PSI et TSI

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TITRE :
Qualité d'Energie et Dépollution des Réseaux Electriques
Temps de préparation : ……………..….2 h 15 minutes
Temps de présentation devant le jury : …….10 minutes
Entretien avec le jury : ……………………..10 minutes
GUIDE POUR LE CANDIDAT :
Le dossier ci-joint comporte au total : 17 pages
Guide candidat : 1 page (non numérotée)
Document principal : 14 pages
Annexes (lexique): 2 pages
Travail suggéré au candidat :
Après avoir fait un résumé du dossier à l'aide de tableaux récapitulatifs par exemple et en
faisant bien ressortir les problèmes dus aux charges non-linéaires, approfondissez le principe
du FAP en faisant appel à vos connaissances.
Si le candidat choisit une approche différente, il est prié d’en informer les membres du jury dès le
début de l’épreuve. Dans tous les cas, on veillera à justifier les résultats annoncés et à ne pas se
contenter de répéter ou de paraphraser le texte.
CONSEILS GENERAUX POUR LA PREPARATION DE L'EPREUVE:
• Lisez le dossier en entier dans un temps raisonnable.
• Réservez du temps pour préparer l'exposé devant le jury.
• Vous pouvez écrire sur le présent dossier, le surligner, le découper … mais tout sera à remettre
au jury en fin d’oral.
• En fin de préparation, rassemblez et ordonnez soigneusement TOUS les documents
(transparents, etc.) dont vous comptez vous servir pendant l’oral, ainsi que le dossier, les
transparents et les brouillons utilisés pendant la préparation. En entrant dans la salle d'oral,
vous devez être prêt à débuter votre exposé.
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1
I. INTRODUCTION SUR LA QUALITE D'ENERGIE
La Qualité d’énergie est un concept très large qui peut se définir par rapport à la
continuité de la fourniture électrique et la forme de la tension disponible. L’évaluation #!
de cette qualité consiste habituellement à caractériser les perturbations
électromagnétiques parmi lesquelles on peut citer : les creux de tension et coupures, les
harmoniques, les surtensions, les variations de la fréquence d’alimentation, etc...
Ces perturbations peuvent être groupées en quatre catégories selon qu’elles
affectent l’amplitude, la forme d’onde, la fréquence ou la symétrie de la tension. Elles $%!
peuvent aussi être classées selon quelles soient permanentes, semi-permanentes ou
aléatoires (foudre, court-circuit, manœuvre…).
Depuis quelques années, les études s’intéressent d’avantage à la qualité de
l’onde de tension. La raison principale de cet intérêt est l’évolution de la nature des
charges connectées au réseau avec notamment l’utilisation massive des systèmes $#!
d’Electronique de Puissance pour l’alimentation et le contrôle de charges électriques.
Avec leurs caractéristiques non-linéaires, les perturbations présentes sur le réseau,
notamment les harmoniques, se sont multipliées.
Poussée par une législation favorable, comme par le développement des
technologies de production primaire, la production décentralisée d’énergie à base de &%!
sources renouvelables et/ou de procédés à haut rendement s'est grandement développée
ces dernières années. Les producteurs décentralisés constituent un nouveau type de
''charge'' pour le réseau de distribution : au lieu d’absorber de l’énergie, ils l’injectent,
ouvrant la porte à la bidirectionnalité énergétique du réseau de distribution. Pourtant, le
réseau de distribution n’a pas été conçu pour ce type d’opération ; le raccordement des &#!
producteurs exige donc une révision détaillée du fonctionnement du réseau, afin de
s’assurer que la stabilité du réseau et la qualité de distribution ne soient pas dégradées.
II. PROBLEMATIQUE DES HARMONIQUES '%!
II.1 Origine et représentation
Dans les secteurs industriels et domestiques on constate donc une recrudescence
de générateurs d’harmoniques. Il s'agit des dispositifs, tels que les convertisseurs '#!

!
2
statiques, contenant des éléments de commutation ainsi que d’autres dispositifs à
caractéristique tension-courant non linéaire.
Les convertisseurs statiques sont les sources d’harmoniques les plus gênantes du
fait du nombre et de la puissance des dispositifs installés. On peut citer de manière non
exhaustive : (%!
- Les redresseurs monophasés et triphasés,
- Les gradateurs utilisés dans les entraînements de faible puissance, les
systèmes d’éclairage et de chauffage,
- Les variateurs de vitesse des moteurs électriques, constitués
principalement d'un convertisseur statique et d'une électronique de (#!
commande.
Parmi les dispositifs à caractéristique tension-courant non linéaire, on peut
distinguer, les fours à arc et à induction, les transformateurs, les machines tournantes
etc... et dans une moindre mesure, d'autres charges non linéaires, comme :
- les appareils domestiques tels que téléviseurs, lampes à décharges, #%!
lampes fluorescentes à ballast électronique.
- les alimentations à découpage informatique...
La figure 1 donne l’allure d’une onde polluée par des harmoniques de rang 5 et
de rang 7. La décomposition de cette onde permet de mettre en évidence ces ##!
harmoniques considérées comme néfastes, ainsi que la composante fondamentale. Dans
les réseaux électriques triphasés, les principales harmoniques sont de rang 5, 7, 11 et 13
(6*h ± 1).
)%!
Fig. 1 : Décomposition harmonique d’une onde polluée

!
3
II.2 Propagation et conséquences
Les tensions et courants harmoniques superposés à l’onde fondamentale
conjuguent leurs effets sur les appareils et équipements utilisés. En fonction des )#!
récepteurs rencontrés, on peut classer les effets engendrés par les harmoniques en deux
types : les effets instantanés et les effets à terme.
• Les effets quasi-instantanés :
-Les perturbations concernent principalement des dispositifs de *%!
régulation électronique. Les tensions harmoniques peuvent ainsi avoir une influence sur
les liaisons et les équipements “courants faibles”, entraînant des pertes d’exploitation.
- Par les efforts électrodynamiques proportionnels aux courants
instantanés en présence, les courants harmoniques génèrent des vibrations, des bruits
acoustiques, surtout dans les appareils électromagnétiques, entrainant dans certains cas *#!
leur destruction.
- La présence d’harmoniques sur les signaux provoque le déplacement du
passage par zéro et des modifications de la valeur de crête de l’onde.
• Les effets à terme dus aux échauffements : +%!
- Echauffement et vieillissement des condensateurs
- Echauffement dû aux pertes supplémentaires des machines, des
transformateurs et des câbles.
- Diminution de leur durée de vie par surcharge thermique.
+#!
II.3 Caractérisation et normes
• Le Taux de Distorsion Harmonique
La mesure de cette pollution est très importante car elle permet de caractériser
les installations et de s’assurer de la bonne qualité de l’énergie distribuée. Différents ,%!
critères sont définis pour mesurer les perturbations harmoniques, mais c’est le Taux de
Distorsion Harmonique ou THD (Total Harmonic Distorsion) qui est le plus utilisé :
rapport entre la valeur efficace des harmoniques et celle du fondamental seul.
,#!

!
4
oùIc1 correspond à la valeur efficace du courant fondamental et Ici aux valeurs $%%!
efficaces des différentes harmoniques du courant.
Le domaine des fréquences qui correspond à l'étude des harmoniques est
généralement compris entre 100 et 2KHz; soit de l'harmonique de rang 2 jusqu'à
l'harmonique de rang 40. Les harmoniques de fréquence plus élevée sont fortement
atténuées par l'effet de peau et par la présence des inductances de lignes. $%#!
• Le facteur de puissance
Certains travaux ont proposé qu’en présence des harmoniques, la puissance
apparente monophasée soit séparée en 3 composantes orthogonales. Son expression est
donnée alors par l'équation suivante : $$%!
P est la puissance active, Q la puissance réactive et D la puissance déformante liée aux
harmoniques. Normalement, pour un signal sinusoïdal le facteur de puissance est donné
par le rapport entre la puissance active P et la puissance apparente S. $$#!
Ainsi donc, les harmoniques affectent aussi le facteur de puissance. Ceci peut se
traduire par le diagramme de Fresnel des puissances de la figure 2. $&%!
$&#!
Fig. 2 : Diagramme de Fresnel des puissances