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001- GTZ-Presentation-harmoniques-CASA

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LA POLLUTION HARMONIQUE
Problèmes et Solutions
Mai 2010
Plan de la Présentation
 C’est quoi la pollution harmonique ?
 Types d’harmoniques et spectres harmoniques
 Quels sont les responsables de cette pollution électrique?
 Origines de la pollution harmonique
 Effets de la pollution harmonique sur le réseau national de distribution de l’électricité
 Effets des harmoniques sur les réseaux internes dans les secteurs industriel, tertiaire et résidentiel
 Comment traiter les courants harmoniques et la distorsion de la tension
 Harmoniques et Facteur de puissance
 Pertes subies du non comptage des harmoniques
 Gains obtenus par le traitement des harmoniques
 Solutions pratiques aux harmoniques
 Economie d’énergie obtenue en traitant les harmoniques
 Mise en place d’une réglementation et définition de normes et limites applicables dans le Maghreb
 Comment sensibiliser les consommateurs à l’importance de l’atténuation des harmoniques
 Etude de cas
 Discussion
LES CHARGES LINEAIRES
Une charge est dite "linéaire" si le courant qu'elle absorbe est sinusoïdal lorsqu'elle est
alimentée par une tension sinusoïdale.
Ce type de récepteur ne génère pas d'harmonique.
CHARGE NON LINEAIRE
Une charge est dite "non linéaire" si le courant absorbé n'est pas sinusoïdal
lorsqu'elle est alimentée par une tension sinusoïdale. Ce type de récepteur
est générateur des courants harmoniques.
Les charges non linéaires déforment les signaux électriques
du courant et de la tension.
TRANSFORMATION DE FOURIER
Le courant tiré par un redrésseur est formé en faisant la SOMME du courant
Sinusoidal à 50 HZ(composante fondamentale) et des courants correspondant à
tous les harmoniques d’ordre impair (150 HZ, 250 HZ, 350 HZ,…)
La composante la plus importante du courant est la fondamentale (ordre 1), et
les autres plus importantes sont les 3ème, 5ème,7ème...
 SPECTRE TYPIQUE DES CHARGES NON-LINEAIRES
Charges Mono-phasées
Charges Tri-phasées
6
Transformation de Fourier - Example
Perturbée
Composante Fondamentale du
courant
La composante Fondamentale correspond à la fréquence 50 HZ,
les autres composantes sont multiples de 50 HZ.: 150 HZ, 250 HZ, 350 HZ, 550 HZ, etc…..
Transformation de Fourier - Example
Etudions les “ Composantes Harmoniques”
Harmonique Ordre 5
L’Harmonique d’ordre 5 correspond à la fréquence 5 x 50 = 250 HZ
Transformation de Fourier - Example
Ajoutons l’Harmonique d’ordre 7
Harmonique 5
Harmonique 7
L’Harmonique d’ordre 5 correspond à la fréquence 5 x 50 = 250 HZ
L’Harmonique d’ordre 7 correspond à la fréquence 7 x 50 = 350 HZ
Rang des harmoniques
Dans le cadre de la décomposition en série de Fourier d'un signal périodique , un courant électrique
est composé en un signal sinusoidal à la fréquence du réseau et la somme (en général infinie) de
signaux sinusoïdaux, de fréquence 2,3,4,5, ..n fois la fréquence du réseau.
n est le rang de la composante harmonique
•
•
•
•
Rang 3 : courant supplémentaire de 150 Hz (3 x50 Hz)
Rang 5 : courant supplémentaire de 250 Hz (5 x50 Hz)
Rang 7 : courant supplémentaire de 350 Hz (7 x50 Hz)
Rang 11 : courant supplémentaire de 550 Hz (11 x50 Hz),
etc……
La pollution des réseaux électriques par les courants harmoniques est une
conséquence inévitable de la prolifération depuis quelques années des
charges non linéaires engendrant des courants harmoniques et des
distorsions dans les différents réseaux électriques
Conséquence :
• Le réseau national de distribution de l’électricité est pollué
• La pollution harmonique est présente dans tous les secteurs:
- Industriel
- Tertiaire
- Résidentiel
Qui sont les principaux responsables de cette pollution ???
1- La présence des charges électriques non linéaires chez les consommateurs génèrent les
courants harmoniques dans leur réseau public et dans leurs réseaux internes entrainant
une pollution électrique ayant des effets néfastes sur la qualité de puissance fournie.
2- Le responsable de la pollution harmonique n’étant pas les centrales électriques , ni
le réseau national de distribution électrique.
3- Les consommateurs sont les principaux responsables de cette pollution dans le réseau
de distribution de l’électricité qui subit les effets générés par les charges polluantes.
Types de charges non-lineaires
1- Le premier groupe (Charges monophasées) comprend :
 Lampe basse consommation dite à économie d’énergie.
 Tubes fluorescent
 Lampes à décharge gazeuse à basse et haute pression.
 Ballasts électroniques pour éclairage.
 Equipements médicaux
 Téléviseurs
 Ordinateurs
 Imprimantes et photocopieurs
 Onduleurs
Exemple de charge non linéaire monophasée - Eclairage Fluorescent
Comparaison des courants harmoniques générés entre les Ballasrs
magnétiques et électroniques
Percentage Harmonic Current
Distortion
Fluorescent Lighting Com parison - Phase Current Spectrum
14
12
10
8
Magnetic
6
Electronic
4
2
0
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
Harm onic No
2- Le deuxième groupe (Charges triphasées) comprend :
 Variateurs de vitesse pour moteurs
• Redresseur (convertisseur alternatif – continu)
• Hacheur ( Convertisseur continu - continu est un dispositif de
l'électronique de puissance)
• Soudeuses
• Four à arc utilisé dans la métallurgie
• Chargeurs de batteries
• PLC, UPS
Exemple de charge non linéaire triphasée (AC VFD)
Forme d’onde déformée du courant
80.00
60.00
40.00
20.00
A
0.000
-20.00
-40.00
-60.00
-80.00
02/12/2005
12:00:12.802
20.008 (mS)
4 mSec/Div
02/12/2005
12:00:12.822
Exemple : Forme d’ondes de la tension et du courant : Effet des
harmoniques
THDV : 6,6% & THDI : 62,4%
Exemple de spectre Harmonique
Pourquoi faut il traiter les harmoniques ?
1- Pour les producteurs et distributeurs d’électricité, il ya plusieurs raisons dont :
 Les courants harmoniques génèrent des pertes sur le réseau de distribution et un manque à
gagner compte tenu du fait que les compteurs électriques actuellement installés ne
comptabilisent que les courants fondamentaux à 50 HZ et ne comptabilisent pas les courants
harmoniques.
 Les producteurs et distributeurs d’électricité ont le devoir de fournir une électricité non
polluée, donc ils ont la responsabilité de protéger l’intégrité et la fiabilité de leur réseau de
distribution contre les effets néfastes de cette pollution.
 Ils ont également le devoir de fournir une qualité de puissance à leurs clients sans
perturbations et sans pollution harmonique.
 Le traitement des harmoniques permet de réduire les puissances apparentes et réactives, Ils
pourront par conséquent distribuer des KVA et des KVAR aux nouveaux abonnés sans
investir dans de nouveaux moyens de production entrainant ainsi des économies d’énergie
2- Pour les consommateurs dans les secteurs industriels et tertiaires:
La responsabilité de la pollution harmonique incombe à la présence des charges polluantes chez les
consommateurs qui sont donc les principaux pollueurs ,
d’où le principe Pollueur = Payeur.
Les avantages du traitement des harmoniques sont nombreuses:
 Protection des équipement électriques contre les effets néfastes des courants harmoniques.
 Amélioration du TPF qui sera dans le futur, le nouveau facteur déterminant pour l’instauration
des pénalités et des bonifications.
 Economies d’énergie électriques dues aux réductions des différents types de pertes et
réduction des couts de maintenance.
 Etre conforme aux normes et standards internationaux qui sont en cours d’élaboration au
Maghreb
Facteur de Puissance
Dans un milieu où il n’y a que des charges linèaires, le Facteur de
Puissance est tout simplement le Cosinus de l’angle de phase entre
la Tension et le Courant à la fréquence 50HZ.
Ce parametre est appelé DPF (Displacement Power Factor)
Donc dans un milieu non harmonique on a :
DPF = KW/KVA = COS φ
50HZ
En présence de charges non linéaires,
Le cos φ n’est plus applicable, on parlera du FACTEUR DE PUISSANCE
 Dans un milieu non harmonique : PF = Cos φ
 Dans un milieu harmonique : FP < Cos φ
REMARQUE IMPORTANTE
• Pour améliorer le DPF ou le Cos φ, il faut injecter du courant réactif à
partir des batteries de condensateurs.
• Pour améliorer le TPF (Facteur de puissance), il faut réduire le facteur
de distorsion en réduisant la magnitude du courant harmonique par :
le traitement des harmoniques.
En cas de présence de charges non linéaires, il y a
2 facteurs de puissance mesurables : DPF & TPF
- Pour le DPF , il ya que les courants fondamentaux à 50 HZ
- Pour le TPF, il ya les courants fondamentaux et les courants harmoniques
- Pour améliorer le TPF, le consommateur est appelé à traiter les harmoniques et
réduire la distorsion exportée aux voisins et au réseau national de distribution
OU il sera confronté à des couts électriques élevés .
Exemple de cas d’une charge non linéaire où le TPF < DPF
DPF entre 0,85 et 0,88
TPF entre 0,71 et 0,74
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
7/13/2006
1:50:00.000 PM
29:50.000 (min:s)
5 min/Div
7/13/2006
2:19:50.000 PM
DEFINITION: Facteur de Puissance
Facteur de puissance en présence d’Harmoniques
Le facteur de puissance indique à quel point la charge utilise d’une facon efficace l’électricité pour produire un travail
donné. Plus le facteur de puissance est élevé, plus grand est le travail produit pour une tension et une Intensité de
courant données.
Mesures de Facteur de puissance et de la distorsion,
faites sur des charges domestiques
Type
Ventilateur
Refrigérateur
Micro-onde
Aspirateur
Lampe fluorescente
Télévision
PC et Imprimante
pf disp (cos φ)
0.999
0.875
0.998
0.951
0.956 *
0.988 *
0.999 *
THDI
pf dist
Vraie pf
1.8
13.4
18.2
26.0
39.5
121.0
140.0
1.000
0.991
0.984
0.968
0.930
0.637
0.581
0.999
0.867
0.982
0.921
0.889
0.629
0.580
Harmoniques dans le Neutre
Les courants harmoniques de rang 3 et multiples de 3 vont s’additionner et donner naissance
dans le conducteur neutre à la circulation d’un courant :
I neutre = 3 x I harmonique de rang 3
Solution : Filtre NCE (Neutral Current Eliminator)
Le NCE supprime la majorité des courants harmoniques de rang 3 du neutre et les
renvoie aux 3 phases. Le NCE équilibre également les courants des phases.
Circulation des Harmoniques
Circulating
current in
primary
5th, 7th
Transformer
3rd, 9th,
Residual
circulating
current in
primary
5th, 7th
3rd, 9th,
Transformer
3rd, 5th,
7th, 9th
3rd, 5th,
7th, 9th
DP
DP
3rd, 9th
3rd, 5th,
7th, 9th
5th, 7th
-(5th, 7th)
NCE TM
CNCE TM
3rd, 5th,
7th, 9th
3rd, 9th
3rd, 9th
3rd, 9th
5th, 7th
PP
PP
3rd, 5th,
7th, 9th
Non-linear
Loads
3rd, 5th,
7th, 9th
PP
3rd, 5th,
7th, 9th
3rd, 5th,
7th, 9th
Non-linear
Loads
Figure 6: Flow of harmonic currents in
typical 4-wire distribution
system without treatment
PP
3rd, 5th,
7th, 9th
Non-linear
Loads
3rd, 5th,
7th, 9th
3rd, 5th,
7th, 9th
3rd, 5th,
7th, 9th
Non-linear
Loads
Figure 7: Cancellation of harmonic currents
using NCE™ and CNCE™
Problèmes Crées par les harmoniques
Les tensions et les courants harmoniques ajoutées et superposées
à l’onde fondamentale provoquent sur les récepteurs:
- des effets instantanés.
- des effets à terme dus aux échauffements
 EFFETS DES HARMONIQUES
Effets immédiats
Pertes par effet Joule
 Dégradation du facteur de puissance
 Réduction de la puissance des moteurs (couple négatif)
 Surcharges des câbles , transformateurs et moteurs
 Augmentation du bruit dans les moteurs
 Erreur d’enregistrement dans les compteurs
Surdimensionnement des câbles
 Réduction de la capacité du réseau
 Mauvais fonctionnement des contacteurs
Perturbation des systèmes électroniques
Effets à moyen et long terme
Réduction de la durée de vie des moteurs
 Détérioration des batteries de condensateurs
 Réduction de la durée de vie des transformateurs
Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques
 Pertes Fer (Iron losses) , pertes crées par le champ magnétique + pertes dues aux courants de
Foucault, entrainant un déclassement des transformateurs et des moteurs
QUELS PARAMETRES
ALLONS NOUS MESURER
POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER
CES HARMONIQUES
FORMULES
Valeur RMS
Les appareils numériques dit RMS réalisent
la mesure efficace d’un signal quelque soit sa
forme, sinusoïdal ou déformé
Appareil non RMS
Mesure = 12 A
Appareil RMS
Mesure = 16 A
Formules Fondamentales
37
ASPECT NORMATIF
Dans le cadre de la fourniture d’électricité :
Les taux de tension harmonique THD-V < 5%
Les taux de courants harmoniques THD-I < 10%
LE TAUX DE DISTORSION HARMONIQUE GLOBAL
« Total Harmonic Distorsion THD-I & THD-V »
Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du
signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale
THDV
THDI
LE FACTEUR DE DISTORSION GLOBAL
Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques
du signal sur la valeur efficace du signal
DF =
I0² + I2² + I3² + I4² + I5² + …………
I eff ²
Solutions aux harmoniques
Mise en place de filtre anti Harmonique
• FILTRES ACTIFS
• FILTRES PASSIFS
Filtres Actifs
• Filtres installés en Parallèle.
• Le filtrage s’effectuent en injectant des courants
opposés aux courants harmoniques.
Problèmes:
- Cette méthode de filtrage est encore très chère
- Ce type de filtre utilise des composants électroniques très
sensibles non adaptés au milieu industriel.
- Consomme beaucoup d’énergie, donc l’économie réalisée par la
suppression des harmoniques est presque entièrement absorbée
par les composants du filtre
- Exige des phases équilibrées pour un meilleur rendement
42
Filtres Passifs
*
Performances
POUR UN FILTRE PASSIF
Les résultats des performances réalisées par le CETIME ont donné les
résultats suivants:
•
•
•
•
- Une réduction moyenne du courant RMS de l’ordre de 32,7 %.
- Une réduction moyenne de la puissance apparente KVA de l’ordre de 32,7 %.
- Une réduction moyenne du taux d’harmonique (THDI) de l’ordre de 92,3 %.
- Une amélioration moyenne du facteur de puissance de l’ordre de 50,2%.
Evolution du courant Arms
Courant Arms moyen
Sans Filtre
Avec Filtre
12 Amp.
7,8 Amps
Réduction du courant Arms de 32,4 %
L’installation du filtre permet de réaliser une réduction moyenne du
courant RMS de l’ordre de 32,7%
Courbe de
courant
Exemple de la déformation de courbe de courant
(Sans filtre)
Courbe de courant
Exemple de la correction de courbe de courant
(Avec filtre)
EVOLUTION DE LA PUISSANCE APPARENTE
Puissance apparente (VA)
Sans Filtre
Avec Filtre
2 610
1 755
Réduction du KVA de 32,7 %
EVOLUTION DU TAUX D’HARMONIQUE THDI
Fig.12 : Evolution du taux d’harmoniques de la Phase 1
Taux d’harmonique THDI
Sans Filtre
Avec Filtre
123,5 %
9,1 %
Réduction du THDI de 92,6 %
EVOLUTION DU FACTEUR DE PUISSANCE
Facteur de puissance (%)
Sans Filtre
Avec Filtre
0,624 %
0,961 %
Amélioration du facteur de puissance de 52 %
Réduction de la puissance active totale
Avantage des filtres harmoniques
-
Soulager les transformateurs et augmenter leur capacité du réseau en KVA.
- Réduire les pertes par effets Joules, économie d’énergie en 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 variateur de vitesse à supporter les hausses et les
chutes de
tension.
- 99% d’ Efficacité (Consommation négligeable)
Avantage du traitement des Harmoniques pour
les systèmes de Cogénération
• Pour les Installations Existantes:
– Le traitement des harmoniques au niveau des installations comportant un système de
cogénération permet de libérer au niveau des transfos une puissance apparente
(Capacité supplémentaire en KVA) pouvant aller à plusieurs MW que l’industriel
pourra vendre à la STEG ou réduire la consommation de gaz naturel correspondante à
la réduction des KVA, réalisant ainsi d’importantes économies d’énergie.
• Pour les Nouvelles Installations:
– Le traitement des harmoniques permet également de réduire le dimensionnement des
systèmes de cogénération et par conséquent, réduire le coût de l’investissement.
REDUCTION DE LA CONSOMMATION
PAR FILTRAGE DES HARMONIQUES
FACTURATION ENERGETIQUE EN PRESENCE DES
HARMONIQUES
Les compteurs énergétiques modernes sont capables d’enregistrer
les puissances actives crées par la présence de Tensions
Harmoniques et de courants Harmoniques.
Puissance Active Moyenne / phase :
Puissance Active Fond. + Puissance Active Harmonique =
V1 . I1 . Cosφ1 + ∑ Vn . In . Cosφn
• n est le rang Harmonique 2,3,4,5,……. Correspondant aux
Fréquences 100HZ, 150HZ, 200HZ, 250HZ, etc….
• V1 et I1 sont les valeurs de la tension et du courant sinusoidaux à
50HZ, fournisseurs du travail réel.
CAS: USINE TEXTILES
CAS: USINE TEXTILES
CAS: USINE TEXTILES
CAS: USINE TEXTILES
Table 8 a été completée en utilisant l’équation P = S* PF pour determiner la partie
facturée (Colonne noire) et l’équation P= 3*VLN * PF pour déterminer la puissance
consommée reellement par les charges(vert), la difference en rouge représente les
pertes. On remarque que DB1 a le plus de pertes soit 45.3 ou 64.71 KW. Les pertes de
chaque ligne represente 32% dues aux harmoniques.
Cela veut dire que la puissance réellement consommée par l’usine
représente uniquement 67.43% de la puissance totale facturée.
• Avec l’installation du Filtre, le courant harmonique a été réduit à 5%
THDI ce qui a entrainé une réduction de la distortion de la tension et du
courant. Le courant est reduit à sa valeur fondamentale.
Le % Efficacité est devenue:
(259.01+294.42)/554 * 100 = 99.9%
Cela veut dire que les pertes ont ete réduites de 99.9%
Pertes sans filtrage = pertes Incomer I + pertes Incomer II
=113.7+154.19=267.89 [KW] ou $214,400.00 par an
Le temps de retour est de 1.5 années
PERTES TRANSFO AVEC DES CHAGES LINEAIRES
ET NON LINEAIRES ET COUT PAR AN
PERTES TOTALES EN PRESENSE DE CHARGES NON LINEAIRES
On remarque que le meilleur traitement est au niveau
de la charge non-linéaire
ECONOMIE EN $/AN EN PRESENSE DE CHARGES NON LINEAIRES
ETUDE DE CAS – VARIATEUR DE VITESSE
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Variateur de vitesse (VFD):
Puissance: 80 KW @ 400 Volts/50HZ
THDI = 120%
I rms = 150 Amperes
I1 = 96 Amperes
Pertes = 3 * R * 150 * 150 = 67 500 R
Longueur cable: 50 m
Resistance circuit: 0.08 Ohm/50 m
Pertes = 5400 watts
•
•
•
•
•
Après installation d’un filtre :
THDI = 5%
Irms = 96 Amperes
Pertes = 3 * R * 96 * 96 = 27 648 R
= 2211 Watts
ECONOMIE cable = 3188 watts Ou 4%
VFD
M
Analyse des mesures effectuées sur les 2 redresseurs
SECTION A
Sans Filtre Avec Filtre Variation
SECTION B
Sans Filtre Avec Filtre Variation
V rms
414
414
414
414
KW
36
36
138
138
KVA
40
26
-35%
155
136
-12,25%
KVAR
20
6
-70%
80
24
-70%
PF
0,88
0,98
+11%
0.9
0,98
+6%
THDI %
120
8
-93%
90
8
-91%
THDV %
8
3
-62%
8
3
-62%
I rms
48
31
-35%
215
161
-25%
I1
30
30
159
159
I3
0,6
0
-100%
3
1
-66%
I5
9
0
-100%
48
0
-100%
I7
2,4
0,5
-80%
13
2
-85%
I9
0,3
0
-100%
1
0
-100%
I11
2
0
-100%
9,5
1
-90%
I13
1
0
-100%
5
1
-80%
I harmonique
15,3
0,5
-98%
79,5
5
-94%
Mesures effectuées sur 4 variateurs de la Coficab
Mesures
I rms
THDI I fondam
I5
I7
I11 I13 I17 I19 I harm KVAR
TEF1
Moteur
commande 1
350
32 %
334
67
48
30
26
20
18
208
140
TFE2
Moteur
commande 1
261
49 %
235
47
34
21
18
14
12
146
135
TFE3
Moteur
commande 1
233
37 %
218
44
31
20
17
13
11
136
130
TFE4
Moteur
commande 1
323
34 %
306
61
44
28
24
18
16
190
166
680
571
1167
1093
Résultats & Performances obtenus
1- Une réduction de 570 Ampères
- I (harmonique) avant traitement : 680 Ampères
- I (harmonique) après traitement : 109 Ampères
Le gain sera donc de 680 – 109 = 571 Ampères,
2-Une réduction de 395 KVA
obtenue comme suit : KVA = 571 Amp. x 400 x 1.732 = 395 kva
3- Autres performances obtenues :
Une réduction de 500 KVAR
- Une augmentation du cos φ à 0,98.
- Une réduction des pertes ligne par effets joules et des pertes dans les jeux de barre,
les disjoncteurs, les transfos, etc..
- Une économie totale projetée de 7%
- Une protection des variateurs de fréquence contre les surtensions
- Une réduction des taux de panne et des couts de la maintenance.
-
MERCI
POUR
VOTRE ATTENTION
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