La Qualité de l énergie électrique. Filtrer les harmoniques de courant et nettoyer la tension de la pollution

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1 La Qualité de l énergie électrique. Filtrer les harmoniques de courant et nettoyer la tension de la pollution Kamal Al-Haddad ing. M.Sc.A. Dr. G.É Professeur Titulaire de la Chaire de Recherche du Canada Conversion de l Énergie Électrique et Électronique de Puissance Montréal le 15 février 25 1 Avez-vous déjà entendu parler des harmoniques? Avez-vous vu leurs effets? Avez-vous déjà souffert de leur présence? Savez-vous comment réduire les effets néfastes des harmoniques? 2 1

2 Plan de la présentation Qualité de l énergie électrique Pourquoi nous avons besoin de filtrer les harmoniques Les sources harmoniques Les techniques de filtrage passifs et hybrides Filtres classiques Filtres avancés Contrôler les filtres Applications industrielles 3 Les applications types des filtres pour améliorer la qualité de l énergie Immeubles et bureaux, Hôpitaux, Bâtiments industriels, etc Alimentations de secours UPS Climatisation HVAC Centre, parc d ordinateurs Éclairage, Ascenseurs Drives et autres charges polluantes 4 2

3 Introduction La qualité de l énergie électrique est un indicateur de la santé des équipements électriques branchés sur le réseau. La santé des équipements (bon fonctionnement, défaillance, durée de vie, etc.) est affectée directement par la qualité du réseau à l intérieur du bâtiment et surtout de la tension disponible sur chacune des prises électriques. Garder une bonne qualité de l énergie c est équivalent à protéger l environnement des pollutions. La qualité de l énergie est mesurable comme la qualité de l air Harmoniques de tension== monoxyde de carbone CO Harmoniques de courant== dioxyde de carbone CO 2 Taux de distorsion harmonique élevé == Avertissement SMOG 5 Quelle est la situation? Plusieurs techniques sont actuellement disponibles pour aider à améliorer la qualité de l énergie. Si les équipements sont déjà installés, comment améliorer la qualité et éviter les problèmes? Ajouter le critère qualité de l énergie au départ, et ceci avant d arrêter le choix et par la suite l acquisition de l équipement N oublier pas que la meilleure technique de protection est à la source. 6 3

4 Quel est le Problème? PCC Vs Xs is Charges non linéaires??? Un courant de charge riche en harmoniques les harmoniques de courant sont injectées dans la source via les câbles impédantes Distorsion de la tension au PCC 7 Charges Non-Lineaires Diodes, thyristors e tous les autres semi-conducteurs de puissance sont très utilisés pour contrôler l écoulement de l énergie dans les charges comme: Drives (ASDs),Ordinateurs, toutes les sources d alimentations, les sources d énergie e renouvelables, e es, etc. 75% de l énergie produite transite par les convertisseurs statiques. Ces convertisseurs absorbe un courant non sinusoïdale, et échange de l énergie réactive avec la source d alimentation. Dans le système triphasé, ces harmoniques causent un débalancement de la tension et un courant excessif circulant dans le conducteur de neutre Conséquences: Un mauvais facteur de puissance Rendement faible Pollution à d autres clients Interférences aux réseaux de télécommunication 8 4

5 Impact de la Distortion THD % 33% 38.6% 44% Peak 1% 133% 168% 24% RMS 1% 15% 17% 19% Modification importante de la valeur crête Augmentation de la valeur RMS I RMS = I = n 2 I n 9 Charge industrielle non-lineaire type DC Drives Convertisseur Type AC Drives Inductance de lissage Pour 6 KVA AC Drive 1 5

6 Charges non linéaires actives ABB- ACF-6 Air conditionné 45 KVA Drive Grahame contrôleur pour 6 KVA HVAC Drive 11 Train de banlieue Montréal Deux Montagnes 4 moteurs, 36 Hp dans chaque motrice Ligne monophasé de 5 kv Train léger à Orlando Train type monorail, Jackson Ville Conception et installation par Laboratoire ETS-Bombardier

7 Exemple de THD des courants pour différentes charges PRISE ALIMENTATION DOUBLE THD = 5% PC THD = 44.6% OSCILLOSCOPE THD = 19.1% 13 Formes des courants absorbés par les charges types: Sources d alimentations, ordinateur, Ins. de mesure Alimentations Ordinateur Instrument de mesure 14 7

8 Éclairage électronique Lampe incandescent Fluorescent compact type 15 watts Fluorescent compact type 11 watts 15 Pourquoi c est nécessaire de filtrer les harmoniques? Dégradation de la qualité de l énergie Pertes additionnelles, surchauffe Surtension récurrente Mal fonctionnement et des équipements électroniques sensibles, Vibrations mécanique dans les stystèmes électromécaniques Déclenchement des disjoncteurs, brûler les fusibles de protection Problème de résonance avec les condensateurs de compensation de la puissance réactive déjà installé Il faut respecter les normes sur les Harmonics standards Limitation de la tension harmonique Limitation du courant harmoniques Attention, Ces normes sont souvent fait par les fournisseurs d énergie. Pour le réseau à l intérieur des bâtiments il faut appliquer des normes plus strictes 16 8

9 ,3-1,3 36 1,3-1, ,3-1,3 36 1,3-1, ,3-1,3 1,3-1, Alimentation Filtrer les harmoniques comment? Courant fondamental Charges Power Quality Filter Les HARMONIQUES 17 Forme es d ondes Harmo oniques Analyse harmoniques des signaux Courant propre non pollué = Courant des charges + Courant du filtre 18 9

10 1- Charges type source de courant Source Z s i L Ch harge e s Charges type source de tension Source Z s v L C Ch harge e s 2 1

11 Quoi utiliser comme moyen de mitigation? Les filtres LC conventionnels ont déjà été utilisés pour éliminer les harmoniques Les banques de condensateurs sont utilisés pour améliorer le facteur de puissance à l entrée des bâtiment afin de réduire la facture d électricité Pourquoi ne pas utiliser cette technologie encore? 21 Filtres passifs synchronisés Source e s L s, r s Charge non lineaire Source i M L L L, r L e s C h L s, r s Charge non lineaire M i L L L, r L C h Source e s L s, r s C 5 M C 7 Charge non lineaire i L L L, r L C k L h, r h L h, r h R L 5 C 7 L k, r k R N Filtre résonnant N Filtre passe haut 5 e 7 e N Filtre passe haut 22 11

12 Exemple d installation des filtres passifs Exemple d une installation de 13 MVAR Batteries de condensateurs pour 32 KV/12kV/25KV réseau de distribution 6 fois 6kVAR, 6 Volt installation du Bâtiment A- ETS 23 Désavantages du filtrage passif Compensation fixe, Volumineux, Risque de résonance à tout moment

13 Une solution active ou hybride s impose Le filtrage actif ou hybride est une solution intéressante Dynamique Adaptative Une technologie devenue mature Permet d effectuer plusieurs fonction à la fois Compensation de la puissance réactive Élimination de certaines harmoniques Stabiliser la tension et éviter la résonance Disponible pour les installations sous différentes topologies Deux fils (système monophasé), Trois files sans neutre (système triphasé), Quatre fils (3-phases avec le neutre) 25 Une solution active/hybride s impose L augmentation de la sévérité de la pollution harmonique a pourssé le développement d un système dynamique et ajustable pour améliorer la qualité de l énergie Ces équipements sont connu sous différents noms: Filtres actifs ou hybrides (AF), Conditionneur active de la ligne (APLC), Compensateur instantané de la puissance réactive(irpc), Conditionneur active de la qualité de l énergie(apqc) D autres noms sont certainement utilisés 26 13

14 Un exemple d un filtre actif de 6 Ampères 27 Tendances technologiques La technologie des filtres actives est maintenant mature pour être utilisé comme élément de compensation dans les bâtiments et industries où la qualité de l énergie est en question. Cette technologie s est beaucoup améliorée depuis un quart de siècle avec l arrivé sur le marché de plusieurs configurations et techniques de contrôle. Cette technologie est utilisée pour éliminer les harmoniques, réguler la tension, éliminer le papillotement de la tension, éliminer le déséquilibre de la tension. Ce plus grand nombre d objectifs sont atteints soit individuellement ou bien en combinaison dépendamment du besoin du client (le choix de la stratégie de contrôle, la topologie, le nombre de conducteurs, etc.) 28 14

15 La qualité sur le réseau monophasé Les charges monophasés comme: éclairage, fours, Écrans - TVs, Ordinateurs,, imprimantes, photocopieuses, climatisation, agissent comme des charges non linéaires et absorbent un courant non sinusoïdal ce qui détériore la qualité de l énergie énergie. Une installation dédiée pour les ordinateurs, et autres charges monophasées polluantes doit être: Compensée en terme de tension (V min et V max ) Protéger contre les variations de la lignes (surtension, creux, etc) Découplée et isolée des autres charges et pour minimiser l interaction via la tension d alimentation Isolateur galvaniquement avec écran électrostatique Bienmiseàlaterre La plupart de ces charges sont du type générateur d harmoniques de tension Un filtre active série ou combinaison entre série-parallèle permet de les compenser 29 Les composantes du filtre actif i comp Filtre d entrée Onduleur Type courant ou tension Élément de stockage de l énergie L/C Circuit de commande 3 15

16 Système monophasé avec le controleur en schéma block D 1 D 2 i Ldc R s L s i s i L R L v s L L D 3 D 4 C c Lμ i c L c R c G1 T1 G3 T3 v f C dc V dc T2 T4 G2 G4 + - Commutation technique Gating signals for the inverter 31 avantcompensation (THD=26%) après compensation (THD=8.6%) après compensation (THD=1.8%) Système monophasé: le courant de ligne peut être plus propre que la tension de ligne 32 16

17 La qualité de l énergie sur le réseau triphasé Comme la majeur partie de l énergie est consommée par des charges triphasées telles: Variateurs de vitesse avec une entrée redresseur à diodes, à thyristors ou dernièrement nous avons les redresseurs actif à IGBT. La grande majorité de redresseurs utilise les diodes éléments de redressement. Ces diodes imposent un spectre d harmoniques proportionnel à la consommation énergétique Le facteur de déplacement est unitaire mais le facteur de puissance est mauvais variant de.56 à.9 La dernière technologie des redresseurs d entrée est du type IGBT inclus la fonction correction du facteur de puissance et la compensation de l énergie réactive. Ces convertisseurs peuvent être qualifiés d intelligents s ils sont munis d un contrôleur approprié Un filtre d entrée est nécessaire pour augmenter l impédance de ligne, lisser le courant et protéger le convertisseur Ils sont bidirectionnels en puissance Ils coûtent plus cher Technologie de l avenir 33 Exemple d une mesure effectuée sur un variateur triphasé utilisant un système à trois conducteurs LINE VOLTAGES & LINE CURRENTS WITHOUT ACTIVE FILTER Volts Amps :25: :25: :25: :25: :25: :25:43.77 CHA CHB Volts Volts CHB Amps CHC Amps Volts CHC CHA Amps Waveform event at 22/11/1 1:25:

18 Les formes d ondes après compensation LINE VOLTAGES & LINE CURRENT WITH ACTIVE FILTER :41: :41: :41: :41: :41: :41: :41:55.7 CHA Volts CHB Volts CHC Volts CHA Amps CHB Amps CHC Amps Waveform event at 22/11/1 1:41: Amplitudes des harmoniques significatives avant compensation Vthd(%) Min Max Median CHA Vthd CHB Vthd CHC Vthd CHA Ithd CHB Ithd CHC Ithd Ithd(% %) :25:43. 1:25:43.5 1:25:44. 1:25:44.5 1:25:45. CHB Vthd Vthd CHB Ithd CHA Vthd CHC CHA Ithd CHC Ithd 22/11/1 1:25: /11/1 1:25:

19 Amplitudes des harmoniques significatives après compensation Vthd( %) Min Max Median CHA Vthd CHB Vthd CHC Vthd CHA Ithd CHB Ithd CHC Ithd Ithd(%) :41:55. 1:41:55.5 1:41:56. 1:41:56.5 1:41:57. CHA Vthd CHB Vthd CHC Vthd CHA Ithd CHB Ithd CHC Ithd 22/11/1 1:41: /11/1 1:41: Qualité de l onde dans le réseau 4 fils Un courant de neutre excessif due aux charges non linéaire déséquilibrés. La composante de courant le troisième iè harmonique peut atteindre des valeurs dépassant la limite de la capacité de l installation. Surchauffe des circuits magnétiques, transformateur et autres Feux dans les câbles Des techniques passives telles transfo zigzag et autre ont été utilisé Les techniques actives plus efficace permettent la réduction jusqu è l élimination du courant neutre, compensation des harmoniques, balancement de la charge, compensation de la puissance réactive

20 Problème d harmoniques dans le réseau à 4 fils Exemple: réseau typique MV LV L1 (R) Protection L2 (Y) Ith (L): 1A RMS L3 (B) N: 65-8% * Ith N Charges NL PQFT NL Loads: - Fluor. -Éclairage Ordinateurs. NL Loads: - Controleur des moteurs... NL Loads: - Fluor. light -PCs La qualité de l énergie dans le système à 4 fils I [1 A/div] Load current Courant de charge: - I fond 8ARMS/phase - I H 3 5 ARMS/phase - THD I 63 % - CF 2.1 I [1 A/div] Line current Après compensation Courant de ligne: I fond 8 ARMS/phase IH3 ARMS/phase -THD I 3 % -CF 1.4 Time [1 ms/div] 4 2

21 I [1 A/div] Le problème de la troisième harmonique dans le système à 4 fils Without filter Force de l harmonique H3 dans le neutre sans et avec filtre Sans filtre: IH3 15 ARMS I [1 A/div] Time [1 ms/div] With filter avec filter: -IH3 ARMS Conclusion le filtre actif améliore le comportement du système élimine l harmonique d ordre Avancement technologique Les nouveaux semi-conducteurs de puissance Thyristors, BJTs et power MOSFETs on Later, SITs and GTOs ont tout debut été utilisés. Avec l arrivé du composant IGBTs le problème du filtre est réglé pour les applications à moyenne puissance. La qualité des capteurs développé à base de (Integrated électronics) à améliorer ses performances La disponibilité des composants a grandement réduit le coût des installations. L introduction des techniques avancées de commande 42 21

22 CONFIGURATIONS Les filtres actifs peuvent être classés en en fonction du type de convertisseur, type de topologie et le nombre de phase à compenser ~ AC Mains i s v AF i L Non-Linear Loads AF v d 43 Contrôleur unifié de l énergie, filtre universel ~ AC Mains i s v AF i c i L Non-Linear Loads UPQC Series AF Shunt AF 44 22

23 Combinaison d un filtre actif série et d un filtre passif shunt ~ AC Mains i s v AF i c i L Non-Linear Loads Shunt Passive Filter Series AF 45 Exemple de compensation Ces figures montrent la compensation par deux méthodes directe et indirecte THD=28.35% THD=5.12% THD=2.92% Le régime permanent est obtenu après demi-cycle. La perturbation est de 75% 46 de la charge nominale 23

24 Résultats expérimentaux PM3394, FLUKE & PHILIPS * i sa PM3394, FLUKE & PHILIPS v sa i sa i La i La i sa (a) * i sa Time (5ms/div) i ca (b) Time (5ms/div) = Reference current outputted from DSP, i sa =7.49 A (rms), i La =6.65 A (rms), i ca = 1.94 A (rms), and v sa =6V(rms) THD in Load Current = 29.7 % THD in Supply Current = 3.2 % i ca 47 Experimental result of AF system with improved control technique ch1 ch2 ch3 PM3394, FLUKE & PHILIPS v sa i sa ch1 ch2 ch3 PM3394, FLUKE & PHILIPS v sa i sa ch4 i La ch4 i sb (a) Time (5ms/div) i ca (b) i sc Time (5ms/div) v sa =6V(rms), i sa = i sb = i sc =3.55 A (rms) to 8.22 A (rms), i La = 2.9 A(rms) to 6.85 A(rms) and i ca =1.45 A (rms) to 2.3 A (rms) THD in Supply Current=3.2%, THD in Load Current=29.7% Load perturbation response of AF system for an increase in load from kw to 1.23 kw 24

25 View of existing technology 1A unit 49 Technical specifications 5 25

26 Intégration commerciale du APF 2 : premier projet nonindustriel Dubai Burj Al Arab charges: Drives & Dimmers 51 Exemple d un bassin d électrolyse Transfo 3kVA / 6.1% 6x6kVA redresseur 6x2kvar / 7% Schéma de l alimentation FA 4Vac 15Vdc 15kA PQ 52 26

27 Initial current Electrolyse 7.E+2 6.E+2 5.E+2 4.E+2 3.E+2 2.E+2 1.E+2.E+ -1.E+2-2.E+2-3.E+2-4.E+2-5.E+2-6.E+2 7.E+2 6.E+2 5.E+2 4.E+2 3.E+2 2.E+2 1.E+2.E+ -1.E+2-2.E+2-3.E+2-4.E+2-5.E+2-6.E+2-7.E+2.E+ 5.E-3 1.E-2 1.5E-2 2.E-2 2.5E-2 3.E-2 3.5E-2 4.E-2 4.5E-2 5.E-2 Time [5ms/div] -7.E+2.E+ 5.E-3 1.E-2 1.5E-2 2.E-2 2.5E-2 3.E-2 3.5E-2 4.E-2 4.5E-2 5.E-2 Time [5ms/div] La haute fréquence est due à d autres stations 53 Application chauffage par induction 91.2 MVA 2 kv T1 2 MVA 6% 4 V T2 2 MVA 6% 4 V T3 2 MVA 6% 4 V 32/5 15 VA To T1 7 kvar 7% (11 A) Drives 945 kva (1364 A) PQFA 296 kva (428 A) 4 kvar 7% (577 A) Drives 315 kva (455 A) 4 kvar 7% (577 A) Drives 315 kva (455 A) 54 27

28 Courant de charge mesuré Courant de ligne avant compensation Courant de ligne aprèscompensation Line current [A] 1-1 Line current [A] Time [ms] Time [ms] Courant comtenant toutes les composantes fréquentielles Presque un courant sinusoidal 55 Contenu harmonique, chauffage Harmoniques avant compensation Impact du filtre 14% 14% 12% 12% Current distortion [%] 1% 8% 6% 4% Current distortion [%] 1% 8% 6% 4% Real effect on high frequencies 2% 2% % Frequency [Harmonics] % Frequency [Harmonics] 56 28

29 Usine fabrication des câbles 1kV/.4kV 63kVA/4.3% PQFA-AA 23kW 23kW Utilisation massive des contrôleurs à distance à 15Hz & 16Hz 57 Courant avant et après compensation Current [A] FILTER RUNNING - Pizolbahn/Wangs [9/12/97] Time [ms] FILTER OFF - Pizolbahn/Wangs [9/12/97] 5 Current [A] FILTER OFF - Pizolbahn/Wangs [9/12/97] Time [ms] FILTER RUNNING - Pizolbahn/Wangs [9/12/97] Current [Arms] Current [Arms] Harmonics Harmonics 58 29

30 Impact sur la qualité de la tension Tension initiale du réseau Tension après compensation 7 FILTER OFF - Pizolbahn/Wangs [9/12/97] 7 FILTER RUNNING - Pizolbahn/Wangs [9/12/97] Voltage [V] 1-1 Voltage [V] Time [ms] Time [ms] 59 Exemple d un système de climatisation HVAC courants avant filtre C U R R E N T S Phase L1 Phase L2 Phase L2 Y2 Y2 Y2 Amps Amps Amps Sec Sec Se Channel A (I) Channel B (I) Channel C (I) Y2 Amps 2 Y2 Amps 2 Y2 Amps Hz Channel A (I) Hz Channel B (I) Hz Channel C (I) Avant filtre 6 3

31 Exemple d un système de climatisation HVAC courants après filtre C U R R E N T S Phase L1 Phase L2 Phase L2 Y2 Y2 Y2 Amps Amps Amps Sec Sec Sec. Channel A (I) Channel B (I) Channel C (I) Y2 Amps 2 Y2 Amps 2 Y2 Amps Hz Channel A (I) Hz Channel B (I) Hz Channel C (I) ant de charge[2 A/div] L3 L2 L1 Cour Exemple de compensation d une charge déséquilibrée Temps[5ms/div] 62 31

32 Application aux systèmes de traction 63 Train Deux Montagnes 37 km d infrastructure -Proche de 8 millions de passagers par année -Transport de grande qualité 64 32

33 Montreal Commuter Deux-Montagnes. Courant de ligne et tension de ligne. PCC (25 kv). La puissance demandée est 5.5 MVA par unité 65 Tension et courants mesurés en traction à puissance nominale 2 Les signaux mesurés 2 Les signaux mesurés Tension [V] 1-1 Tension [V] C ourant [A] Courant [A] Temps [sec] Temps [sec] 66 33

34 Jackson Ville People Mover Système de traction entièrement développé au laboratoire ETS-Bombardier Transports 67 Trajectoire et contact électrique Train Shoe pour assurer le contact avec Une source de 48 Volts, 3-phases 68 34

35 13.Harm. [V] Overlay [V] Sum [V] ih13(z) [V] Sum [V] s ih5(z) ()[V] ih7(z) ()[V] Sum [V] s ih5(z) [V] ih7(z) [V] Sum [V] s s Resonance of 1Hz 1V, the 13 th harmonic does not exist and has not been detected. Resonance of 1Hz 1V, line contains the 5 th and 7 th harmonic. The harmonics (1V) have been detected (green and red trace). Resonance of 1Hz 1V, line contains the 13 th harmonic. The 13 th harmonic (1V) has been detected (red trace). Without resonance frequency, line contains the 5 th and 7 th harmonic. The harmonics (1V) have been detected (green and red trace). Jacksonville 25 kwatts, 48 volts 3-phase supply for monorail traction system 69 14kW without compensation 14kW without compensation 14kW with compensation 14kW with compensation 7 35

36 81kW without compensation 81kW without compensation 94kW with compensation 94kW with compensation 71 Commentaires La qualité de l onde est un objectif collectif à atteindre. Les techniques de mitigation pour améliorer la qualité de l onde existe il faut les utiliser pour prévenir les problèmes Les applications du filtrage actif types sont les charges types variateurs plus spécifiquement le contrôleur CA D autres charges non linéaires peut bénéficier des filtres Ie filtrage actif peut être utiliser pour des nouvelles installations et aussi pour améliorer les installations existantes. Le filtrage actif est flexible, facile à dimensionner, pas de surcharge, phénomène de résonance ou interaction avec des nouveaux équipements Fiable Peut être à bon marché 72 36

37 Merci!! 73 37