La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques Chapitre 1 : la pollution harmonique due aux convertisseurs statiques 5 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques 1.1 Introduction : La qualité d’énergie est une notion très importante pour les utilisateurs, donc le distributeur de l’énergie électrique doit leurs fournir une bonne qualité d’électricité ce que veut dire une tension d’onde sinusoïdale[1]. Ces dernières années, l’énergie électrique a connu un vaste champ dans plusieurs domaines. Le plus souvent cette énergie est utilisée en alternatif. Mais le courant continu est adapté dans plusieurs application comme les machines électriques à courant alternatif. Le passage de la forme continu à la forme alternative ou bien le contraire nécessite l’installation des convertisseurs statique statiques (redresseurs, gradateurs, onduleurs, hacheurs) entre la source (les batteries, les sources renouvelables, réseau électrique, …) et la charge (charges passives, les machines alternatives, …) pour qu’ils assurent la conversion et le traitement de l’énergie [2]. Ces dispositifs modifient les caractérisations liées à la forme d’onde de la source d’énergie électrique afin de l’adaptée aux spécifications de la charge [6]. Ces convertisseurs statiques comprennent des éléments de filtrage et de stockage d’énergie (inductances, condensateurs, …) et les semi-conducteurs qui sont utilisé comme interrupteurs de puissance pour gérer l’énergie électrique. La commutation de ces interrupteurs engendre un fonctionnement en impédance variable par rapport à la source et les convertisseurs statiques consomment de l’énergie réactive et des courants non sinusoïdaux. Ces perturbations causées par ces charges non linéaires peuvent poser plusieurs problèmes aux réseau électriques [2]. Nous commençons ce chapitre introductif par des généralités sue la qualité d’énergie électrique, ensuite nous parlerons sur les perturbations harmoniques, leurs origines, leurs caractérisations, et les conséquences provoqués, nous exposons les harmoniques provoqués par redresseurs à commutation naturelle. Enfin, nous étudierons les différentes solutions traditionnelles et modernes permettant la limitation de ces harmoniques. 6 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques 1.2 Qualité de L’énergie Electrique : L’énergie fournie par l’ensemble de distributeurs aux clients et utilisateurs doit être de bonne qualité sous forme de tension sinusoïdales ,d’amplitude et de fréquence constante qui constituent un réseau électrique triphasé équilibré [1]. La qualité de l’énergie électrique est un large concept, elle est étroitement liée à la qualité de fourniture électrique, la qualité courants et la qualité de l’onde de tension. La qualité des courants reflète La possibilité des charges à fonctionner sans créer des perturbations ni la réduction de l’efficacité des systèmes de puissance détermine. Par contre, La qualité de la tension peut être affecter en premier lieu par des variation lentes : creux de tension, surtension, déséquilibres, coupure et en deuxième lieux par des variation rapides : les flickers, les surtensions transitoires, les harmoniques. C’est pour cette raison que c’est considéré que la qualité de l’énergie électrique dépend de la qualité de l’onde de tension [2]. L’énergie électrique est délivrée aux clients en système triphasé équilibré, ce système est caractérisé par : l’amplitude, la fréquence, la forme sinusoïdale de l’onde et la symétrie de système triphasé. Ces caractéristiques peuvent être affecter par des phénomènes physiques appelés perturbations. Ces perturbations sont classées suivant la durée du phénomène qu’il les provoque, on peut distinguer : - Phénomènes permanents qui durent plusieurs minutes : harmoniques, flicker déséquilibre. - Phénomènes de brève durée : diminution brutale de la tension à une valeur situé entre 10 % et 90 % de la tension (creux de tension, coupures ) qui durent quelques secondes[4]. 1.3 Problématique des Harmoniques : Les harmoniques sont des perturbations permanentes affectant la forme d’onde de tension du réseau. Ces perturbations résultent de la superposition sur l’onde fondamentale, d’ondes également sinusoïdales mais de fréquences multiples de celle du fondamental. En effet la problématique des harmoniques ou bien le phénomène de pollution harmonique qui est très répandu aujourd’hui est le problème qui préoccupe plusieurs groupes de recherche qui sont actives dans le domaine de l’amélioration de la qualité d’énergie électrique pour éliminer ou minimiser ces harmoniques [4]. 7 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques Un récepteur d’énergie qui consomme la puissance réactive ou s’il absorbe des courants non sinusoïdaux ou des courants déséquilibres, le réseau électrique le considère comme une charge perturbatrice. Quand l’impédance du réseau n’est pas négligeable, les tensions de ce réseau peuvent être déformées ou déséquilibrées par les perturbations tel que : les harmoniques, flicker, le déséquilibre, creux de tension et les coupures [2]. Les charges non linéaires injectent les harmoniques de courant dans le réseau, ces harmoniques se propagent dans le réseau et affectent l’onde de tension en différents points de réseau. Seulement les impédances indépendantes de la fréquence des courants harmoniques et les points de division des courants qui peuvent minimiser cette propagation [4] 1.3.1 Origine des Harmoniques : L’augmentation sensible de niveau de la pollution harmonique des réseau ces dernières années, reflète la prolifération des dispositif électriques à base de l’électronique de puissance (convertisseurs statiques). Ces dispositifs électriques émissent des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, pour cela ils sont considérés étant des charges non linéaires [5]. En générale, seul les harmoniques impaires existent, les harmoniques impaires sont négligeables Nous pouvons aussi observer des sous harmoniques ou des inter-harmoniques à des fréquences non multiples de la fréquence fondamentale.[2]. Lorsque les courants harmoniques traversent les impudences d’un réseau électrique ils entrainent des tensions harmoniques au point de raccordement. En effet, Les consommateurs alimentés par un réseau électrique seront pollués (perturbation des équipements raccordés) [6]. Figure 1.1. Ondes des tensions distordues à partir des harmoniques. On peut distinguer deux types de sources des harmoniques : 8 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques 1.3.1.1 Sources Harmoniques Identifiables : Les sources identifiables sont représentées par dispositifs à base de l’électronique de puissance comme les redresseurs et les cyclo convertisseurs d’une puissance importante qui sont installés dans le réseau électrique. En effet La quantification de perturbation et l’identification du point d’injection de l’harmonique sont possibles avec ces charges non linéaires. Pour ne pas être pénaliser, l’utilisateur doit trouver les moyens nécessaires pour réduire ces perturbations au-dessous de seuil que le distributeur exige [6]. 1.3.1.2 Sources Harmoniques non Identifiable : Les appareils utilisés dans le tertiaire ou dans l’électrodomestiques tel que le microordinateur, le téléviseur sont des sources harmoniques non identifiable. Ces équipements sont constitués d’un redresseur monophasé à diodes et un condensateur de lissage, ils ont la possibilité de prélever les courants harmoniques non identifiables. Dans ce cas, comme l’utilisateur génère un taux d’harmonique faible, le distributeur de l’énergie électrique est le responsable d’empêcher les perturbations harmoniques de se propager dans le réseau électrique [2] 1.3.2 Caractérisation des Harmoniques : Afin de prédire et de préciser le comportement des perturbations harmoniques dans le système, une mesure précise de tension de système et de courant harmonique est nécessaire [7]. Déférentes grandeurs sont définies pour pouvoir chiffrer ces perturbations harmoniques et quantifier la puissances réactive consommée : 1.3.2.1 Taux Harmonique de Rang n : Il est défini par le rapport entre la composante harmonique (de courant ou de tension) d’ordre n et la composante de terme fondamentale (de courant ou de tension). En écrit : 𝐼𝑛 𝐼1 𝑜𝑢 𝑉𝑛 (1.1) 𝑉1 avec : Vn , In représentent les composantes d’ordre n et V1,I1 représentent les composantes fondamentale [4]. 9 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques La valeur de chaque harmonique est exprimée par son taux individuel (en pourcentage du fondamentale) .comme la figure 1.2 le montre. Figure 1.2. Spectre de fréquence d’un courant non sinusoïdale. 1.3.2.2 Taux Globale de Distorsion Harmonique (Total Harmonic Distortion) : Il est le facteur le plus utilisé pour quantifier la consommation de la puissance harmonique et perturbation harmoniques [3]. Le THD se caractérise comme la racine carrée de la somme carré du rapport des harmonique avec la valeur efficace du fondamental. On distingue deux types de THD : celui utilisé pour définir les distordions des tension (THDV) et celui utilisé pour identifier les distorsions du courant (THDi). On écrit : 𝑋ℎ THD (%)= √∑𝑛𝑖=2(𝑋1)² (1.2) Avec : Xh est la valeur efficace des harmonique (de tension ou de courant) et X1 est la valeur efficace du fondamentale. Pour une valeur de THD égale à 0, nous pouvons conclure qu’il n’y a pas d’harmonique sur le réseau [4]. 1.3.2.3 Facteur de Puissance (Power Factor) : Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active P et la puissance apparente S quand le signal est sinusoïdal. Une mauvaise utilisation des équipements raccordés au réseau (les transformateurs, les lignes électriques, les générateurs, …) qui son 10 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques dimensionnés pour un courant et une tension nominale génèrent des harmoniques. Une puissance déformante D est ajoutée, d’où une diminution de facteur de puissance [4]. En cas d’un réseau triphasé équilibré, la puissances apparente S, la puissance active P, la puissance réactive Q et la puissance déforment sont données par les équations suivantes : ∞ S= 3√∑∞ 𝑖=1 𝑉²𝑛 √∑𝑖=1 𝐼²𝑛 (1.4) P= 3∑𝑛∞ 𝑖=1 𝑉𝑛 𝐼𝑛 𝑐𝑜𝑠𝜑 (1.5) Q= 3∑𝑛∞ 𝑖=1 𝑉𝑛 𝐼𝑛 𝑠𝑖𝑛𝜑 (1.6) D=√𝑆 2 − 𝑃2 − 𝑄² (1.7) Le facteur de puissance est donné par : 𝑃 ∑𝑛∞ 𝑖=1 𝑉𝑛 𝐼𝑛 𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑆 ∞ √∑∞ 𝑖=1 𝑉²𝑛 √∑𝑖=1 𝐼²𝑛 Fp = = (1.8) D’après le diagramme de Fresnel : S Q D 𝜃′ 𝜑1 𝜑 P Figure 1.3. Diagramme de Fresnel des puissances d’une charge non linéaire Le facteur de puissance devient : Fp = 𝑃 √𝑃2 +𝐷 2 +𝑄² cos θ’ cos𝜑1 En cas d’un réseau de distribution idéal qui fournit une tension non perturbée (sinusoïdal), les nouvelles expressions de la puissance active et réactive seront : P = 3 VI1 cos 𝜑1 (1.9) Q =3 VI1 sin 𝜑1 (1.10) Le facteur de puissance devient : 11 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques FPs = 𝐼1 cos𝜑1 √∑∞ 𝑖=1 𝐼²𝑛 = cos𝜑1 √1+𝑇𝐻𝐷²𝑖 = Fd cos 𝜑1 (1.11) Avec : Fd est les facteur de distorsion qui caractérise la qualité de courant de source . cos𝜑1 est le facteur qui donne une image sur la puissance réactive consommée. Nous conclurons que la consommation de l’énergie réactive et l’injection des harmoniques dans le réseau contribuent à la dégradation de facteur de puissance. 1.3.2.4 Facteur de Crète (Crest Factor) : Ce facteur est utilisé pour indiquer que des valeurs crêtes exceptionnels par rapport à celles de la valeur efficace sont présentes [4]. Le facteur de crête est le rapport entre la valeur crête de courant ou de tension et la valeur efficace, son expression est donnée par : Fc= 𝑋𝑚𝑎𝑥 (1.12) 𝑋𝑒𝑓𝑓 Fc égale à √2 lorsque le signal est sinusoïdal. Fc est supérieur ou inférieur à √2 lorsque le signal n’est pas sinusoïdal. 1.3.3 Les Conséquences Néfastes des Harmoniques : Les effets des courants harmoniques qui se propagent dans le réseau peuvent nuire au fonctionnement et la rentabilité des équipements raccordés à ce réseau et réduire aussi leur durée de vie. Nous pouvons classer ces effets en deux types possibles : les effets instantanés et les effets à terme [2]. Les effets instantanés : Se rapportent sur les appareils de l’électronique de Puissance, systèmes de régulation et de contrôle, les relais de protection. Parmi ces effets nous citons : - La dégradation de mesure et des erreurs de lecture supplémentaires sur les appareils de mesure et des compteur d’énergie . - Vibration et bruits acoustiques dans les appareils électromagnétiques comme les 12 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques transformateurs et les machines tournantes. - Les défauts de fonctionnement de certains équipements électriques. Les effets à terme : Ils n’apparaissent qu’après une exposition de langue durée aux perturbations harmoniques. Ces effets se manifestent des échauffements supplémentaires qui provoque la destruction des matériels ou bien réduire leur durée de vie [5]. Parmi les effets à terme : Echauffement des cabales et des équipements : Concernent les câbles qui peuvent Provoquer le surchauffement des dispositifs bobinés comme les moteurs et les transformateurs. Ces effets peuvent être à moyen terme ou à long terme [7]. Echauffement des condensateurs : Généralement affectés par les courants harmoniques. En effet la capacité thermique des condensateurs ne peut pas supporter les pertes causées par la superposition des courants harmoniques et les courants fondamentales et cela peut réduire la durée de vie des condensateurs [2]. Les pertes due au phénomène d’hystérésis dans le diélectrique, engendre des surtensions qui peuvent provoquer le claquage de diélectrique [7]. Echauffement due aux pertes supplémentaires des machines tournantes : Les Harmoniques créent une grande différence de vitesse entre le champ tournant inducteur et le rotor, cela conduit à des pertes au niveau du stator qui provoquent l’échauffement [3]. Echauffement due aux pertes supplémentaires des transformateurs : Les courants harmoniques affectent souvent ces dispositifs. Ces harmoniques gênèrent aussi des pertes supplémentaires dans les transformateurs, par effet Joule dans les enroulements et les courants induits dans le bobinage [2]. 1.4 Les Perturbations Produites par Les Redresseurs à Commutation Naturelle : Les courants de magnétisations des transformateurs et machine électriques tournantes constituaient l’essentiels sources des harmoniques sur les réseaux électriques avant la prolifération des convertisseurs statiques. Mais après le développement de l’électronique de puissance dans des déférents sécateurs, les convertisseurs statiques constituent aujourd’hui les charges non linéaires et donc les sources d’harmonique les plus répandues [4]. Les redresseurs à commutations naturelles (contrôlés à thyristors et non contrôlés à diodes) sont les 13 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques convertisseurs plus utilisés dans les équipements industriels et domestiques et ainsi dans les installations de conversion d’énergie [2]. Nous distinguons deux types de redresseurs : • Ponts de diodes : constituent l’étages de conversion de type AC/DC, utilisés par exemple pour l’alimentation des bus continus des onduleur pour les variateurs de vitesse dans les machines à courant alternatif [6]. • Ponts à thyristor : même rôle que les ponts à diodes avec la possibilité de contrôler la tension de sortie [6]. La figure 1.4 représente le montage triphasé à diodes, en substituant les diodes par les thyristors nous obtenons le montage triphasé à thyristors. Pour limiter les courants de courtcircuit entre phase lors des commutations des semi-conducteurs, une inductance de couplage est toujours placée avant le redresseur . Figure 1.4. Montage d’un Pont Redresseur Non Commandé. Avec : esa ,esb , esc : tensions de source ; Ia,Ib,Ic : courant absorbés par le pont à diodes Ls :inductance de la ligne , Rs : résistance de la ligne Comme les redresseurs sont des charges non linéaires, le courant absorbé de la source ne sera pas sinusoïdal, il contient une composante fondamentale et des composantes harmonique. Ces harmoniques vont provoquer une détérioration de d’onde de tension au point de raccordement de la charge au réseau. 14 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques La figure 1.5 représente les formes d’ondes des courants absorbés par le pont redresseur triphasé à diodes et la figure 1.6 illustre les spectre associé au courant absorbé par le pont redresseur qui débite sur une charge RL sans la capacité de lissage en sortie. Figure 1.5. Formes d’ondes des courants absorbés par un pont redresseur à diodes Figure 1.6. Le spectre associé au courants absorbé par le pont redresseur à diodes On constat que le THD des courants est élevé (THDi = 27,98%) ce que veut dire que le pont redresseur consomme de l’énergie réactive à la fréquence fondamentale 15 La pollution harmonique due aux convertisseurs Chapitre 1 statiques Référence du chapitre 1 Thèses de doctorat : [02] Kessal A.,« correction de facteur de puissance à l’entrée d’un convertisseur statique », thèse de doctorat en Sciences, Université de Ferhat Abbes Sétif-1, Algérie, Avril 2012 [04] Belhaouchet N., « Fonctionnement à Fréquence de Commutation Constante des Convertisseurs de Puissance en Utilisant des Techniques de Commande Avancées Application : Amélioration de la Qualité de l’Energie », thèse de doctorat en Sciences, Université de Ferhat Abbes Sétif-1, Algérie, Juillet 2011. 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