Etude des harmoniques dans le - Hayat BOUCHKOUK 4776 (1)

UNIVERSITE SIDI MOHAMMED BEN ABDELLAH
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES FES
DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE
LICENCE SCIENCES ET TECHNIQUES
Génie Electrique
RAPPORT DE FIN D’ETUDES
Intitulé :
Etude des harmoniques dans le
réseau électrique MT /BT
Réalisé Par :
Hayat Bouchkouk
Encadré par :
Pr Najia Es-Sbai
(FST FES)
Mr Younes el Raghi
(RADEEF)
Soutenu le 5 Juin 2018 devant le jury
Pr
N.Es- Sbai
(FST FES)
Pr
H.Ghennioui
(FST FES)
Pr
T.Lamhamdi
(FST FES)
Remerciements
Saisissant l’opportunité qui m’a été offerte par ce stage de fin d’études, j’adresse mes vifs
remerciements à Monsieur Youssef Lakellalech directeur général de la RADEEF.
Je remercie Mr Younes El Raghi, ingénieur de la division conduite et gestion réseau du Département
exploitation électricité, mon encadrant à la RADEEF pour ces conseils et ses remarques pertinentes dont
il m’a fait bénéficier durant toute la période de mon stage.
Je remercie également Mme Najia Es-Sbai Professeur à la FST de Fès pour m’avoir encadré
durant tout le projet de fin d’étude.
Je tiens à remercier tous les techniciens et les électriciens pour leur soutien et leur compréhension
dont ils ont fait preuve à mon égard.
1
nes
Avant-propos
Ce rapport est le résultat d’un stage de projet de fin d’étude de deux mois effectué au sein de la
Régie autonome intercommunale de Distribution de l’Eau et d’Electricité (RADEEF) de Fès.
Cette expérience est très intéressante, elle m’a donné la capacité d’analyser et de comprendre les
étapes du travail technique puis la relation entre la théorie et la pratique. Aussi j’ai appris pendant la
durée de mon stage les étapes par lesquelles passe l’électricité que nous utilisons tous les jours à savoir
la production électrique, la distribution de la haute tension (ONE) et aussi la distribution par la
RADEEF de l’électricité sous la forme d’une MT /BT.
Les stages pratiques constituent pour le stagiaire le meilleur moyen d’adaptation aux exigences des
sociétés et des établissements en matière de qualification, ils permettent



La découverte du monde du travail.
L’adaptation à la vie d’une entreprise horaire, encadrements et disciplines.
L’amélioration de la personnalité à travers le travail en groupe.
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Sommaire
Introduction générale ........................................................................................................... 1
Chapitre I : Présentation générale de la RADEEF
Introduction .............................................................................................................................................................. 2
1. Structure de la RADEEF ......................................................................................................................... 3
2. Fiche Technique de la RADEEF .............................................................................................................. 4
3. Organigramme de la RADEEF ................................................................................................................ 5
4. Département d’exploitation électricité .................................................................................................... 6
5. Trajet de l’électricité ................................................................................................................................ 7
6. Les postes sources de la RADEEF ......................................................................................................... 8
7. Les postes de transformations MT /BT .............................................................................................................. 9
Conclusion ............................................................................................................................................................... 10
Chapitre II : Perturbation harmonique dans le réseau électrique
Introduction .............................................................................................................................................. 11
I. Description de phénomène .................................................................................................................... 12
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Définition de l’harmonique .................................................................................................................. 13
Les spectres de différents rangs harmoniques ...................................................................................... 14
L’analyse de fourrier ............................................................................................................................. 15
Parité de fonction .................................................................................................................................. 16
Source de perturbation harmonique ....................................................................................................... 17
Effets des harmoniques .......................................................................................................................... 18
Conséquences des harmoniques ............................................................................................................ 19
II. Les charges électriques ........................................................................................................................ 20
1. Charge linéaire ...................................................................................................................................... 21
2. Charges non linéaire ............................................................................................................................. 22
3. Caractérisation d’une charge non linéaire ............................................................................................. 23
4. Les types de charge non linéaire ........................................................................................................... 24
5. Exemple de charge non linéaire ............................................................................................................. 25
6. Les appareils de mesurer les harmoniques ....................................................................................................... 26
Conclusion ................................................................................................................................................ 27
Chapitre III : Solution de filtrage pour l’amélioration de l’efficacité énergétique
Introduction ............................................................................................................................................................ 28
3
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1. Solution traditionnelles ........................................................................................................................... 29
1.1 Filtres passifs .................................................................................................................................................... 30
1.2 Inconvénients de filtrage passif ................................................................................................................... 31
2 Solutions modernes ................................................................................................................................ 32
2.1 Filtres actifs ....................................................................................................................................... 33
2.2 Exemple de filtrage.......................................................................................................................................... 34
2.3 Conclusion générale ....................................................................................................................................... 35
2.4 Bibliographie .................................................................................................................................................... 36
Conclusion ................................................................................................................................................................ 37
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Liste des abreviations
RADEEF : Régie autonome intercommunale de distribution de l’eau et d’électricité.
SCADA : bureau administrateur système.
MT : moyenne tension.
BT : basse tension.
BCC : bureau centrale de conduite.
S : puissance apparente.
P : puissance active.
Q : puissance réactive.
THD : taux de distorsion harmonique.
D : puissance déformante.
FP : Facteur de puissance.
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Liste de figure
Figure 1 : Organigramme de la RADEEF ....................................................................................................... 1
Figure 2: divisions du département exploitation d’électricité ........................................................................ 2
Figure 3: Trajet de l’électricité ...................................................................................................................... 3
Figure 4 : Poste source Fès amont ................................................................................................................... 4
Figure 5 : Poste source Fès ouest .................................................................................................................... 5
Figure 6: Poste source Fès sud ....................................................................................................................... 6
Figure 7 : Cellule de départ et d’arrivée ......................................................................................................... 7
Figure 8 : transformateur de puissance ............................................................................................................ 8
Figure 9: Déformation d’un signal périodique ............................................................................................... 9
Figure 10 : Spectre de rang d’harmonique .................................................................................................... 10
Figure 11: Décomposition d’un signal .......................................................................................................... 11
Figure 12:Les effets des harmoniques ........................................................................................................... 12
Figure 13 : Addition de courant harmonique dans le neutre ........................................................................ 13
Figure 14: Circuit électrique équivalent d’alimentation d’une charge non linéaire ..................................... 14
Figure 15: L’allure de tension et de courant harmonique .............................................................................. 15
Figure 16 : charges triphasés ........................................................................................................................ 16
Figure 17 : Redresseur monophasés avec filtrage ........................................................................................ 17
Figure 18 : Allure de courant absorbé d’un redresseur monophasés ............................................................ 18
Figure 19 : Exemple de charge non linéaire ................................................................................................ 19
Figure 20: Les appareils de mesurer les harmoniques .................................................................................. 20
Figure 21 : Structure de filtre résonant ......................................................................................................... 21
Figure 22 : Structure de filtre amorti ............................................................................................................. 22
Figure 23 : filtre passif .................................................................................................................................. 23
Figure 24: structure de filtre actif parallèle .................................................................................................. 24
Figure 25 : structure de filtre actif série......................................................................................................... 25
Figure 26 : structure de filtre actif hybride ................................................................................................... 26
Figure 27 : Filtre actif hybride d’absorption ................................................................................................. 27
Figure 28 : L’allure d’un signal avec et sans AFQ ........................................................................................ 28
Figure 29 : Niveau d’harmonique avec et sans AFQ ..................................................................................... 29
Figure 30 : Le signal d’harmonique avec et sans réactances ....................................................................... 30
Figure 31 : Filtre de troisième harmonique pour réseau triphasé (50hz) ..................................................... 31
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Introduction Générale
La prolifération de la connexion au réseau de distribution des charges non-linéaires, telles que les
redresseurs, les gradateurs, le matériel informatique, les appareils de climatisation ou encore les
éclairages à base de tubes fluorescents, etc.…, est la cause principale de la dégradation de l’énergie
électrique. Par conséquent, les distributeurs de l’énergie électrique se voient contraints d’imposer des
normes afin de se protéger contre ces perturbations.
A cet effet, pour faire face au phénomène des perturbations harmoniques, des solutions traditionnelles
et modernes de dépollution ont été proposées. Toutefois, les solutions traditionnelles, à base de circuits
passifs LC calculés avec les rangs d’harmonique à filtrer, sont souvent pénalisées en termes
d’encombrement et de résonance. De plus, les filtres passifs ne peuvent pas s’adapter à l’évolution du
réseau et de la charge polluante et donc ils sont des solutions d’efficacité moyenne. Les progrès réalisés
dans le domaine de l’électronique de puissance ont favorisé la mise en œuvre de filtres actifs : les filtres
actifs parallèles, séries et hybrides. Les filtres actifs à base de convertisseurs statiques sont moins
encombrantes n’occasionnent aucune résonance avec les éléments du réseau et font preuve d’une grande
flexibilité face à l’évolution du réseau électrique et de la charge polluante. Leur objectif principal
consiste à compenser les harmoniques produites dans le réseau et parfois l’énergie réactive consommée
par les charges non-linéaires.
Le travail présenté dans ce mémoire, consiste à l’étude des perturbations harmoniques du réseau
électrique à base de filtre actif ou passif.
Ce rapport s’articule autour de trois chapitres :
Dans un 1er chapitre, je donne une brève présentation de la société où j’ai effectué mon stage «La
RADEEF », son secteur d’activité, son organigramme et particulièrement son département d’exploitation
d’électricité.
Le 2ème chapitre sera consacré à l’étude des phénomènes de pollution du réseau par les harmoniques,
leurs origines, leurs causes et leurs conséquences.
Le 3ème chapitre, est dédié aux solutions permettant de réduire les effets indésirables de ces
harmoniques.
7
nes
Chapitre I :
Présentation générale de la RADEEF
8
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Introduction
Dans ce chapitre, nous allons présenter l’entreprise où j’ai effectué mon stage la RADEEF, son secteur
d’activité, son fiche technique, son organigramme et particulièrement département exploitation électricité
qui s’occupe trois division : division travaux exploitation, division clients grand compte et division
conduite et gestion réseau.
1-structure de la RADEEF
La Régie Autonome intercommunale de Distribution d'Eau et d'Electricité de la wilaya de Fès
(RADEEF) est un établissement public à caractère industriel et commercial, doté de la personnalité
morale et de l’autonomie financière, placé sous la tutelle du Ministère de l’Intérieur.
La RADEEF a été créé par délibération du conseil municipal de la ville de Fès en date du 30 avril et
29 août 1969 en vertu du Dahir n° 1.59.315 du 23 Juin 1960 relatif à l’Organisation communale, et après
l’expiration du contrat de concession dont bénéficiait la Compagnie Fassie d’Electricité au titre de la
distribution de l’énergie électrique.
Par arrêté du 25 Décembre 1969, le Ministre de l’Intérieur a approuvé la délibération du conseil
communal de la ville de Fès en date du 29 Août 1969 concernant la création de La RADEEF, fixant la
dotation initiale établissant son règlement intérieur ainsi que son cahier des charges.
En Janvier 1970, la RADEEF s’est substituée, d’une part à la « Compagnie Fassie d’électricité »pour
la gestion du réseau électrique, D’autre part à la ville de Fès pour la gestion de réseau d’eau potable.
La dotation en capital de la Régie, à sa création, fut constituée par l’apport initial auquel se sont
ajoutés la valeur des installations, du matériel et du stock remis par la ville ainsi que les fonds détenus
pour le compte de celle-ci par l’ancien concessionnaire.
Par la suite, La RADEEF a été transformée en Régie Intercommunale suite à l’arrêté du Ministre de
l’Intérieur N° 3211 du 02-10-1985 portant autorisation de créer le nouveau syndicat des communes pour
la gestion du Service de l’Eau potable dans 19 communes.
La Régie est donc chargée d’assurer, à l’intérieur de son périmètre d’action, le service public de
distribution d’eau et d'électricité, elle est également chargée de l'exploitation des captages et adductions
d'eau appartenant à la ville.
A compter du 1er Janvier 1996, la RADEEF a été chargée de la gestion du réseau d’assainissement
liquide de la ville de Fès en vertu de l’arrêté du Ministre de l’Intérieur n° 2806-95 du 3 Juin 1996
approuvant les délibérations du conseil de la Communauté Urbaine de Fès et des conseils communaux
relevant de cette communauté, lesquelles délibérations ont chargé la RADEEF de la gestion du réseau
d’assainissement liquide de la ville de Fès.
9
nes
Par ailleurs, la RADEEF est assujettie au contrôle des finances de l’Etat en vertu du Dahir n° 1-03195 du 11 Novembre 2003 portant promulgation de la loi N° 69-00 relative au contrôle financier de
l’Etat sur les entreprises publiques et autre organismes.
2-Fiche technique de la RADEEF
Dénomination : Régie Autonome intercommunale de Distribution D’Eau et d’Electricité de FES.
Siège social: 10, rue Mohammed El KAGHAT B.P:2007, FES.
Date de création : 1er Janvier 1970.
Forme juridique : établissement Public à caractère Commercial doté de l’autonomie financière.
Exercice comptable : du 1er janvier au 31 décembre.
L’activité : la production, la distribution de l’eau potable et l’assainissement liquide et la distribution
d’électricité.
Principal fournisseur : ONEE.
L’effectif : 1109 agents.
Téléphone : 05-35-62-50-15.
Fax : 05-35-62-07-95.
E-mail : [email protected]
10
nes
3- organigramme de la RADEEF
L’organigramme de La RADEEF se présente comme suit :
Figure1 : Organigramme de la RADDEF
11
nes
4-Département exploitation électricité
Le département exploitation électricité s’occupe principalement des travaux d’exploitation, de la gestion
du réseau électrique et assure aussi la mise en conformité de l’éclairage public de la ville de Fès.
Ce département est constitué de 3 divisions comme le montre la figure 3:
Département Exploitation Electricité
Division Travaux
exploitation
Division conduite et
gestion réseau
Division clients
grand compte
Figure 2 : divisions du département exploitation d’électricité
Ce stage s’est déroulé dans la division conduite et gestion réseau qui contient trois services :
1-
Service conduite du réseau



Recherche de défauts
Réparation des défauts
Les dépannages simples
Ce service se compose de cinq bureaux :





2-
Bureau des réclamations
Bureau intervention BT
Bureau opérateur
Bureau central de conduite BCC
Bureau administrateur système (SCADA)
Service mesure et protection


Réglage de protection
Recherche de défauts
3- Service Télécom
 La surveillance du réseau radio
 La maintenance et la réparation des équipements radiocommunication
 La programmation des émissions/réceptions radio administrative
12
nes
5-trajet de l’électricité
Cette figure montre les différentes étapes par lesquelles passe l’électricité jusqu’au lieu de
consommation.
Figure 3: trajet de l’électricité
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Centrale électrique ou Poste source (Fès Amont, Fès sud, Fès ouest)
ligne électrique (câble transportant l'énergie électrique)
Compteur (appareil calculant la quantité d'énergie consommée)
Disjoncteur (interrupteur général et sécurité en cas d'accident)
Coupe-circuit (sécurité pour un seul appareil ou quelques prises)
Prise de courant (dispositif reliant un appareil à la ligne électrique)
Lampe (appareil d'éclairage)
6- les postes sources de la RADEEF
Il existe trois postes de sources à Fès :
 Poste source Fès amont
Le poste source 60/20/5,5kV FES AMONT de la RADEEF (figure 4) est composé de :
• 6 sectionneurs 60kV de marque MESA
• 3 disjoncteurs 60kV de marque ALSTHOM
• 3 disjoncteurs 60kV de marque AREVA
• 3 combinés de mesures de marque AREVA
• 3 transformateurs N°2, 4 et 6, 36MVA 60/20kV de marque NEXANS
• 2 transformateurs N°1 et 5, 10MVA 60/5,5Kv de marque ALSTHOM
13
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Figure 4: Poste source Fès Amont 60/20/5,5kV
 Poste source Fès ouest
Ce poste (figure 5) a été mis en service en 1996, il est desservi en 60KV par trois lignes aériennes
provenant du poste 225 /60KV Douiyat et d’une nouvelle ligne provenant d’EL Ouali. Il est équipé par
deux transformateurs de 36MVA chacun et appelle à la pointe une puissance totale de 25MVA.
Figure 5 : Poste source Fès ouest
14
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 Poste source Fès sud
Ce Poste (figure 6) est raccordé au réseau 60KV de l’ONE par quatre lignes aériennes dont deux
proviennent du poste Ain El Ouali et les deux autres du poste Douiyat.
Figure 6: Poste source Fès sud
7- Les postes de transformations MT/BT
Un poste de transformation se compose des éléments suivants :
Le passage de coupure: formé par deux cellules munie chacune par un interrupteur à grand
pouvoir de coupure, shunté en haut par un jeu de barres. Sur la première on raccorde le câble d’arrivé et
sur le deuxième on raccorde le câble de départ
La protection du transformateur : elle est constituée par un interrupteur à haute pouvoir de
coupure 3fusibles calibrés suivant la puissance de transformateur ,3 relais électromagnétique réglables
suivant la puissance du transformateur.
15
nes
Cette figure est composée d’un passage de coupure et de protection :
Figure 7 : Cellule de départ et d’arrivée
Le transformateur de puissance :
Un transformateur de puissance ( figure 8) est constitué principalement par 3 enroulements primaires
et 3 enroulements secondaires le tout est placé à l’intérieur d’une cuve baignée dans l’huile diélectrique
pour l’isolation des enroulements et pour le refroidissement.
Figure 8 : Transformateur de puissance
Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons présenté l’organigramme et les activités de la RADEEF et particulièrement
département exploitation électricité qui m’a donné la capacité d’analyser et de comprendre les étapes par
lesquelles passe l’électricité que nous utilisons tous les jours à savoir la production électrique et le rôle
importante de la RADEEF de la distribution de l’eau et d’électricité sous forme d’une MT/BT
16
nes
Chapitre II :
Perturbation harmonique dans le réseau
électrique
17
nes
Introduction
Dans ce chapitre, nous étudions la problématique de la pollution des harmoniques sur le réseau électrique
ainsi que les sources et les effets indésirables de ces harmoniques et les appareils utilisé pour la mesure.
I. Description du phénomène
1-Définition de l’harmonique
Un harmonique est une composante sinusoïdale de la variation de la grandeur physique possédant une
fréquence multiple de celle de la composante fondamentale. L’amplitude de l’harmonique est
généralement de quelque % de celle du fondamental.
La figure suivant nous montre la déformation d’un signal périodique :
Figure 9 : Déformation d'un signal périodique
2-Les spectres harmoniques à différents rang
Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, d'amplitudes et de fréquences, multiples de la
fréquence fondamentale.
La figure ci-dessous nous le montre :
18
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Figure 10 : Spectre de rang d’harmonique
 Les harmoniques les plus fréquemment rencontres sur le réseau électrique se sont les harmoniques de
rang impairs.
 Les distributeurs d’énergies surveillent les harmoniques de rang 3, 5, 7, 9, 11,13.
 Les harmoniques de rang pair (2, 4, 6, 8 ...), n'existent qu'en présence d'une composante continue. Ils sont
souvent négligeables en milieu industriel.
 Les harmoniques supérieurs au rang 25 sont dans la majorité des cas négligeables.
 Au delà du rang 50, les courantes harmoniques sont négligeables et leur mesure n’est pas significative.
Figure 11 : Décomposition d’un signa
19
nes
3-L’analyse de Fourier
Pour caractériser l’importance et la composition d’un phénomène d’harmoniques on utilise la
transformée de fourrier. Cet outil permet de décomposer n’importe quel signal périodique en une somme
de signaux sinusoïdaux de fréquence multiple de sa fréquence fondamentale et de présenter le résultat
Sous forme fréquentielle :

f (t)  a 0  (an cos(n t)  bnsin (n t))
(1)
n 1
Où
𝟐𝝅
n : entier naturel et 𝝎 =
𝑻
𝒂𝟎 : est une constante qui représente la moyenne de la fonction.
On calcule les coefficients 𝑎𝑛 et 𝑏𝑛 avec les relations suivantes :
𝒂𝟎 =
𝒂𝒏 =
𝒃𝒏 =
𝑻⁄
∫ 𝟐 𝒇(𝒕) 𝒅𝒕
𝑻 −𝑻⁄𝟐
𝟏
=
𝑻
𝒇(𝒕)𝒅𝒕
∫
𝑻 𝟎
𝟏
𝑻⁄
∫ 𝟐 𝒇(𝒕) 𝐜𝐨𝐬 𝒏𝝎𝒕 𝒅𝒕
𝑻 −𝑻⁄𝟐
𝟐
𝑻⁄
∫ 𝟐 𝒇(𝒕) 𝐬𝐢𝐧(𝒏𝝎𝒕) 𝒅𝒕
𝑻 −𝑻⁄𝟐
𝟐
=
=
𝟏
𝒕𝟎+𝑻⁄
= ∫𝒕
𝑻
𝟐
𝟎−𝑻⁄𝟐
𝒇(𝒕)𝒅𝒕
𝑻
𝒇(𝒕) 𝐜𝐨𝐬 𝒏𝝎𝒕 𝒅𝒕
∫
𝑻 𝟎
𝟐
𝑻
𝒇(𝒕) 𝐬𝐢𝐧(𝒏𝝎𝒕) 𝒅𝒕
∫
𝑻 𝟎
𝟐
(2)
𝟐
𝒕𝟎+𝑻⁄
= ∫𝒕
𝑻
𝟐
𝟐
𝟎−𝑻⁄𝟐
𝒕𝟎+𝑻⁄
= ∫𝒕
𝑻
𝟐
𝟎−𝑻⁄𝟐
𝒇(𝒕) 𝐜𝐨𝐬 𝒏𝝎𝒕 𝒅𝒕
𝒇(𝒕) 𝐬𝐢𝐧( 𝒏𝝎𝒕) 𝒅𝒕
4-parité de fonction
Le calcul des coefficients de la décomposition en série de Fourier d’une fonction
lorsque la fonction à décomposer est paire ou impaire.
 Pour les fonctions paire où f(t)=f (-t), il en résulte que :
𝑻⁄
𝟏
𝟐
𝑻⁄
𝟐 𝒇(𝒕)𝒅𝒕
𝒂𝟎 = ∫−𝑻⁄𝟐 𝒇(𝒕) 𝒅𝒕 = ∫𝟎
𝑻
𝑻
𝑻⁄
𝟐
𝟐
𝟒
𝑻⁄
𝟐 𝒇(𝒕) 𝐜𝐨𝐬 𝒏𝝎𝒕 𝒅𝒕
𝒂𝒏 = ∫−𝑻⁄𝟐 𝒇(𝒕) 𝐜𝐨𝐬 𝒏𝝎𝒕 𝒅𝒕 = ∫𝟎
𝑻
𝑻
𝟐
𝟐
𝑻⁄
𝒃𝒏 = ∫−𝑻⁄𝟐 𝒇(𝒕) 𝐬𝐢𝐧(𝒏𝝎𝒕) 𝒅𝒕 = 𝟎
𝑻
𝟐
20
f(t) se simplifie
(5)
(6)
(7)
(3)
(4)
nes
 Pour le cas des fonctions impaires f (-t)=-f(t), il en résulte que :
𝟏
𝑻⁄
𝐚𝟎 = ∫−𝑻⁄𝟐 𝒇(𝒕) 𝒅𝒕 = 𝟎
𝑻
(8)
𝟐
𝟐
𝑻⁄
𝒂𝒏 = ∫−𝑻⁄𝟐 𝒇(𝒕) 𝐜𝐨𝐬(𝒏𝝎𝒕) 𝒅𝒕 = 𝟎
𝑻
(9)
𝟐
𝒃𝒏 =
𝑻⁄
∫ 𝟐 𝒇(𝒕) 𝐬𝐢𝐧(𝒏𝝎𝒕) 𝒅𝒕
𝑻 −𝑻⁄𝟐
𝟐
𝟒
𝑻⁄
𝟐 𝒇(𝒕) 𝐬𝐢𝐧(𝒏𝝎𝒕) 𝒅𝒕
= ∫𝟎
𝑻
(10)
5-Source de perturbation harmonique
L’injection des courants non sinusoïdaux par des charges non linéaires (le courant qu’elle absorbe n’a
pas la même forme que la tension qui l’alimente)
Les dispositifs suivants sont des sources d’harmoniques :
 L’éclairage par lampes a décharge et tubes fluorescents, est générateur de courants harmoniques
 Les inductances saturées (cas des transformateurs à vide soumis à une surtension permanente) ont
leurs impédances dépendantes de l’amplitude du courant qui les traverse et donc provoquent des
déformations de ce courant.
 Les machines tournantes génèrent des harmoniques de rangs élevés et d’amplitudes négligeables.
 Les convertisseurs statiques à base de composants d’électronique (diodes, transistors…) sont
générateurs de courants harmonique.
6-effets des harmoniques
Les tensions et courants harmoniques superposés à l’onde fondamentale conjuguent leurs effets sur les
appareils et équipements utilisés. Ces grandeurs harmoniques ont des effets différents selon les
récepteurs rencontrés.
• Effets instantanés : ils créent des perturbations dans le fonctionnement des appareils de protection,
nous citons:
 Déclenchements intempestifs des protections ;
 Perturbations induites des systèmes à courants faibles (télécommande, télécommunication, écran
21
nes
d’ordinateur, téléviseur, etc.….) ;
 Vibrations et bruits acoustiques anormaux (tableaux BT, moteurs, transformateurs) ;
 Destruction par surcharge thermique de condensateurs ;
 Perte de précision des appareils de mesure ;
 Effets à moyen et long terme: ils engendrent l'échauffement des matériels électriques, et causent un
vieillissement :
 Echauffements des câbles et des équipements ;
 Echauffements des condensateurs ;
 Echauffements des pertes supplémentaires des machines et des transformateurs ;
Dans le tableau ci-dessous, nous listons les effets de la pollution par les harmoniques sur le
matériel électrique.
Figure 12 : Les effets des harmoniques
22
nes
7-Conséquence des harmoniques
Augmentation du courant de neutre génère par les harmoniques de rang (3, 9, 15) avec un système
triphasés 3+N sur charges non linéaire, le conducteur de neutre retrouve les multiples impairs de
l’harmonique.
Ces harmoniques ne s’annulent pas mais au contraire s’ajoutent dans le conducteur du neutre c’est ce qui
montre la figure suivant :
Figure 13: Addition de courant harmonique dans le neutre
II. Les charges électriques
1- charge linéaire
Une charge est dite linéaire lorsque le courant qu’elle absorbe est la même forme que la tension qui
l’alimente .Ce type de récepteur ne génère pas d’harmonique.
La loi d'Ohm définit une relation linéaire entre la tension et le courant (U = ZI).
U = Z̅I
En représentation complexe la tension :
La puissance active fournie à la charge est :
P = V I cosφ
La puissance réactive fournie à la charge est :
Q = V Isinφ
La puissance apparente de la charge est :
S= V I
cosφ =
Le facteur de puissance est :
Puissance déformante D est :
Cas d’une charge linéaire
P
S
𝑫 = √𝑺 𝟐 − 𝑺𝟐
𝟏
D0
2-charge non linéaire
23
nes
Considérons une source de tension sinusoïdale Vs connectée à une charge non linéaire :
Figure 14 : Circuit électrique équivalent d’alimentation d’une
Charge non-linéaire
Une charge est dite non linéaire lorsque le courant qu’elle absorbe n’a pas la même forme que la tension
qui l’alimente.
Typiquement, les charges utilisant l’électronique de puissance sont non linéaires.
3-Caractérisation d’une charge non linéaire
Une charge non linéaire est alimenté par une tension sinusoïdal tell que :
𝑽(𝒕) = V𝐬𝐢𝐧( 𝝎𝒕)
Elle absorbe un courant i(t) non sinusoïdal tell que :
i(t)
= 𝑰𝟏 √𝟐 𝐬𝐢𝐧( 𝛚 𝐭 − 𝛗𝟏) + ∑∞
𝒏=𝟐 𝑰𝒏 √𝟐 𝐬𝐢𝐧( 𝛚 𝐭 − 𝛗𝐧
Sa valeur efficace est :
√𝑰𝟐𝟏 + 𝑰𝟐𝟐 + 𝑰𝟐𝟑 + ⋯ + 𝑰𝟐𝒏
Son fondamental est :
𝒊(𝒕) = 𝑰𝟏 √𝟐 𝐬𝐢𝐧( ω t − φ1)
Facteur de puissance :
Facteur de déplacement :


𝑭𝑷 =
𝐏
𝐒
𝐏
Cos𝜑 =
1 √𝐏𝟐+𝐐𝟐
Dans un milieu non harmonique : FP = Cos φ
Dans un milieu harmonique : FP < Cos φ
Puissance apparente :
Puissance déformante :
𝐒 = √𝑷𝟐 + 𝑸𝟐 + 𝑫𝟐
𝑫 = √𝑺𝟐 − 𝑺𝟐
𝟏
Le taux de distorsion harmonique
24
nes
Pour assurer simplement le suivi du phénomène harmonique sur nos réseaux nous pouvons à suivre
un indicateur qui se nome le Taux d’harmonique de distorsion global (THD)
Lorsque le THD est égal à zéro, on peut conclure qu'il n'y a pas d'harmoniques sur le réseau.
Il se définit comme tel :
𝑻𝑯𝑫% =
√𝑰𝟐 − 𝑰𝟐𝟏
𝐈𝟏
∗ 𝟏𝟎𝟎 =
√𝑰𝟐𝟐 + 𝑰𝟐𝟑 + ⋯ + 𝑰𝟐𝒏
𝐈𝟏
∗ 𝟏𝟎𝟎
La figure ci dessous nous donne les valeurs de THD pour chaque signal (tension, courant) :
Figure 15 :L’allure de tension et de courant harmonique
25
nes
Explication :


On relève un THD-V pour la tension de 2,4%. La tension est une sinusoïde presque parfaite alors les
composantes harmoniques (h3, h5, h7..) sont négligeables
Le THD-I pour le courant de 118.7%, l'allure du courant n'est pas sinusoïdale, mais est périodique. Le
courant est donc composé de courants harmoniques qui ici ne sont pas négligeables.
4-Les types de charge non linéaire
4-1 Charges non linéaire symétriques
La plupart des charges connectées au réseau sont toutefois symétriques, c’est- à-dire que
les demi-alternances de courant sont égales et opposées. Ceci peut
ft+= ft
S’exprimer mathématiquement par la relation :
4-2 Charges non linéaire triphasés
Les charges triphasées (figure 16), équilibrées, symétriques, ne génèrent donc
pas d'harmonique de rang 3. Le raisonnement peut s'étendre à tous les harmoniques
de rangs multiples de 3. Les courants harmoniques non nuls sont donc de rang 5, 7,
11, 13, …
Figure 16 : Charges triphasés
26
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4-3 Charges non linéaires monophasés
Rappelons que les charges symétriques ne génèrent pas d'harmoniques de rang pair. Le spectre étant
en général décroissant, l'harmonique de rang 3 est donc l'harmonique prépondérant pour les charges
monophasées. Ainsi, pour les charges très répandues de type redresseur monophasé à diodes avec filtrage
capacitif (Figure 17), ainsi que son allure de courant absorbé (figure 18) .
Figure 17: Redresseur monophasés avec filtrage
Figure 18: Allure de courant absorbé d’un redresseur monophasé
27
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5-Exemple de charge non linéaire
Tableau comparatif des différentes charges non linéaires :
Figure 19 : exemple de charge non linéaire
28
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6-Les appareils de mesure des harmoniques
Parmi les appareils de mesures des harmoniques, nous citons : l’analyseur de réseau électrique,
l’analyseur de spectre d’harmonique et pince de courant.
Ces rôles de ces instrumentes est la suivante :
Analyseur de réseau électrique: est un instrument de mesure qui permet de déterminer les paramètres
d’un circuit électrique.
On distingue deux catégories d'analyseurs de réseau:
 Analyseur de réseau
scalaire : Il mesure seulement les propriétés en amplitude.
 Analyseur de réseau vectoriel : Il mesure les propriétés en amplitude et en phase, mais dont le coût
est souvent plus élevé.
Pince de courant harmonique : sert à la mesure à une ou trois phases de la puissance active,
réactive et apparente, le facteur de puissance, l'angle de phase, l'énergie, la tension, le courant.
Analyseur de spectre : est un instrument de mesure destinée à afficher la différente fréquence
contenue dans un signal ainsi que leurs amplitudes.
Figure 20: les appareilles de mesurer l’harmonique
29
nes
Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons étudié les harmoniques qui proviennent de l’utilisation des charges non
linéaires, ces types des charges utilisant l’électroniques de puissance sont de plus en plus nombreuse et
leur part dans la consommation d’électricité ne cesse de croitre, et ces effets indésirables sur le réseau
électrique .Ces effets peuvent aller des échauffements et de la dégradation du fonctionnement jusqu’à la
destruction totale de ces équipements.
30
nes
Chapitre 3 :
Solution de filtrage pour l’amélioration de
l’efficacité énergétique
31
nes
Introduction :
Dans ce chapitre, nous avons proposés des solutions traditionnelles (Filtrage passif) et modernes
(Filtrage actifs) de dépollution qui sont utilisés pour pallier aux problèmes liés aux perturbations
harmoniques.
1-Solution traditionnelles
1-1 filtre passif
Le principe de filtrage passif est de modifier localement l’impédance du réseau afin de faire dévier les
courants harmoniques et éliminer les tensions harmoniques résultantes.
Ces filtres sont composés d’éléments capacitifs et inductifs qui sont disposés de manière à obtenir une
résonance série sur une fréquence déterminée.
Il existe deux classes de filtre passif permettant de réduire les harmoniques :
 Filtre résonant
Le shunt résonant est constitué d'un condensateur monté en série avec une inductance. Ces éléments
sont placés en dérivation sur l'installation et accordés sur un rang d'harmonique à éliminer. L'impédance de
cet ensemble est très faible pour sa fréquence de résonance, et se comporte ainsi comme un court-circuit
pour l’harmonique considéré. Selon le rang de l'harmonique à éliminer,
La fréquence de résonance sera:
𝑓𝑟 =
1
2π√𝐿𝐶
32
nes
Figure 21: Structure de filtre résonant

filtre amorti
Un filtre amorti se compose d’une capacité en série avec un ensemble constitué de la mise en parallèle
d’une inductance et d’une résistance, appelé résistance d’amortissement. Il est utilisé lorsque les
performances demandées au système de filtrage ne sont pas trop élevées. Il permet de filtrer
simultanément les plus hautes fréquences du spectre, et non une fréquence particulière. C’est un filtre
passe-haut d’ordre 2. La fréquence d’accord fr
et la fréquence d’antirésonance far d’un
filtre amorti sont données par :
Figure 22 : structure de filtre amorti
33
nes
Figure 23 : Filtre passif
1-2 Inconvenient du filtre passive
 Elle est d’une efficacité moyenne;
 Lorsqu’il ya plusieurs rang d’harmoniques à filtrer, il est nécessaire de mettre autant de filtres
accordes sur les rangs correspondantes ;
 Equipements volumineux.
 Problème de résonance.
2- Solutions moderns
Les solutions de dépollution traditionnelles ne répondent pas au changement des réseaux électriques donc
des solutions modernes sont proposées. En effet, les filtres actifs s’adaptent aux évolutions du réseau
électrique et de la charge.
On trouve trois types de structures de filtre actif :
 Filtre actif parallèle : utilisé pour compenser toutes les harmoniques du courant, les déséquilibres et la
puissance réactive.
iin
Charge
polluante
j
Figure 24 : structure de filtre actif parallèle
34
nes

Filtre actif série : utilisé pour pallier aux harmoniques de tension, les déséquilibres et les creux de
tension.
Charge
polluante
vinj
Figure 25 : Structure du filtre actif série
 Filtre actif hybride : c’est une combinaison de filtres actifs parallèle et série utilisée pour
compenser les harmoniques de courant et de tension.
Charge
polluante
Figure 26: structure de filtre actif hybride
35
nes
Figure 27 : Filtre actif hybride d’absorption
2-2 Exemple de filtrage :
Filtre AFQ:
Les filtres actifs parallèles multifonctions AFQ constituent la
solution la plus complète pour résoudre les problèmes de qualité
causés, tant dans des installations industrielles que commerciales
ou de services, pas uniquement par les harmoniques, mais aussi
par le déséquilibre de courants et, voire, par la consommation de
puissance réactive (généralement de type capacitif).
Parmi les avantages de ce filtre nous citons :
 Réduction des courants harmoniques jusqu’à l’ordre 50 (2500 Hz). Possibilité de
sélection par l’utilisateur des fréquences harmoniques à filtrer pour obtenir une
plus grande efficacité du filtre.
 Correction de la consommation des courants déséquilibrés dans chaque phase de
l’installation électrique.
 Compensation de puissance réactive. Tant sur les courants retardés (inductif)
qu’avancés (capacitif).
36
nes
La figure suivante nous montre le rôle important de filtre actif AFQ pour rendre le signal sinusoïdal :
Sans AFQ
Avec AFQ
Figure28 : L’allure d’un signal avec et sans AFQ
a-Niveau d’harmonique sans AFQ
b-Niveau d’harmonique avec AFQ
Figure 29 : Niveau d’harmonique avec et sans AFQ
37
nes
Filtre LR: Réactances
•
Les réactances de filtrage LR permettent de
réduire les harmoniques de courant de tout
convertisseur depuis des niveaux de 40% ou
50% à des valeurs autour de 20%. Elles
réduisent le courant de court- circuit et elles
augmentent la sécurité des semi- conducteurs
du convertisseur.
La figure ci-dessus montre l’influence des filtres LR sur le signal d’harmonique
 Sans réactance : THD = 45%
 Avec réactance : THD = 20%
Figure 30: le signal d’harmonique avec et sans réactances
38
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 Filtre FB3:
Les filtres FB3 (figure 31) sont des filtres de blocage d’harmonique multiple de 3 conçus pour
réduire le courant du troisième harmonique. Il est appliqué dans l’installation pourvus de luminaire, de
gradateurs de lumière, d’ordinateurs ou de tout autres types de charge monophasés raccordé entre la
phase et le neutre.
Figure 31 : Filtre de troisième harmonique pour réseau triphasé (50 Hz)
Conclusion :
Dans ce chapitre, nous avons proposés des solutions traditionnelles et modernes de dépollution.
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.
39
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Conclusion générale
La présence des harmoniques sur les réseaux de distribution détériore la qualité de l’onde de
tension ce qui rend nécessaire un surdimensionnement des installations et occasionne des pertes
additionnelles significatives. En marge du fait qu’il existe des normes qui limitent la consommation de
ces harmoniques, il convient de filtrer les harmoniques car cela permet d’optimiser les sections de
câbles, les puissances des transformateurs de distribution et de réduire les pertes sur les installations et
éviter des pertes de production.
La solution du problème se fait par les filtrages, comme les filtres actifs, ce qui permet de résoudre
le problème avec des coûts raisonnables et facilement amortissables par l’économie en matière de
pertes, amélioration de la vie de certains composants des installations et optimisation de l’infrastructure
de distribution (câbles, canalisations, transformateurs, etc.…).
Les stages ont beaucoup d’intérêt pour nous les étudiantes et ils ne peuvent qu’être bénéfiques, il
nous permet d’acquérir une certaine expérience que nous n’apprendrons jamais en cours. C’est un
premier pas dans le monde du travail.
H
40
nes
Bibliographie
[1]- Rapport d’étude et analyse des harmoniques généré dans le réseau-Haouate Zineb 2015
[2]- Rapport d’étude et analyse des harmoniques généré dans le réseau-Mohamed Alami 2017
[3]- Technologie pour l’efficacité énergétique www .circutor .fr
[4]- Cahier technique n° 152 ,202 : Schneider Electric
Webographie
[1]- http://www.volta-electricite.info/articles.php?lng=fr&pg=11561
[2]-http://www.chauvin-arnoux.com/sites/default/files/documents/2-programme_harmoniques.pdf
[3]- http://fr.electrical-installation.org/frwiki/Filtrage_des_harmoniques
[4]- www.memoirepfe.fst-usmba.ac.ma/get/pdf/540
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