme de celles du fondamental et des harmoniques : (II-11) Avec I le courant total, Ih le courant harmonique de rang h qui représente le fondamental pour h=1, et R la résistance traversée par le courant I. Les harmoniques augmentent aussi les pertes fer (pertes par courants de Foucault). Ils prennent de l’importance dans les matériels utilisant les circuits magnétiques (moteurs, Transformateurs...). Le vieillissement des isolants est souvent dû à une contrainte en tension consécutive à la Présence de la tension harmonique, et donc à une augmentation locale du courant de fuite, ou encore à l’échauffement exagéré dans les conducteurs. L’interférence avec les réseaux de télécommunication : Le couplage électromagnétique entre les réseaux électriques et de télécommunication peut induire dans ces derniers des bruits importants. Dans le cas de résonances, une partie des réseaux de télécommunication peut être rendue inutilisable. 28 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II Les défauts de fonctionnements de certains équipements électriques : En présence des Harmoniques, la tension (ou le courant) peut changer plusieurs fois de signe dans une demi période; par conséquent, tout appareil dont le fonctionnement est basé sur le passage par zéro des grandeurs électriques (appareils utilisant la tension comme référence) peut être perturbé. Le risque d’excitation de résonance : Les fréquences de résonance des circuits formés par des inductances du transformateur et des câbles sont normalement élevées. Ce n’est pas le cas lorsque des batteries de capacité sont raccordées au réseau pour relever le facteur de puissance; les fréquences de résonance peuvent devenir assez faibles, et coïncider ainsi avec celles des harmoniques engendrés par les convertisseurs statiques. Dans ce cas, il y aura des phénomènes d’amplification d’harmoniques. II.5. Limites tolérables : [3] Limite en tension : À cause de ses effets néfastes, les harmoniques doivent être évitées. Les fournisseurs d'énergie électrique s'engagent sur la qualité de l'alimentation électrique fournie à ses clients industriels. Ils garantissent un taux de distorsion harmonique de la tension maximum, par exemple 2%. Limite en courant : Dans certains cas (France par exemple), le fournisseur d'énergie électrique peut imposer des niveaux maximaux de courants harmoniques générés par ses clients. Ces niveaux sont souvent exprimés en pourcentage du niveau fondamental. II.6. Solutions de filtrage des harmoniques : [5] On peut regrouper les solutions visant à réduire les perturbations harmoniques en deux groupes : les solutions classiques et les solutions modernes. Première Solution sera le filtrage passif, etla deuxième solutionmoderne sera le filtrage actif. Et envoi les détails au chapitre III. 29 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II II.7.1 Comparaison entre filtrage passif et filtrage actif : • Filtrage passif : Le but du filtrage est d'abaisser l'impédance harmonique du réseau à l'aide de filtres accordés sur les fréquences des harmoniques générés par la source perturbatrice. Les filtres anti-harmoniques sont généralement installés en Hauttension (HTA). Ils peuvent participer à la compensation en énergie réactive. Ils sont composés d'un ensemble de condensateurs et de bobines associées, de manière que la fréquence de résonance de cet ensemble soit accordée sur celle des rangs harmoniques générés. • Filtre actif : Permet de neutraliser l'effet d'une perturbation en injectant une grandeur égale à la perturbation mais de phase opposée. Les deux s'annulent donc. Les filtres actifs sont souvent utilisés en complément des filtres passifs. Il s'agit d'une solution très onéreuse qui n'est applicable qu'en basse tension, pour des installations industrielles de faible puissance. Par ailleurs, les filtres actifs consomment de la puissance ce qui réduit le gain réalisé en éliminant les pertes. 30 GENERALITES SUR LA POLLUTION HARMONIQUE CHAPITRE II II.7.Conclusion : Sur le réseau de distribution électrique, les principales sources de perturbations harmoniques sont les convertisseurs statiques de puissance, afin d’éviter d’éventuels dysfonctionnements ou dégradations des équipements, il est nécessaire de les dimensionnes en conséquence. Si le niveau des harmoniques est trop élevé, La mise en place de filtrages harmoniques est toujours envisageable. Dans tous les cas, le choux des matériels, (lignes, transformateurs, filtres…..) d’une nouvelle installation passe obligatoirement par la connaissance a priori du niveau des harmoniques produites par les convertisseurs, ou plusgénéralement par les charges non linéaires. 31 FILTRAGE CHAPITRE III CHAPITRE III : filtrage III.1.Introduction : Avec l'augmentation ces dernières années du nombre et de la puissance unitaire Descharges non linéaires telles que les sources d'alimentations statiques et les entraînementsélectriques à vitesse variable dans les réseaux électriques, les harmoniques qu'ils génèrentdeviennent de plus en plus préoccupantes, tant pour les distributeurs d'énergie que pour lesconsommateurs vus les effets nocifs et les coûts qu'ils engendrent. En conséquence, il estimportant que des solutions de dépollution harmoniques soit Mises en œuvre. Parmi les solutions existantes : filtrage passif, filtrage actif. III.2.Les méthodes ou solutionsexistantes : III.2.1 Les méthodes classiques, Les solutions traditionnelles : (Le filtrage passif) : [2], [3] Ce sont des techniques qui doivent être connues par tous les électriciens. Elles apportent une solution facile et rapide pour certains cas de perturbations bien localisées et utilisent composants passifs (inductances, condensateurs, résistance) et/ou des branchements qui modifient le schéma de l’installation. [12]. Ce filtrage consiste à placer en parallèle sur le réseau d’alimentation une impédance devaleur très faible autour de la fréquence à filtrer et suffisamment importante à la fréquencefondamentale du réseau. Parmi les dispositifs de filtrage les plus répandus, on distingue le filtre passif résonnant et le filtre passif amorti. 32 FILTRAGE CHAPITRE III Figure (III.1) a) Filtre résonnantb) Filtre passif amorti III .2.2.1 Transformateur à couplage spécial : [6] Il s’agit de limiter la circulation des courants harmoniques à une partie aussi petite que possible de l’installation à l’aide de transformateurs à couplage approprié. L’utilisation d’un Transformateur d’isolement, de rapport 1/1 à couplage triangle- étoile ou triangle zigzag, empêche la propagation des courants harmoniques de rang 3 et leurs multiples circulant dans le neutre, ce procédé n’a aucun effet sur les autres rangs harmoniques. III .2.2.2. Pont dodécaphasé :[1] La structure dodécaphasé présente des caractéristiques très intéressantes par rapport à celle hexaphasée. Cependant, le nombre de semi-conducteurs utilisés et le transformateur à deux enroulements au secondaire rendent cette solution onéreuse. Un convertisseur composé de (mC) convertisseur triphasé élémentaire à indice de pulsation p, sera à indice de pulsation n tel que n = mC. p, Si les convertisseurs élémentaires sont alimentes par des tensions dont les déphasages sont en progression sont en progression arithmétique de 33 . FILTRAGE CHAPITRE III La figure (III.2) illustre un exemple pour p =6 (pont de graёtz) et mC=2, soit un convertisseur à indice de pulsation égale à 12. Ce convertisseur appelé dodécaphasé, est le plus utilisé (cas des puissances importantes) dans la mesure où le déphasage de /6 est facilement obtenu par un couplage étoile-triangle et étoile-étoile d’un transformateur à double enroulement au secondaire. Fig. (III.2) : Structure du pont dodécaphasé 34 FILTRAGE CHAPITRE III Fig (III.3) : Forme des courants et rang des harmoniques Cette solution provoque un encombrement lors de la commande ce qui limite son utilisation. III .2.2.3 Surdimensionnement des installations électriques : Cette stratégie consiste à surdimensionner les équipements du réseau de telle sorte à supporter les surtensions produites par les harmoniques. III .2.2.4 Agir sur la structure de l'installation : Il faut éviter de connecter un récepteur sensible en parallèle avec un pollueur (figure (III.4)).Une alimentation par câble distinct est préférable. 35 FILTRAGE CHAPITRE III Fig (III.4) : une distribution en étoile permet le découplage par les impédances naturelles et/ou additionnelles III .2.2.5. Utilisation une inductance (selfs) série : Cette solution, utilisée pour les entraînements à vitesse réglable (variateurs de vitesse) et les redresseurs triphasés, consiste à introduire une inductance série en amont d'une charge non linéaire. La self a cependant efficacité limitée. Il faut en installer une par charge non linéaire. La distorsion en courant est divisée approximativement par deux. III .2.2.6. Filtres passifs d'harmoniques : Le principe est de « piéger » les courants harmoniques dans des circuits LC, accordés sur les rangs d'harmoniques à filtrer, donc il se comporte comme un court- circuit pour l’harmonique considéré .Un filtre comprend donc une série de « gradins» qui correspondent tous à un rang d'harmonique. Les rangs 5 et 7 sont les plus couramment filtrés. On peut installer un filtre pour une charge ou pour un ensemble de charges. 36 FILTRAGE CHAPITRE III Sa conception nécessite une étude approfondie du réseau électrique et un travail de conception de bureau d'étude. Le dimensionnement dépend du spectre harmonique de la charge et de l'impédance de la source d'énergie. Cette solution est la plus simple et la moins chère mais sans doute, elle n'est pas la plus efficace. L'efficacité de ces filtres se trouve dégradée par la présence de certains facteurs : Insuffisante habilité à couvrir une large bande de fréquence qui nécessite l'installation de plusieurs filtres. Naissance de résonances séries et parallèles avec le réseau qui conduit à l'amplification de tout harmonique à fréquence voisine de celle de la résonance. La forte dépendance de l'impédance et de la fréquence du réseau. Equipements volumineux. III .2.6.1. Filtre résonant : [6] Il est constitué par la mise en série d’une inductance, d’une résistance, et d’un condensateur la figure (III.5.a). Fig (III.5.a) : Structure de filtre résonant 37 FILTRAGE CHAPITRE III Ce type de filtre est caractérisé par l’emplacement de trois filtre, deux pour les harmoniques d’ordre inférieurs et un filtre pour les harmonique d’ordre supérieurs, c'est-àdire pour un pont triphasé nous avons besoin d’un filtre passe bas pour le cinquième et l’autre pour le septième harmonique et d’un filtre passe haut pour tous les harmoniques audelà de 11ème. III .2.6.2 . Filtre amorti : [6] La figure (III.5.b) montre le montage de ce type de filtre, ainsi que son impédance en fonction de la fréquence. En plus de difficulté de dimensionnement des filtres et à coût globale donné, ce type n’est efficace que si le rang d’harmonique à éliminer est suffisamment élevé (à partir de h=13). Fig (III.5.b) : Structure de filtrage amorti 38 FILTRAGE CHAPITRE III III.3.Les méthodes modernes (Le filtrage actif): [2], [4] Les solutions traditionnelles de dépollution ne répondant plus à l’évolution des réseaux électriques et des charges à protéger. Pour fournir aux consommateurs une bonne qualité del’énergie électrique, même dans les conditions de fonctionnement les plus perturbées, les filtresactifs de puissance (Active Power Filtres) sont proposés comme des solutions avancées de dépollution des réseaux électriques. En effet, ces solutions peuvent s’adapter aux évolutions de lacharge et du réseau électrique et ceci sans toucher aux installations du fournisseur d’énergie et du consommateur [4]. III.3.1. Filtrage actif : [1] Deux raisons principales ont conduit à moderne et efficace appelée filtre actif. La première raison est due aux inconvénients inhérents des solutions traditionnelles de dépollution qui ne répondent pas plus à l'évolution des charges et des réseaux électriques. En effet, les méthodes dites "classiques" de filtrage ou de dépollution des réseaux électriques présentent un certain nombre d'inconvénient. Le plus important d'entre eux est sans doute le fait d'être sensible aux évolutions de l'environnement. Ils voient leur efficacité baisser avec les variations des perturbations (variation des fréquences et des amplitudes des harmoniques). La seconde raison fait suite à l'apparition de nouveau composant à commutation forcée, comme les transistors bipolaires, les thyristors GTO et les transistors IGBT qui ont permis de réaliser de nouvelles structures qui permettent le contrôle de la fore d'onde de la phase du courant d’entrée. Le but de ces filtres est de générer soit des courants, soit des tensions harmoniques de manière à compenser les perturbations responsables de la dégradation des Concevoir une nouvelle structure de filtrage 39 FILTRAGE CHAPITRE III Performances des équipements et installations électriques. Ainsi le filtrage actif tend à annuler les courants harmoniques en injectant dans la source perturbatrice des courants harmoniques d'amplitudes identiques, mais en opposition de phase à l'aide d’un pont onduleur. A cet effet, une mesure du courant de la charge non linéaire permet de connaitre le courant à fournir. Nous citerons configurations possibles des filtres actifs Le filtre actif parallèle (FAP) : conçu pour compenses toutes les perturbations de courant comme les harmoniques, les déséquilibres et la puissance réactive; Le filtre actif série (FAS): conçu pour compenses toutes les perturbations de tension comme les harmoniques, les déséquilibres et les creux de tension; La combinaison parallèle série actif : solution universelle pour compenses toutes les perturbations en courant et en tension. III.3.2. Filtre actif parallèle FAP: [2] Il est appelé aussi compensateur shunt, il est connecté en parallèle sur le réseau de distribution figure (III.6). Il est habituellement commandé comme un générateur de courant. Son principe est d'injecter dans le réseau électrique des courants harmoniques Iinj égaux à ceux absorbés par la charge non linéaire mais en opposition de phase, de telle sorte que le courant fourni par le réseau Is soit sinusoïdale et en phase avec la tension simple correspondante. Ainsi, il empêche les courants harmoniques, réactifs et déséquilibrés de circules à travers l'impédance du réseau. Par conséquent, Il améliore le taux de distorsion en courant et en tension. 40 FILTRAGE CHAPITRE III Fig(III.6) : Montage d’un filtrage actif parallèle III.3.3. Filtre actif sérieFAS : [2] Le filtre actif série est connecté en série sur le réseau le montré la figure (III.7). Il se comporte comme une source de tension qui engendre des tensions harmoniques dont la somme avec la tension réseau est une onde sinusoïdale. Il est destiné à protéger les installations qui sont sensibles aux tensions perturbatrices (harmoniques, creux, déséquilibrés) provenant de la source et également celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l'impédance du réseau. Cette structure est proche, dans le principe, des conditionneurs de réseau. Toutefois, cette 41 FILTRAGE CHAPITRE III topologie présente quelques difficultés et inconvénients lors de sa mise en œuvre, elle ne permet pas de compenser les courants harmoniques consommés par la charge. Fig(III.7) : Montage d’un filtrage actif en série III.3.4. Combinaison parallèle série actif : C'est une solution de compensation universelle basée sur le fonctionnement simultané des filtres actifs parallèle et série figure (III.10).Donc, elle possède les avantages cumulés des filtres actifs parallèles et série. Cette nouvelle topologie est appelée combinaison parallèle série actif ou en anglais Unified Power QualityConditioner (UPQC). Un filtre actif série placé en amont du filtre actif parallèle, comme il est montré cidessous, permet de dépolluer la source des tensions perturbatrices; or s'il est placé en aval, il permet d'isoler la charge de la source perturbé. 42 FILTRAGE CHAPITRE III Fig.(III.8) combinaison parallèle –série actif(UPQC). III.3.5. Filtrage hybrideactifs et passifs : [2] Malgré la grande attention portée sur les filtres actifs, leur application industrielle reste limitée à certains pays où les solutions traditionnelles sont inefficaces face à la prolifération des équipements polluants de fortes puissances sur un réseau qui n'est pas assez puissant partout. L'application industrielle de ces nouveaux dispositifs de filtrage est freinée par leur coût. Afin de réduire le dimensionnement et par conséquent le prix des filtres actifs,et ainsiaugmenter leur potentialité d’application, l’association de filtres actifs de faible puissance à des filtres passifs peut être une solution. 43 FILTRAGE CHAPITRE III Dans ce cas, les filtres passifs ont pour rôle d’éliminer les harmoniques prépondérants permettant de réduire le dimensionnement des filtres actifs qui ne compensent que le reste des perturbations. Plusieurs configurations ont été présentées dans la littérature, les plus étudiées étant: Le filtre actif série avec des filtres passifs parallèles. Le filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèles. Le filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle. III.3.6.principe, caractéristiques duFiltrage :[9] 44 FILTRAGE CHAPITRE III . 45 FILTRAGE CHAPITRE III Tab( III-1)principe et caractéristique du filtrage passif, actif,hybride.[9] III.3.7. Les redresseurs MLI :[4] Ce sont des convertisseurs à modulation de largeurs d’impulsions, utilisant des composants à commutation forcée tels que les IGBT ou les thyristors GTO. L’emploi de cette technique permet non seulement une réduction de la perturbation harmonique en prélevant des courants d’allure sinusoïdale mais aussi un contrôle des puissances actives et réactives. On distingue deux structures, la structure courant et la structure tension. Elles sont développées dans les paragraphes ci-après. III.3.8. Redresseur de tension : Son schéma de principe est présenté sur la figure (III.10). Les composants de puissance disponibles (IGBT, GTO) étant unidirectionnels en courant, le courant Id le sera également. 46 FILTRAGE CHAPITRE III La réversibilité en puissance s’effectue par l’inversion de la tension redressée Ud. Le contrôle de la puissance réactive est obtenu par action sur la phase du courant réseau par rapport à la tension. Fig(III.9) redresseur de tension III.3.9. Redresseur de courant : La tension Ud étant unidirectionnelle, la réversibilité de la puissance active est assurée par le courant Id, qui est bidirectionnel. Le contrôle de la puissance réactive est réalisé par action indirecte sur la phase du fondamental de courant du réseau. Les inductances Lr servent dans la figure (III.11) à découpler le convertisseur de réseau car les deux réseaux alternatifs et continus sont tous deux sources de tension. 47 FILTRAGE CHAPITRE III Fig(III.10) redresseur de courant III.4. Avantage des filtres harmoniques: Soulager les transformateurs et augmenter leur capacité du réseau en KVA.-Réduire les pertes par effets Joules, économie d’énergieen KWH . S’aligner aux normes internationales pour la distorsion du courant (THD-I < 10%) et la distorsion de la tension (THD-V < 5%). Réduire la puissance réactive en KVAR. Améliorer le facteur de puissance PF en le portant à des valeurs proches de 1. Protéger complètement les charges traitées. Supprimer les transitoires causée par les batteries de condensateurs automatiques et par le changement de la charge. Améliorer les capacités du variateurde vitesse à supporter les hausses et les chutes de tension. 99% d’Efficacité (Consommation négligeable).[7] 48 FILTRAGE CHAPITRE III III.5.Conclusion : [8] Dans ce chapitre, nous avons présenté différents types de perturbations affectant l’onde de tension du réseau électrique. Comme nous avons pu le constater, les harmoniques et les déséquilibres de courant et de tension, la puissance réactive et les creux de tension ont des effets néfastes sur les équipements électriques. Ces effets peuvent aller des échauffements et de la dégradation du fonctionnement jusqu’à la destruction totale de ces équipements. Plusieurs solutions traditionnelles et modernes de dépollution ont été présentées. La solution classique à base de filtres passifs est souvent pénalisée en termes d’encombrement et de résonance. De plus, les filtres passifs ne peuvent pas s’adapter à l’évolution du réseau et aux charges polluantes. Récemment, en plus du filtrage des harmoniques, les filtres actifs parallèles et séries, et leur combinaison, sont étudiés pour la compensation de tous les types de perturbation susceptible d’apparaître dans un réseau électrique basse tension. En effet, profitant des progrès réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance, ces solutions peu encombrantes n’occasionnent aucune résonance avec les éléments passifs du réseau et font preuve d’une grande flexibilité face à l’évolution du réseau électrique et de la charge polluante. Le filtre actif parallèle peut être installé pour compenser toutes les perturbations de courant comme les harmoniques, les déséquilibres et la puissance réactive. Le filtre actif série peut être installé pour compenser toutes les perturbations de tension comme les harmoniques, les déséquilibres et les creux de tension. La combinaison parallèlesérie actifs est la solution universelle pour compenser toutes les perturbations en courant et en tension. D’autres solutions de dépollution consistent à associer des filtres actifs et passifs pour trouver un compromis entre l’efficacité de compensation et le coût. Ces solutions peuvent être des solutions futures très prometteuses. Les filtres hybrides étant conçus essentiellement pour dépolluer les réseaux électriques des courants harmoniques, notre objectif de recherche portant sur la dépollution de toutes sortes de perturbations, seules les solutions actives de filtrage seront analysées dans ce mémoire. 49 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV Chapitre IV: Simulation de FAP par MATLAB: IV.1.Introduction: La simulation estuneformeparticulière de l’expérienceoul’expérimentation qui n’agit pas sur le processusréelmaissurune représentation (modèle) des constituants physiques. Danscechapitre; nous allons faireà travers plusieurs sessions de simulation par matlab de filtre actif parallèle. IV.2.Partie expérimentalet simulation de la charge non linéaire: Modéle de simulation: 49 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV 50 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV IV.3.Paramètres de simulation: Paramètres de la source: Tension efficace desourceUeffs =230(v); Fréquence de la source fs= 50(Hz); Résistance de la sourceRS=0.5*10-3(Ω); Inductance de la sourceLS=19*10-65(H); Paramètres de la charge non linéaire: “Charge non linéaire‘‘= ‘’ redresseurtriphasé non commande ‘’ Résistance de la charge 5 Rch =6(Ω) ; Inductance de la charge Lch = 20*10-3(H) ; L’inductancedans les lignes (abc) Le=3*10-4(H); Paramètre de l’onduleur (onduleur de tension triphasé): Tension continu de l’onduleurudc=650.53(v); Observation : Onduleur à base de ‘’IGBT‘’ 51 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV Paramètre de la commande de l’onduleur : Commande MLI (modulation de largeurd’impulsion) Fréquence de la porteusetriangulaireFp=10000Hz Amplitude de la porteuse AP=10 Paramètre de filtrede sortie de l’onduleur : Inductance du filtre de sortieLfs=0.001(Hz) fig.IV.1.Tensionstriphasées. 52 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV Fig.IV.2. Allures des courants de lasource avant filtrage Fig.IV.3. Allures des courants de référence (identifiés). 53 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV Fig.IV.4. Allures des courants injecté. Fig.IV.5.allures du courant de la source avantet après filtrage et courant injecté 54 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV . Fig.IV.6.spectre du courant avant filtrage. 55 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV Fig.IV.7.spectre du courant après filtrage IV.4.Résultats de simulation: IV.4.1.Avant filtrage: THD (%)=25.79% H5 H7 H11 H13 H17 H19 19.4 12.37 07.19 05.52 03.46 02.72 Tab. IV.1: le THD avantfiltrage. 56 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV IV.4.2.Après filtrage: THD (%)=03.29% H5 H7 H11 H13 H17 H19 01.04 00.71 00.68 00.44 00.71 00.37 Tab. IV.2:le THD après filtrage IV.4.3.Interprétation des résultats : Avant filtrage : La figure IV.2 représente la forme d’onde des courants d’alimentation .on remarque une distorsion des courants ce qui rend la présence des harmoniques dans le réseau. La figure. IV.6.représente le spectre d’harmoniquede courant avant le filtrage ; on remarque la présence des harmoniques 1 ; 5 ; 7 ; 11 ; 13 ; 17;19 le redresseur absorbe donc un courant non Sinusoïdal et se comporte une charge non linéaire.et le THD égale 25,79 %. Après filtrage : La figure. IV.7.représente la forme d’onde des courant d’alimentation après filtrage de l’harmonique 5,7,11,13,19 on remarque que les distorsions des courants sont plus atténuées que dans le cas des courants présentés dans la figure IV.7.représente le spectre du courant après filtrage représente le spectre d’harmonique de courant après filtrage ,on remarque la présence de l’ harmonique 5 et minimisation de les autres harmonique. Le tab. IV. 1 : Le THD de courant du réseau le filtrage est élevées25, 79%. Le tab. IV. 2: Le THD de courant du réseau le filtrage est diminué03, 29%. 57 Simulation de FAP par MATLAB CHAPITRE IV IV.5.Conclusion : Le THD correspond à total harmonique distorsion (taux de distorsion harmonique global), donc le THD est une notion très utilisée pour définir l’importance du contenu harmonique d’un signal alternatif. Quand le taux est élevé la perturbation harmonique est trop élevéeet pour diminuer le THD il faut ajouter le filtre comme dans ce chapitre pour obtenir une bonne qualité d’énergie. 58 Conclusion générale : Les effets néfastes induits par la présence des harmoniques dans le réseau sur les différents équipements électriques ne sont plus à demontrer.plusieurs normes nationales et internationales est de plus en plus contraignantes sont mise en œuvre dans le but d’améliorer la qualité de l’énergie électrique. En effets les fournisseurs et les consommateurs sont très souvent tenus ;par des conventions ;au respect d’une certaine réglementation qui leur impose les restrictions au service d’une certaine qualité de l’énergie électrique .entre autre des maxima en matière des taux d’harmoniques de courant injecté dans le réseau. Après les solutions déjà adoptées comme le surdimensionnement des installations et le filtrage passif ; le filtrage actif commence à prendre le relais .Pour la compensation des courants perturbés le filtre actif parallèle est la solution la plus adaptés ; flexible ; il peut compenser en temps réel les perturbations en courants en tout ou en partie ; soit les courants harmoniques ; le réactif ou les courants déséquilibrées. Perspectives de developpement : Nous preconisons pour le developpement de ce travail ,au vu des recherches bibliographiques actuelles,la possibilité de gerer le réseau electrique par les FACTS ,ainsi que la surveillance des pertubations par le système informatique qui fait appel aux techniques Numériques. Bibliographie : [1] : Identification des harmoniques et génération du courant de référence « application au convertisseur statique ».mémoire de magister kiffouche .R 2005. [2] : cours sur principes de compensation des harmoniques. [3] : Sawsan el Ahmed « calcul du facteur de puissance et compensation ».mémoire d’ ingénieur » 2013. * [4] : boucif .a mémoire master 2014 « filtrage actif d’un réseau électrique ». [5] : douar. A « évaluation du court des pertes générées par les perturbations harmoniques dans les réseaux électriques » mémoire de magister 2006. [6] :ch. privé. » les réseaux électriques industrielles » édition hermès sciences publication 2001. [7] : La pollution harmonique 001-GTZ- présentation harmonique –CASA-PDF.MAI 2010. [8] :Alali.M.A.E Contribution à l’étude des compensateurs actifs des réseaux électriques basse tension 2002. [9] : Cahier de charge technique n°199 « la qualité d’énergie électriques ». [10] : http //fr.wikipedia.org /wiki/harmonique. [11] :http//www.univ.el oued.dz.