1 problèmes de pollution des réseaux d. bareille 2006
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Problèmes de pollution des réseaux
D. Bareille 2006
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Examen des faits
Dans la vie :• Perceuse portative• Pont redresseur à diodes, charge inductive• Aspirateur domestique • Eclairage• Micro-ordinateur
Au lycée :
Les charges "non linéaires"
En TP
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Des charges diverses…
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De l’éclairage
Au néon … À économie d’énergie…
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Courbe 1 : courant secteur (2A/div): valeur efficace 0,82 A, fondamental 0.4A quasiment en phase avec
la tension, Courant maximum 3,3A . Courbe 3 : puissance instantanée (1250W/div): valeur crête 1000w une puissance moyenne 92W Courbe 2 : tension secteur (250V/div) : sinusoïde quasi idéale.
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Un micro-ordinateur…
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Ve
Ie
Is
VsCVred
Ired
Réaliser une alimentation DC à partir du secteur• pour l’électronique de commande des appareils de classe D (micro-ordinateurs, électroménager, Hi-FI…),• pour l’étage d’entrée de la plus-part des variateurs de vitesse.
Solution technique traditionnelle
redresseur à diode + condensateur de forte capacité.
Cahier des charges
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Ve
Ie
Is
VsCVred
Ired
En TP :
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La tension de sortie est constante : la fonction est réalisée
Les courants sont « impulsionnels » : la charge est non linéaire
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Remarque : la tension du secteur est déformée
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Caractérisation d’une charge "non linéaire"
ω φ ω φI 2sin n t-nI 2sin t- 11
i + nn=2
t =
2 2 2I I I ....I1 2 n
v t = Vsin ωtAlimentée par :
Elle absorbe i(t) non sinusoïdal :
• de valeur efficace :
• de fondamental : ω φi t =I 2sin t- 11
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Caractérisation d’une charge "non linéaire"
S= V I
Ses puissances par phase
Apparente S :
Active P : 1 1P = V I cosφ
Réactive Q : 1 1Q= V I sinφ
Il existe de la puissance déformante D
2 21P Q = V I < S
2 2 2D= S P Q
2 21D= S S
La puissance déformante est liée aux harmoniques de courant
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Caractérisation d’une charge "non linéaire"
Des grandeurs de caractérisation utiles
Le facteur de déplacement : 1 2 2
PcosφP Q
Le facteur de puissance fp : pPf =S
2 2 22 22 3 n1
dh1 1
I I ....II ITI I
Le taux de distorsion
harmonique:
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Caractérisation d’une charge "non linéaire"
Le taux de distorsion harmonique ?
Il sait tout faire !
La puissance apparente S :
Le facteur de puissance fp : pPf =S
La puissance déformante D : 2 2
1D= S S
2 21
dh1
I ITI
2 2 2S= P Q D
21 dhS=S 1 T
1
pcosφ
f =21 Tdh
1 dhD S T
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Tension efficace fondamentale = 236 V Courant efficace I= 0,82 ACourant efficace fondamental = 0,4 AFacteur de déplacement = 0,956 Taux de Distorsion Harmonique = 179% Puissance moyenne = 92 WFacteur de puissance = 0,476
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Application
Courant absorbé par un PC : analyse harmonique
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Modélisation du réseau en régime sinusoïdal
v(t)
Jeu de barres
vg(t)
source
ligne
i(t)
charge linéaire
Z50 = : impédance isochrone de la ligne
50
2N
ccV
S 3Z
cc N ccS 3V IPuissance de court-circuit de la ligne :
50gV V Z I
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Modélisation du réseau
i (t) = i1(t) + i2(t) + i3(t) + ….. + in(t)
v(t)
Jeu de barres
vg(t)
source
ligne
i1(t)
Charge non linéaire
i2(t) in(t)
i(t)
gdi(t)
v t v t λdt
1 2 3 ng
di (t) di (t) di (t) di (t)v t v t λ λ λ ... λdt dt dt dt
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ApplicationCreux de tension causés par une dizaine de PC sur une phase
analyse harmonique
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Modélisation du réseauvis à vis :
50λ ω nnZ n Z
Vg
I1
I1
V1
Jeu de barres n
In
In
Vn
Jeu de barres
+
1 50 1gV V Z I
du fondamental du rang n
n nnV Z I
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n)amont
In
(In)am
Vn
aval
av
nam
amontal
ZnIZ Zn n
I
n)aval(In)av
Vkn
amont
am
nav
avalont
ZnIZ Zn n
I
Propagation des harmoniques sur le réseau
aval
nmont
na
Z Z
nam
naval
I I
Les harmoniques « remontent » vers la source
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Conséquence de la présencedes harmoniques
De tension— creux de tension— augmentation du flux
• Pertes ferromagnétiques
• Saturation
Déclassement jusqu’à 50%
De courant— courant de neutre— condensateurs
• résonnance • vieillissement
— augmentation des pertes Joule en ligne
— Perturbation des protections
— dégradation du facteur de puissance
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Conséquence réglementaire
APPAREIL DE CLASSE D : Gabarit du courant d’entrée :
EXRAITS DE LA NORME CEI61000-3-2
0.35
1
/3 2/3
I/Imax
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Comment lutter contre les harmoniques
• Filtrage passif :– techniquement simple,
– faible investissement,
– lourd si beaucoup d’ harmoniques à filtrer
• Filtrage actif :– Techniquement
complexe,
– Très coûteux en forte puissance,
– Adapté aux filtrages multiples
filtrage mixte
– passif pour les harmoniques forte puissance (basses fréquences)
– actif pour tous ceux de haute fréquence (faible énergie)
FILTRAGE
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Comment lutter contre les harmoniquesSYSTEME NON POLLUANT
Idée : contrôler la charge du condensateur
Moyen : intercaler un dispositif de découpage
hacheur parallèle, alim Flyback…
ve
ie
IS
VS
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Alimentation à absorption sinusoïdale
Ve VsC
L
Cde CFP Q
D
0 0 t
Tension réseau
Courant réseausans CFP
Courant réseauavec CFP
T2
Hacheur parallèle
iL IS
ie
Cde
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Analyse du fonctionnement
• De 0 à T • De T à TL
Q
CVSvred
iL
D CVSvred
LiL
L
reddiv Ldt
iL est croissant
L
red Sdiv V Ldt
iL est décroissant
Plusieurs modes de commande : • par fourchette de courant• au zéro de courant
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Commande par fourchette de courant
Ve
Ie
Is
VsVred
Ired
RC
T
DL
C(t)
1
0
Iref
Ired
iL
iL
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Vref = 2,5V
-
+
ZCS CSVe
Vfb
ZCS = 0 : déblocage de QCS = MLTout : blocage de Q
MC34262
Vres Ve VsC
12Veff
L
Q
D
MLT
MLI
DRV
AER1
R2
Rss
Commande au zéro de courant
iL
RS
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Conclusion
Dans les deux cas :
• il faut ajouter des condensateurs coté secteur pour éliminer lés raies de découpage : elles sont à fréquence élevée cela ne pose pas de problème,
• Le facteur de puissance est pratiquement 1,
• Le taux de distorsion harmonique est très faible (20% avec notre petit montage simple ! )
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Filtrage passif
• Circuit L,C série accordé sur l’harmonique à éliminer
10 Ln ωCn ω
2
2 1Z R Ln ω
fn Cn ω
ZfnZrésn
Zfn << Zrésn
• Un circuit par harmonique à éliminer• Peut aussi servir à compenser la puissance réactive
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Filtrage actif
• Un onduleur autonome :– spécialement conçu pour
la chasse aux harmoniques
– en parallèle sur la charge polluante
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ApplicationCourant dans une phaseet courant dans le neutre
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Accroissement des pertes Joule
Charge non linéaire absorbant un courant de valeur efficace I
Ligne de résistance R
Pertes Joule :2
jP R I
2 2 22 2 3 nj 1P R I R I I .... I
2 2 22 3 njP R I I .... I
2 2 2 21 2 3 nI I I I .... I
Accroissement relatif :2j
j1
PTdh
P
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Commande par fourchette de courant
Référence
de courantiL
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Commande par fourchette de courant
Commande de Q
iL
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Courant dans l’inductance
Raies de redressement
Raies liées
au découpage
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Courants
iL
ie
50Hz
Raies liées
au découpage
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Coté réseau…
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Coté sortie…
Tension de sortie constante VS = 21,4V
Taux d’ondulation < 10 %
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Commande au zéro de courant
ON
OFF
MOSFET Q
I inductance
I crêteinductance
I réseauIQ ID
T
ton
iL
40
Courant dans le transistor
Courant dans la diode
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Courant dans l’inductance
Raies liées au redressement
Raies liées au découpage
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Coté sortie…
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Coté réseau…
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Courants
iL
ie