notion de charges definition des grandeurs harmoniques

Harmoniques
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NOTION DE CHARGES
L'énergie électrique est distribuée sous forme de trois tensions sinusoïdales constituant le réseau triphasé
équilibré. Selon leurs caractéristiques d'entrée, certaines charges peuvent perturber cette distribution.
CHARGE LINEAIRE
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. Ex. : convecteurs, moteurs en
régime établi, ...
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 d'harmoniques. Ex. : alimentation à
découpage, moteurs au démarrage, mise sous tension de transformateurs, ...
DEFINITION DES GRANDEURS HARMONIQUES
DECOMPOSITION D'UN SIGNAL PERIODIQUE
FOURIER a démontré que toute fonction périodique y(t) non sinusoïdale de fréquence f peut être
représentée selon la décomposition harmonique sous la forme d'une somme composée :
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d'un terme sinusoïdal à la fréquence f de valeur efficace Y1. Ce terme est appelé
fondamental.
de termes sinusoïdaux dont les fréquences sont égales à n fois la fréquence du fondamental
et de valeurs efficaces Yn. Ces autres fréquences multiples du fondamental sont appelées
harmoniques.
d'une éventuelle composante continue d'amplitude Y0.
L'expression de ces grandeurs est donnée par le développement de Fourier de la fonction tension ou
courant y(t) :
Exemple : décomposition d'un signal périodique :
VALEUR EFFICACE
La valeur efficace (RMS : Root Mean Square) conditionne les échauffements. Pour une grandeur
périodique non sinusoïdale, son expression est :
Exemple : soit un signal périodique dont la décomposition harmonique donne :
I1 = 104 A
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I3 = 30 A
I5 = 10 A
TAUX INDIVIDUEL D'HARMONIQUE
Selon les organismes, le taux individuel d'harmonique est défini différemment. Il sera soit :
le rapport entre la valeur efficace d'un harmonique de rang n est la valeur efficace du
fondamental pour le CIGRE :
le rapport entre la valeur efficace d'un harmonique de rang n est la valeur efficace du
signal pour la CEI :
TAUX DE DISTORSION
De la même manière, le taux de distorsion sera :
le rapport de la valeur efficace des harmoniques à celle du fondamental pour le CIGRE.
le rapport de la valeur efficace des harmoniques à celle de la grandeur alternative, pour la
CEI
Le taux de distorsion est un paramètre qui définit globalement la déformation de la grandeur sinusoïdale.
Exemple : les données de l'exemple précédent donnent un taux de distorsion de :
pour le CIGRE :
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ou selon la définition de la CEI :
SPECTRE DE FREQUENCE
Le spectre de fréquence est la représentation de l'amplitude des harmoniques en fonction de leur rang.
Exemple : décomposition spectrale du signal périodique vu précédemment.
PUISSANCE APPARENTE
La puissance apparente S est égale au produit de la valeur efficace de la tension par la valeur efficace du
courant :
Si la tension et le courant sont déformés, il faudra effectuer la somme quadratique des valeurs efficaces de
chaque rang.
Valeur efficace de la tension
que l'on peut exprimer en fonction du fondamental et des différents taux d'harmoniques
en tension
ce qui fait apparaître un taux de distorsion en tension Du dans le coefficient.
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Valeur efficace du courant
selon la même démonstration, on voit apparaître un taux de distorsion en courant Di
dans le coefficient.
FACTEUR DE PUISSANCE ET FACTEUR DE DEPHASAGE
Il est important en présence d'harmoniques de ne pas confondre ces deux termes qui ne sont égaux que
lorsque tension et courant sont sinusoïdaux :
Le facteur de déphasage (cos j1) concerne les grandeurs fondamentales.
Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active P et la puissance
apparente S.
Remarque : ˆ on relève le cos j à l'aide de condensateurs
ˆ on relève le facteur de puissance à l'aide de filtres.
LES INTER ET INFRA HARMONIQUES
Inter harmoniques
Ce sont des composantes sinusoïdales d'une grandeur qui ne sont pas des fréquences multiples
entières de celle du fondamental.
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Infra harmoniques
Ce sont des composantes qui sont à des fréquences inférieures à celle du fondamental.
Ces deux catégories de perturbations sont dues à des variations périodiques et aléatoires de la
puissance absorbée par certaines machines (commande par train d'ondes, ...).
ROLE DE L'IMPEDANCE DE SOURCE
DISTORSION EN TENSION
Le taux de distorsion en courant dépend de la non linéarité d'une charge. Le courant absorbé par un
récepteur non linéaire va, pour chaque harmonique de rang n du courant en ligne In, provoquer une chute
de tension Du dans toutes les impédances situées en amont. Chaque impédance offre à chaque rang
d'harmonique une impédance Zn fonction de la fréquence f du rang considéré.. En conséquence, ces
chutes de tension dues aux courants harmoniques déforment la tension sinusoïdale de la source
provoquant une perturbation des autres récepteurs alimentés par cette source.
Plus l'impédance de source Z est faible, plus la tension Un est faible. Toutes ces tensions présentent à
chaque rang d'harmoniques entraînent un taux de distorsion en tension de :
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Pour que la distorsion en tension soit faible, il faut que les tensions Un soient faibles, c'est à dire que
l'impédance de source soit faible.
IMPEDANCES DES SOURCES USUELLES
Impédance d'un transformateur
Le schéma équivalent d'un transformateur est le suivant
La tension de court circuit d'un transformateur est la tension Ucc qu'il faut appliquer au
primaire pour faire circuler dans l'enroulement secondaire en court circuit le courant nominal.
Cette tension est exprimée sous la forme d'un pourcentage de la tension nominale.
Cette tension de court circuit Ucc est constituée de deux termes : Uccr et Uccx. Le triangle
de Kapp des valeurs ramenées au secondaire est le suivant :
On constate que d'un point de vue harmonique, seule l'impédance de l'inductance dépend de
la fréquence. C'est donc l'inductance qui va déterminer le comportement du transformateur
aux harmoniques.
Impédance d'un alternateur
Un alternateur peut, comme le transformateur, être représenté par une source de tension en
série avec une résistance et une inductance. Toutefois son impédance de sortie est supérieure
à celle d'un transformateur
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Impédance de sortie d'un onduleur
Elle dépend du type de régulation utilisée et de l'impédance de sortie du filtre :
Onduleur classique : la fréquence de commutation du mutateur est faible, il est
nécessaire d'installer en sortie un filtre LC important.
Onduleur MLI : la fréquence de découpage du mutateur est élevée, ce qui permet de
diminuer l'importance du filtre
Pour un onduleur classique, l'impédance de sortie sera :
essentiellement égale à Lw pour les basses fréquences
peu différente de
égale à
pour les hautes fréquences
pour la fréquence de résonance F0
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En plus du filtre LC, l'onduleur MLI présente une impédance de sortie qui prend en compte la
bande passante du système de régulation.
Impédance de ligne
L'impédance de ligne se compose essentiellement d'une inductance L en série avec une
résistance R. Elle vient s'ajouter à l'impédance de source et fait augmenter le taux de
distorsion de la tension.
Il convient de tenir compte de "l'effet de peau" pour les conducteurs de fortes sections qui
sont amenés à véhiculer des courants harmoniques de rang élevé.
Influence de l'impédance de source
IMPEDANCE
DE SOURCE
COURANTS
DISTORSION
EN TENSION
HARMONIQUES
Faible
Favorise leur circulation
Faible
Elevée
Réduit leur circulation
Elevée
Si le taux d'harmoniques en courant dépend de la charge, on constate que le taux
d'harmoniques en tension dépend de l'impédance de source.
Les oscillogrammes suivants représentent la tension U et le courant I en amont du pont
redresseur en fonction de l'inductance de la source L.
IDENTIFICATION DES SOURCES DE PERTURBATIONS
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Ce sont tous les récepteurs ayant des caractéristiques d'entrée non linéaires. Dans le domaine industriel,
tertiaire et domestique, ce sont essentiellement :
les systèmes possédant des inductances à noyau de fer en régime saturé.
les fours à arc.
les dispositifs électroniques de puissance.
INDUCTANCES A NOYAU DE FER
Une inductance à noyau de fer est génératrice d'harmoniques pour deux raisons :
la non linéarité de l'induction B et du champ H (production d'harmoniques de rang pair).
la présence d'un cycle d'hystérésis (production d'harmoniques de rang impair).
Le diagramme ci dessus montre l'influence du cycle d'hystérésis sur la forme du courant absorbé par une
inductance. Ce courant en retard d'un quart de période sur la tension n'est pas une fonction sinusoïdale,
mais une fonction périodique qui pourra être décomposée en série de Fourier.
En l'absence de saturation, la déformation du courant pourra être considérée comme négligeable.
Les principaux générateurs d'harmoniques possédant une inductance à noyau de fer sont :
appareils domestiques tel que les téléviseurs, ...
les systèmes d'éclairage possédant des ballasts magnétiques:
les lampes à décharge .
les tubes fluorescents (génération d'harmoniques de rang 3 avec un taux individuel
d'harmonique H3 pouvant atteindre 30%).
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les appareils possédant un circuit magnétique saturé (transformateurs, ... ).
FOURS A ARC
Les fours à arc utilisés en sidérurgie peuvent être à courant alternatif ou à courant continu.
L'arc est non linéaire, dissymétrique et instable. Il va induire des spectres possédant des raies paires,
impaires et une composante continue à des fréquences quelconques entraînant l'apparition d'un spectre
continu.
SYSTEMES ELECTRONIQUES
Ce sont tous les dispositifs électroniques comportant une fonction redressement à l'entrée et ceux
prélevant sur le réseau une partie de la tension. Selon le type de fonction redressement, le spectre
harmonique peut varier en fonction de la présence ou non d'inductance de lissage et de la position de cette
inductance. Les principaux générateurs d'harmoniques de ce type sont :
les variateurs de vitesse électroniques pour moteurs à courant continu
les convertisseurs de fréquence pour moteurs asynchrones et synchrones
les ASI (alimentation sans interruption)
les hacheurs
les démarreurs électroniques
les alimentations à découpage
les lampes fluocompactes à ballast électronique intégré...
Redresseur avec inductance de lissage côté continu.
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La décomposition en série de Fourier nous montre que les composantes harmoniques
caractéristiques de ces redresseurs ont comme rang :
avec :
k = 1, 2, 3, 4, ...
p = nombre de bras du redresseur
COMPOSANTES HARMONIQUES
REDRESSEUR
p
Monophasé
2
Triphasé
6
k=1
k=2
k=3
3
5
7
k=4
5
11
13
7
17
19
9
23
25
Ce type de charge génère des courants harmoniques de rangs impairs sur une large bande. Le
redresseur triphasé diffère du redresseur monophasé uniquement par l'absence d'harmoniques
de rang 3 et multiples de 3.
Redresseur avec inductance de lissage côté alternatif.
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La présence d'inductances de filtrage côté alternatif permet d'atténuer la raideur des fronts de
montée de courant et par conséquent de réduire l'amplitude des harmoniques de rang élevé.
Le spectre harmonique de ce type de redressement dépend de la valeur des inductances.
Redresseur sans inductance de lissage
Ce type de redresseur est relativement répandu dans de nombreux appareils industriels et
domestiques car il est très économique, mais très pollueur pour le réseau d'énergie.
SYSTEMES TRIPHASES ET HARMONIQUES
Selon leur rang, les harmoniques vont former des systèmes triphasés inverses, homopolaires ou directs.
HARMONIQUES DE RANG 3K-1
Les ordres des phases sont :
fondamental : L1, L2, L3
harmoniques de rang 3k-1 (2, 5, 8, 11, 14, ...) : L1, L3, L2
Ces harmoniques forment des systèmes triphasés inverses (couple de freinage)
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HARMONIQUES DE RANG 3K
Les ordres des phases sont :
fondamental : L1, L2, L3
harmoniques de rang 3k (3, 6, 9, 12, 15, ...) : pas d'ordre, les harmoniques sont en phase.
Ces harmoniques forment des systèmes purement homopolaires (pas de couple).
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HARMONIQUES DE RANG 3K+1
Les ordres des phases sont :
fondamental : L1, L2, L3
harmoniques de rang 3k+1 (4, 7, 10, 13, 16, ...) : L1, L2, L3
Ces harmoniques forment des systèmes triphasés directs (couple moteur). Les couples sont appelés
"couples pulsatoires" car ils ne sont pas en phase avec le couple généré par le fondamental, ils sont
générateurs de vibrations.
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EFFETS DES HARMONIQUES SUR L'APPAREILLAGE
Les tensions et courants harmoniques superposés à l'onde fondamentale provoquent sur les récepteurs :
des effets instantanés
des effets à terme dus aux échauffements.
EFFETS INSTANTANES
Parmi les effets instantanés des tensions harmoniques, on peut noter :
La perturbation des systèmes électroniques
Dérangement des commutations des thyristors lorsque les grandeurs harmoniques
déplacent le passage à zéro de la tension
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Augmentation de la marge d'erreur sur les compteurs d'énergie à induction.
Perturbation des récepteurs de télécommande utilisés par les distributeurs d'énergie,
lorsque les tensions harmoniques sont de fréquence voisine de celle du système.
Les bruits et vibrations
Efforts électrodynamiques entraînant des vibrations et des bruits dans les appareils
électromagnétiques (transformateurs, ...).
Couples mécaniques pulsatoires, dus aux champs tournants harmoniques, donnant
des vibrations dans les machines tournantes.
Les perturbations induites
Ce sont essentiellement des effets sur les lignes à courants faibles, qui sont dus au
couplage par diaphonie inductive, lorsqu'il y a présence d'harmoniques de rang élevé.
Les différences de potentiel entre masses
La circulation de courants harmoniques dans le neutre entraîne une chute de tension
dans ce conducteur. Dans le cas du SLT TN-C, les masses des différents équipements
ne sont plus au même potentiel, ce qui peut être dangereux et est de nature à perturber
les échanges d'informations entre deux équipements "intelligents".
EFFETS A TERME
Les condensateurs
La représentation graphique de l'impédance harmonique (
) d'un condensateur
est la suivante :
Cette courbe montre que l'impédance d'une batterie de condensateurs décroît avec la
fréquence. Ceci entraîne une augmentation de l'intensité absorbée par les condensateurs
provoquant ainsi des échauffements.
Les normes CEI 871 (domaine HT-A), CEI 831 et NF C 54-104 (domaine BT) préconisent
l'utilisation de condensateurs admettant soit :
1,1 fois la tension nominale :
12 heures par jour en HT-A
8 heures par jour en BT
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1,3 fois l'intensité nominale en permanence
Ces deux contraintes ne sont pas cumulables.
La résonance parallèle
La présence de batteries de condensateurs dans l'installation fait apparaître des risques
de résonance avec les inductances de ligne et de source pour un certain rang
d'harmoniques.
Le schéma suivant représente un réseau possédant un équipement électronique de
puissance (pollueur) :
sous forme de schéma triphasé unifilaire
sous forme équivalente d'un modèle monophasé comportant un générateur de
courants harmoniques modélisant l'équipement électronique de puissance.
Ce schéma peut être représenté sous forme d'un circuit parallèle (bouchon) avec une seule
inductance équivalente à toutes les inductances du circuit.
L'impédance de ce réseau vue du TGBT est la suivante :
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A la fréquence de résonance F0 (w0), l'impédance est :
A la résonance toute l'intensité I0, de rang n de résonance générée par le circuit perturbateur,
passe dans la résistance R. Ce qui signifie pratiquement que cette intensité est absorbée par
les charges consommant de la puissance active.
Il existe alors une tension harmonique U0 de rang n.
Les courants à la fréquence de résonance dans les inductances et dans la batterie de
condensateurs sont :
Si l'on pose :
On constate que les inductances et la batterie de condensateurs sont parcourues par un
courant du rang résonnant qui est multiplié par le coefficient k. Chaque fois que ce
coefficient sera supérieur à 1 (ce qui est fréquent), la présence des condensateurs
amplifient les courants harmoniques injectés par les pollueurs de l'installation.
Ce risque sera augmenté si le réseau est peu chargé en récepteurs actifs. Dans ces
conditions la résistance équivalente R augmente entraînant une augmentation du
coefficient k. Les courants harmoniques du rang de résonance sont alors intenses dans
le réseau, et présentent un risque certain pour les condensateurs.
D'une manière générale, en connaissant la puissance de court circuit Scc aux bornes
d'une batterie de condensateurs de puissance Q, le rang de résonance n0 sera :
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Pertes dans les transformateurs et dans les machines
Les courants harmoniques vont entraîner des pertes supplémentaires dans les transformateurs et dans les
machines :
des pertes joules qui sont proportionnelles au carré de l'intensité efficace vraie, donc
intégrant les harmoniques.
des pertes fer qui se décomposent en :
des pertes par hystérésis
des pertes dues aux courants de Foucault. Ces pertes qui sont d'après la formule
suivante proportionnelles au carré de la fréquence, mettent en évidence l'importance de
la présence néfaste des harmoniques.
(d : largeur de la lame, r : résistivité du matériau).
L'ensemble de ces pertes va entraîner un déclassement des transformateurs et des
machines ayant à supporter des harmoniques. Le facteur de déclassement est :
avec h (taux individuel d'harmonique), n (rang).
Pertes dans les conducteurs
Les pertes dans les câbles traversés par des courants harmoniques sont majorées par :
l'élévation de la résistance apparente de l'âme avec la fréquence, phénomène dû à l'effet de
peau.
l'élévation des pertes diélectriques dans l'isolant avec la fréquence.
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NORMES ET REGLEMENTATIONS
DEFINITION DES NIVEAUX DE PERTURBATIONS
Les différents niveaux et différentes marges qui ont été définis sont :
niveau de susceptibilité. Il s'agit du niveau à partir duquel il y a dysfonctionnement d'un
matériel ou d'un système.
niveau d'immunité. C'est le niveau d'une perturbation supportée par un matériel ou un
système.
niveau de compatibilité. C'est le niveau maximal de perturbation auquel on peut s'attendre
dans un environnement donné.
niveau d'émission. C'est le niveau maximal d'émission de perturbation que ne doit pas
dépasser un matériel.
marge d'immunité. C'est la marge qui existe entre le niveau de compatibilité et le niveau de
limite d'immunité.
marge d'émission. C'est la marge qui existe entre le niveau de compatibilité et le niveau de
limite d'émission.
NORMALISATION
Pour assurer la coexistence entre équipements et entre consommateurs, des normes et règlements ont été
élaborés entre :
les abonnés qui génèrent la distorsion en courant
la distribution (EDF) qui développe et transmet la distorsion en tension.
Ces normes concernent à la fois les niveaux de compatibilité et les niveaux d'émission.
Niveaux de compatibilité
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Réseau ou installation
Norme
Réseau public basse tension
CEI 1000-2-2
Réseau public haute tension
Projet de norme CEI en
cours
Installations industrielles
CEI 1000-2-4
Les niveaux de compatibilité préconisés par les normes ci dessus sont :
Rang
harmonique
Taux individuel d'harmonique (%)
Réseau public
BT
HT
Installations industrielles
Matériel
Matériel
Matériel
classe 1
classe 2
Classe 3
2
2
1,5
2
2
3
3
5
2
3
5
6
4
1
1
1
1
1,5
5
6
2
3
6
8
6
0,5
0,5
0,5
0,5
1
7
5
2
3
5
7
8
0,5
0,2
0,5
0,5
1
9
1,5
1
1,5
1,5
2,5
10
0,5
0,2
0,5
0,5
1
11
3,5
1,5
3
3,5
5
12
0,2
0,2
0,2
0,2
1
13
3
1,5
3
3
4,5
Taux de
distorsion
global (%)
8
3
5
8
10
Niveaux d'émission
La solution équitable consiste à autoriser des puissances perturbatrices proportionnelles à la
puissance souscrite par chaque usager. Toutefois cette solution est difficile à mettre en oeuvre
en B.T., en particulier pour les applications domestiques. C'est pour cette raison que des
normes limitant l'émission de courant harmonique par produit ont été établies.
Actuellement (10/98), les normes d'émission qui existent, concernent uniquement
l'appareillage B.T. à usage autre qu'industriel :
CEI 1000-3-2. Cette norme s'applique à tous les matériels, autres qu'industriels,
consommant moins de 16 A.
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Rang de
l'harmonique
Courant harmonique
maximal
Rang de
l'harmonique
Harmoniques impairs
Courant harmonique
maximal
Harmoniques pairs
3
2,3 A
2
1.08 A
5
1,14 A
4
0,43 A
7
0,77 A
6
0.30 A
9
0,4 A
8 à 40
11
0,33 A
13
0,21 A
15 à 39
Pour les matériels, autres qu'industriels, consommant plus de 16 A, la norme CEI
1000-3-4.est en cours d'élaboration.
Qualité de l'électricité
La démarche d'EDF est de généraliser ses nouveaux contrats "EMERAUDE". A travers ce contrat :
EDF s'engage sur un nombre standard de coupures brèves, deux coupures pour
travaux inférieures à 4 heures, des variations de tension < ou = 5%, un niveau de
déséquilibre de tension de plus ou moins 2%
l'utilisateur s'engage sur les perturbations générées, de type à coup de tension (maxi
5%), déséquilibre (maxi 1%), flicker (selon recommandation CEI 1000-2-2), courants
harmoniques rejetés, selon tableau suivant
Rangs
Hn (%)
Pairs
Impairs
2
2
3
4
4
1
>4
0,5
5
5
7
5
9
2
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11
3
13
3
>13
2
SOLUTIONS
INDUCTANCE ANTIHARMONIQUE DE PROTECTION DES CONDENSATEURS
Son rôle est de protéger une batterie de condensateurs contre les surcharges harmoniques.
L'inductance L doit être calculée de façon à ce que la fréquence de résonance ne corresponde à aucun des
harmoniques présents dans l'installation. Cette règle permet de supprimer les risques de forts courants
harmoniques dans les condensateurs. Attention toutefois lors de l'utilisation de condensateurs à gradins à
tenir compte des fréquences de résonance selon le ou les gradins en service.
Le schéma équivalent montre que ce circuit présente :
une résonance parallèle appelée anti-résonance pour la fréquence :
une résonance série dans la branche L C, pour la fréquence
Le choix de Far dépend de l'impédance de court circuit du réseau (Lcc) et du circuit L C, alors que celui
de Fr ne dépend que de L et de C. La courbe qui suit représente la variation de l'impédance en fonction
de la fréquence, vue du jeu de barres.
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Le choix de la fréquence d'accord se situera en dessous du premier rang significatif d'harmonique présent
dans le circuit. Cette solution permet de placer la résonance en dehors du domaine de spectre des courants
harmoniques. Les fréquences typiques d'accord sont :
135 Hz (rang 2,7) si le premier rang significatif est 3
225 à 240 Hz (rang 4,5 à rang 4,8) si le premier rang est plus grand ou égal à 5.
Il conviendra de s'assurer que cette résonance ne soit pas placée sur une fréquence de télécommande du
distributeur (175 Hz et 188 Hz).
INDUCTANCE DE LISSAGE DES COURANTS
Cette self se monte en série à l'entrée d'un récepteur pollueur.
Cette solution n'élimine aucun rang, mais limite tous les rangs d'harmoniques présents. L'inductance de
ligne augmentant, la distorsion en tension aux bornes de la charge augmente également.
CONFINEMENT DES HARMONIQUES
Il s'agit de limiter la circulation des courants harmoniques à une partie aussi petite que possible de
l'installation.
Si le montage est un montage équilibré, les harmoniques de rang 3k sont en phase. En l'absence de neutre,
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ces courants ne peuvent circuler.
Si on raccorde le neutre à un tel montage, les harmoniques de rang 3k peuvent circuler dans chacune des
phases, et s'additionnent dans le neutre.
La présence dans le neutre de ces courants harmoniques de rang 3k oblige à surdimensionner ce
conducteur. Dans certains cas (éclairage fluorescent, alimentations électroniques,...) ces courants peuvent
être supérieurs au fondamental.
Pour éviter la circulation de ces courants de rang 3k sur l'ensemble du réseau, il faut effectuer un
découplage par transformateur.
Transformateur Yzn
L'utilisation d'un transformateur dont le primaire est couplé en étoile et le secondaire en zigzag permet
d'éliminer au primaire les courants de pulsation 3k.
Le courant qui circule dans le premier enroulement primaire vaut :
Avec pour les courants de pulsation 3k
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Le courant au primaire vaut donc :
Transformateur Dyn
Les harmoniques de rang 3k étant en phase, ils ne peuvent circuler sur le réseau en amont du
transformateur.
Il est également possible d'éliminer en ligne certains rangs d'harmoniques en les déphasant. Le
calcul montre que ce sont les rangs 6k±1 avec k impair qui peuvent être éliminés, c'est à dire
essentiellement les rang 5 et 7 qui sont les plus importants en amplitude. Pour cela, il faut :
que les récepteurs pollueurs aient la même puissance et utilisent la
même technologie
utiliser :
soit un transformateur Dyn11
soit un transformateur avec deux secondaires déphasés de
30°.
Exemple : utilisation d'un transformateur Dyn11
INSENSIBILISATION PAR LA STRUCTURE
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Cette solution est à faire lors de l'étude de l'installation. Elle répertorie les récepteurs afin d'éviter de
connecter un récepteur sensible aux bornes d'un récepteur pollueur.
Si on ajoute une inductance ZL naturelle ou artificielle, cela entraîne une diminution du taux de distorsion
en tension au point A.
Une distribution en étoile permet donc de découpler, par les impédances de lignes ou si cela est insuffisant
par des impédances additionnelles, les récepteurs pollueurs et les récepteurs sensibles.
Quand on est en présence d'un pollueur de forte puissance, il est souhaitable de l'alimenter séparément par
un autre transformateur HT/BT.
FILTRES PASSIFS D'HARMONIQUES
Il existe deux classes de filtres passifs permettant de réduire les harmoniques :
le shunt résonant
le filtre amorti
Le shunt 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 d'accord, et se
comporte ainsi comme un court circuit pour l'harmonique considéré.
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Selon le rang de l'harmonique à éliminer, la fréquence d'accord (Fr) sera :
Attention : cette finalité diffère totalement de celle de l'inductance antiharmonique qui n'est
pas en accord sur un des rangs d'harmoniques et dont le rôle est de protéger une batterie de
condensateurs contre les surcharges harmoniques. Toutefois les shunts résonants participent à
la compensation de l'énergie réactive d'une installation.
En principe, on trouvera autant de shunts résonants que d'harmoniques à éliminer.
Pratiquement la lourdeur de cette solution et le risque de voir apparaître des résonances avec
les autres inductances du réseau sur d'autres fréquences conduisent à limiter à deux ces types
de filtres.
Réseau équipé de shunts résonants sur les
rangs 5 et 7
L'emploi de filtres shunts résonants imposent les précautions suivantes :
S'assurer que la fréquence d'anti-résonance soit suffisamment éloignée
du rang harmonique à piéger pour ne pas amplifier la déformation de la
tension à cette fréquence.
Penser que l'existence d'harmoniques préexistants sur le réseau peut
entraîner un échauffement supplémentaire des condensateurs.
Les filtres amortis
Le montage d'un nombre élevé de shunts résonants en batterie n'étant pas économique, la
solution est de faire appel à un filtre large bande.
Le filtre amorti d'ordre deux est constitué d'un shunt résonant auquel est adjointe une
résistance d'amortissement.
La fréquence de résonance (Fr) d'un tel filtre est :
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Le filtre amorti sera étudié pour que Fr coïncide avec la première raie caractéristique du
spectre à filtrer (cette raie étant généralement la plus importante). L'impédance d'un réseau,
vue du jeu de barres, comportant un filtre amorti d'ordre deux est la suivante.
Il existe d'autres filtres amortis dérivés du filtre d'ordre deux : filtre amorti d'ordre 3, filtre
double amorti, filtre amorti type C.
LES FILTRES ACTIFS
Les systèmes précédents (filtres passifs, confinement) ne font que modifier des impédances ou font
s'opposer certains courants harmoniques. Aujourd'hui la dépollution harmonique peut être traitée par
l'utilisation de convertisseurs statiques.
Un filtre actif est un convertisseur statique qui permet d'injecter dans le réseau des harmoniques en
opposition de phase et d'amplitude, telle que l'onde résultante soit sinusoïdale. Pour cela, il génère un
courant qui est composé des seuls harmoniques (même amplitude et en opposition de phase) du courant
dans la charge.
Si le courant absorbé par un récepteur a l'allure suivante :
Le courant généré par le filtre actif sera :
Le courant en ligne qui est égal au courant absorbé par le récepteur plus le courant généré
par le filtre sera sinusoïdal :
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La structure d'un filtre actif se décompose en deux sous ensembles :
la puissance comprenant :
le filtre d'entrée
l'onduleur réversible
l'élément de stockage
la commande .
Selon la nature de l'élément de stockage, le compensateur actif sera :
à stockage capacitif
à stockage inductif
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Ce type de filtre peut être installé :
directement aux bornes du récepteur pollueur pour assurer une dépollution locale
au niveau du TGBT pour assurer une dépollution globale.
Le raccordement en parallèle d'un compensateur actif permet d'envisager la dépollution à chaque niveau
de l'arborescence d'une distribution. La seule interaction à réaliser étant l'insertion de capteurs de courant.
Le mode de compensation peut être global, semi-global ou local selon le choix du point d'insertion.
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Les principales caractéristiques des compensateurs actifs à prendre en compte sont :
une bande passante suffisante (h2 à h23), pour garantir la suppression des composantes
harmoniques majoritaires.
un temps de réponse tel que la compensation soit effective tant en régime établi, qu'en
régime transitoire.
une puissance permettant d'atteindre les objectifs de dépollution fixés. Ce qui ne signifie
pas une compensation totale des harmoniques générés.
COMPENSATION A STRUCTURE HYBRIDE
L'association de filtre(s) passif(s) avec un filtre actif constitue une combinaison fréquemment utilisée. Le
filtre passif se charge d'éliminer le rang le plus important, libérant de la puissance sur le filtre actif pour
contrer les autres rangs d'harmoniques.
PRELEVEMENT SINUSOÏDAL
Le prélèvement sinusoïdal est une technique qui permet aux convertisseurs statiques d'absorber un
courant très proche d'une sinusoïde. Il existe une certaine identité technologique entre le compensateur
actif et le prélèvement sinusoïdal. En effet :
si la consigne de commande impose de générer des courants harmoniques pour compenser
les effets d'une charge perturbatrice, il s'agit d'un compensateur actif.
si au contraire la stratégie de commande impose la circulation d'un courant réduit à son
seul fondamental, il s'agit de prélèvement sinusoïdal.
Ainsi avec une même topologie de puissance, il est possible de satisfaire les deux besoins que sont la
dépollution et la non pollution, seule la stratégie de commande diffère.
Les convertisseurs propres utilisent la technique MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) également
appelée PWM (Power Width Modulation).
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Il est possible de forcer l'évolution temporelle du courant, selon l'état du transistor :
.Si le transistor T est conducteur, le courant dans l'inductance, donc le courant en ligne,
augmente.
Lorsque le transistor est bloqué, ce courant diminue.
La forme temporelle du courant absorbé par un convertisseur propre à l'allure suivante :
Actuellement, la fréquence de découpage d'un tel convertisseur est de 20 kHz. Les harmoniques du
courant absorbé sont très atténués de par la forme de l'onde de courant proche d'une sinusoïde . Seuls
subsistent les harmoniques liés à la fréquence de hachage, donc de fréquences très élevées (> 20 kHz),
donc d'amplitudes faibles et de traitement facile et peu onéreux.
Aujourd'hui les convertisseurs triphasés propres sont rares sur le marché, car le surcoût est important.
L'évolution de la normalisation peut imposer ce type de convertisseur.
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