ect176_flicker ou scilliments des sources lumineuses

n° 176flicker ouscintillement dessourceslumineuses

René Wierda

Diplômé en 1989 ingénieur GénieÉlectrique et Conduite de Réseaux àl'université technique de Delft auxPays-Bas (Technische UniversiteitDelft, afdeling Elektrotechniek), ilentre chez Merlin Gerin en 1989 dansle service Études de Réseaux(Direction des RecherchesGénérales).

Pendant plusieurs années il estspécialement chargé des études deréseaux d'alimentation de four à arc.Il conçoit, en collaboration avec ledépartement de Réalisation etEnsemble de Schneider Electric, desdispositifs de filtrage HT pourplusieurs installations industrielles.

Dans ce cadre il a été amené àapprofondir la connaissance desperturbations apportées par lesprocessus industriels de grandepuissance.

CT 176 édition décembre 1995

Cahier Technique Merlin Gerin n° 176 / p.2


flicker ou scintillement des sourceslumineuses

sommaire

1. définition du flicker p. 42. les fluctuations de tension à description des fluctuations de p. 5l'origine du flicker tension à l'origine du flicker

autres origines du flicker p. 6les perturbateurs p. 6

3. inconvénients du flicker, sensibilité des sources lumineuses p. 74. définition théorique de la gêne, dose de flicker, définition de p. 8quantification et mesure du flicker la gêne, mesure du flicker

la courbe de «Fonction de p. 9Probabilité Cumulée» -FPC-les paramètres Pst et Plt p. 10le flickermètre p. 10le ∆V10 p. 11autres grandeurs de mesure p. 11

5. limites niveaux de compatibilité p. 12de Pst, Pltlimites individuelles de Pst, Plt p. 12limites de ∆V10 p. 13

6. détermination du flicker méthode qualitative p. 14méthode utilisant la p. 14«courbe référence Pst = 1»méthode analytique p. 14méthode pour les fours à arc p. 14méthode pour les soudeuses p. 15

7. remèdes choix du mode d'éclairage p. 16onduleur p. 16modification du perturbateur p. 16adjonction d’un volant d’inertie p. 16convertisseur tournant p. 16modification du réseau p. 16la capacité-série p. 16la réactance série p. 16la réactance shunt saturée p. 17la réactance de découplage p. 17le compensateur synchrone p. 17le convertisseur de phase p. 18le compensateur statique (SVC) p. 18synthèse p. 19

8. conclusion p. 19annexe 1 : étude du flicker sur l'alimentation d'une soudeuse p. 20annexe 2 : étude du flicker sur l’alimentation d’un four p. 22annexe 3 : bibliographie p. 24

Le flicker correspond à des variationslumineuses ; il résulte de faiblesfluctuations de tension provoquées parle fonctionnement de charges variablesimportantes : fours à arc, soudeuses,moteurs...Il provoque une fatigue physique etpsychique pour les usagers del’éclairage raccordés à proximité de lacharge perturbatrice.

Ce Cahier Technique :c présente ce phénomène particulierauquel se trouvent parfois confrontésles concepteurs ou exploitants deréseaux,c définit les grandeurs qui permettentde le mesurer et les limites à ne pasdépasser,c présente les solutions pratiquées, leplus souvent sur les réseaux HTA etHTB, pour réduire les fluctuations detension et donc le flicker. En cela ilcomplète le Cahier Technique n°169«La conception des réseaux industrielsen HT».

dans une installation


Le flicker ou papillotement de lumière(de l'anglais : to flicker = scintiller,papilloter) est défini comme«impression subjective de fluctuationde la luminance» (cf. CEI 555-1). C'estun phénomène de gêne physiologiquevisuelle ressenti par les utilisateurs delampes alimentées par une sourcecommune à l'éclairage et à une chargeperturbatrice.

La gêne correspondant au scintillementse manifeste sur les lampes BT. Parcontre, les charges perturbatricespeuvent se trouver connectées à toutniveau de tension.

1. définition du flicker

Les fluctuations brusques de la tensiondu réseau sont à l'origine de cephénomène. Dans cette définition duflicker ne rentrent que les fluctuations :

c d’amplitude < 10 %,

c de période < 1 heure.

Le flicker résulte surtout desfluctuations rapides de faible amplitudede la tension d'alimentationprovoquées :

1- soit par la variation fluctuante depuissance appelée par diversrécepteurs : fours à arc, soudeuses,moteurs, etc,

2- soit par la mise sous et hors tensionde charges importantes : démarragemoteurs, manœuvre de batteries decondensateurs en gradins, etc.

Surtout étudié pour les lampes àincandescence, le flicker est plus oumoins important selon le type de sourcelumineuse. Il peut avoir des causesautres que les variations de tension.

Depuis 50 ans le flicker a fait l’objet denombreuses publications. C’est unphénomène maintenant bien défini(norme CEI 868), analysé, mesurable,pour lequel il existe des éléments deprévision et des remèdes.


2. les fluctuations de tension à l'origine du flicker

Dans tous les pays industriels, lesdistributeurs d'énergie, comme lesexploitants d'installation électrique,doivent respecter des tolérances devariations d'amplitude et de fréquencesur leurs réseaux, sinon le bonfonctionnement des équipements n'estplus garanti. Ainsi, en France, la normeEN 50160 fixe cette tolérance :

c à ± 10 % cette tolérance pour lestensions nominales BT (BasseTension : Un < 1000 V),

c de + 6 % à - 10 % spécifiquementpour les tensions BT 230/400 V, entre1996 et 2003, (harmonisationinternationale),

c à ± 1 % de la fréquence nominale(50 Hz).

Mais différentes sortes de variations detension existent telles les fluctuations(variations cycliques), les creux detension, les coupures, lessurtensions, … (cf. fig. 1).

Le Cahier Technique n°141 en fait uneprésentation détaillée.

Dans les paragraphes suivants, sontprésentés les deux principaux types defluctuation de tension provoquant duflicker puis un rappel de la relationentre fluctuation de tension etpuissance appelée.

Deux autres causes de flicker et lesdifférents types de perturbateurs sontabordés à la fin de ce chapitre.

description desfluctuations de tension àl'origine du flickerLes variations de tensionpériodiques et rapidesCes variations périodiques ouerratiques permanentes ont unedécomposition spectrale dans unebande de 0,5 Hz à 25 Hz.Elles sont dues à des charges (ouensemble de charges) dont l'utilisationse caractérise par une variationpermanente d'appel de puissance(ex : fours à arc, machines à souder, …)

variation de tension (∆U), ici au nombre de sept,durée de la varation de tension,intervalle entre deux varations.

u

t

11 1

2 3 3

123

111

fig. 1 : définitions liées aux variations de tension (selon la CEI 555-3).

Les variations de tension parà-coupsIl s'agit ici des à-coups de tension seproduisant de façon systématique ouerratique (intervalles entre à-coupssupérieurs à quelques secondes).

Ces variations sont dues à des misesen service de charges importantes(ex : démarrage moteur, manœuvre debatterie de compensation, …).

Explication mathématique del'origine du flickerLes sources de ces fluctuations sontles équipements électriques dont lefonctionnement nécessite d'importantesvariations cycliques de courant qui,parcourant l'impédance du réseau(R, X), provoquent les variations detension ∆U (cf. fig. 2).

On définit :U = tension nominale du réseau (defonctionnement)E = tension à vide du réseau∆U = chute de tension (= E - U)P = puissance active de la charge sousla tension nominale U

Mréseau

E U

R, X P, Q

E

UR.I

X.I

ϕI

fig. 2 : les variations de tension à l'origine duflicker sont dues aux variations du courant Iparcourant l'impédance du réseau (R, X).

Q = puissance réactive de la chargesous la tension nominale Ucos ϕ = facteur de puissance de lachargeI = courant nominal de la chargeScc = puissance de court circuit duréseau amontR = résistance totale du réseau amontX = réactance totale du réseau amont


Si on considère que l'angle entre E et Uest faible :∆U = E - U ≈ R.I.cos ϕ + X.I.sin ϕOn peut écrire :P = U.I.cos ϕ et Q = U.I.sin ϕce qui donne:

∆U =R.P + X.Q

Uet en valeur relative :∆U

=R.P + X.Q

U2URemarques :1- en HT, la résistance R estnégligeable vis à vis de l'impédance X,l'équation se transforme en :∆U X.Q

U2UQ

Scc≈ =

c'est la variation de la puissanceréactive Q qui est prépondérante et doitdonc être contrôlée ;2- en BT, R n'est pas négligeable : ilfaut alors agir sur les puissances activeet réactive, P et Q.

autres origines de flickerDysfonctionnement du systèmed'éclairage,Une fluctuation du flux lumineux peutégalement être due à un mauvaisfonctionnement du système d'éclairage.C'est la première hypothèse à vérifieren cas de problème !Par exemple : Les lampesfluorescentes comportent un ballast.

c les tubes avec ballastferromagnétique traditionnel, outre leclignotement observé en fin de vie,peuvent générer du flicker lorsqu'ilssont associés à un gradateur. En effet,l'ionisation du gaz devient incertaine

Machines à charges fluctuantesLes moteurs puissants, ou groupes demoteurs, à démarrages et arrêtsfréquents, ou à charge variable, (telsceux des laminoirs), ainsi que lesmachines à couple résistant alternatif(compresseurs), peuvent produire duflicker.

Régulateurs de puissance àthyristorsPour échapper aux inconvénients de la«commande de phase» (harmoniqueset parasites HF), les régulateurs àthyristors (parfois appelés gradateurs)fonctionnent en «commandesyncopée» chaque fois que leur chargele permet.Les thyristors à commande syncopéesont allumés pendant des périodesentières (régulation par train d’ondesentières), mais les temps de conductionsont très brefs, répétés à desfréquences de quelques Hz. Ils sontdonc générateurs de flicker.Par exemple, pour éviter cephénomène dans le domaine duchauffage électrique, les normesimposent aux constructeurs dessystèmes de régulation tels que lapuissance ne soit pas commutée plusd'une fois toutes les vingt secondes.

Les machines à souderLes soudeuses à arc de puissancerelativement faible sont peu gênantes(sauf utilisation intensive chez unabonné BT). Par contre les cyclesrépétitifs des soudeuses par résistance,à des fréquences comprises entre0,1 et 1 Hz , sont à l’origine deperturbations sous la forme d’à-coupsde tension.

lorsque la commande de phase amputeune partie de la sinusoïde.

c les tubes avec ballast électroniquesont généralement insensibles auxvariations de leur tensiond'alimentation. Il existe des ballastspouvant utiliser des gradateurs àcommande de phase, dans ce cas despapillotements ont pu être observés enprésence d'harmoniques ou decourants porteurs (détection incertainedu passage à zéro de la tension).

Flicker provoqué par lesinfraharmoniques et lesinterharmoniquesIl a été démontré et constaté que danscertaines conditions, la présenced'interharmoniques dans la tensiond'alimentation est aussi une source deflicker [1]. En particulier, les lampes àincandescence sont sensibles dans labande de fréquence comprise entre20 Hz et 80 Hz, alors que lesfluorescentes le sont pour desfréquences supérieures à 100 Hz. Leslampes à ballast inductif semblent plussensibles à ce phénomène que cellesavec ballast capacitif.

les perturbateursLe four à arcLe four à arc est le principal générateurde flicker. Les fluctuations de tension,que son fonctionnement normal faitnaître, sont d’autant plus ressentiesque la puissance des fours est élevée,en particulier par rapport à la puissancede court-circuit du réseau : elle sechiffre couramment en dizaines deMVA.


3. inconvénients du flicker,sensibilité des sources lumineuses

Les fluctuations de tension n'ontgénéralement pas d'influence sur lebon fonctionnement des appareilsconnectés, la variation étant inférieureaux limites contractuelles de variationde tension d'alimentation (cf. chapitreprécédent). Par contre, ces fluctuationspeuvent, pour différents typesd'éclairage, affecter le flux lumineux. Letableau de la figure 3 regroupe les

principales caractéristiques desdifférentes sources lumineuses et leurscomportements selon la tension.

En résumé il est possible d'écrire quetoutes les sources lumineuses sontsensibles aux variations de tension, etdans l'ordre décroissant de sensibilité :

c les lampes à vapeur de mercure oude sodium, mais elles éclairent deslieux où le papillotement est peu gênant

(espaces extérieurs, monuments,routes, etc.) ;c les lampes à incandescence ;c les lampes fluorescentes.Les récepteurs de télévision ainsi queles écrans des systèmes informatiquesont une certaine sensibilité au flicker,elle est très variable suivant lesappareils, aucune étude précise n’a étéfaite à ce sujet.

sources lumineuses fluorescence incandescence vapeur de sodium vapeur de sodium vapeur de mercureà basse pression à haute pression à haute pression

type de lampes rectiligne, circulaire, standard, avec différents culots ballon fluorescent,monoculot, compact fantaisie halogène lumière mixteminiature ou de BT ou TBT à iodures métalliquessubstitution avec différents culots

puissance de 4 à 65 de 5 à 2 000 de 18 à 180 de 35 à 1 000 de 35 à 3 500électrique (W)efficacité lumineuse de 35 à 104 de 8 à 25 de 100 à 200 de 37 à 150 de 11 à 120lm.W-1

comportement à la le plein flux lumineux le plein flux lumineux un délai de 5 à 10 un délai de 5 à 7 un délai de 1 à 4mise sous tension est obtenu lors de est immédiat. minutes est minutes est minutes est

l'amorçage. La surintensité peut nécessaire après la nécessaire après la nécessaire après laUn courant de atteindre 14 In mise sous tension, mise sous tension, mise sous tension,préchauffage de pour obtenir le plein pour obtenir le plein pour obtenir le pleinquelques secondes flux lumineux. flux lumineux. flux lumineux.peut atteindre 2 In Il n'y a pas de La surintensité peut La surintensité peut

surintensité notable. atteindre 1,2 à 1,3 In. atteindre 1,5 à 1,7 In.comportement n’est perturbée que particulièrement très sensible, puisque idem à vapeur de idem à vapeur devis à vis des par des fluctuations sensible aux faibles son inertie thermique sodium à basse sodium à bassefluctuations de 2 à 3 fois plus fortes variations de tension est celle du plasma pression pressionla tension (par rapport à répétées en raison de la décharged'alimentation l'incandescence) de la faible constante lumineuse.

en raison de la thermique desrémanence lumineuse filamentsdu dépôt fluorescent (10 à 200 ms).

fig. 3 : principales caractéristiques et comportement aux variations de tension des différentes sources lumineuses.


4. définition théorique de la gêne,quantification et mesure du flicker

La quantification et la mesure duphénomène du flicker se révèlent assezcomplexes, car ils font intervenir enmême temps des facteurs techniques,physiologiques et psychologiques.Comment quantifier et mesurer lasensation de gêne éprouvée parl'homme ? Plusieurs étudesapprofondies sur l’analyse et laquantification du flicker ont été menéesdans divers pays [2].

Dans ce chapitre sont présentées dansl'ordre chronologique les différentesétapes qui ont permis au flicker d'êtremaintenant un phénomène bien défini,quantifié et mesurable :

c analyse expérimentale de la gêneéprouvée par l'homme subissant unflicker dû à des fluctuations de tension,

c quantification du flicker et définitiond'unités de mesure : flicker instantané,dose de flicker,

c réalisation d'un appareil de mesure :le flickermètre,

c élaboration d'une analyse statistiquede mesure,

c introduction de deux paramètresdéfinissant la gêne du flicker Pst (courtterme) et Plt (long terme).

Ces grandeurs sont celles qui sontactuellement utilisées.Un autre paramètre d'analyse, le ∆V10,est habituellement utilisé au Japon etdans certains autres pays.

dose de flicker, définitionde la gêne, mesure duflickerLa «Dose de flicker», premierparamètre de quantification de flicker,utilisé en France, a été établie à partird'expérimentations :

c la sensation de gêne est fonction ducarré de l'amplitude de la fluctuation dela tension et de la durée de celle-ci.

c la sensibilité de l’observateur moyenaux fluctuations d’éclairement estmaximale autour de 10 Hz (8,8 Hz).

∆U% U

1 2 3 6 10 20 30 2 3 6 10 20 30 2 3 6 10 20 nombre devariations

zône de perception

1

0,5

2

3

4

5

6

par heure par minute par seconde

fig. 4 : seuil de sensibilité de l’œil aux variations d’éclairement des lampes à incandescencerésultant des fluctuations de tension.

a t a t a t gii

i f ii

8 8 8 82 2 2

, ,( ) ( ) ( ).= =∑ ∑Le paramètre a8,8(t) est une fonction dutemps, il est appelée : flickerinstantané .

c il a été observé que pour unefluctuation de tension, fréquence,amplitude et durée déterminées, lamême sensation de gêne étaitéprouvée pour une fluctuation detension de même fréquence,d'amplitude double, mais de duréequatre fois plus courte.

Ces résultats permettent de définir unparamètre de quantification de la gêne-G- perçue sur une périoded'observation T donnée (normalementune minute) selon l'équation :

G a t dtt

t T

= 8 82

0

0

, ( ) .+

∫

c le seuil minimal de perception pourcette fréquence 8,8 Hz (= 0,25 %) et leseuil minimal de gêne (= 0,5 %)(cf. fig. 4).

c deux principes ont été retenus :v la gêne perçue pour une fluctuationde la tension à une fréquence f (autreque 8,8 Hz) avec une amplitude af, estégale à la gêne perçue pour unefluctuation de la tension à 8,8 Hz avecune amplitude équivalente a8,8 = gf.af.Le coefficient (gf) ne dépend que de lafréquence de cette fluctuation detension initiale (gf i 1 ; g8,8 = 1).Toute fluctuation de tension peut doncêtre exprimée en fluctuation de tensionéquivalente à 8,8 Hz.v une superposition de plusieursfluctuations de tension à fréquences fiet amplitudes ai différentes, équivaut àune fluctuation d'amplitude a8,8équivalente à 8,8 Hz et donnée par :


Il est appelé Dose de flicker ets'exprime en %2.mn (pour cent carréminute).La Dose de flicker donne uneévaluation de la quantité de gênependant une durée donnée. Ceparamètre est très fluctuant pour unecharge perturbatrice avec un cycle defonctionnement plus long que lapériode d'intégration. Il exprime mal lagêne totale perçue. Dans le souci depouvoir analyser aussi bien desfluctuations de tension périodiques queles à-coups de tension, une méthoded'analyse statistique a été développée.

Nota :1- La définition de la Dose de flicker estbasée sur les expérimentationseffectuées avec une lampe àincandescence de 60 W, 50 Hz, 220 V.2- En France, l’utilisation de la Dose deflicker n’est plus d’actualité. D’autresgrandeurs (Pst-Plt) sont maintenantemployées pour exprimer la sévérité duflicker.

La sévérité était appréciée parcomparaison entre la Dose de flickermesurée et la courbe limite de Dose deflicker [2].

la courbe de «Fonction deProbabilité Cumulée» -FPC-Cette courbe est établie à partir desvaleurs de flicker instantané, soita8,8

2(t), qui peut aussi être considérécomme la valeur «différentielleinstantanée de la Dose de flicker».Le flicker instantané a8,8

2(t), fonctiondu temps, est échantillonné. Cesmesures échantillonnées sontgroupées dans des classes selon leurvaleur (cf. fig. 5).Cela permet de tracer la fonction dedensité de probabilité et la «Fonction deProbabilité Cumulée» -FPC- (cf. fig. 6).Dans l'exemple, pour simplifier le tracé,le nombre de classes a été limité à 10.Sur cette courbe, 5 valeurs sont lues :P0,1, P1, P3, P10 et P50. Elles exprimentles niveaux de flicker instantanédépassés pendant respectivement0,1 %, 1 %, 3 %, 10 %, et 50 % de lapériode d'observation, qui estnormalement 10 mn. Les valeurs P1 àP50 sont des valeurs lissées(cf. CEI 868-0).

fig. 5 : représentation schématique d'un échantillonnage du flicker instantané montrant leniveau de flicker en fonction du temps pour un nombre de classes limité à dix (selon CEI 868).

classes0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

50

100

FPC (%)

fig. 6 : courbe de la Fonction de Probabilité Cumulée de la présence du signal dans une desclasses dont le nombre a été, ici, limité à dix (selon CEI 868).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

A/D

fréquence de balayage

flicker instantané(classes)


∆U/U (%)

taux de répétition

fréquencehertz1010,1

1 10 102 103 mn-10,10

1

2

3

les paramètres Pst et PltL'évaluation finale de la sévérité duflicker selon la CEI 868 s'exprime pardeux paramètres : le Pst (short time) etle Plt (long time).Pst et Plt sont les «unités de mesure»du flicker ; grandeurs sans dimensionphysique, ils sont ici dénommés«paramètres».

Alors que le Pst est déterminé à partird'un algorithme multipoints utilisant les5 points P0,1, P1, P3, P10 et P50 lus surla FPC, le Plt est calculé à partir deplusieurs valeurs de Pst.Ainsi, le Pst est calculé sur une périodede 10 mn et le Plt à partir de 12 valeursde Pst sur une période de 2 heures [5],[6], [7]. Ils tiennent compte desdifférentes formes de FPC.Cette méthode de quantification duflicker a l'avantage d'être «universelle» :indépendante du type de fluctuation(périodique, à-coups, sinusoïdal ouautre forme, etc.) et donc indépendantedu type de perturbateur.Ces paramètres sont calculés etstockés pendant toute la durée desmesures.Par exemple, pour un calcul du Pst sur10 mn et de deux heures pour le Plt :après une période de mesures d'unejournée, 144 valeurs de Plt sontdisponibles.

Définition Pst :Le Pst est défini par l'équation :Pst = [K0,1. P0,1 + K1.P1 + K3.P3

+ K10.P10 + K50.P50]1/2

avec :Pn = niveaux sur la courbe FPC ayantune probabilité de n % d'être dépassée,Kn = coefficients de pondération donnéspar la norme et qui permettent à lacourbe limite de la CEI (cf. fig. 7) decorrespondre à un Pst = constante = 1(la courbe CEI a été établieexpérimentalement bien avant ladéfinition du Pst). Le Pst représenteainsi la courbe CEI .La sévérité d'un flicker de courte duréePst, définie par la norme CEI 868-0 estainsi exprimée par l’équation :Pst = [0,0314.P0,1 + 0,0525.P1

+ 0,0657.P3 + 0,28.P10 + 0,08.P50]1/2

avec :P0,1 = niveau dépassé pendant seulement0,1 % de la période d’observation,P1 = niveau dépassé pendantseulement 1 %…

Définition Plt :La sévérité d'un flicker de longue duréePlt est déduit du Pst par la formule :

Plt

Pst

N

ii

N

=

3

13 =

∑

où Psti (i = 1, 2, 3,…) sont les valeursconsécutives de sévérité de Pstobtenues.

La Plt doit être déduite des valeurs Pstsur une durée appropriée liée au cyclede fonctionnement de la charge, ou surune période pendant laquelle unobservateur peut être sensible auflicker, par exemple quelques heures(normalement 2 heures).L'ordre de grandeur de la limitetolérable est : Plt = 0,74.

Le paramètre Pst global, dû à différentspollueurs raccordés à un même réseau,et évalué en un point donné, estcalculé selon la règle de sommationsuivante :

Pst Pstim

im= ( )∑

Habituellement m = 3, mais d'autrevaleurs peuvent être utilisées.

le flickermètreLes fluctuations de tension telles quedécrites ci-dessus sont analysablesavec un appareil de mesure : leflickermètre de l'UIE (UnionInternationale d'Electrothermie).La norme CEI 868 décrit lesspécifications fonctionnelles de cetappareil (cf. fig. 8) qui sont :

c adaptation de la tension d'entrée(bloc 1),

c simulation de la réponse lampe-oeil-cerveau ou calcul du flicker instantané(tension en sortie bloc 4)

c calcul de la Dose de flicker (sortie 4)

c optionnellement l'évaluationstatistique du niveau de flicker ; calculde FPC, Pst et Plt (bloc 5).

Un premier flickermètre numériqueentièrement statique a été réalisé en1971 par P. Duveau à l’EDF [8].Les flickermètres actuels génèrent ungrand nombre de paramètres différentsde mesures ou d'analyse : valeur

fig. 7 : courbe limite de gêne du flicker donnant l'amplitude des fluctuations de tension enfonction de leur fréquence de répétition pour une sévérité de flicker Pst = 1 (selon CEI 868). Anoter que la fréquence correspond à deux fluctuations.


1 2 6

adaptateurd' entrée

+générateurd'un signalde contrôle

démodulateurquadratique

bloc 1 bloc 2

filtres depondération

bloc 3

élévateur au carré

+filtrepasse-bas(lissage)

bloc 4convertisseur

analogique/numérique+

programmateur despériodes d'observation

+interfaces de sortie

bloc 5

3

4

5

transformateurd'éntrée

sorties n°

tension efficace dechaque alternance

niveau defluctuation

sélection desgammes

intégration sur uneminute (dose de flicker) enregistrement

présentation desdonnées (Pst, Plt) enregistrement

dispositif de simulation de la perception humaine signal image de la gêne(flicker instantané)

fig. 8 : diagramme fonctionnel du flickermètre UIE (selon CEI 868).

efficace du signal, sensation de flickerinstantanée, dose de flicker parminutes, FPC, analyse statistique,calculs de valeurs Pst et Plt, etc(cf. fig. 9).

le ∆V10Le paramètre ∆V10 est basé surl'utilisation des lampes à

incandescence alimentées en 110 V. Ilest beaucoup utilisé dans les pays del'Extrême Orient, notamment au Japon.

Le ∆V10 est la valeur de l'amplituded'une fluctuation de tension équivalenteà fréquence 10 Hz, qui produit la mêmesensation de gêne que la fluctuationréelle. Elle est exprimée en % de latension nominale.

fig. 9 : exemple d'analyse de flicker avec flickermètre.

durée de mesure : une semaine

période d'analyse : une journéecaractéristiques disponibles après mesures avec un flickermètre :période grandeur expression symboliqueinstantanée flicker instantané a8,8(t)

toutes les minutes Dose de flicker (en %2.mn/mn) G a t dtt

t

= 8 82

0

0 1

, ( ) .+

∫tous les 10 minutes paramètre court terme Pst

toutes les 2 heures paramètre long terme Plt

chaque jour valeur max journalière de Pst Pstmax

3ième grande valeur max. journalière de Pst Pst3max

valeur max. journalière de Plt Pltmax

autres paramètres statistiques calculés

fin de semaine valeur maxi des 7 Pltmax journalières

(Pltmax = plus grande valeur de Plt mesurée)

valeur maxi des 7 Pst3max journalières

(Pst3max = troisième plus grande valeur de Pst)

autres paramètres statistiques calculés

Pour une fluctuation de tensionidentique, le flicker produit par leslampes alimentées en 110 V estlégèrement inférieur à celui produit parles lampes comparables alimentées en220 V. En effet une lampe de mêmepuissance a besoin d'un courant plusélevé, donc de filaments plus gros d'oùune inertie thermique plus forte contredes variations [7] (voir l'exemple enannexe 2).Le rapport : ∆V10 / Pst est environ 1/3.Ce rapport dépend fortement des typesde perturbateur et des hypothèses decalcul. Pour le flicker dû à des fours àarc à courant continu ce rapport varieentre 1/3,3 et 1/4,4 [9] .

autres grandeurs demesureDepuis une dixaine d'années la CEI afait de grands efforts pour standardiserla mesure et l'évaluation du flickerrésultant avec les paramètres Pst etPlt ; mais il existe d'autres paramètresde flicker que ceux mentionnésci-dessus. Soit parce qu'ils sont issusde réglementations spécifiques (parexemple aux Etats-Unis), soit parcequ'ils ont été utilisés autrefois (parexemple le «FGH-meter» enAllemagne, ou le «Gauge point» enGrande Bretagne, ou la «Dose deflicker» en France).


5. limites

Chaque distributeur d'énergieélectrique veille sur la qualité del'électricité qu'il fournit. Comme pourchaque type de perturbation, il vaexiger des limites à la perturbationapportée par chacun de ses clients afind'assurer un bon fonctionnement detout son réseau. Les textes 1000-3-3,1000-3-5 de la CEI vont fixer les limitesconcernant le flicker ; la normeEN 50160 du CENELEC et laCEI 1000-2-2 fixent des limites decompatibilité.

niveaux de compatibilité dePst, PltLa qualité de l'électricité vis à vis duflicker s'exprime selon les deuxgrandeurs : Pst et Plt.Un niveau de compatibilité, ou limitetolérable théorique, est donné pourchacun de ces paramètres et pour lestrois niveaux de tension BT, HTA etHTB (cf. fig. 10) [11]. Ces valeursexpriment les niveaux à ne pasdépasser sur un réseau pour éviter unflicker gênant.

Remarques:1- Ces valeurs ne sont pas les limitesacceptables de flicker d'un seulperturbateur ou d'une seule usine.2- Ces valeurs sont des niveaux decompatibilité théorique. Elles sontdestinées à servir comme valeurs deréférence en cas de gêne éprouvée etdans un but de planification, mais un

fig. 10 : limites acceptables et niveaux decompatibilité théorique de Pst et Plt pourdifférents niveaux de tension… selonpublication de l’UIE [11].

que les seuils de compatibilité ne soientpas dépassés lorsque tous lesperturbateurs raccordés au réseau sonten service. Pour cela le distributeurfixe, pour chaque installationperturbatrice connectée au réseau, desniveaux de fluctuation de tensioncorrespondant à un flicker acceptable.Les caractéristiques alors prises encompte sont :

c la puissance du perturbateur,

c la puissance de court-circuit au pointde raccordement,

c la présence d'autres perturbateurs,

c le nombre d'utilisateurs qui peuventêtre gênés,

c un fonctionnement temporaire oupermanent de la source de fluctuations,

c l'évolution future du réseau.

Une pratique simple peut êtred'accepter un niveau de gêne apportépar chaque perturbateur proportionnelà la puissance souscrite dans le contratde livraison entre le distributeur etl'industriel. Pourtant, afin d'éviter deslimites trop sévères aux petitsutilisateurs, des niveaux d'émissionindividuels acceptables, pour toutniveau de tension, ont été définis(cf. fig. 11) [11].

Le distributeur prend alors soin que lasommation des perturbations apportéespar chaque client, ne dépasse pas lesseuils de compatibilité. Les seuilsindividuels doivent être respectés afind'éviter des plaintes.Pourtant il est souvent accepté que leseuil de Pst soit occasionnellementdépassé.

fig. 11 : niveaux d'émission de flickerindividuels acceptables, valables en HTB,HTA, BT.

distributeur peut toujours imposerd'autres limites à ses clients.En BT, ces valeurs de limitesacceptables ont une significationphysique. Elles sont basées sur dessensations de gêne réelle : Pst = 1correspond au seuil de gêne éprouvéepar un observateur moyen. La limitepour la sévérité longue durée Plt estlogiquement plus basse, pour prendreen compte l'effet cumulatif de la gêne.En HTA et HTB par contre, les valeurslimites de compatibilité n'ont pas designification directe. Aucun éclairagen'est connecté à ces niveaux detension et une sensation de gêne nepeut donc pas être eprouvée. Cesseuils doivent être compatibles avecceux de la BT.

En théorie , il est considéré que lerapport de transmission du taux deflicker d'un niveau supérieur de tensionvers un niveau inférieur est égal à 1.Tout flicker présent sur HTA ou HTB seretransmet au niveau BT.

En pratique , le flicker est souventatténué par l'effet stabilisant de latension dû aux moteurs et générateursconnectés à tous les niveaux detension en aval du réseau HTconsidéré. Le facteur d'atténuationvarie entre 0,5 et 0,8, selon lapuissance des moteurs et desgénérateurs installés.Suite à cette atténuation de flicker untaux de Pst > 1 en HTA est parfoisaccepté (exemple rencontré :Pst = 1,25).La norme européennes EN 50160n'indique que des limites de Plt. Elle estmoins sévère que le tableau ci-contreet impose aux distributeurs de fournir,sous conditions de fonctionnementnormales de leur réseau (Un < 35 kV),une tension avec un Plt < 1 pendant95 % de la semaine.

limites individuelles dePst, PltQuand un industriel demande deconnecter une charge perturbatrice surle réseau, le distributeur veille au fait

limites niveaux deacceptables compatibilité pourde flicker plannificationBT HTA HTB

Pst 1,00 1,00 0,79Plt 0,74 0,74 0,58

niveaux individuels acceptablesPst 0,35Plt 0,25


Si des limites de Pst et Plt sontimposées, des contrôles sontnécessaires. Il faut alors définir unedurée de mesures et si les valeurslimites peuvent occasionnellement êtredépassées, en définir les critères. Laméthode suivante de diagnosticapprofondi est proposée par le CIGREet le CIRED :

c durée des mesures : 1 semaine,

c valeur de Pst : calculée toutes les10 mn,

c valeur de Plt : calculée toutes les2 heures,

c la valeur critère pour Pst est la plusgrande des 7 valeurs journalières duPst3max (Pst3max = troisième plusgrande valeur de Pst ),

c la valeur critère pour Plt est la plusgrande des 7 valeurs journalières

Pltmax (Pltmax = plus grande valeur dePlt mesurée).

limites de ∆V10La valeur efficace du ∆V10, mesuréesur 1 minute est définie comme ∆V10s(short time = court durée), avec leslimites suivantes :

c seuil de perception :∆V10s = 0,32 %

c seuil de gêne :∆V10s = 0,45 %( = 1 p.u. ∆V10 )

La quatrième plus grande valeur de∆V10s est à comparer avec la limitecourt terme exigée.La moyenne des résultats d'une heureest à comparer avec la limite longterme exigée [7].


alimentationdes circuitsd'éclairage

Xn

Xf

réseaud'alimentation

PCC (PointCommun deCouplage)

four

Xn = réactance de court circuit amont duréseau d'alimentation,

Xf = ensemble des réactances de toute laliaison électrique du PCC au four (letransformateur abaisseur, les câbles deconnexions HT, l'éventuelle réactance série,le transformateur du four et toutes lesconnexions BT du four).

fig.12 : schéma électrique équivalent del'alimentation électrique d'un four à arc.

6. détermination du flicker dans uneinstallation

Avant d’installer un appareil générateurde fluctuations de tension sur unréseau, il faut connaître le taux deflicker qu'il apporte au réseau. Ce tauxde flicker dépend à la fois descaractéristiques de l'appareil et decelles du réseau auquel il est connecté.La prédétermination du flicker se faitpar une analyse théorique du réseau etdu perturbateur, elle permet d'estimerle taux de flicker.Ce chapitre présente quelques règleset méthodes pratiques pour évaluer leniveau de flicker émis par un appareilperturbateur. Pour le flicker l'analyse sefait au Point Commun de Couplage(PCC), ou point de l'installationcommun au perturbateur et àl'éclairage. Pour les perturbateurspuissants, c'est souvent le point deconnexion du réseau usine avec celuidu distributeur.

méthode qualitativeLa première et la plus simpleprédétermination de flicker se fait enanalysant le rapport entre la puissancede la charge perturbatrice et lapuissance de court-circuit du réseau.

c en règle générale, le flicker neprovoque pas de gêne si la puissanceapparente de l'ensemble des chargesperturbatrices est inférieure à 1 % de lapuissance de court-circuit du réseau aupoint commun de couplage.

c entre 1 et 2 %, il y a une zoned’incertitude où la gêne admissibledépend beaucoup du type de charge,du voisinage avec les réseauxd’éclairage, etc.

c au-dessus de 2 % des dispositionsdoivent être prises pour réduire leflicker au niveau admissible.

Dans la zone d’incertitude etau-dessus, il est nécessaire deconnaître le taux de flicker de la chargeà installer afin d'évaluer la nécessité deréduction du flicker. Plusieursméthodes approchées ont étéproposées, elles reposaient surtout surl’extrapolation de mesures de flickerrelevées sur des matériels semblablesou sur une méthode analytique qui

calcule le paramètre Pst d'uneinstallation à partir des caractéristiquesde la variation de tension.

méthode utilisant la«courbe référence Pst = 1»Cette méthode est basée sur leprincipe que le niveau de flicker estproportionnel à l'amplitude de lavariation de tension. La courbe limitede sévérité du flicker de la CEI 868(cf. fig. 7) donne l'amplitude limite de lafluctuation de la tension en fonction dela fréquence de cette fluctuation. Cettecourbe correspond donc à Pst = 1.

Exemple :Un perturbateur crée un échelon detension avec une amplitude de 0,9 %avec une fréquence de répétition de10 fois par minute. L'échelon detension maximal qui donne une gênede flicker acceptable, lu sur la courbede référence, est ∆ULim = 1,35 %.La fluctuation de ∆U = 0,9 % donne unniveau de flicker de :Pst = 1 x (0,9/1,35) = 0,67Pour mieux comprendre la démarchepratique, un exemple est donné enannexe : installation d’une soudeuse.

méthode analytiqueCette méthode [11] peut être utiliséeglobalement pour des perturbationsrépétitives. Elle introduit surtout uncoefficient dépendant de la forme de lavariation de tension. Le Pst peut êtreestimé par la formule :Pst = 0,365.∆.F.r 0,31.Ravec :∆ = variation relative de la tension en %(cf. fig. 1),r = taux de répétition de la variation detension (en mn-1)R = coefficient dépendant du taux derépétition (R ≈ 1 pour r i 1000 et chutebrutalement pour r > 1000)F = facteur d'équivalence, dépendantde la forme de la fluctuation de tension(F ≈ 1 pour les fluctuations brusques :échelons, créneaux, et 0,9 < F < 1 pourfluctuations douces : sinusoïdales,rampes…)

Exemple :Avec les données de l'exempleprécédent (∆ = 0,9 % ; r = 10 /mn ;R ≈ 1,05 ; F ≈ 0,98) :Pst = 0,365 x 0,9 x 0,98 x 100,31 x 1,05Pst = 0,69.

méthode pour les fours à arcDeux méthodes d'estimation du flickersont proposées :c la première est basée sur la «Dosede flicker» anciennement utilisée enFrance [3] [4] [12].c la deuxième méthode calcule lavaleur de Pst.

Dose de flicker :La Dose de flicker créée par un four àarc à courant alternatif (schémaélectrique équivalent donné par lafigure 12) est donnée par l'équation :

GXn

Xn Xft= k2. .

+

2


avec :Xn = la réactance de court-circuitamont du réseau d'alimentation, vue duPoint Commun de Couplage (PCC),Xf = toute la réactance de court-circuitaval vue du PCC jusqu'au four encourt-circuit, les électrodes du fourétant immergées,k = coefficient expérimental (déterminéà partir d'une cinquantained'installations : k = 11,25).t = durée de l’observation ; par exemple1 mn.La limite maximale de la Dose de flickerestimée comme habituellementadmissible est :G = 0,09 (%)2 mn/mn .D'où la règle : le risque deperturbations gênantes dues à un fourà arc à courant alternatif est estimécomme quasi nulc si la réactance de court-circuit duréseau Xn et la réactance de court-circuit du four Xf, sont dans un rapporttel que Xf / Xn > 36 ,c ou si la puissance de court-circuit(Scc = U2 / X) du réseau (Sccn) et lapuissance de court circuit du four (Sccf)sont dans un rapport tel queSccn / Sccf > 36 .

Rappel : En HT, les résistances sontnégligeables vis à vis des réactances.

Méthode actuelleUne estimation de la valeur de Pst,pour un four à arc à courant alternatif,peut être faite à l'aide de la formuleexpérimentale [6] :

PstR

CSVC

HT BT= Kst.SccfSccn

. . /1

avec :Kst = coefficient expérimental (comprisentre 48 et 85, d'une valeurmoyenne = 60, et d'une valeurconseillée = 75) ;Sccf = puissance de court-circuit dufour, électrodes dans le bain ;Sccn = puissance de court-circuit sur leréseau au niveau du PCC ;RSVC = facteur de réduction apportéepar une installation de compensationstatique ;CHT/BT = coefficient d'atténuation pourla transmission du flicker de la HT versla BT (entre 0,5 et 1).

Le niveau de flicker généré par un fourà arc à courant continu estapproximativement la moitié de celleémise par un four comparable àcourant alternatif [6].Une étude de détermination et deréduction du flicker est développée enannexe.

méthode pour lessoudeusesSoudeuse à résistanceLes caractéristiques des à-coups detension produits par ces machinespeuvent être calculées à partir demesures ou de relevésperturbographiques. Les couplesamplitude-fréquence ainsi obtenus sontà comparer à la courbe de référenceapprouvée par la CEI (cf. fig. 7) ou àtraiter avec la méthode analytiqueexposée précédemment.

Le niveau de perturbation considérécomme acceptable est fixé à :∆U i 5 % pour une fréquence,r i 8,7 à-coups / heure(soit r i 0,15 / mn).Les chutes de tension approximativespeuvent être calculées à l'aide desformules suivantes [12].

c machines triphasées :∆U/Un = (Smax / U2) . (R.cos ϕ+ X.sin ϕ)

c machines biphasées :∆U/Un = (Smax / U2) . [R.cos (ϕ ± 30°)+ X.sin (ϕ ± 30°)]c machines monophasées :∆U/Un = (3.Smax / U2) . (R.cos ϕ +X.sin ϕ)

avec :∆U = chute de tension au point deraccordement PCC,Un = tension nominale,Smax = puissance maximale desoudage,R + jX = impédance du réseau au pointde raccordement,cos ϕ = facteur de puissance de lasoudeuse.Voir exemple traité en annexe.

Soudeuse à arcLes à-coups de ces soudeuses, dont lefonctionnement est intermittent, ont unefréquence en général inférieure à 3 Hz.Aussi, pour ne pas craindre un effet deflicker, l’amplitude de ces à-coups nedoit pas dépasser 0,6 % de Un sur leréseau commun aux soudeuses et auxluminaires.


7. remèdes

Différents remèdes sont envisageables.Ils sont présentés dans lesparagraphes suivants en commençantpar les plus faciles à mettre en œuvre.

choix du mode d'éclairagePuisqu'il existe des sources lumineusesplus ou moins sensibles au flicker(cf. fig. 3), la solution évidente et lapremière à considérer est de bien leschoisir.Le tableau de la figure 3 indique queles lampes fluorescentes ont unesensibilité aux variations de tensiondeux à trois fois plus faible que leslampes à incandescence. Elless'avèrent donc être le meilleur choix.De plus, la recherche des fabricants,pour améliorer l'efficacité lumineuse etréduire les dimensions de leursproduits, a abouti à la création des«ballasts électroniques», oualimentations HF (> 20 kHz) desfluorescents (tubes ou lampes fluo-compactes) :

c efficacité améliorée de 10 %,

c réduction de consommation de l’ordrede 20 %.

Le comportement des sourceslumineuses ainsi réalisées, vis à vis duphénomène de scintillement, est aussiamélioré ; mais il faut noter que :

c leur facteur de puissance est voisinde 0,5,

c les courants harmoniques qu'ellesgénèrent sont très importants(H3 = 30 % H1),

c pour adapter le niveau d'éclairementelles doivent être associées à desgradateurs spéciaux.

onduleurDans le cas où la gêne due au flickerreste limitée à un groupe d'utilisateursbien identifié, il est envisageable de«nettoyer» le départ éclairage par lamise en œuvre d'un régulateur detension ou d'un onduleur.L'investissement d'une telle installationpeut être relativement faible, mais cettesolution n'est qu'un remède local.

modification duperturbateurLe flicker peut être atténué en modifiantle cycle de fonctionnement de la chargeperturbatrice : rythme de soudure,rapidité de remplissage du four, …Lorsque le démarrage direct et fréquentd’un moteur est cause de flicker, unmode de démarrage réduisant lasurintensité peut être adopté.

adjonction d’un volantd’inertieDans certains cas particuliers, unecharge tournante peut provoquer desfluctuations de tension (par exemple uncompresseur volumétrique) ; un volantd’inertie sur son arbre-moteur lesréduit.

convertisseur tournantUn groupe moteur-générateur réservéà l’alimentation de la charge fluctuanteest une solution valable si la puissanceactive de cette charge est relativementconstante, mais son prix est élevé.

modification du réseauSelon la structure du réseau, deuxméthodes sont envisageables :

c soit éloigner voire isoler la chargeperturbatrice des circuits d’éclairage,

c soit augmenter la puissance de court-circuit du réseau en diminuant sonimpédance (au Point de CouplageCommun, PCC)Ces solutions sont à recommanderchaque fois qu'elles sont applicables etde préférence à toutes les autres(simplicité d'exploitation).Pour cela différents schémas sontpossibles :

c raccordement des circuits d'éclairageau plus près de la source d'alimentation(transformateur),

c augmentation de la puissance dutransformateur commun (à Uccconstant),

c diminution de la tension de court-circuit (ucc %) du transformateurcommun (à puissance constante),

c mise en parallèle de transformateurssupplémentaires,

c en BT, renforcement de la sectiondes conducteurs,

c raccordement de la chargeperturbatrice à un réseau de tensionplus élevée,

c alimentation de la charge par untransformateur indépendant.

la capacité-sérieL’introduction de capacité en série dansle réseau (cf. fig. 13a), en amont duPCC à la charge perturbatrice et auxcircuits sensibles au flicker, peutréduire de moitié les fluctuations detension. Cette solution présente unavantage supplémentaire, mais aussiun inconvénient :

c l'avantage : elle assure en plus, uneproduction d’énergie réactive ;

c l'inconvénient : il faut protéger lescondensateurs contre les courts-circuitsavals.

la réactance sérieUtilisée en combinaison avec des foursà arc, cette solution peut réduire de30% le taux de flicker.La réactance est insérée en série avecl'alimentation HT du four en aval duPCC (cf. fig. 13b). Elle peut être inclusedans le transformateur du four. Ellecomporte souvent un dispositif deréglage hors tension (prisesboulonnées) et d'une possibilité decourt-circuitage.Son principal effet «positif» sur lesvariations de tension est qu'elle réduitla puissance de court-circuit appeléepar le four. En plus, elle stabilise l'arcdu four. Ainsi, les fluctuations detension sont moins brusques («inertieélectromagnétique») et lefonctionnement aléatoire (de l'arc) estréduit. L'influence de la réactance surl'émission de flicker du four peut êtreestimée par la modification de laréactance Xf ou Sccf (voir chapitreprécédent).Son inconvénient : la self est traverséepar le courant de charge du four etconsomme de l'énergie réactive.


générateurde flicker

capacité série

réseau sensible au flicker


réactance série




réactanceshunt saturée


réactance dedécouplage

(auto - transfospécial)

réseau sensible

au flicker


compensateursynchrone

réseau sensible

au flicker

a b c

d e

a- capacité en série dans le réseau,b- réactance série,c- réactance shunt saturée,d- réactance de découplage,e- compensateur synchrone complété de réactances d’amortissement.

fig. 13 : modifications d’installation permettant de réduire le flicker.

la réactance de découplageCe procédé est très efficace, puisqu’ilpeut réduire les fluctuations d’unfacteur 10. Mais il exige uneconfiguration appropriée du réseau :une impédance est insérée dansl’alimentation de la charge perturbatriceet dans le circuit d'éclairage en aval deson point de raccordement(cf. fig. 13d).La chute de tension aux bornes de ce«ballast» est inversée et ajoutée par untransformateur à la tension de l’artère à

ne pas perturber. Il s’agit en pratiqued’un auto-transformateur spécial. Il n’ya pas d’atténuation du flicker en amontdu dispositif.

le compensateur synchroneCette solution conduit à une réductiondes fluctuations de 2 à 10 % et jusqu'à30 % avec des systèmes modernes decontrôle électroniques.Le compensateur est parfois complétéde réactances (linéaires)

la réactance shunt saturéeUne telle réactance raccordée au plusprès de la source de flicker (cf. fig.13c)peut réduire d’un facteur 10 lesfluctuations supérieures à la tensionnominale ; mais elle est inopérantepour les fluctuations inférieures parceque la self ne sature pas.Ces réactances présentent desinconvénients : elles consomment ducourant réactif, elles produisent desharmoniques, et leur prix est plutôtélevé.


d’amortissement installées surI’alimentation (cf. fig. 13e).Actuellement les compensateurssynchrones sont remplacés par descompensateurs statiques. Mais ilspeuvent s'avérer encore intéressantss'ils sont déjà installés et peuvent êtreremis en service.

le convertisseur de phaseLes chutes de tension produites pardes charges fluctuantes monophaséessont fortement réduites par desconvertisseurs de phases, groupestournants, transformateurs à couplagesspéciaux ou pont de Steinmetz [3][4].Ce dernier permet le rééquilibraged'une charge résistive monophasée(cf. fig. 14).Ainsi, une charge monophaséeSm = Pm + jQmpeut être compensée par une charge-jQ sur la même phase. Il en résulteune charge monophasée purementrésistive Pm qui peut être compenséeen ajoutant admittances selfique etcapacitive sur les deux autres branches.Ce montage équivaut à une chargetriphasée équilibrée purement résistivede Pm / 3.Quand la charge monophasée Sm estfortement fluctuante, un dispositifd'électronique de puissance peutpermettre une compensationdynamique, pratiquement en tempsréel. Idem en triphasé déséquilibré.Dans ce cas, le Pont de Steinmetzdevient un «compensateur statique»

le compensateur statique(SVC)Cet équipement SVC -Static VarCompensator- est destiné à faire unecompensation automatique de lapuissance réactive (cf. fig. 15). Sonemploi permet également une réductiondu flicker de 25 % à 50 %.Une formule donne une valeurestimative du coefficient de réductiondu flicker réalisé avec un SVC [6]:

RS

SfSVCSVC≈ +1 0 75, .

avec :RSVC = facteur de réduction de Pst,SSVC = puissance du compensateur(en VAr),Sf = puissance du four (en VA).

fig. 14 : montage en pont de Steinmetz pourla compensation d'une charge biphasée(schéma de principe).

fig. 15 : schéma d'installation d’uncompensateur statique.

phase 1

phase 2

phase 3

chargealimentée

enbiphasée

(soudeuse)

élémentscompensateurs


réseau sensible

au flicker

compensateurstatique


dispositif de contrôleélectronique

dispositif absorbeur(réactances)

batterie fixe decondensateurs

shunt

réseau sensible

au flicker

fig. 16 : schéma simplifié d’un compensateur statique

Son schéma de principe est celui de lafigure 16. Il comporte des inductancesde compensation, une batterie fixe decondensateurs shunt montée en filtre etun dispositif électronique à base de

thyristors ou d’IGBT. Le dispositifélectronique a pour rôle de faire varierla consommation d’énergie réactive desinductances pour maintenirpratiquement constante la puissance


réactive absorbée par l'ensemblegénérateur de flicker, batterie fixe decondensateurs, et inductances decompensation.Cette compensation phase par phaseest d'un intérêt évident avec les fours àarc dont les régimes de fonctionnementsont particulièrement déséquilibrés.Les performances d'un telcompensateur sont remarquables, àtitre d'exemple le tableau de lafigure 17 regroupe quelquescaractéristiques exigées pour uneaciérie polonaise (études et matérielMerlin Gerin).

synthèseLe tableau de la figure 18 résume, enfonction du type de la charge à l’originedu flicker, les remèdes qu’il estpossible d’apporter, et leur rentabilité.

tension nominale du réseau contrôlé 30 kV,puissance du SVC 50 MVAr,facteur de puissance cos ϕ u 0,93taux de distorsion en tension THD i 1,5 %fluctuations de tension ∆U / UN i 2 %déséquilibre de tension U / UN i1,5 %Pst (en 30 kV) 1.1

fig. 17 : performances obtenues par l’utilisation d’ un compensateur statique pour four à arc

fig. 18 : les remèdes applicables pour réduire, voire supprimer, le flicker.

8. conclusion

Le flicker est le phénomène depapillotement des sources lumineuses,dû aux fluctuations de tension del'alimentation électrique. Il peut gênerles personnes dans les ateliers, lesbureaux, les locaux d’habitation enamenant une fatigue visuelle etnerveuse. Il peut concernersimultanément un grand nombre depersonnes (perturbation du réseau dedistribution publique HTA et HTB).

Aujourd’hui, les limites des fluctuationsde tension périodiques qui provoquentl’effet flicker sont connues. Des normes

internationales définissent lesgrandeurs et les appareils quipermettent de le mesurer (le Pst et lePlt).

Les générateurs de flicker sontnombreux et peuvent être trèspuissants (fours à arc en aciérie)

Il est très important de les connaître,sachant que des variations de tensionde moins de 1 % peuvent apporter unegêne. Leur identification est unenécessité car le flicker est souventdifficile à supprimer sur un réseauexistant. Il est donc important

d'analyser les risques potentiels deflicker dès la préétude d'une installationet de prévoir, dès la conception duréseau, les solutions permettant des'en affranchir.

Ces solutions peuvent être:

c modification du type d'éclairage,

c modification de la structure duréseau,

c adaptation du fonctionnement duperturbateur,

c installation d'un équipement deréduction de flicker.

remèdes charges fluctuantesdémarrage moteur à four à arc soudeusemoteur charge

fluctuantemodification du perturbateur + c - + b + bvolant d’inertie - + a - -convertisseur tournant + c + c + b + cmodification du réseau + b + b + a + bcapacité série + b + b + c + bréactance série - - + a -réactance shunt saturée - - + c + créactance de découplage c + c + c + b +compensateur synchrone + c + c + a + bconvertisseur de phase - - + c + bcompensateur statique + b + b + a + b

- : techniquement inadapté + : techniquement possiblea : souvent économique b : parfois rentable c : rarement rentable


le réseauCette étude est conduite pour unesoudeuse (soudure par points)alimentée à partir d'un tableau BT situéau point B du réseau décrit dans lafigure 19.

plan de l'étudeLa première étape consiste à calculerles différentes impédances qui affectentle niveau des baisses de tension.La seconde est le calcul des chutes detension et du nombre de soudures parminutes au delà duquel le flickerdevient gênant. C'est à ce niveau del'étude qu'il est possible de préciser lechoix de la soudeuse : doit-elle êtrealimentée en monophasé ou entriphasé ? où connecter le réseaud’éclairage sachant que la soudeusedoit pouvoir effectuer jusqu’à 3soudures par minute.

Trois configurations sont étudiées :

1 - La configuration prévue à l’origine,

2 - La même avec une puissance desoudeuse réduite à 100 kVA,

3 - La configuration de départ avecpuissance du transfo augmentée à1000 kVA avec un Ucc qui passe à 6%et des pertes cuivre Pcu à 1,3%.

calcul des impédancesCes calculs se font selon les équationssuivantes :Rn ≈ 0,1 Xn

XtSt

Ucc=

Un22

100.

RtSt

Pcu=

Un22

100.

Rc = 75 mΩ/kmLc = 0,1 Ω/mLes résultats sont réunis dans letableau de la figure 20.

calcul des chutes detensionCes chutes de tension sont calculéespour les deux modes d'alimentation

envisagés pour la soudeuse, bi outriphasé.

Ces calculs se font selon les équationssuivantes :c pour une machine alimentée entriphasé :

∆VVn

=100R.P + X.Q

Un2

c pour une machine alimentée enbiphasé :

∆V1Vn

(%) =

1003

2Un32 R Q XP RP X Q. . . .− + +( )[ ]

∆V2Vn

(%) =

1003

2Un32 XP R Q RP X Q. . . .− + +( )[ ]

∆V3Vn

(%) = 0

fig. 20 : hypothèses, et résultats des calculs d'impédance.

fig. 19 : réseau d'alimentation d'unesoudeuse.

annexe 1 : étude du flicker sur l’alimentationd’une soudeuse

configuration n °1 n°2 n°3hypothèsesréseau public Un 20 kV 20 kV 20 kV

Scc Scc = 75 MVA Scc = 75 MVA Scc = 75 MVAtransformateur P 630 kVA 630 kVA 1000 kVA

Ucc 4 % 4 % 6 %Pcu 1 % 1 % 1,3 %

câble l 40 m 40 m 40 mS 240 mm2, Cu 240 mm2, Cu 240 mm2, Cu

soudeuse p 150 kVA 100 kVA 150 kVAcos ϕ cos ϕ = 0,6 cos ϕ = 0,6 cos ϕ = 0,6

impédancesréseau public Rn 0,2 mΩ 0,2 mΩ 0,2 mΩ

Xn 2,1 mΩ 2,1 mΩ 2,1 mΩtransformateur Rt 2,5 mΩ 2,5 mΩ 2,1 mΩ

Xt 10,2 mΩ 10,2 mΩ 9,6 mΩcâble Rc 3 mΩ 3 mΩ 3 mΩ

Xc 4 mΩ 4 mΩ 4 mΩau point A R 2,7 mΩ 2,7 mΩ 2,3 mΩ

X 12,29 mΩ 12,29 mΩ 11,7 mΩau point B R 5,71 mΩ 5,71 mΩ 5,3 mΩ

X 16,29 mΩ 16,29 mΩ 15,7 mΩPuissance soudeuse

P 90 60 90Q 120 80 120

autresutilisations

réseau amont 20 kV, 75MVA

transformateur MT/BT

réseau de l'usineU = 400 V à videU = 380 V en charge

câble

soudeuse

A

B


Les résultats sont présentés dans letableau de la figure 21, complétés descadences de soudure déterminées àpartir du diagramme de la figure 7.

Nota : une soudure provoque deuxvariations de tension.

conclusionEn biphaséLa soudeuse à sa puissance de150 kVA peut être utilisée à unecadence maximale d'une soudure parminute, sans polluer les utilisateursraccordés au point A.

L'importance des fluctuationsconstatées au point B montre qu'il n'estpas possible d'alimenter de l'éclairageà partir de ce point.

La cadence de la soudeuse peut êtreaugmentée jusqu'à 3,5 coups/mn. Laconfiguration 2 est donc acceptable,mais au prix d'une réduction de lapuissance de la soudeuse.

Par contre l'étude de la configurationn°3 montre que l'installation d'untransformateur plus puissant ne

fig. 21 : chutes de tension et cadences de soudure prévisibles.

diminue pas forcément beaucoup lesvariations de tension en aval.

En triphaséLa soudeuse peut avoir une cadencede soudures plus grande (de 1,5 à 3fois plus) sans augmenter le niveau deperturbations sur le réseau.

Donc pour pouvoir effectuer jusqu'à 3soudures/minute :c en biphasé, seule la configuration 2convient et à condition que le pointcommun de raccordement soit en A,c en triphasé, la seule configuration quipose problème est la 1 si le PCC est en B.

machine machinebiphasée triphaséephase 1 phase 2 phase 3

configuration n ° 1Point A dV 1,32 % 2,25 % 0,00 % 1,19 %

Nb soudures/min. 6 1 8Point B dV 2,10 % 3,03 % 0,00 % 1,71 %

Nb soudures/min. 1 < 1 2configuration n ° 2Point A dV 0,88 % 1,50 % 0,00 % 0,79 %

Nb soudures/min. 20 3,5 30Point B dV 1,40 % 2,02 % 0,00 % 1,14 %

Nb soudures/min. 4 1,5 10configuration n ° 3Point A dV 1,20 % 2,14 % 0,00 % 1,12 %

Nb soudures/min. 7 1 10Point B dV 1,98 % 2,92 % 0,00 % 1,63 %

Nb soudures/min. 1,5 < 1 3


Sccf = 125 MVASccn = 5500 MVAPst = 1,7

Détermination du ∆V10Le calcul de la variation maximale(∆Qmax) de la puissance réactive sefait entre deux points defonctionnement important du four.c le premier point correspond aufonctionnement normal, avec le cos ϕfet une consommation de l'énergieréactive Qn = Sf . sin ϕfc le deuxième point correspond au fouren court-circuit, avec une puissanceréactive maximale, soit Qccf = Sccf.(cf. fig. 24 … pour le calcul de ∆Q)

caractéristiques du réseaud'alimentation du four60 MVALe schéma du réseau d'alimentationélectrique du four à arc objet de cetteétude est présenté par la figure 22, etses caractéristiques sont réunies dansle tableau de la figure 23.

calculs des niveaux deflicker (Pst et ∆V10)La première étape de cette étudeconsiste à calculer les différentesréactances ramenées au même niveaude tension. Dans cet exemple c'estcelle du PCC -Point de CouplageCommun- qui est choisie, soit 225 kV.

Cette étude a une double finalité : êtreun exemple, et comparer les résultatsavec Pst et ∆V10.D'où les deux approches :

c à partir de la puissance de court-circuit du four, calculer le Pst ;

c à partir de la variation maximale de lapuissance réactive, calculer le ∆V10.

Calcul des différentes réactancespour une même tensionNous ramenons d'abord toutes lesréactances à une même tension.Comme tension de référence nouschoisissons la tension au Point deCouplage Commun (PCC) :c tension de référenceUref = 225 kVc réactance du réseauXn = 9,2 Ωc réactance du transfo abaisseurXtra = 63,3 Ωc résistance sérieXs = 0 Ωc réactance du transfo fourXtrf = 63,3 Ωc réactance des connexions BT du fourXbtf = 270 Ωc réactance totaleXt = 405,8 Ωvaleur du cos ( ϕf) du fourLe facteur de puissance du four estdonné par le constructeur pour lesdifférents points de fonctionnement del'équipement ; la valeur du facteur de

fig. 23 : caractéristiques du réseau d'alimentation électrique du four à arc.

puissance, retenue pour calculer leniveau de flicker, est :cos ϕf = 0,75.

Détermination du PstCalcul de la puissance de court-circuitau niveau du four, dans cetteinstallation :

Sccf =U

Xtref2

soit Sccf = 125 MVA

Le niveau de flicker est donné parl'équation :

Pst = KstSccfSccn

avecKst = 75 (valeur choisie),

fig. 22 : réseau d'alimentation électrique dufour à arc.

réseau amont d'alimentation PCC

transformateur abaisseur

réseau de l'usine

réactance série

transformateur du four

four

annexe 2 : étude du flicker sur l'alimentationd'un four à arc

fig. 24

∆Qmax = Sccf - Qn,∆Qmax = Sccf - (sin ϕ . Sf),∆Qmax = Sccf - (sin ϕ . sin ϕ . Sccf),∆Qmax = Sccf [1 - ( sin ϕ)2],∆Qmax = Sccf - (cos ϕ)2,∆Qmax = Sccf - (cos ϕf)

2,∆Qmax = 70,18 MVAr.

réseau amont puissance de court-circuit Sccn = 5500 MVAtension nominale Un = 225 kV

transfo abaisseur puissance nominale Stra = 80 MVAtension de court-circuit ucca = 10 %

réseau usine tension nominale Urés = 30 kVréactance série impédance Xsér = 0,0 Ωtransfo four puissance nominale Strf = 60 MVA

tension de court-circuit uccf = 7,5 %tension nominale coté BT U2f = 750 V

four impédance connexions BT XBT = 0,003 Ωpuissance nominale Sf = 60 MVA

Sf

∆Q max

Qn Sccf

ϕ

ϕ

P


c le niveau de ∆V10 est donné parl'équation:

∆ ∆V10 =

13,6

QmaxSccn

100 %. .

Ce qui donne pour notre installation auPcc :∆V10 = 0,35 %

CommentairesLa valeur de Pst est largement audessus du seuil de gêne (Pst = 1).La valeur de ∆V10 est très proche duseuil de perception (0,32 %) maisencore loin du seuil de gêne (0,45 %).L'exemple montre bien qu'uneévaluation de flicker par la méthode du∆V10 est moins sévère que par laméthode de Pst (cf. § le ∆V10 ).Ceci provient du fait que les lampesalimentées sous 110 V sont moinssensibles aux fluctuations de la tensionque les lampes alimentées en 220 V,les limites de ∆V10 sont donc moinssévères.

dimensionnement d'un SVC«Static Var Compensator»Cas d'une limite exprimée en PstComme limite de Pst, nous choisissonsle seuil de gêne soit :Pstref = 1

Facteur de réduction de flicker R :

R =Pst

Pst=1,7Pst

refLa puissance du SVC se calcule avecla formule :

Q = R -1S PstPst

VCSf( ).,0 75

d'où :Q = 56,1MVArS

PstVC

Cas d'une limite exprimée en ∆V10

Comme limite de ∆V10, nouschoisissons ∆V10 = 0,32 quicorrespond au seuil de gêne.Valeur recherchée : ∆V10ref = 0,32Facteur de réduction de flicker R :

R =V10∆∆

∆V

V ref

10

10

R =1,11V10∆La puissance en SVC se calcule selon :QSVC . ∆V10 = C . SccfC est un coefficient dépendant de R∆V10

et de la performance du constructeur etprend une valeur entre 0 (pourR∆V10 = 0) et environ 0,7 (pour R∆V10

grand). Ici une valeur de 0,35 estvalable, ce qui donne :QSVC∆V10 = 0,35 . Sccf,soit :QSVC∆V10 = 43,8 MVAr

Evaluation des taux de flicker dansla même installation, mais aprèsajout d'une self-série dans le circuitd'alimentation du fourCette évaluation faite pour trois valeursde Xsér est présentée dans le tableaude la figure 25.Elle montre bien l'effet positif d'une self-série sur le niveau de flicker généré parl'installation d'un four à arc.Nous avons choisi plusieurs valeurshabituelles d'impédance série.

Xsér Pst Q SVCPst

0,5 Ω 1,59 47 MVA

1,5 Ω 1,41 33 MVA

2,5 Ω 1,26 21 MVA

fig. 25 : évaluation des taux de flicker aprèsajout d'une self-série dans le circuitd'alimentation du four.


11. annexe 3 : bibliographie

NormesCEI 555-1 : Perturbations produites parles équipements raccordés au réseaud'alimentation BT. Part 1 : Définitions.

CEI 555-3 : Perturbations produites parles équipements raccordés au réseaud'alimentation BT. Part 3 : Fluctuationsde tension. 1982.

CEI 555-3 : Modification de lapublication de 1982. 1990.

CEI 868-0 : Flickermètre partie 0 -Rapport technique ; Evaluation de lasévérité du flicker. 1991.

CEI 868 : Flickermètre - Spécificationsfonctionnelles et de conception. 1986.

CEI 868 : Flickermètre - Spécificationsfonctionnelles et de conception.Modification à la publication 868 de1986. 1990.

Normes de compatibilitéelectromagnétiqueCEI 1000-2-2 : Niveaux de compatibilitépour les perturbations conduites bassefréquence et la transmissionsdesignaux sur les réseaux publicd'alimentation à basse tension 1990.

CEI 1000-3-3 : Perturbation produitepar les équipements raccordés auréseau public d'alimentation à bassetension- Limites concernant lesfluctuations de tension et le flicker pouréquipement consommant 16 ampèreset moins par phase. Travaux en cours.

CEI 1000-3-5 : Limites concernant lesfluctuations de tension et le flicker pourles appareils consommant plus de16 ampères par phase. Travaux encours.

CEI 1000-4-15 : Flickermètre. Travauxen cours.

EN 50160 : Caractéristiques de latension fournie par les réseaux publicsde distribution. novembre 1994.

NF C 15-100 : Installations électriquesà Basse Tension : règles - 1991

Publications diverses[1] Flicker caused by interharmonics.W. MONBAUER,et Archiv Bd. 12 1990.

[2] Flicker et conditions deraccordement d’appareils produisantdes variations rapides de tension. P.MEYNAUD, RGE 11/71.

[3] Condition de raccordementd'équipement générateurs defluctuations rapide de tension (fours àarc, machine à souder) ; Bulletin DERd'EDF ; no 4 - 1982.G. BONNARD ; G. DECHARTE

[4] Technique de l'ingénieur ;Fluctuation rapide de tension et flicker

[5] Cigré 36-203: Evaluation de laqualité de la tension point de vueharmonique, flicker et deséquilibre ;A. ROBERT ; J. MARQUET ; août 1992.

[6] Recent experience of connecting ofbig arc furnaces with reference toflicker level. CIGRE 36-305 ;A. ROBERT ; M. COUVREUR ; août-septembre 1994.

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[10] Arc furnace flicker assessment andprédiction. Evaluation etprédétermination de flicker pour desfours à arc.A. ROBERT; M. COUVREUR.

[11] Connection of fluctuating loads.C. MIRRA; IUE : International Union forElectroheat, WG disturbances, TourAtlantique -Cedex 6 - 92080 Paris-laDéfense. 1988.

[12] Guide de l’ingénierie électriquedes réseaux internes d’usines.Collection Electra, Ed. DOPEE 85,Diffusion Lavoisier.

Réalisation : Sodipe - ValenceDTE - 12-95 - 3500 - Imp. : CLERC

Cahiers Techniques Merlin Gerinc Les perturbations électriques en BT.Cahier Technique n° 141-R. CALVAS

c La conception des réseaux industrielsen HT.Cahier Technique n° 169-G. THOMASSET

ect176_flicker ou scilliments des sources lumineuses

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