Telechargé par Ould Baba

LAHMAR-Amel

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‫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.
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