62837015 qualite des reseaux electriques et efficacite energetique (1)

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Toutes les marques cites dans cet ouvrage sont des marques dposes par leurs propritaires respectifs.

Dunod, Paris, 2009 ISBN 978-2-10-054618-3

PRFACE

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Lanne 2008 aura t un bon cru avec ladoption lunanimit des parlementaires de la loi Grenelle 1, fait rvlateur dune relle prise de conscience collective des enjeux du changement climatique et de la volont de la France de sengager rsolument dans la lutte contre les missions de gaz effet de serre. 2009 sera galement un bon millsime avec la probable adoption de la loi Grenelle 2 ainsi que la rcente dcision du Gouvernement de mettre en uvre la taxe carbone. Il serait lgitime dtre partiellement du par la modestie du montant de cette dernire dans sa phase de dmarrage, 17 euros la tonne de CO2, et le manque de visibilit quant sa progressive augmentation dans les annes venir ; mais tchons plutt danalyser lenseignement positif de ce nouvel outil de scalit cologique. notre sens, en ne sappliquant pas llectricit, la taxe carbone indique clairement la volont de notre pays dencourager des transferts dusage dnergie fossile vers lutilisation dune lectricit la fois efciente et faiblement carbone. Llectricit, nen pas douter, sera demain le vecteur nergtique essentiel de notre socit. Autre perspective positive de notre point de vue, la taxe carbone repositionne lindustrie, grande oublie du Grenelle, en premire ligne dans la bataille de lefcacit nergtique car cette dernire recle justement un immense gisement de transfert rapide et ais des nergies fossiles vers llectricit. En mai 2009 loccasion du colloque de lUFE (Union Franaise de llectricit), Jacques Oddou, directeur du programme Commerce et nergies renouvelables la Direction R&D dEDF, indiquait ainsi il existe un potentiel dau moins 50 TWh par an de combustibles fossiles que lon pourrait substituer par 20 TWh/an dlectricit dici 2020 dont 14 TWh ralisables facilement et rapidement sur la base de technologies existantes. Monsieur Oddou rajoutait la ralisation de cette substitution rduirait les missions de lindustrie de plus de 12 millions de tonnes de CO2 par an, sans augmenter signicativement les missions du parc lectrique . Ces solutions technologiques prouves sont bien connues et ne demandent qu tre dployes massivement : moteurs lectriques haut voire trs haut rendement, variateurs de vitesse, compensation de ractif, mcatronique, gestion intelligente des nergies par la mesure et les automatismes, etc. Pour ne prendre que lexemple des moteurs lectriques, il est stupant de noter que le parc install franais, de 12 millions dunits, ne comprend que 120 000 moteurs haut rendement ! Or la part de ces moteurs dans la consommation lectrique de lindustrie slve 70 %.V

Prface

Lcart entre les intentions et les actes reste donc encore immense et ncessitera pour tre combl une politique plus incitative encore de la part des pouvoirs publics en faveur des solutions lectriques et dautomatismes efcientes. De plus, la prescription et le dploiement massif de ces solutions ncessitent de relever un d supplmentaire, la formation grande chelle de professionnels qualis. Cest ce d que rpond le prsent ouvrage et le Gimlec flicite ses auteurs et lditeur davoir pris linitiative prmonitoire de proposer aux professionnels un livre complet, technique et richement document sur ce thme majeur de lefcacit nergtique. Le partage des connaissances en la matire est un rouage essentiel de la rvolution nergtique quentame notre XXIe sicle et toute initiative dans ce domaine doit tre salue. Antoine DE FLEURIEU Dlgu gnral du Gimlec

VI

TABLE DES MATIRES

Avant-propos 1 Une utilisation croissante de llectronique1.1 1.2 1.3 1.4 Lutilisation croissante des quipements informatiques et de llectronique de puissance La notion de charges dformantes Dmystification des harmoniques Consquence de la pollution harmonique

IX 11 3 5 8

2 Origine et caractrisation des charges dformantes2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Notion de charges linaires et non linaires Nature et liste des principaux quipements pollueurs La mesure du courant efficace et les appareils RMS Le facteur de crte Le taux dharmonique individuel et global Les harmoniques: en savoir plus

1111 15 23 26 27 28

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique3.1 3.2 3.3 3.4 Les perturbations observes sur les quipements et installations lectriques Les origines des harmoniques de tension Principaux phnomnes rencontrs Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

3131 34 36 44

4 Les enjeux de la qualit4.1 4.2 4.3 Qualit de lnergie lectrique: critres et dfinitions Textes et normes de rfrence Le contrat meraude

5555 61 66

5 Les techniques de filtrage : une solution aux perturbations harmoniques5.1 5.2 5.3 Phnomnes de rsonance Les solutions de filtrage tude de cas dun filtrage passif sur un convertisseur de traitement de surface

7171 79 86

Table des matires

5.4 5.5

Les solutions de filtrage des industriels Les solutions de lavenir

94 124

6 La mesure de la qualit6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 Spcificits de la pollution harmonique Diffrents niveaux danalyse harmonique Appareils de mesure des harmoniques et de la qualit des rseaux Mesures, analyse et interprtation Quelques considrations lies aux mesures sur site

125125 128 130 147 156

7 tablir un diagnostic danalyse de qualit rseau7.1 7.2 7.3 Lanalyse et le diagnostic harmonique Analyse harmonique sur un systme de remonte mcanique Travailler en partenariat avec un bureau dtudes

157157 161 166

8 Lefficacit nergtique au service des rseaux lectriques8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Le concept defficacit nergtique Mettre en place une dmarche defficacit nergtique au service des rseaux lectriques La mesure : une tape essentielle Un exemple de solution globale de gestion et de suivi des rseaux lectriques Des exemples dinitiatives pour la rduction des consommations dnergie lectrique

175175 177 179 179 188

Index

195

VIII

AVANT-PROPOS

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Cet ouvrage a pour objectif de proposer au lecteur une vritable dmarche de quantication, danalyse, de gestion et doptimisation des installations lectriques, dmarche qui sintgre aujourdhui dans le contexte de l efcacit nergtique . Face une forte augmentation de la facture en nergie lectrique ces dernires annes, les conomies dnergie dans ce domaine permettent damortir rapidement le surcot issu de linvestissement dun appareillage lectrique (compensation dnergie ractive, dispositif de surveillance de la consommation dlectricit ou encore utilisation dun moteur haut rendement par exemple) mais aussi dassurer la comptitivit de son entreprise. La part non ngligeable de la ligne budgtaire nergie est dautant signicative dans le cot de production dun objet ni ou encore du fonctionnement dun ensemble tertiaire. Les retours dexpriences sur les gains obtenus grce une meilleure gestion nergtique dmontrent aux industriels et aux exploitants de sites tertiaires que le retour sur investissement est relativement court (2 3 ans en moyenne). La mesure, constituant alors un lment cl de la russite de loptimisation nergtique, va permettre dobtenir une image prcise des donnes du rseau, ncessaire et indispensable pour analyser la qualit du rseau lectrique. Lobservation et lanalyse des consommations lectriques, ainsi que des perturbations ventuelles affectant linstallation, autorisera lidentication les gisements possibles dconomie dnergie sur ce rseau lectrique. Les instruments de mesure sont aujourdhui disponibles chez les fabricants pour lobtention des donnes techniques ncessaires cette analyse (pinces de puissance et dharmoniques, analyseurs dnergie et de rseaux ou encore les appareils de thermographie infrarouge. Un chantillonnage reprsentatif de ces appareils de mesure est prsent dans le contenu de cet ouvrage). Les solutions logicielles danalyse communiquent en temps rel avec les systmes dacquisition de donnes an danalyser celles-ci, nous vous en prsentons ici quelques applications possibles. Les dcisionnaires sont ainsi en possession de toutes les donnes techniques qui leur permettront de prendre la bonne dcision pour optimiser leur installation lectrique. Les gestionnaires de rseau trouveront dans cet ouvrage les mthodes mettre en place avec les outils adapts pour entrer dans la dynamique de l efcacit nergtique . Cette stratgie est la clef de vote essentielle de la russite nergtique de lentreprise du XXIe sicle (double enjeu de comptitivit industrielle et de dveloppement durable).IX

Avant-propos

m Supplments en ligne

Les supplments en ligne sont accessibles sur la page web de Dunod ddie louvrage, www.dunod.com. Ce sont des ressources essentielles pour la bonne mise en pratique de la dmarche defcacit nergtique : laccs direct aux tlchargements de guides indispensables en la matire, des liens constructeurs pour enrichir vos connaissances sur le sujet et collecter des informations complmentaires et incontournables sur les quipements de mesure. Ces supplments vous permettront daccompagner efcacement votre projet de gestion et doptimisation de la qualit de vos rseaux lectriques.m qui sadresse cet ouvrage ?

Cet ouvrage sadresse aux techniciens de lindustrie, dans le cadre de la maintenance et de lexploitation des rseaux lectriques, aux responsables de sites et aux directeurs dunit de production, mais aussi aux gestionnaires de rseaux, aux exploitants ou fournisseurs dnergie lectrique ou encore aux chargs dexploitation pour les grands comptes .m Remerciements

Nous tenons adresser tous nos remerciements lensemble des partenaires et collaborateurs pour ce projet, tant au niveau des illustrations que pour la relecture dcrits : ABB, Franaise dInstrumentation, Chauvin-Arnoux, Fluke, Flir Systems France ; Schneider Electric, LEM, Festo, le Gimlec. ric FLICE, Philippe RVILLA

X

1 UNE UTILISATION CROISSANTE DE LLECTRONIQUE

Lnergie lectrique principalement distribue sous la forme dun systme triphas sinusodal permet de fournir la puissance lectrique ncessaire aux quipements et matriels de llectrotechnique. Cest particulirement laspect sinusodal de la tension dorigine quil est ncessaire de conserver, an de lui prserver ses qualits essentielles pour la transmission de la puissance utile aux quipements terminaux. Lorsque la forme de londe de tension nest plus sinusodale, on rencontre alors des perturbations qui gnrent des dysfonctionnements et des chauffements des rcepteurs et appareillages raccords sur un mme rseau dalimentation lectrique.

1.1 Lutilisation croissante des quipements informatiques et de llectronique de puissanceLutilisation croissante des quipements informatiques et de llectronique de puissance sur les rseaux lectriques contribue la dgradation de la tension dalimentation. En effet, des rcepteurs, tels que les moteurs asynchrones et les transformateurs participent la distorsion de londe sinusodale de la tension. Mais ce ne sont pas les uniques et principaux responsables. Llectronique de puissance prsente aujourdhui au sein de nombreux matriels dlectrotechnique, ainsi que llectronique des quipements informatiques, contribuent essentiellement la prolifration de ces perturbations lectriques. Ces charges dites dformantes, ou encore appeles rcepteurs non linaires comme nous le dtaillerons dans la suite de louvrage, appellent sur le rseau lectrique des courants dforms qui en fonction de limpdance du rseau, ou lorsquils sont importants en amplitude, vont modier lallure de la tension sinusodale. Le signal dform ainsi obtenu est compos dharmoniques qui se traduisent par des pertes lectriques ou encore des dysfonctionnements sur le rseau lectrique dalimentation. De plus en plus, les perturbations lies la pollution harmonique sont prsentes dans les installations et deviennent un vritable casse-tte pour les utilisateurs et producteurs dlectricit et ceci quel que soit le secteur dactivit industriel ou tertiaire (gure 1.1).1

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.1 Lutilisation croissante des quipements informatiques et de llectronique de puissance

Figure 1.1 Convertisseur gnrateur dharmoniques sur une chane de traitement de surface.

Cet ouvrage a pour ambition de dmystier le phnomne de pollution harmonique pour les lectriciens, artisans ou industriels et les professeurs ou tudiants de la lire. Des explications simples et commentes de graphiques, associs aux exprimentations pratiques permettront dapprhender clairement les problmes lis la pollution du rseau lectrique. Les lectriciens ou les tudiants en lectrotechnique doivent aujourdhui connatre le phnomne de pollution harmonique, et savoir raliser les mesures lectriques permettant de dterminer les lments propres ces perturbations en vue de quantier le degr de pollution harmonique, dans le cadre de la qualit de lnergie lectrique, sur une installation lectrique. Actuellement, la ralit industrielle a conduit une volution de la mesure qui ne se satisfait plus seulement de la valeur efcace du signal analys, mais ncessite aussi la connaissance dautres critres caractrisant le signal dform. Le technicien doit tre en mesure de pouvoir valuer cette pollution avec les outils de mesure existants et de proposer des solutions pour limiter ces perturbations. Nous dvelopperons cet aspect plus en avant dans louvrage : un signal lectrique se qualie par sa valeur efcace, sa frquence, son allure mais aussi son facteur de crte et son taux de distorsion harmonique an de pouvoir lui attribuer un rang dans le cadre de la qualit de lnergie lectrique.

2

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.2 La notion de charges dformantes

1.2 La notion de charges dformantesLes charges dformantes, encore appeles charges non linaires, sont prsentes aujourdhui au travers de nombreux dispositifs de llectrotechnique : variateurs de vitesse (gure 1.2), redresseurs dans le domaine industriel, alimentations dcoupage dans les ordinateurs et les onduleurs de tension (gure 1.3) pour le domaine tertiaire. Lensemble de ces rcepteurs dforment les signaux lectriques du rseau, courant et tension, en produisant des courants et tensions harmoniques.u Tension dgrade O

t

RseauAutres rcepteurs 3

iO

Courant absorb

t

lectronique de commande 3

Variateur de vitesse Charge dformante

Moteur 3

Figure 1.2 Moteur asynchrone quip de son variateur de vitesse. Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Note

Il est ncessaire de prciser que lorsque les grandeurs lectriques des quipements industriels sloignent de lallure sinusodale pure, on obtient ce que lon appelle des signaux dforms (gure 1.4).

3

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.2 La notion de charges dformantes

i

TCourant absorb O t

Onduleur u

Tension dgradeO t

Figure 1.3 Onduleur de tension pour micro-ordinateur.

Figure 1.4 Exemple de signal dform issu dun gradateur.

4

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.3 Dmystification des harmoniques

1.3 Dmystification des harmoniquesLes signaux dforms engendrent une variation du signal dorigine qui se trouve alors compos : dun fondamental, dun certain nombre de sinusodes de frquences et damplitudes diffrentes appeles harmoniques. La somme de ces signaux sinusodaux de frquences et damplitudes diffrentes constitue ainsi le signal dform. Les signaux harmoniques sont des multiples de la frquence fondamentale de 50 Hz de la tension secteur (gures 1.5 A et 1.5 B).

u ou i

Fondamental

O

T

t

A

Harmonique de rang 2

u ou i

Fondamental

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

T O t

B

Harmonique de rang 3

Figure 1.5A) Signal fondamental et son harmonique de rang 2. Lharmonique de rang 2 a une frquence de 50 Hz 2 = 100 Hz. B) Signal fondamental et son harmonique de rang 3. Lharmonique de rang 3 a une frquence de 50 Hz 3 = 150 Hz.

5

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.3 Dmystification des harmoniques

On dnit le rang harmonique comme le rapport entre la frquence de lharmonique considr et la frquence fondamentale : f Harmo. rang = ------------f Fond. Dans la somme harmonique voque prcdemment, et qui correspond au courant dform appel par le rcepteur (voir exemple gure 1.6), on trouve : une sinusode fondamentale 50 Hz (sur le rseau EDF), des composantes sinusodales possdant une frquence multiple de la composante fondamentale, appeles harmoniques.i Signal dform

T O t

Figure 1.6 Lexemple prsent ici reprsente lallure du courant consomm par un ordinateur.

Remarque

On distingue les harmoniques de rangs pairs : 2, 4, 6, 8, etc. et les harmoniques de rangs impairs : 3, 5, 7, 9, etc. Les harmoniques de rangs impairs sont les plus courants dans les rseaux lectriques industriels. En effet, les harmoniques de rangs pairs sannulent en raison de la symtrie du signal. Ainsi, dans la majorit des cas, il nest donc question que dharmoniques de rangs impairs. Ainsi, une onde priodique de forme quelconque peut se dcomposer en une somme dondes sinusodales lmentaires de frquences multiples de la frquence fondamentale (gure 1.7).

On peut donc considrer, de manire simple, que la somme des harmoniques plus le fondamental constituent ainsi le signal dform (gure 1.8). Lexemple de la gure prcdente (gure 1.8) ne fait apparatre seulement que deux harmoniques : le rang 3 et le rang 5. En ralit, le signal dform est compos dun bon nombre dharmoniques.

6

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.3 Dmystification des harmoniques

Signal mesur Signal dform T O

t

Fondamental 50 Hz Fondamental

O 50 Hz

T

t

H3 150 Hz

Harmonique de rang 3 T

O 150 Hz

t

H5 250 Hz

Harmonique de rang 5 T

O Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

t

Figure 1.7 Dcomposition harmonique dun signal dform.

En pratique, on ne sintressera quaux harmoniques signicatifs jusquau rang 13 dans la majorit des cas. Les appareils de mesure peuvent aller au del : les rfrences de pinces harmoniques ou danalyseurs de rseau cits plus en avant dans notre ouvrage, nous permettrons de faire une analyse ne de la situation de linstallation vis--vis des perturbations harmoniques.7

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.4 Consquence de la pollution harmonique

Fondamental 50 Hz

O

T t

H3

Signal dform

O

T t O

T

t

H5

T O t

Figure 1.8 Un signal dform : somme de sinusodes de frquences et damplitudes multiples.

1.4 Consquence de la pollution harmoniqueLes courants harmoniques, lorsquils traversent limpdance interne des gnrateurs, donnent naissance (loi dOhm) des tensions harmoniques qui viennent sajouter, ou se dduire, des tensions fondamentales gnres par le rseau dalimentation du distributeur dnergie lectrique. De ce fait, la tension qui en rsulte nest plus sinusodale et elle a donc un impact sur tous les autres rcepteurs du rseau, avec pour consquences les manifestations suivantes : augmentation des pertes par effet Joule et effet de peau ainsi que les pertes supplmentaires pour les frquences leves, augmentation de la facturation de lnergie lectrique, dgradation du facteur de puissance de linstallation, vieillissement prmatur des quipements lectriques (exemple : cble de neutre), dysfonctionnements frquents, destruction de certains matriels (condensateurs par exemple). Cette pollution, prjudiciable pour le bon fonctionnement de tous les rcepteurs raccords sur ce rseau, est identie depuis plusieurs annes. La problmatique quelle engendre est aujourdhui, au cur des proccupations du distributeur dnergie lectrique ainsi que des industriels et utilisateurs dnergie lectrique. Jusqu prsent, les proccupations du distributeur dnergie lectrique EDF et des utilisateurs taient centres sur le relvement du facteur de puissance. Les gnes occasionnes sur le rseau de distribution lectrique ont conduit les producteurs et distributeurs dnergie lectrique prendre en compte srieusement8

1 Une utilisation croissante de llectronique

1.4 Consquence de la pollution harmonique

ces nouvelles contraintes en vue de trouver des rponses pour une meilleure qualit de rseau lectrique et de lutter contre : les effets instantans qui concernent les pertes par effet Joule, les dclenchements intempestifs de disjoncteurs (exemple : magnto thermique) et de relais, ou encore la perturbation des dispositifs de rgulation et des quipements informatiques ; les effets long terme qui gnrent des chauffements dans les condensateurs et les conducteurs, provoquent un vieillissement prmatur du matriel ou encore des chauffements dus aux pertes supplmentaires dans les machines et les transformateurs. Nous aborderons et dvelopperons cet aspect rglementaire et normatif dans le chapitre 4, Les enjeux de la qualit.

9

2 ORIGINE ET CARACTRISATION DES CHARGES DFORMANTES

2.1 Notion de charges linaires et non linaires2.1.1 Lorigine des charges dformantes

Hier, la majorit des charges utilises sur le rseau lectrique taient des charges dites linaires. Les charges linaires appellent un courant de forme identique la tension, cest--dire quasi sinusodal, comme les convecteurs lectriques ou encore les lampes incandescence (gure 2.1).i (t)

v (t) O i (t) t

Rseau

v (t)

R

Figure 2.1 Signaux relatifs une charge linaire.

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Aujourdhui, avec lapport de llectronique intgre dans de nombreux dispositifs lectriques, les charges produisent des courants dforms dont lallure nest plus sinusodale. Ces courants sont alors composs dharmoniques, multiples de la frquence du fondamental de 50 Hz (gure 2.2). Aussi, il est impratif de bien faire la distinction entre les charges linaires et les charges non linaires. Cette identication peut seffectuer : soit par reconnaissance du type de charge lorsque la technologie intgre est connue, soit par la mesure an de vrier les caractristiques du courant appel par la charge. Pour vous aider dceler les charges susceptibles dtre gnratrices dharmoniques, nous allons enrichir dexemples partir de diffrents types de charges dites non linaires ainsi que par une liste dquipements identis en tant que pollueurs.11

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.1 Notion de charges linaires et non linaires

i (t)v (t)

Rseau

v (t)

O i (t)

t

Figure 2.2 Signaux relatifs une charge non linaire.

La valeur efcace dun signal savre aujourdhui insufsante pour apprcier la dformation de ce signal. Elle nest, dans le cas dun courant, que limage des effets thermiques de celui-ci mais ne renseigne pas sur la forme du signal qui est un critre dapprciation indispensable actuellement pour une analyse prcise de la qualit de lnergie lectrique sur un rseau de distribution basse tension. On peut citer, ds prsent, quelques exemples dquipements responsables de la dformation des signaux : les convertisseurs de llectronique de puissance, les machines souder, fours arc, la gnralisation des alimentations dcoupage dans linformatique des secteurs tertiaire et industriel aussi bien que dans les appareils lectromnagers, tous les quipements comportant des dispositifs semi-conducteurs. Les quipements pollueurs sont nombreux dans le secteur industriel et rpartis sur diffrents postes dquipements lectriques (gure 2.3).

Figure 2.3 Llectronique intgre au cur dune armoire dquipement lectrique.

12

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.1 Notion de charges linaires et non linaires

2.1.2 Une application de charge dite linaire

Revenons notre charge dite linaire correspondant un type de charge connue des utilisateurs du domaine de la distribution lectrique. Cette catgorie de charge se retrouve au travers des rcepteurs classiques tels que les convecteurs lectriques, les lampes incandescence ou encore tout simplement des rcepteurs comportant des lments purement rsistifs. Mais cela peut-tre aussi une charge comprenant des lments inductifs ou capacitifs telle quun moteur lectrique. Aussi, la charge linaire, lorsquelle est soumise une tension sinusodale, absorbe un courant de mme allure. Il y a ainsi, tout instant, proportionnalit entre tension et courant (gure 2.4).Rseau lectrique

u Tension applique i Courant absorb O t R Charge linaire O t

Figure 2.4 Proportionnalit entre tension et courant pour une charge dite linaire.

La puissance absorbe correspondante ces deux grandeurs lectriques, tension et courant, est le simple produit de ces composantes pour une charge dite linaire associant de simples lments purement rsistifs. Un dphasage existe lorsque lon observe entre deux signaux sur un mme circuit, un dcalage de lun par rapport lautre dans le temps (gure 2.5). Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

V

I O t

Figure 2.5 Diffrence de phase entre tension et courant.

13

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.1 Notion de charges linaires et non linaires

La diffrence de phase constate fait alors rfrence au facteur de puissance intervenant dans le calcul de la puissance absorbe du rcepteur en plus des composantes tension et courant. P k = -S Le facteur de puissance k dun circuit est le rapport entre la puissance active et la puissance apparente. Celui-ci est toujours infrieur ou gal 1. 2 2 La puissance apparente tant calcule de la faon suivante : S = P + Q o P reprsente la puissance active et Q la puissance ractive. On parle de cosj pour des signaux purement sinusodaux. Par exemple un moteur asynchrone dune puissance de 3 kW prsente un cosj denviron 0,82. La puissance active consomme par un rcepteur linaire en rgime sinusodal est donne par les relations suivantes : P = U I cos en monophas. P = U I 3 cosj en triphas. Pour un facteur de puissance pouvant tre unitaire (dans le cas de charge purement rsistive) ou infrieure 1 (dans le cas de charge inductive telle quun moteur asynchrone), la notion de charges linaires : est donc valable pour des charges comprenant non seulement des lments rsistifs mais aussi des composants passifs tels que les inductances ou les condensateurs, conserve proportionnalit entre tension et courant.2.1.3 Une application de charge dite non linaire

La charge dite non linaire correspond un type de charge compose dlments semi-conducteurs, constituants essentiels des dispositifs de llectronique. Aussi, la charge non linaire, lorsquelle est soumise une tension sinusodale, absorbe un courant dit dform. Il y a donc plus proportionnalit entre tension et courant (gure 2.6). La notion de cosj nest plus applicable dans le cas de signaux dforms. On parle alors de facteur de puissance Fp (PF pour Power Factor dans la littrature anglaise) : Fp = P -S En dveloppant cette notion de facteur de puissance, on voit apparatre un nouveau terme D dans lexpression suivante, matrialisant la puissance dformante : P Fp = F = -----------------------------------S 2 2 2 P +Q +D14

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

Rseau lectrique

u i O Tension applique Courant absorb t O t

R

Charge non linaire

Figure 2.6 Non-linarit entre tension et courant pour une charge dformante.

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Cette puissance dformante D traduit les effets de la distorsion harmonique sur linstallation considre. La dgradation de la valeur du facteur de puissance est donc augmente, sur ce type dinstallation, comparativement une installation ne comportant que des charges linaires. Et ceci en raison de la prsence dharmoniques issus des charges non linaires. An de lever lambigut entre le cosj, dans le cas de signaux sinusodaux, et le facteur de puissance k, dans le cas de signaux dforms, les appareils de mesure de puissance et danalyse dnergie utilisent le terme DPF (Displacement Power Factor pour dplacement du facteur de puissance) pour dsigner le cosj en rgime perturb. La compensation dnergie ractive mise en uvre sur une installation ntant pas faite sur les harmoniques, cest le paramtre DPF qui est pris en compte dans les calculs. Ainsi, le DPF est gal au facteur de puissance Fp uniquement pour les signaux non dforms. En dautres termes, le DPF reprsente le cosinus du dphasage entre les fondamentales de la tension et du courant. Le DPF constitue alors la vritable reprsentation du dphasage entre les signaux U et I.

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueursLa gnration de courants harmoniques, sur les rseaux dalimentation lectrique, est due de nombreux types dquipements, dont on peut dresser une liste non exhaustive et que lon retrouve dans les matriels suivants :15

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

Types dquipements gnrant des courants harmoniques Moteurs asynchrones monophass et triphass

Dans quelles familles de matriels les trouve-t-on ? Matriel lectromnager Climatisation Outillage et machines-outils quipements industriels Micro-ordinateurs Imprimantes et priphriques dordinateurs Variateurs de vitesse pour moteurs alternatifs Ballasts lectroniques Tlviseurs Modulation dclairage des lampes Commande de four lectrique Rgulation de puissance Dmarreurs progressifs de moteurs Variation de vitesse de moteurs (pompes, convoyeurs, etc.) Fours induction lectrolyseurs Lampes fluorescence Lampes vapeur haute pression Lampes fluo compactes Fours Poste de soudure

Redresseurs monophass

Gradateur angle de phase

Redresseurs triphass base de semi-conducteurs

Appareils dclairage

Appareils arc lectrique

Les allures de courant appeles par les charges dformantes sont loignes de lallure sinusodale et peuvent prendre des formes trs diverses dont quelques-unes sont dcrites dans les exemples suivants. La plupart des quipements informatiques sont dots dune alimentation dcoupage. Grce la commutation en interne de ses composants dlectronique de puissance, lalimentation ne laisse passer le courant que de manire impulsionnelle (gure 2.7). Celui-ci est alors riche en harmoniques de rangs impairs (rangs 3, 5, 7 et 9). Cette conguration explique, nous le dtaillerons plus en avant dans louvrage, les dysfonctionnements que lon peut rencontrer dans le secteur tertiaire en raison de lutilisation massive dquipements informatiques. Les moteurs ou encore les alternateurs produisent des courants harmoniques en raison des imperfections dues aux dissymtries de leur bobinage. Les taux de distorsion mesurs sont en gnral faibles (gure 2.8).16

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

i

O

t

Figure 2.7 Alimentation dcoupage dans un micro-ordinateur.

i Ph1 Ph2 Ph3 M3 O t

Figure 2.8 Moteur asynchrone. Il est noter que plus les moteurs sont de fortes puissances, moins les harmoniques sont prsents.

Les quipements informatiques aliments via des onduleurs permettent de pallier des coupures lectriques du rseau dalimentation (gure 2.9).i

Rseau

Charge O Batteries t

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Figure 2.9 Onduleur de tension.

Le courant de sortie de londuleur est dform et produit des harmoniques de rang impair avec un fort taux de distorsion. Dans les dispositifs rcents donduleur de tension encore appels ASI (Alimentation statique ininterruptible) qui assurent le plus souvent lalimentation des quipements informatiques, les technologies internes utilises permettent de fournir la charge non linaire une tension quasi sinusodale (technique dite de MLI, Modulation de largeur dimpulsion). De ce fait, les ASI de technologie rcente au mme17

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

titre que les alternateurs, ne sont pas, ou tout du moins trs faiblement, responsables de la pollution harmonique des rseaux lectriques. La commande des moteurs vitesse variable reprsente un grand nombre dapplications industrielles. Dans ce cas, le moteur est aliment par une onde de courant damplitude et de frquence variables issues du variateur de vitesse (gure 2.10). Ces variateurs gnrent des harmoniques de rangs impairs (rangs 5, 7, 9).i

f

M3 O t

Figure 2.10 Variateur de vitesse frquence variable.

Lclairage uorescent, dot de ballast, absorbe un courant qui nest pas dallure sinusodal et gnre ainsi des courants harmoniques de rangs impairs : 3, 5, 7, 9 (gure 2.11).i L

O Starter

t

Figure 2.11 clairage fluorescent.

Les lampes vapeur haute pression prsentent une plus grande efcacit lumineuse avec un cot relativement plus lev ; elles sont aussi gnratrices de courants harmoniques. La prsence aujourdhui, de plus en plus frquente de ballasts lectroniques, conduit une mission dharmoniques plus importante. La commande de lampes halognes est ralise partir de gradateurs utilisant des thyristors an dassurer la modulation de puissance fournie la lampe. Les courants consomms produisent des harmoniques de rangs impairs : 3, 5, 7, 9 (gure 2.12).18

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

i

Lampe halogne

O

t

Figure 2.12 Variateur de lumire pour lampe halogne.

Ce montage est aussi utilis pour moduler lnergie lectrique de fours ou encore pour raliser la commande des dmarreurs de moteurs lectriques (dmarreur progressif ). Il existe deux types de commande du gradateur : commande par trains dondes et commande par angle de phase. Pour la commande par angle de phase, les semi-conducteurs (thyristors ou triacs) sont commands de telle sorte que la tension applique la charge est une tension tronque issue de la sinusode rseau. Le courant est limage de la tension et est charg dharmoniques. Le redresseur monophas ltre capacitif permet de convertir la tension alternative du rseau en une tension redresse et ltre. Ce montage produit lmission de courants harmoniques de rangs 3, 5, 7, 11 et 13 avec un fort taux de distorsion harmonique essentiellement pour les rangs 3 et 5 (gure 2.13).i

O

t

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Figure 2.13 Redresseur monophas avec filtrage.

La version triphase du redresseur diodes avec ltrage capacitif constitue bien souvent le montage dentre du variateur de vitesse pour moteur asynchrone. Les courants harmoniques gnrs par ce type de convertisseur sont riches et correspondent aux rangs 3, 5, 7, 11 et 13 (gure 2.14).

19

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

i

O

t

Figure 2.14 Redresseur triphas avec filtrage.

Le redresseur triphas thyristors est un convertisseur de llectronique de puissance trs utilis dans les applications industrielles. Il ralise la modulation de puissance de la charge (vitesse variable des moteurs courant continu ou des moteurs synchrones, lectrolyseurs, etc.) en faisant varier la tension continue applique ses bornes laide des thyristors. Ces convertisseurs constituent une source importante de pollution harmonique dans le secteur industriel. Les rangs harmoniques essentiellement prsents sont les rangs 5, 7, 11 et 13 (gure 2.15).i

O

t

Figure 2.15 Redresseur triphas thyristors.

Un rsum des principaux types de charges associes lallure des courants correspondant appels sur le rseau est fourni dans le tableau 2.1 suivant. Et ceci pour des applications de type domestiques, tertiaires et industrielles.

20

Tableau 2.1 Principaux types de charges avec les allures de courants absorbs. Courant absorb Spectre harmonique correspondant

Types de charge

Appareils concerns

Rcepteur rsistif.i 100 %

Fours industriels rsistances rgules par commande trains dondes. Lampe incandescence, convecteurs, chauffe-eau.O O 1 t 3 5 7 fondamental

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

n

clairage.i 100 % O t O

Tubes fluorescents. Lampes vapeur HP.

n 1 3 5 7

i 100 % O t O n 1 i 3 5 7

Redresseur monophas diodes avec filtrage, alimentation dcoupage.

Micro-informatique. Tlvisions. Lampes ballast lectronique.

Redresseur triphas diodes avec filtrage.

Variation de vitesse des moteurs asynchrones.O

100 % t

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

O

n 1 3 5 7

21

22Courant absorbi 100 % O t

Tableau 2.1 Principaux types de charges avec les allures de courants absorbs. (Suite) Spectre harmonique correspondant

Types de charge

Appareils concerns

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

Gradateur monophas (commande par angle de phase).

Rgulation de puissance de fours rsistances. Modulation de puissance des lampes halognes.O1 3

n 5 7

Redresseur triphas thyristors.i O t

Variation de vitesse des moteurs courant continu et des moteurs synchrones. Electrolyseurs.

100 %

O

n 1 3 5 7

Moteur asynchronei

Machines outils. Appareils lectromnagers. Ascenseurs.O

100 % t O n 1 3 5 7

2.2 Nature et liste des principaux quipements pollueurs

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.3 La mesure du courant efficace et les appareils RMS

2.3 La mesure du courant efficace et les appareils RMSAn de comprendre limportance des perturbations causes par la pollution harmonique, il est ncessaire de rappeler quen rgime alternatif, la frquence de 50 Hz, sur les rseaux dalimentation lectrique, les caractristiques des matriels, les rglages des dispositifs de protection, la dtermination par calcul des sections de conducteurs sont bass sur un courant parfaitement sinusodal. Ainsi, avec lapport des charges non linaires, le courant, nous lavons vu prcdemment, ne conserve plus un aspect purement sinusodal. Il est dform par la commutation de composants base de semi-conducteurs intrinsques la constitution du matriel qui autorise le passage du courant qu des instants donns sur une priode complte. Il va donc tre essentiel de pouvoir mesurer la valeur efcace du signal quelle que soit la forme de celui-ci dans une installation lectrique. Les appareils numriques dits RMS (Root Mean Square) ralisent la mesure efcace dun signal quelle que soit sa forme, sinusodal ou bien dform. Les appareils de mesure traditionnels thermocouple sont bass sur le principe de la mesure de la chaleur dgage par effet Joule et mesurent aussi de relles valeurs efcaces des courants ou tensions, quelle que soit la forme du signal.Attention !

Tous les appareils ne sont donc pas capables de mesurer la valeur efcace relle dun signal quelle que soit sa forme. La mesure de la valeur efcace relle est lie la bande passante ainsi qu la technologie de lappareil de mesure. Assurez-vous auprs du constructeur de lappareil de mesure de ses performances relles.m Les mesures errones dues un appareil non RMS

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Un appareil de mesure qui nest pas de technologie RMS ne pourra aucunement donner la valeur efcace exacte du courant mesur. Cet quipement, accessible bien souvent bas prix, ne se contente que de prciser la valeur efcace du fondamental ( 50 Hz) du courant, ce qui nest pas reprsentatif de limage thermique totale produit par la valeur efcace du courant dform (gure 2.16). Dans ce cas lappareil de mesure en question nest prvu que pour mesurer la valeur efcace dun courant dallure sinusodale. Comme nous lavons abord dans le chapitre prcdent, un signal dform se dcompose en une somme de signaux harmoniques associs au fondamental 50 Hz (gure 2.17). Aussi, la valeur efcace relle du courant est reprsentative de leffet Joule engendr par lensemble de ces signaux et prend en compte lensemble : fondamental + harmoniques (tableau 2.2). Les caractristiques du signal dform prsent la gure 2.17 sont reportes dans le tableau prcdent. Nous verrons dans la suite de louvrage quil est possible de mesurer la valeur efcace de chaque harmonique ainsi que du fondamental laide des appareils de mesure actuels (pinces harmoniques notamment).23

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.3 La mesure du courant efficace et les appareils RMS

Figure 2.16 La valeur relle efficace est bien largement suprieure la valeur mesure par lappareil qui nest pas de technologie RMS. Les carts peuvent tre de lordre de 50 %.Fondamental 50 Hz

O

T t

H3

Signal dform

O

T t O

T

t

H5

T O t

Figure 2.17 Somme harmonique.

24

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.3 La mesure du courant efficace et les appareils RMS

Tableau 2.2 Valeur efficace des harmoniques dun signal dform. Rang harmonique 1 (fondamental) 3 5 7 autres Valeur efficace 12 9 5 2,5 0,75 Taux de distorsion de lharmonique1 100 % 75 % 42 % 21 % 6,25 %

1. Le taux de distorsion de lharmonique est calcul par rapport au fondamental. Exemple pour lhar2,5 monique 7 : ------ = 21 % . 12

Le calcul de la valeur efcace du courant dform sobtient donc en effectuant la somme quadratique des courants. Cela revient lever au carr chaque valeur efcace du courant, additionner les valeurs obtenues et en extraire la racine carre. Rassurez-vous, les appareils de mesure effectuent cette tche automatiquement lors de la mesure ! Nous le dcouvrirons dans le chapitre 6, La mesure de la qualit. Revenons lexemple prcdent et appliquons la dmarche de calcul propose prcdemment : I = 12 + 9 + 5 + 2,5 + 0,75 = 16 A2 2 2 2 2

On notera limportance des valeurs efcaces des harmoniques devant celle du fondamental. Lharmonique de rang 3 vaut 9 ampres, le fondamental 12 ampres et le courant efcace total 16 ampres ! De manire gnrale, la valeur du courant efcace du courant est donne par la relation suivante : Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

I R.M.S. =

I fondamental + Ih 3 + Ih 5 + Ih 7 +

2

2

2

2

o Ih reprsente le courant harmonique. Les harmoniques de rang lev ne prsentent quune valeur efcace souvent ngligeable, devant le courant total, et une approximation ralise partir des premiers rangs dharmoniques suft largement pour quantier un signal et ceci dans la majorit des cas.

25

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.4 Le facteur de crte

2.4 Le facteur de crteAutre facteur dterminant pour identier un signal dform, cest le facteur de crte. Nous savons quil existe un rapport de 2 entre la valeur crte (IMAX) dune onde sinusodale et la valeur efcace de ce mme signal (gure 2.18) : I MAX ------------- = I efficacei I MAXI EFF

2 = 1,414

O

t

Figure 2.18 Signal sinusodal.

Lorsque le courant est dform, le facteur de crte atteint des valeurs suprieures 2 et traduit la non-linarit du circuit en question (gure 2.19) :i I MAX

I EFF O t

Figure 2.19 Signal dform.

Pour un mme courant efcace les formes dondes peuvent tre trs diffrentes. Le facteur de crte Fc permet de caractriser la forme du courant et dapprcier qualitativement la dformation de celui-ci : valeur crte Fc = -------------------------valeur efficace26

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.5 Le taux dharmonique individuel et global

Facteurs de crte courants : charge linaire : 2 soit 1,414 matriel informatique : 2 3 variateur de vitesse : environ 2 Absence dharmonique Prsence dharmoniques Prsence dharmoniques

2.5 Le taux dharmonique individuel et globalNous avons prcdemment fait rfrence au taux de distorsion dun harmonique, qui est le rapport entre la relle valeur efcace de lharmonique dun signal (courant ou tension) par rapport la valeur efcace du mme signal la frquence fondamentale : An t n = ----A1 Ce taux est une valeur particulire pour un harmonique donn, o An reprsente la valeur efcace de lharmonique au rang considr et A1 la valeur efcace du fondamental. Dans lexemple prcdent pour lharmonique 3 : A3 9 t n = ----- = ----- = 75 % A1 12 An davoir une reprsentation globale de la dformation dun signal, il a t ncessaire de dnir un taux de distorsion harmonique, qui lui, tient compte de lensemble des harmoniques du signal analys : le THD (Total Harmonic Distorsion). Plus le signal est dform, plus le taux de distorsion harmonique est important, ce qui signie que le niveau de richesse du signal en harmoniques est consquent. Ce taux de distorsion harmonique global est gal au rapport de la valeur efcace de lensemble des courants harmoniques par rapport la valeur du courant efcace du fondamental. On parle alors du THD-F : Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

A2 + A3 + + An THD F = ---------------------------------------------A1 avec A1 : valeur efcace du fondamental. nouveau pour lexemple prcdent :2 2 2 2 A2 + A3 + + An 9 + 5 + 2,5 + 0,75 THD F = ---------------------------------------------- = ------------------------------------------------------- = 88,5 % 12 A1 2 2 2

2

2

2

27

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.6 Les harmoniques : en savoir plus

On dnit galement le taux dharmonique par rapport la valeur efcace du signal, qui est le quotient : A2 + A3 + + An THD G = ---------------------------------------------X avec X : valeur efcace du signal.Nota2 2 2

Dans les relations prcdentes, on tient compte des harmoniques de rangs pairs et impairs. Sachant que pour un signal symtrique, par rapport laxe des temps, seuls les harmoniques de rangs impairs seront pris en compte. On prend lhypothse de ne pas avoir de composante continue dans le signal.

2.6 Les harmoniques : en savoir plusLa notion dharmonique, issue du dveloppement mathmatique en srie de Fourier, permet de dnir quantitativement et avec prcision, la dformation du signal mesur. Londe priodique est dcompose en une somme dondes sinusodales de frquences diffrentes et associe une sinusode frquence industrielle (50 Hz) appele fondamentale. La frquence de chacune dentre elles est un multiple entier de la frquence fondamentale du signal. Dautre part, le rang de lharmonique est le rapport de sa frquence celle du fondamental 50 Hz : fn n = --f1 avec fn, frquence de lharmonique et f1, frquence du fondamental. On parle ainsi de rang 3, 5, 7, etc. Le signal peut donc tre mis sous la forme : x = A 0 + n = 1 A n 2 sin ( nwt j n ) avec : Ao : amplitude de la composante continue (celle-ci est bien souvent nulle en distribution lectrique). An : amplitude de lharmonique de rang n (valeur efcace) jn : dphasage relatif au fondamental de la composante harmonique de rang n. Les harmoniques au-del du rang 25 sont gnralement ngligeables. Nous aurons loccasion de le constater au travers de lapproche pratique aborde dans louvrage.28n=

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.6 Les harmoniques : en savoir plus

Un autre moyen de traduire la notion dharmoniques, sous forme dhistogramme, permet de donner une reprsentation de limportance des harmoniques par rapport au fondamental en fonction du rang, on parle alors de spectre du signal tudi. Dans lexemple de la gure 2.20, on effectue lanalyse spectrale du signal observ en dcomposant celui-ci en ses diffrentes composantes harmoniques.Signal observ

100 %

O

t

O

n 1 3 5 7 9

Figure 2.20 Signal observ associ son analyse spectrale.

Ici, on sest attach ne reprsenter que les harmoniques de rang 3 9 qui donnent une reprsentation sufsamment raliste de la composition du signal dform. La gure 2.21 illustre le dveloppement en srie de Fourier dun signal sinusodal.

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Figure 2.21 Analyse de Fourier sur un signal sinusodal.

La dcomposition dun signal sinusodal montre la prsence unique dans le spectre ci-dessus du fondamental 50 Hz (gure 2.21). Il ny a donc pas de prsence dharmoniques pour un signal purement sinusodal.29

2 Origine et caractrisation des charges dformantes

2.6 Les harmoniques : en savoir plus

Figure 2.22 Analyse de Fourier sur un signal dform.

La dcomposition dun signal dform montre la prsence dharmoniques dans le spectre prcdent issu dune alimentation dcoupage dun quipement informatique (gure 2.22). Cette dcomposition a t rendue possible grce lutilisation de la fonction mathmatique dun logiciel dacquisition et de traitement du signal.

30

3 LES EFFETS NFASTES DE LA POLLUTION HARMONIQUE

3.1 Les perturbations observes sur les quipements et installations lectriquesComme nous lavons prcis prcdemment, la circulation des courants harmoniques va contribuer : laugmentation des pertes par effet Joule dans les conducteurs lectriques, la diminution du facteur de puissance de linstallation, au vieillissement prmatur des quipements raccords sur linstallation lectrique en diminuant leur dure de vie. On notera de ce fait, le surcot au niveau de la facturation dlectricit que peut entraner la gnration des harmoniques sur une installation lectrique du fait de la diminution du facteur de puissance de celle-ci. Dune faon gnrale, les courants harmoniques associs aux diffrentes impdances du rseau vont donner naissance, suivant la loi dOhm, des tensions harmoniques, qui vont sajouter, ou se dduire, de la tension fondamentale gnre par le rseau. La tension qui en rsulte nest plus sinusodale et de plus cette tension est commune tous les autres rcepteurs du rseau. La pollution alors prsente sur le rseau de distribution est prjudiciable pour le bon fonctionnement de tous les rcepteurs raccords sur ce mme rseau (gure 3.1). La norme xe les valeurs de tensions harmoniques ne pas dpasser pour assurer le fonctionnement correct des rcepteurs. Dans le cadre de la fourniture dlectricit, les taux de tensions harmoniques ne doivent pas dpasser les valeurs prcises dans le tableau suivant. Ces valeurs reprsentent des taux individuels calculs par rapport au fondamental 50 Hz, sachant que le taux global dharmonique en tension ne doit pas dpasser 8 % dans une installation de distribution basse tension. Les valeurs de taux dharmonique individuel sont donnes dans le tableau 3.1 suivant. Nous aurons loccasion daborder laspect normatif de manire plus dveloppe dans le chapitre 4 : Les enjeux de la distribution lectrique. Nous nous contenterons, ici, de retenir le taux global dharmonique maximal en tension admissible 8 %. Au-del de cette valeur, des dysfonctionnements se manifestent auprs des quipements prsents sur le rseau lectrique.31

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.1 Les perturbations observes sur les quipements et installations lectriques

u

O

tCourants harmoniques Tension dgrade

Z

Figure 3.1 Charge dformante gnrant des courants harmoniques sur le rseau lectrique.

Tableau 3.1 Niveau de compatibilit pour les tensions harmoniques individuelles. Rang de lharmonique 3 5 7 9 11 13 15 17 19* 21** * Concerne aussi les harmoniques de rang impair, non multiples de 3. ** Concerne aussi les harmoniques de rang impair multiples de 3. Taux en % 5 6 5 1,5 3,5 3 0,3 2 1,5 0,2

Un rcapitulatif des effets produits sur certains quipements est propos dans le tableau 3.2 suivant.

32

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.1 Les perturbations observes sur les quipements et installations lectriques

Tableau 3.2 Types de perturbations observes dans le cas de pollution harmonique sur le rseau lectrique. quipements perturbs Machines tournantes Type de perturbation chauffements supplmentaires. Couples pulsatoires entranant une perte de stabilit mcanique des moteurs. Augmentation du bruit. Pertes supplmentaires. Risques de saturation si harmoniques paires. Pertes ohmiques (notamment cble du neutre dans les rseaux triphass). Vieillissement prmatur de lisolant (d leffet Joule). Pertes dilectriques supplmentaires. Corrosion des cbles aluminium si composantes paire et continue. Effet de peau. Dysfonctionnement (couples pulsatoires des moteurs dentranement des supports magntiques). Dfauts de fonctionnement lis la forme donde (commutation, synchronisation). Interfrences. Fonctionnement et dclenchement intempestifs.

Transformateurs

Cbles

Micro-ordinateurs

lectronique industrielle

Dispositifs de communication Dispositifs de tlcommande Relais de protection Fusibles Disjoncteurs thermiques Disjoncteurs maxima Condensateurs de puissance Compteurs dnergie Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

chauffement, vieillissement Erreurs de mesure

On peut considrer que les perturbations provoques par les harmoniques se manifestent de deux faons sur les appareils et les quipements lectriques : les effets instantans, dus la dformation de londe et aux phnomnes de rsonance, concernent les dclenchements intempestifs de disjoncteurs et de relais dautomatisme, la destruction de matriels (condensateurs par exemple) ou encore la perturbation des dispositifs de rgulation ; mais cest aussi la diminution du facteur de puissance de linstallation. les effets long terme qui gnrent des chauffements dans les condensateurs et les conducteurs et provoquent un vieillissement prmatur du matriel ou33

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.2 Les origines des harmoniques de tension

encore des chauffements dus aux pertes supplmentaires dans les machines et dans les transformateurs. Les problmes rencontrs sont essentiellement de nature thermique et affectent alors la dure de vie des quipements concerns.

3.2 Les origines des harmoniques de tension lorigine, ce sont les rcepteurs non linaires qui appellent des courants dforms, sources de courants harmoniques. Les courants harmoniques circulant dans les conducteurs et les appareillages lectriques rencontrent donc des impdances propres ces composants et, suivant la loi dOhm, engendrent des tensions harmoniques. La valeur de chaque tension harmonique, pour les diffrents rangs harmoniques existants, dpendra : de lamplitude du courant harmonique lorigine, de limpdance rencontre pour le rang considr. Une tension harmonique Uh est donc rgie par la loi dOhm telle que le dcrivent la relation et la gure suivante (gure 3.2). Avec : z : impdance de la source, Z : impdance de la charge. Uh = Z ih Uh : tension harmonique, ih : courant harmonique, Zh : impdance au rang harmonique considr.ih

Rseau (U, z)

Uh

Z

Figure 3.2 La cration des tensions harmoniques.

La pollution harmonique, dans une installation lectrique, est moindre lorsque lquipement pollueur est de puissance faible par rapport la puissance disponible sur le rseau considr. Le courant dform appel par la charge, prsente dans ce cas, une amplitude faible et rencontre une impdance faible (impdances de source et de ligne). Le produit courant-impdance (loi dOhm) donne alors naissance une tension harmonique pouvant ainsi tre considre comme ngligeable et naffectant pas londe sinusodale de tension du rseau (ceci peut tre vrai pour les diffrents rangs harmoniques existants et dans les hypothses damplitude de courant et dimpdance faibles).34

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.2 Les origines des harmoniques de tension

Cest laccumulation de charges dformantes, produisant des courants harmoniques importants sur un rseau lectrique, qui conduira un niveau de pollution jug inquitant. Ceci est dautant plus vrai si les impdances prsentes par la source (transformateur, groupes lectrognes, etc.) et par les conducteurs de ligne sont leves. Il apparat que deux types de mesures interviendront pour effectuer lanalyse harmonique dune installation lectrique : la mesure des tensions harmoniques, la mesure des courants harmoniques. En effet, an de quantier une installation lectrique, en terme de pollution harmonique, cest le taux harmonique en tension qui sera relev aux bornes du secondaire du transformateur de distribution, pour valuer si la pollution est prsente ou non sur linstallation considre. Dautre part, cest la mesure des courants harmoniques qui permettra de dterminer quelle est ou quelles sont la (les) source(s) perturbatrice(s) sur un rseau lectrique. La mesure des courants harmoniques apparat donc comme la solution adapte ds lors quil sagit de dtecter et de localiser des sources dharmoniques et dtablir un diagnostic sur les nuisances ainsi cres (gure 3.3).Rseau EDF

T Uh Q1

i i1 Q2 Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

ihJeu de barres

ih

i2 Q3

i3 Q4

i4 Q5

MASMAS Chauffage Moteur 1 Moteur 2 clairage fluorescent

Figure 3.3 Lidentification des courants (ih) et des tensions harmoniques (Uh).

La mesure des harmoniques est lobjet du chapitre 6 : Savoir effectuer les mesures et les interprter.35

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

3.3 Principaux phnomnes rencontrs3.3.1 Les phnomnes de rsonance

Les phnomnes de rsonance proviennent de la prsence dlments capacitifs et inductifs sur le rseau dalimentation lectrique (impdance de ligne et de la source, capacit de relvement du facteur de puissance), gnrant ainsi des amplitudes leves sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple). Nous dcrirons des cas concrets, lis aux phnomnes de rsonance, dans la suite de ce chapitre. Lorsque les courants harmoniques ont une frquence correspondant la frquence de rsonance des circuits LC existants, il peut en rsulter une augmentation de la tension harmonique et ceci en raison de limpdance leve pour ce rang harmonique. La tension harmonique voit alors sa valeur augmenter suivant la loi dOhm, affectant ainsi la tension du rseau dalimentation lectrique. Nous voquerons le traitement de ces phnomnes de rsonance dans le chapitre 5 : Les remdes.3.3.2 Les chauffements dans les conducteurs et quipements lectriques

Les conducteurs lectriques vhiculent les courants harmoniques qui produisent par effet Joule un chauffement des conducteurs au mme titre que le courant fondamental. Malheureusement, les harmoniques ne contribuant pas au transfert de la puissance active, ils crent uniquement des pertes lectriques et participent la dgradation du facteur de puissance de linstallation. Les condensateurs sont particulirement sensibles la circulation des courants harmoniques du fait que leur impdance dcrot proportionnellement au rang lev des harmoniques en prsence dans le signal dform (gure 3.4).isA

iz ic

A'

Source

G

C

Z Charge non linaire

B Compensation de l'nergie ractive

B'

Figure 3.4 Les condensateurs sont bien souvent victimes des courants harmoniques.

La charge Z cre des courants harmoniques qui circuleront dautant plus facilement par le condensateur C que leur rang sera lev (limpdance du condensateur diminuant avec la frquence). Le condensateur subit un chauffement excessif qui risque de conduire sa destruction ou la fusion du fusible de protection gnralement plac en srie.36

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

3.3.3 Les facteurs de crtes levs

Les dclenchements intempestifs des dispositifs magntiques des disjoncteurs pouvant se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matriel informatique important, sont bien souvent dus aux problmes de pollution harmonique. En effet, les disjoncteurs assurant la protection des installations lectriques comprenant des matriels informatiques voient leur seuil de sensibilit atteint lors des pointes de courant engendres par des signaux dforms ayant des facteurs de crte importants (gure 3.5).Rseau lectrique

u

i Courant absorbO O

Tension applique

t

t

Figure 3.5 facteurs de crte levs lis aux charges dformantes.

Lexemple suivant met en vidence ce phnomne. Linstallation lectrique issue de la gure 3.5 met en uvre plusieurs postes micro-ordinateurs dont les relevs de courant sont reports droite du signal de la gure 3.6. Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

i I MAX I EFFO I RMS = I EFF = 3 A

t

I MAX = 8 AFacteur de crte : Fc =

I MAX I EFF

=

8 3

= 2,7

Figure 3.6 Courant appel par un ensemble de postes informatiques.

37

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

La valeur du facteur de crte traduit bien lallure dun signal fortement dform : 2,7 ! Lorsque la courbe de sensibilit choisie au niveau dun disjoncteur magnto-thermique est trs sensible, louverture de ce dernier risque de se produire de manire intempestive pnalisant ainsi le fonctionnement des quipements informatiques et ceci en raison de la valeur de crte leve due au signal dform. Lexemple prsent ci-aprs en est la reprsentation. Dans celui-ci, nous allons tre amens adapter la courbe de sensibilit du dispositif de protection (disjoncteur) an dviter le dclenchement intempestif du dispositif magntique du disjoncteur de protection. Cette application est frquente pour les installations quipes principalement de matriels informatiques. Rappelons avant tout, le principe des zones de fonctionnement du disjoncteur magnto-thermique au travers de la gure 3.7 et de ses commentaires associs.Temps A A : zone de fonctionnement thermique (protection contre les surcharges). : zone de fonctionnement instantan (protection contre les courts-circuits).

B

I m : courant minimal de fonctionnement. t0 I d : courant de dfaut. Lorsque le courant de dfaut I d est suprieur au courant I m , le temps de fonctionnement t 1 du disjoncteur est largement infrieur au temps prescrit t 0 .

B

t1

O

Im

Id

Courant

Figure 3.7 Les zones de fonctionnement du disjoncteur magnto-thermique.

Une installation, similaire celle voque au travers de la gure 3.5, comporte essentiellement des quipements informatiques absorbant un courant efcace nominal denviron 6 A. Celle-ci est lobjet de nombreux dclenchements intempestifs du disjoncteur protgeant le matriel informatique et met en cause la disponibilit de lnergie lectrique sur cette installation. Le facteur de crte relev sur linstallation en service, laide dune pince ampremtrique est de 3,8, traduisant ainsi la prsence dun courant dform. La valeur crte du signal courant peut donc atteindre dans ce cas environ 22,8 A ! En effet le facteur de crte se calculant de la faon suivante : I MAX Fc = ---------- = 22,8 = 3,8 --------I EFF 638

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

Le disjoncteur utilis pour assurer la protection du matriel en question est de type DPN-B-6A. La courbe de dclenchement est fournie la gure 3.8.

Figure 3.8 Zone de dclenchement du disjoncteur DPN-B-6A.

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

On constate sur la courbe prcdente que le dispositif instantan peut ragir partir dun courant avoisinant 18 A. On comprend aisment les dysfonctionnements occasionns de par cette sensibilit du disjoncteur de protection malgr un choix de calibre adapt. La solution consiste donc remplacer ce disjoncteur par un quivalent du point de vue du calibre, mais en choisissant une courbe de sensibilit moins sensible que prcdemment, cest--dire une courbe C (gure 3.9). prsent, le disjoncteur, tout en tant correctement calibr, rpond mieux aux exigences de linstallation lectrique en ne prsentant pas une sensibilit trop accrue. Le courant minimal de dclenchement du dispositif magntique, dans la zone instantane, se situe en effet partir de 30 A. Aujourdhui, les appareils de protection tels que les disjoncteurs dclencheur lectronique sont conus pour mesurer et contrler la valeur efcace relle du signal courant et sont donc recommands pour raliser la protection des installations comprenant des matriels et quipements informatiques.

39

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

Figure 3.9 Zone de dclenchement du disjoncteur DPN-C-6A.

3.3.4 Les effets dans le conducteur neutre

En rgime sinusodal, dans le cas dun systme triphas quilibr, tant du point de vue de la source que des rcepteurs eux-mmes, la somme vectorielle des courants sannule au point neutre et conduit ainsi ne pas retrouver de circulation de courant dans le conducteur neutre. La norme autorise alors un sous-dimensionnement du conducteur neutre vis--vis des phases an de raliser une conomie de cuivre. Le signal dform issu dune charge non linaire comprend plusieurs composantes harmoniques de frquences multiples. Si lon sintresse la somme des harmoniques de rang multiple de trois pour les trois phases : rang 3, rang 9, etc. on saperoit que cette somme ne donne pas lieu une annulation dun courant dans le conducteur neutre. La construction graphique, fournie la gure 3.10 permet de le vrier aisment. Les courants harmoniques de rang multiple de trois partir des trois phases vont sadditionner et donner naissance dans le conducteur neutre la circulation dun courant. Ce sont essentiellement, les harmoniques de rang 3 qui sont prdominants dans ce cas (les harmoniques de rang 9, 27, etc. sont ngligeables en gnral devant lharmonique de rang 3). La frquence du courant mesur dans le conducteur neutre est de 150 Hertz, ce qui correspond bien lharmonique de rang 3. La valeur efcace de lintensit de ce courant de neutre est tout simplement gale la somme arithmtique des trois courants harmoniques de rang 3 pour chacune des phases. Ceci est valable toujours dans le cas dun systme quilibr.40

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

Dans certains cas, on peut constater la circulation dun courant dans le conducteur neutre suprieur au courant nominal circulant dans les conducteurs de phase et une frquence diffrente de 50 Hz. Dans le cas prsent, la frquence est de 150 Hz.i1

iN i2Secondaire de la source Rcepteur

i3

i1 + i 2 + i3

i N= i1 + i 2 + i 3

Figure 3.10 Effets des harmoniques dans le conducteur neutre.m Une application issue dun parc informatique

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Un exemple de mesures ralises sur une installation lectrique permet dapprcier linuence des courants harmoniques vis--vis du conducteur neutre. Ces mesures ont t conduites sur une installation comportant un ensemble de postes informatiques rpartis uniformment sur les trois phases du rseau de distribution lectrique. Les mesures de courant effectues dans un conducteur de phase sont fournies dans le tableau 3.3 suivant et permettent dobtenir lallure du signal reprsent la gure 3.11.Tableau 3.3 Mesures effectues dans le conducteur de phase. Rang harmonique I1 I3 I5 Valeur efficace (A) 2 1,7 1,2 Taux harmonique individuel (%) 100 85 60

41

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

Tableau 3.3 Mesures effectues dans le conducteur de phase. (Suite) Rang harmonique I7 I9 I11 Valeur efficace (A) 0,62 0,18 0,2 Taux harmonique individuel (%) 31 9 10

i

O

t

Figure 3.11 Allure du courant dans un conducteur de phase.

Dautre part, les mesures effectues laide dune pince harmonique dans un conducteur de phase ont permis de prciser les critres suivants : I rms = 3 A, THD = 115 %, Fc = 2,4, I peak = 7,5 A. De mme, les mesures dans le conducteur neutre ont aussi permis de relever les valeurs suivantes : I rms = 5,7 A, f = 150 Hertz. Lallure du signal relev dans le conducteur neutre est reporte la gure 3.12. On peut constater que le courant dans le conducteur neutre est bien suprieur en amplitude au courant dans le conducteur dune phase (les donnes comparer sont en gras dans le texte prcdent). Dautre part, la mesure corrobore le calcul quil est possible de dvelopper concernant la valeur efcace du courant dans le conducteur neutre : IN = 3 I3 + 3 I9 = 3 1,7 + 3 0,18 = 5,64 A42

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.3 Principaux phnomnes rencontrs

i

O

t

Figure 3.12 Allure du courant dans le conducteur neutre.

La prsence dun signal dans le conducteur de neutre la frquence de 150 Hz justie bien limportance de lharmonique 3 dans celui-ci. Dautre part, le calcul prcdent conrme la place des harmoniques de rang multiple de trois dans le conducteur de neutre.m Une application issue dun onduleur en fonctionnement

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Lexemple suivant est tir dune affaire dexpertise sur un site industriel et concerne lalimentation de dispositifs informatiques par lintermdiaire de deux onduleurs, coupls en parallle, dune puissance unitaire de 100 kVA. Cet ensemble est aliment par le rseau partir dun transformateur HT/BT de 630 kVA et peut tre secouru par un groupe lectrogne de 400 kVA. Un ltre anti-harmonique a t install en amont de chaque onduleur an de rduire la rinjection de courants harmoniques sur le rseau. Nanmoins, les relevs effectus en aval des onduleurs font apparatre un taux de courants harmoniques trs lev et ceci en prsence de charges dformantes alimentes par ces onduleurs. La dcomposition du courant total par rang multiple de 50 Hz met en vidence la prsence des harmoniques de rang 3 et 5. Les rpercussions dans le conducteur neutre se traduisent par : un courant efcace dans ce conducteur de 10 A, un courant harmonique de rang 3 de 89 A, un courant harmonique de rang 5 de 6 A, un courant harmonique de rang 7 de 6 A, un courant harmonique de rang 9 de 34 A, un courant harmonique de rang 11 de 2 A, un courant harmonique de rang 13 de 4 A. On notera limportance des rangs multiples de trois, dune part devant les autres valeurs harmoniques, dautre part devant la valeur du fondamental de 10 A. Lallure du courant dans le neutre en rapport avec la tension est donne la gure 3.13.43

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

i (t)u (t)

O

t

Figure 3.13 Tension simple et courant dans le conducteur neutre.

Il est intressant de remarquer sur la gure 3.13, la frquence triple du courant dans le conducteur neutre 150 Hz vis--vis de la frquence de la tension dalimentation 50 Hz.

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiairesAn de mettre en vidence les effets nfastes de la pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires, nous vous proposons de dcouvrir quelques phnomnes observs au travers des cas concrets pris en exemples dans la suite de ce chapitre.3.4.1 quipements informatiques associs aux onduleurs dun ensemble tertiaire

Lalimentation lectrique des systmes informatiques dun organisme bancaire de la rgion parisienne est assure par un dispositif dalimentation de scurit constitu de trois groupes donduleurs : un onduleur unitaire de 60 kVA 50 Hz alimente une partie du systme informatique, deux onduleurs de 120 kVA 60 Hz et coupls en parallle alimentent des machines informatiques fonctionnant en rgime de 60 Hz (ces deux onduleurs sont redondants), deux onduleurs de 300 kVA 50 Hz coupls en parallle avec une cellule normal/secours automatique assurant lalimentation du reste des quipements informatiques (ces deux onduleurs sont galement redondants et trs peu chargs).44

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

Une extension des systmes informatiques sur la tranche 60 Hz est envisage par les gestionnaires de lorganisme bancaire et a donn lieu une expertise par des spcialistes de lanalyse harmonique. Laugmentation de puissance envisage pour cette installation se situe environ 30 kW et permettrait de pourvoir lalimentation lectrique de nouveaux serveurs informatiques ncessaires pour lactivit de cet organisme bancaire. Avant de se faire et pour sassurer de la faisabilit de cette opration, des mesures lectriques ont t effectues en aval des deux onduleurs de 120 kVA 60 Hz (voir gure 3.14).Rseau EDF

T

Disjoncteur gnral

Jeu de barres

Cble Onduleurs coupls Onduleurs coupls Onduleur simple

300 kVA 50 Hz

120 kVA 60 Hz

60 kVA 50 Hz

Point de mesure Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Vers quipements informatiques

Figure 3.14 Schma unifilaire de linstallation lectrique.

m Premire srie de mesures

Une tude prliminaire est ncessaire an de statuer sur la possibilit dune extension de puissance dalimentation sans pour autant compromettre le bon fonctionnement des quipements informatiques dj prsents ainsi que pour le matriel futur mettre en uvre. Les relevs obtenus sont prsents dans le tableau 3.445

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

Tableau 3.4 Relevs fournis par lanalyseur dharmoniques. Taux individuel de distorsion en courant Fondamental Har 04 60 Hz 176 A 10% 240 Hz 002 A 1, 3 % 300 Hz 057 A 32, 5 % 360 Hz 001 A 0, 7 % 420 Hz 012 A 7, 3 % 660 Hz 006 A 3, 4 % 780 Hz 003 A 1, 0 % Taux individuel de distorsion en tension simple Fondamental Har 04 60 Hz 122,7 V 10% Taux individuel de distorsion en tension compose Fondamental Har 04 60 Hz 212,5 V 10%

Har 05

Har 05

300 Hz 12,2 V 9, 4 %

Har 05

300 Hz 21,1 V 9, 2 %

Har 06

Har 06

Har 06

Har 07

Har 07

420 Hz 01,4 V 1, 4 % 660 Hz 002 V 1, 2 % 780 Hz 01,6 V 1, 0 %

Har 07

420 Hz 02,5 V 1, 7 % 660 Hz 03,5 V 1, 4 % 780 Hz 02,8 V 1, 1 %

Har 11

Har 11

Har 11

Har 13

Har 13

Har 13

En raison de la symtrie du signal dform, on constate bien videmment des valeurs relativement faibles, voire ngligeables des harmoniques de rangs pairs.Remarque

Les mesures ont t ralises partir dun analyseur dharmonique ensuite coupl une imprimante. Aujourdhui, ce type de mesures peut seffectuer laide dun quipement de mesure relativement accessible, tant au niveau de la praticit que de lacquisition en terme dinvestissement nancier. Les outils de mesures correspondants sont des pinces harmoniques portables dont on dveloppera lusage dans le chapitre 6 : Savoir effectuer les mesures et les interprter.

La dcomposition du courant total appel par les quipements informatiques en service sur le rseau fait apparatre des taux levs de courants harmoniques (tableau 3.4) notamment pour le rang 5 : 32 % ! Ces courants harmoniques sont gnrs par les machines informatiques. Les allures des signaux courant/tension mesures sont fournies grce la gure 3.15. La dcomposition en tension fait apparatre aussi des taux individuels harmoniques non ngligeables. La tension dalimentation qui en rsulte prsente alors un taux global de distorsion proche de 10 %. Sachant que le taux raisonnable, an dassurer le bon fonctionnement de lensemble des rcepteurs devra tre de 8 %. Au-del, des dysfonctionnements peuvent se produire.46

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

i (t)u (t)

O

t

Figure 3.15 Allures des signaux courant/tension en aval des onduleurs.

m Deuxime srie de mesures

Une autre srie de mesures a t ralise avec un seul onduleur en fonctionnement. Les quipements informatiques devant tre oprationnels quelle que soit la situation, il est ncessaire de vrier la qualit de lalimentation lectrique dans le cas o un seul onduleur est en service suite une panne sur lautre onduleur. Dans cette conguration, le taux global de distorsion harmonique en tension est pass de 10 16 %. Limpdance de source tant plus grande lorsquun seul onduleur est en service, les tensions harmoniques rsultantes sont augmentes en consquence, conduisant ainsi une plus forte dgradation de la tension dalimentation. Dans ces conditions extrmes de fonctionnement pour les quipements informatiques, il nest pas envisageable daugmenter la charge des onduleurs 60 Hz sans une remdiation de type ltrage, car le taux de distorsion est tension est alarmant et risquerait de porter prjudice au bon fonctionnement des matriels aliments sur ce rseau. Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

m Conclusion

Les mesures de puissance apparente laissent la possibilit dajouter 30 kW de charge sur les deux onduleurs de 60 Hz, mais lanalyse approfondie des courants harmoniques et de la qualit de tension qui en rsulte, proscrit lextension envisage. Une tude permettant de procder la mise en uvre dun ltrage harmonique des quipements pollueurs devrait pouvoir amliorer cette situation. De telle sorte satisfaire lutilisateur an de procder lextension de puissance dans des conditions ralistes en termes de qualit du rseau lectrique.47

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

Des exemples de ltrage seront passs en revue dans le chapitre concernant les remdes. Les cas prsents ici mettent laccent sur les phnomnes nfastes observs sur des sites industriels et tertiaires.3.4.2 Entreprise Michelin

Le cas suivant a fait lobjet dune diffusion crite par EDF Industrie dans le cadre dexemple de distorsion harmonique sur site industriel. Situe Jou-ls-Tours, lusine Michelin est alimente en 90 kV et consomme de faon stable 11 MW de puissance active et 4 5 Mvar de puissance ractive. Les variateurs lectroniques de vitesse y sont fortement prsents et reprsentent 40 % de la puissance totale.m Position du problme

la n des annes 1980, pour sadapter la tarication de lnergie ractive selon le respect de la tgj = 0,4, lusine Michelin rnove et renforce sa compensation en mettant en uvre des condensateurs neufs associs une rgulation varmtrique. la suite de ces modications techniques, il est observ sur le site de lusine Michelin les consquences suivantes : des destructions de condensateurs, un feu sur une batterie avec selfs de protection, des dclenchements intempestifs des condensateurs. La premire action a t le remplacement de la rgulation varmtrique par une commande chronomtrique : lamlioration est observe mais reste insufsante.m La gnration dharmonique

Nous savons prsent que le distributeur dnergie lectrique fourni ses clients des tensions sinusodales la frquence de 50 Hz que certains quipements lectroniques perturbateurs peuvent dformer. Une tension ainsi dforme est la superposition dune sinusode des frquences multiples entires de 50 Hz que lon appelle harmoniques. Lusine Michelin est quipe de nombreux moteurs courant continu pilots par de llectronique de puissance. Cette lectronique de puissance gnre principalement des courants harmoniques de rang 5 (250 Hz), 7 (350 Hz), 11 (550 Hz) et 13 (650 Hz). On rappelle ci-dessous les niveaux de compatibilit pour les tensions harmoniques (tableau 3.5) qui sont dnis dans les normes CEI 61000-2-2 et EN 50160 ainsi que dans le contrat meraude de fourniture de lnergie lectrique dlectricit de France (voir le chapitre 4 pour plus de dtails).

48

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

Tableau 3.5 Valeurs correspondant au critre harmonique. Tensions harmoniques Taux global Rang 3 Rang 5 Rang 7 Rang 11 Rang 13 Seuils admissibles en % (tension < 50 kV) 8 5 6 5 3,5 3 Seuils admissibles en % (tension > 50 kV) 3 2 2 2 1,5 1,5

m Ltude harmonique

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Ralise par lentreprise Schaud et Metz (dpartement Qualit lectricit) en 1991, ltude harmonique met en vidence leffet des variateurs lectroniques de vitesse en prsence de la rsonance de diffrents rseaux de lusine de par leurs condensateurs. En augmentant le nombre des condensateurs (cest--dire la puissance correspondante de compensation), les frquences de rsonance sont descendues autour de 250 et 350 Hz en correspondance avec les premires frquences dmission de la vitesse lectronique variable. Telle que nous lavions voqu prcdemment dans ce chapitre, limpdance rsultante lie aux phnomnes de rsonance sest vue augmente pour les rangs 5 et 7 (250 et 350 Hz). La consquence en a t : des taux de distorsion harmonique en tension anormalement levs, en particulier sur les deux machines dextrusion : 12 % pour un critre de compatibilit normalis 8 % (voir tableau 3.5 prcdent). des surcharges excessives en courants harmoniques dans les condensateurs. Ltude harmonique ralise montre que la compensation de 2,9 Mvar sur le rseau 3 kV de lusine Michelin est trs dfavorable du fait de sa rsonance 250 Hz. En effet, les condensateurs placs sur le 3 kV, associs aux transformateurs 15 kV/ 3 kV, forment une rsonance et absorbent les courants harmoniques du niveau 15 kV. Linstallation de ltres absorbant les courants harmoniques de rang 5 sur les quipements polluants permettrait dinstaller des condensateurs non protgs par des selfs jusqu 2,1 Mvar en 15 kV et 2,9 Mvar en 3 kV. Lajout de batteries de condensateurs sur le rseau 15 kV fait crotre les tensions harmoniques pour les rangs 5 et 7. Aussi, les recommandations de ltude harmonique sont les suivantes : La compensation dnergie ractive au niveau 3 kV doit tre limite 2,9 Mvar pour viter damplier les harmoniques du rseau 15 kV.49

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

Les courants harmoniques des deux machines dextrusion doivent tre ltrs la source en basse tension. Le ltre pourrait avoir une puissance de lordre de 300 kvar et tre accord au rang 5 (principal rang harmonique gnant sur le rseau moyenne tension de lusine).m La solution prconise

Lvolution souhaitable vers une solution de compensation, limite en condensateur et complte par un ltrage anti-harmonique sur certains rseaux, ne pourra se raliser que progressivement (le chapitre 5 dveloppe les notions de ltrage de ce type). La premire tape concerne donc les deux machines dextrusion.m La mise en uvre de la solution envisage

Lentreprise Michelin cone en 1994 ltude la socit Gec-Alsthom. Cette tude consiste la ralisation et la mise en service des deux ltres anti-harmoniques de 166 kvar accords sur le rang 5 dans les TGBT (400 V) des deux machines dextrusion. Un ltre anti-harmonique accord 250 Hz a t install sur chacune de ces machines. Lobjectif de ce ltre est de compenser la source les courants harmoniques des variateurs lectroniques de vitesse des procds pour obtenir : un taux de distorsion harmonique en tension acceptable sur ces postes, une nette rduction de la rinjection vers lamont de linstallation, un complment de compensation de lnergie ractive. Les deux ensembles de ltrage de rang 5 installs ont permis de ramener la distorsion harmonique aux niveaux suivants. Ces quipements sont prsents dans la photo de la gure 3.16. 5,5 % et 3,7 % sur les rseaux basses tensions, taux prsent bien infrieurs au critre, 2,5 % sur le rseau 15 kV, taux amlior et nettement infrieur au critre, 0,7 % sur le 90 kV, non inuenc par les ltres. Le relev des taux globaux dharmonique obtenus par la mesure est fourni dans le tableau 3.6 suivant.Tableau 3.6 Taux global dharmonique obtenu. Mesures du taux global en tension TGBT boudineuse TGBT plastifieur Rseau 15 kV Rseau 90 kV Sans filtrage (%) 10,1 7,3 3,7 0,7 Avec filtrage (%) 5,5 3,7 2,5 0,5 Critre de compatibilit (%) 8 8 8 3

50

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

En consquence, un ltrage supplmentaire sur le rang 7 ne prsente pas dintrt pour rduire les tensions harmoniques qui sont maintenant satisfaisantes.

Figure 3.16 Photo des selfs du filtre anti-harmonique.

3.4.3 Le stade du Mans Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Lexemple du stade Lon-Bolle au Mans est un cas loquent de perturbations harmoniques, reprsentatif des effets instantans lis la rsonance. Ce cas a t lobjet dune analyse effectue par le groupe Qualit de la tension de la direction des tudes et recherche dEDF suite la demande de lagence Entreprise du Mans concernant un problme de perturbations harmoniques sur le dispositif dclairage du stade de football de la ville. Lexemple prsent ici fait tat seulement de la problmatique lie aux perturbations harmoniques. La direction des tudes et recherche dEDF a ralis ensuite une modlisation en rgime harmonique de linstallation conduisant dterminer le type de solutions prconises mettre en uvre. Cette partie est dveloppe plus en dtail dans louvrage au travers du chapitre 7.51

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

Cette tude aussi fait lobjet dune publication dans le numro de septembre 1995 de la revue de lclairage LUX.m Caractristiques lectriques et mesures effectues sur site

Au cours dun match de football, le disjoncteur protgeant le transformateur dalimentation coupe le circuit lectrique du stade. Le stade est plong dans lobscurit. Il nest pas possible de renclencher le disjoncteur car la sonde de temprature du transformateur reste en dfaut. Une premire expertise montre quune surintensit est lorigine de la coupure. Cette surintensit est principalement provoque par des courants harmoniques. En effet, il est relev un taux de distorsion harmonique suprieur 65 % sur le courant et suprieur 8 % sur la tension. Lalimentation lectrique du stade est ralise partir dun transformateur triphas HTA/BT (20 kV/400 V) prsentant une puissance de 400 kVA et une tension de court-circuit de 4 %. Le circuit lectrique se divise en deux branches principales : clairage du stade et annexes (clairages des locaux, alimentation des friteuses). Lclairage du terrain de football est assur par 76 projecteurs de 2 kW monts sur 4 pylnes rpartis sur le primtre du stade. Chaque projecteur de type Mazda Aquila branch entre phases (400 V) comprend : une lampe aux halognures mtalliques MHN-TD de 2 kW, un amorceur parallle, un ballast, deux condensateurs de compensation de 30 micro-Farad chacun branchs en parallle sur le rseau. La puissance active absorbe par un projecteur est de 2,1 kW (100 W de pertes ballast). La puissance totale absorbe par les 76 projecteurs est donc gale 160 kW. Sans perturbation, le courant par phase devrait tre de 250 A. Les premires expertises sur le site ont rvl une surintensit puisque les courants en ligne atteignent, pour une tension moyenne de 389 V les valeurs suivantes : I1 = 294,4 A I2 = 279 A I3 = 257,6 A Soit Imoyen = 277 A La puissance active mesure est de 140 kW, la puissance apparente de 187 kVA (les 76 projecteurs sont en service). Le faible facteur de puissance (0,75) nest pas d un mauvais cosj (0,90), mais la distorsion des courants (gure 3.17). La dgradation de la tension alors obtenue est fournie la gure 3.18. Une mesure de courants harmoniques en laboratoire des projecteurs montre que ceux-ci sont conformes la norme IEC 555-2 et donc ne sont pas en cause pour expliquer la surintensit enregistre.52

3 Les effets nfastes de la pollution harmonique

3.4 Cas concrets de pollution harmonique sur des sites industriels et tertiaires

i

O

t

Figure 3.17 Allure du courant dans une phase.

u

O

t

Figure 3.18 Allure de la tension entre phases.

Cependant, les tensions et les courants harmoniques mesurs au niveau du poste de livraison en fonction de la charge : 1, 2, 3 ou 4 pylnes mis en service font apparatre une frquence de rsonance proche de 250 Hz (harmonique de rang 5) entre la self du transformateur dalimentation du stade et les capacits de compensation des projecteurs : entre 31 et 66,5 % de taux harmonique en courant par rapport au fondamental pour le rang 5, entre 4 et 8 % de taux harmonique en tension par rapport au fondamental pour le rang 5. Le taux global de distorsion (THD) atteint 67 % sur le courant pour une charge capacitive de 76 60 micro-Farad rpartie sur les trois phases. Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

m Cause et remde

Aussi, il savre que les courants harmoniques ont t responsables de lincident survenu sur le stade du Mans. Ces courants harmoniques taient dus lapparition dune frquence de rsonance proche de 250 Hz entre le transformateur alimentant le stade et les ca