Power quality thesis chapter

CHAPITRE 1
QUALIT ´ E DE L’´ ENERGIE ´ ELECTRIQUE ET FILTRAGE ACTIF
L’OBJECTIF fondamental des r´
eseaux ´ electriques est de fournir aux clients de
l’´ energie ´ electrique avec une parfaite continuit´ e, sous une forme de tension si-
nuso¨ ıdale, avec des valeurs d’amplitude et de fr´ equence pr´ e´ etablies. Cependant cet
objectif semble id´ eal et n’est jamais facile ` a assurer, car le r´ eseau ´ electrique aujour-
d’hui est appel´ e` a fonctionner sous un environnement de plus en plus agressif, et par
cons´ equent, il doit faire face ` a de nombreux types de perturbations qui peuvent ˆ etre
d’origine interne comme l’´ evolution et la complexit´ e du r´ eseau et des charges qui lui
sont connect´ ees, ou externe li´ ees aux ph´ enom` enes des changements climatiques.
Ainsi, afin d’assurer l’objectif d’une ´ energie de qualit´ e, il est imp´ eratif de com-
prendre les caract´ eristiques, les origines et les effets des diff´ erentes perturbations afin
de chercher les rem` edes ad´ equats.
Nous commencerons ce chapitre par un expos´ e des principales perturbations affec-
tant la qualit´ e de l’onde ´ electrique, notamment les harmoniques pour les quelles on
s’int´ eressera particuli` erement. Nous parlerons ´ egalement de leurs origines, de leurs
effets et des normes en vigueur. Nous discuterons ensuite diff´ erentes solutions envi-
sag´ ees pour pallier aux probl` emes li´ es aux perturbations harmoniques, en particulier
le filtrage actif.
1.1 Qualit´e de l’´energie ´electrique
La qualit´ e de l’´ energie ´ electrique est ´ etroitement li´ ee ` a la qualit´ e de l’onde de ten-
sion, laquelle est caract´ eris´ ee par les param` etres suivants :
– Forme d’onde parfaitement sinuso¨ ıdale ; pas de distorsions, de pic, de creux et
amplitude dans les limites tol´ erables ;
– Equilibre et sym´ etrie parfaite des phases en amplitude et en phase ;
– Stabilit´ e de la fr´ equence.
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CHAPITRE 1 QUALIT ´ E DE L’´ ENERGIE ´ ELECTRIQUE ET FILTRAGE ACTIF
1.2 Perturbations
Les perturbations sont tous les ph´ enom` enes internes ou externes au r´ eseau, ayant
un pouvoir de modifier d’une mani` ere transitoire ou permanent l’onde de tension.
Par extension, on doit prendre comme perturbations aussi les ph´ enom` enes pouvant
modifier l’onde de courant, du fait qu’elles sont souvent mutuellement influenc´ ees.
Ces perturbations peuvent ˆ etre class´ ees selon deux crit` eres, ` a savoir, selon la dur´ ee de
persistance, et on a alors :
–Des perturbations p´eriodiques (qui durent dans le temps), comme les distorsions
harmoniques, chutes de tension dues au flux de puissance r´ eactive dans le r´ eseau,
et les d´ es´ equilibres ;
–Des perturbations ap´eriodiques, o ` u l’en a principalement l’ensemble des
ph´ enom` enes fugitifs souvent tr` es difficiles ` a pr´ evoir comme les creux de tension
et les surtensions transitoires.
On peut d´ efinir aussi les perturbations selon leurs manifestations, ou bien leurs
cons´ equences sur les grandeurs ´ electriques, alors, on a trois familles principales
[Du04] :
– Perturbations sur l’amplitude de la tension ;
– D´ es´ equilibres des syst` emes triphas´ es ;
– Les distorsions harmoniques.
S’agissant de l’amplitude de tension, il y a essentiellement deux perturbations tr` es
r´ epondues : les ceux et les fluctuations.
1.2.1 Creux de tension
On appelle creux de tension (voltage sag), une diminution brutale de l’amplitude
de la tension ` a une valeur situ´ ee entre 1 et 90% de sa valeur nominale, et ce, pendant
une dur´ ee allant d’un demi cycle ` a 30 cycles [IE95]. Un creux de tension est caract´ eris´ e
par une profondeur ∆Vet une dur´ ee ∆T(figure 1.1(a)). Par ailleurs, on peut noter
qu’une coupure br` eve n’est qu’un cas particulier du creux de tension, sa profondeur
est sup´ erieure ` a 90%.
Origines
Les principales causes des creux de tenions sont les perturbations dues ` a l’exploi-
tation des r´ eseaux, comme la mise sous tension des gros transformateurs, les court
circuits, enclenchement des condensateurs, simple d´ emarrage des gros moteurs. . .etc.
Effets
Les creux de tension ont comme effets, la perturbation des couples dans les ma-
chines tournantes, d´ eclenchement des contacteurs, pannes intempestives. . .etc.
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1.2 Perturbations CHAPITRE 1
1.2.2 Fluctuation de l’amplitude de la tension
Les fluctuations de tensions sont des variations de basses fr´ equences de la valeur
efficace de la tension [IE95] (figure 1.1(b)). Ces variations ont une amplitude mod´ er´ ee
(g´ en´ eralement 10%), mais peuvent se produire plusieurs fois par seconde, et peuvent
ˆ
etre cycliques ou al´ eatoires. L’exemple le plus connu pour ce type de perturbation est
le ph´ enom` ene de Fliker [Ow94].
Origines
Les fluctuations de tension sont caus´ ees principalement par les charges dont l’appel
en courant varie rapidement et d’une mani` ere continue. Les exemples les plus connus
sont les machines ` a souder et surtout les fours ` a arc [Me95].
Effets
Les variatons de la valeur efficace de tension peut avoir des effets ind´ esirabes sur le
couple et la vitesse des machines tournantes, mais l’effet gˆ enant le plus important des
fluctuations de tension est l’inconfort physiologique sur le vision, suite au changement
de luminosit´ e de l’´ eclairage (dit Fliker).
1.2.3 D´es´equilibres des syst`emes triphas´es
On dit d’il y a un d´ es´ equilibre dans le syst` eme de tensions ou de courants tri-
phas´ es, lorsqu’on enregistre en r´ egime permanent, des asym´ etries d’amplitudes et/ou
de phases comme le montre la figure 1.1(c).
Origines
Les d´ es´ equilibres sont essentiellement caus´ es par les asym´ etries d’imp´ edances des
lignes du r´ eseau, asym´ etrie des imp´ edances des charges, et aussi par des courts circuits
monophas´ es ou biphas´ es.
Effets
Les principaux effets de ce type de perturbation sont les ´ echauffements des ma-
chines tournantes ` a cause des couples inverses.
Caract´erisation
Le d´ es´ equilibre est parfois caract´ eris´ e par le taux d´ eviation maximale de la valeur
moyenne des tensions ou courants triphas´ es. Mais cette perturbation est plus rigou-
reusement d´ efinie par la m´ ethode des composantes sym´ etriques [IEC01]. Les taux des
s´ equences inverse et homopolaire par rapport ` a la s´ equence positive, sont utilis´ es pour
mesur´ es la s´ ev´ erit´ e d’un d´ es´ equilibre.
τV−=V−
V+, τV0=V0 V+(1.1)
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CHAPITRE 1 QUALIT ´ E DE L’´ ENERGIE ´ ELECTRIQUE ET FILTRAGE ACTIF
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
−400
−200
0
200
400
Temps (s)
Ampl (V)
∆V∆T
(a) Creux de tension.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
−400
−200
0
200
400
Temps (s)
Ampl (V)
(b) Fluctuation d’amplitude de la tension.
0 0.05 0.1 0.15
−400
−200
0
200
400
Temps (s)
Ampl (V)
(c) D´ es´ equilibre des tensions triphas´ ees.
0 0.05 0.1 0.15
−200
−100
0
100
200
Temps (s)
Ampl (A)
(d) Distorsions harmoniques.
FIGURE 1.1 – Les perturbations les plus r´ epondues sur l’onde ´ electrique.
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1.3 Distorsions harmoniques CHAPITRE 1
1.2.4 Fluctuation de fr´equence
Les fluctuations de fr´ equence sont caract´ eris´ ees par des variations de la valeur no-
minale de la fr´ equence fondamentale du r´ eseau (50 ou 60 Hz), r´ esultant des variations
de vitesse des alternateurs, suite ` a un d´ es´ equilibre entre charges et puissances mises
en jeu par les centrales, ou encore suite au d´ emarrage ou ` a l’arrˆ et d’une charge im-
portante. Elles se manifestent par des perturbations sur les vitesses et les couples des
machines synchrones et asynchrones, et parfois par l’arrˆ et entier des syst` emes.
A noter que ce type de perturbation concerne en premier lieu le r´ eseau de transport
et de r´ epartition d’´ energie, par cons´ equent, dans les ´ etudes des perturbations dans les
r´ eseaux de distribution auxquelles on s’int´ eresse dans ce travail, cette perturbation est
rarement tenue en compte.
1.2.5 Harmoniques et interharmoniques
Les harmoniques sont des ondes sinuso¨ ıdales, (de tensions ou de courant), ayant des
fr´ equences multiples entier de la fr´ equence fondamentale, (usuellement 50 ou 60 Hz)
[IEC90] [Arr97] [Du04]. De la superposition des ces ondes sur l’onde fondamentale,
il en r´ esulte une d´ eformation de cette derni` ere. Cette d´ eformation est dite distorsion
harmonique.
Les interharmoniques sont des ondes ´ egalement sinuso¨ ıdales, mais de fr´ equences
non multiples entier de la fr´ equence fondamentale [IEC90] [Arr97] [IE97] [Du99]
[Du04]. Ils sont aussi responsables de distorsions harmoniques, et leurs apparitions
sont aujourd’hui en augmentation. Les principales sources des interharmoniques
sont les convertisseurs statiques de fr´ equence, les fours ` a induction, les fours ` a arc
[Du99]...etc.
Les perturbations harmoniques feront l’objet de la section suivante et seront au
cœur de nos pr´ eoccupations tout au long de ce travail.
1.3 Distorsions harmoniques
On appelle distorsion harmonique toute d´ eviation en r´ egime permanent, de la
forme sinuso¨ ıdale id´ eale de l’onde tension ou de courant (figure 1.1(d)).
1.3.1 Origines des distorsions harmoniques
Bien qu’elle n’est pas la seule raison, les charges non lin´ eaires sont la principale
source de pollution harmonique. Une charge non lin´ eaire est une charge dont le
courant n’est pas proportionnellement variable avec la tension, comme les ´ el´ ements
d’´ electronique de puissance de base (diode, thyristors,...etc.), des r´ esistances non
lin´ eaires, des transformateurs satur´ es...etc.
Au d´ ebut de leur apparition, les distorsions harmoniques ´ etaient plutˆ ot caus´ ees
par la saturation des transformateurs ; Le courant de magn´ etisation absorb´ e par un
transformateur op´ erant dans la r´ egion de saturation est non sinuso¨ ıdale, et contient en
g´ en´ erale tous les harmoniques impaires, ` a commencer par le troisi` eme. N´ eanmoins, ce
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