Rapport de TP ECLAIRAGE Étude harmoniques Les différentes lampes : Les lampes à incandescence : Principe : Un filament métallique (le plus souvent en tungstène en double spiralage pour des températures de 2250 à 2400 C) formant résistance électrique est parcouru par un courant électrique. L énergie électrique est transformé en énergie calorifique ; du fait de la haute température, il y a production d énergie lumineuse, pour évité la détérioration du filament, on place celui-ci a l abri de l oxygène de l air dans une ampoule contenant un gaz inerte. Lampes à iode (halogène) : Principe : De la vapeur d iode est introduite à raison de 0,1 mg/cm 3 dans une ampoule en quartz pouvant supporter des températures supérieure à 250 C. La vaporisation du tungstène du filament libère des molécules qui se combinent avec les molécules d iode augmentant ainsi l efficacité lumineuse. 1
Tubes et lampes Fluorescents : Dans un tube fluorescent, la différence de potentiel entre les électrodes provoque un déplacement d électrons ( arc électrique pour les lampes à décharge). L élévation de la température de l argon ionisé vaporise le mercure contenu dans la lampe créant des photons ultra violet Ces dernier deviennent visible grâce a la poudre fluorescente tapissant les parois interne du tube Lampes a stater ou ballast magnétique : Le stater a pour but, en fermant le circuit des filaments d assurer le chauffage des cathodes, pour les rendre très émissive pendant un court instant Principe : créer une surtension pour amorcer l arc électrique. A _ au repos le stater est ouvert B _ on ferme l interrupteur, la tension secteur se trouve appliquée aux borne du stater ; le néon qui s ionise devient conducteur. Le stater s allume. C _ La chaleur dégagée déforme les électrodes bimétalliques du stater qui viennent en contact. Le courant s établi dans les électrodes et l inductance D _ les électrodes bimétalliques du stater se refroidissent et se séparent brusquement, cette coupure entraine une surtension aux bornes de l inductance permettant l allumage de la lampe le courant s établi alors dans le tube 2
Lampes à stater ou ballast électronique ( lampes fluocompacts) Les ballasts électronique qui résolvent certains défauts du ballast magnétique : Avantages : un échauffement faible, un allumage instantané sans clignotement et enfin, l'inutilité du starter. A ceci s'ajoute : un encombrement et poids réduit, une augmentation de la durée de vie du tube (jusqu'à 50% en plus selon les dires des fabricants), la suppression du scintillement 50Hz et une consommation d'énergie d'environ 20 à 30 % moindre. Lampes a induction : La lampes à induction utilise le même principe de décharge qu un tube fluorescent. La décharge s effectue grâce à un champs électromagnétique créer par un courant haute fréquence circulant dans une bibine. Il n y a donc plus aucune usure des électrode et filaments 3
Etude Harmonique des différentes lampes : Mesure du courant avec cordon 10 spires. Lampe halogène 100W pleine charge Allure de la tension et du courant : spectre harmonique de la tension : Cordon 10 spires I = 0,44 A et non 4,4 A spectre hamonique du courant : de la puissance La tension n est pas totalement sinusoïdale(elle devrait l être), il y a des perturbations sur le réseau EDF. La lampes halogène se comporte comme une Resistance pur (filament), on est donc en régime sinusoïdale : charge linéaire, on a bien un rapport de 2 entre valeurs efficaces et maximales Le gradateur pleine charge constitue une charge linéaire non pollueuse La charge étant résistive, la puissance est toujours positive. U et I en phase Puissance fondamentale seule 4
FP = 1 ; cos. = 1 il n existe pas de différence entre le facteur de puissance et le facteur de déphasage. -Comparons les valeurs du courant efficace IRMS et du fondamentale IH1. IRMS = 0,44A ; IH1 = 0,44A Les deux valeurs sont égales. Lampe halogène avec gradateur a mi charge ( 50 W ) Allure de la tension et du courant : I eff = 0,37 A THDI = 66,2 % IH1 = 0,31 A IH3 = 0,174 A Facteur de puissance = 0,65 Cos = 0,81 Facteur de crête= 2,39 spectre harmonique du courant : puissance : Cette allure de courant typique d un redresseur commandé s éloigne de la sinusoïde, d ou un spectre harmonique riche. Le taux de distorsion en courant est nettement plus faible que pour une charge à ballast électronique, mais la différence de puissance mise en jeu 100W/23W fait que il se produit des valeurs plus importante de IH. Dans nôtre cas d étude, c est la charge la plus pollueuse. 5
Lampe fluuorescente 9W à ballast magnétique : Allure de la tension et du courant : spectre harmonique du courant : Puissance : Facteur de puissance = 0,37 Cos = 0,36 ( peu de FP ) Facteur de crête = 1,56 (légèrement supérieure à 2) U et I étant déphasés, apparition d une puissance instantanée alternative. Le courant est fortement déphasé par rapport à la tension, mais son allure reste proche d une sinusoïde. Son spectre est donc très pauvre. Les différentes valeurs traduisent que cette charge est linéaire et peu pollueuse. Lampe fluo compact 23W ou ballast électronique : Allure de la tension et du courant : spectre harmonique du courant : 6
Spectre de la Puissance : La puissance active est la somme des puissances actives dues aux tensions et courants de même rang. Dans notre cas, malgré un spectre de courant très riche, la puissance active ne transite que par le fondamental. Ceci s explique par la tension qui est sinusoïdale, donc uniquement composé du fondamental. Le courant n est plus sinusoïdal, mais il reste périodique et d allure impulsionnel. - FP = 0,48 cos - FD= 0,56 traduit un signal très déformé. P = UH1.IH1.cos1 + UH2.IH2.cos2 + + UHn.IHn.cosn avec UH2 = 0 UHn = 0. Cette charge n est pas linéaire, le courant n est pas sinusoïdal. IRMS = 0,15A ; IH1 = 0,099A. Les deux valeurs ne sont plus égales Le spectre du fluo-compact est beaucoup plus riche. TDHu = 2,4%, la tension n est pas déformée. TDHi = 156,3%, le courant est très déformé. On constate que les valeurs cos et FP sont très différentes et que le facteur de crête de courant est très largement supérieur à 2. Le taux de distorsion en courant est très important et traduit bien l allure impulsionnel de ce dernier. Le taux de distorsion en tension ne s est pas dégradé, le ratio puissance charge/puissance réseau est beaucoup trop faible pour le faire évoluer. La lampe à ballast électronique est une charge non linéaire pollueuse. Lampe à induction 23W : Allure de la tension et du courant : spectre harmonique du courant : 7
Puissance : I eff = 0,175 A THDI = 169 % IH1 = 0,088 A IH3 = 0,073 A Facteur de puissance = 0,45 Cos = 0,86 Facteur de crête= 4,35 La forme du courant est identique au ballast magnétique, ce qui est logique vue que l électronique associée au 2 lampes commence par un pont redresseur sur charge capacitive (comme pour une alimentation a découpage ) On retrouve donc les même caractéristiques c est a dire une charge non linéaire très pollueuse Relevé pour l ensemble des charges : 8
Nous constatons une déformation importante des courants sur les charges lampe à ballast électronique et lampe à induction ce qui donne d après le théorème de Fourrier un spectre important très riche en harmoniques donc un TDHi important et un facteur de puissance FP faible. Ces charges sont très pollueuses mais leur faible puissance fait qu elle ne perturbent pas notre installation. Attention, bien que de faible puissance, ces appareils installés en très grand nombre et fonctionnant simultanément, ont des conséquences très importantes sur les niveaux d harmoniques de rang 3, 5, 7, 11 et 13 qui apparaissent sur le réseau. Les gradateurs sont des pollueurs identifiés car en général, les puissances sont de l'ordre de 0,5 à 1 kw. Bien que le TDHi d'un gradateur est inférieur au TDHi d'une lampe à ballast électronique, ce qui importe c'est l'amplitude des courants harmoniques. Les relevés «toutes les charges» mettent en évidence que le TDHi est de 36 % et le FP de 0,88. Ceci met en évidence que les TDHi des différents pollueurs ne s'ajoutent pas algébriquement, et l'on obtient même une valeur bien plus faible que les trois pollueurs pris individuellement. Pourquoi? Les charges sont mises en parallèle par des longueurs de câble différentes, et sont toutes de natures spectrales différentes, l'addition des raies harmoniques n'est pas une somme algébrique mais vectorielle. 9