PERTURBATIONS PUISSANCES ÉNERGIES

PERTURBATIONS PUISSANCES ÉNERGIES Présenté par Hédi Besrour Puissances, Énergies, Perturbations page 1

Plan d exposé NOTIONS DE CHARGE (LINEAIRE et DEFORMANTE) LE SPECTRE HARMONIQUE LA PROBLÉMATIQUE EFFETS DES HARMONIQUES COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE SOLUTION AUX HARMONIQUES QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER CES HARMONIQUES? EXEMPLES Puissances, Énergies, Perturbations page 2

NOTIONS DE CHARGE L'énergie électrique est distribuée sous forme de trois tensions sinusoïdales constituant le réseau triphasé équilibré. Selon leurs caractéristiques d'entrée, certaines charges peuvent perturber cette distribution. Puissances, Énergies, Perturbations page 3

LES CHARGES LINEAIRES HIER Hier, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique étaient des charges dites LINÉAIRES : charges appelant un courant de forme identique à la tension, c est à dire quasi sinusoïdal comme les convecteurs électriques ou encore les lampes à incandescences. T = 20 ms f = 50 Hz Amplitude 325 V Veff = 230 V Tolérance sur la tension efficace : 10 % Conséquence fondamentale :la majorité des équipements sont conçus pour être alimentés par une source de tension satisfaisant à ces références Puissances, Énergies, Perturbations page 4

LES CHARGES DEFORMANTES AUJOURD HUI Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension. Les signaux analysés s éloignent de l allure sinusoïdale de départ. Puissances, Énergies, Perturbations page 5

Une Installation aujourd hui Perturbations Électrique Source Éclairage Informatique Variateur de Vitesse Chauffage & Climatisation Puissances, Énergies, Perturbations page 6

LE SPECTRE HARMONIQUE Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, d'amplitudes et de fréquences, et multiples de la fréquence fondamentale. Puissances, Énergies, Perturbations page 7

LE SPECTRE HARMONIQUE f rang= f Harmo. Fond. Décomposition harmonique d un signal déformé. Puissances, Énergies, Perturbations page 8

LE SPECTRE HARMONIQUE (suite) Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmonique correspondant Récepteur résistif - Fours industriels à résistances régulées par commande à trains d ondes - Lampe à incandescence, convecteurs, chauffe-eau. - Tubes fluorescents, Eclairage - Lampes à vapeur HP. Redresseur monophasé à diodes avec filtrage Alimentation à découpage - Micro-informatique, - Télévisions, - Lampes à ballast électronique. Récepteurs consomment de l'énergie réactive Puissances, Énergies, Perturbations page 9

Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmonique correspondant Redresseur triphasé à diodes avec filtrage - Variation de vitesse des moteurs asynchrones. Gradateur monophasé (commande par angle de phase) - Régulation de puissance de fours à résistances, - Modulation de puissance des lampes halogènes. Redresseur triphasé à thyristors - Variation de vitesse des moteurs à courant continu et des moteurs synchrones, - Electrolyseurs. Moteur asynchrone - Machines outils, - Appareils électroménagers, - Ascenseurs. Puissances, Énergies, Perturbations page 10

LA PROBLÉMATIQUE Présence de charges déformantes = Courant déformé «I» Courant déformé x «Z» Impédance interne des générateurs = «V» Tensions harmoniques Tensions harmoniques = Tension non sinusoïdale Conclusion : Cette tension déformée est commune à tous les autres récepteurs du réseau. Elle est préjudiciable au bon fonctionnement de l'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau. Puissances, Énergies, Perturbations page 11

EFFETS DES HARMONIQUES Les phénomènes de résonance Les phénomènes de résonance proviennent de la présence d éléments capacitifs et réactifs sur le réseau d alimentation électrique (ligne, transformateur, capacité de relèvement de facteur de puissance), générant ainsi des amplitudes élevées sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple). Destruction des condensateurs de compensation d énergie réactive Puissances, Énergies, Perturbations page 12

EFFETS DES HARMONIQUES (suite) Les échauffements dans les conducteurs et équipements électriques Les conducteurs électriques véhiculent les courants harmoniques qui produisent, par effet Joule, un échauffement des conducteurs au même titre que le courant fondamental Les échauffements dans les batteries condensateurs Is A Iz A' G C Z Ic Source charge non linéaire B B' L'impédance d'une batterie de condensateurs décroît avec les rang des harmoniques. Ceci entraîne une augmentation de l'intensité absorbée par les condensateurs provoquant ainsi des échauffements. Compensation de l'énergie réactive Puissances, Énergies, Perturbations page 13

EFFETS DES HARMONIQUES (suite) Les effets dans le conducteur Neutre 0 360 Les courants harmoniques de rang multiple de 3 à partir des 3 phases vont s additionner et donner naissance dans le conducteur neutre à la circulation d un courant. Puissances, Énergies, Perturbations page 14

EFFETS DES HARMONIQUES (suite) Effets immédiats Accroissement des pertes par effet Joule Charge non linéaire absorbant un courant de valeur efficace I 2 2 2 2 1 2 3 n I = I + I + I +... + I Ligne de résistance R Pertes Joule : P j = RI 2 2 ( 2 2 2 ) = + 2 + 3 + + ( 2 2 2) n Δ P = R I j 2 + I 3 +... + In P R I R I I... I j 1 Accroissement relatif : ΔP j P = j1 Tdh 2 Puissances, Énergies, Perturbations page 15 15

EFFETS DES HARMONIQUES (suite) Effets immédiats Dégradation du facteur de puissance Réduction de la puissance des moteurs Différences de potentiel entre masses Surcharges des câbles, transformateurs et moteurs Bruits et vibrations perturbation des systèmes électroniques Surdimensionnement de certains composants : conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs Effets à moyen et long terme Réduction de la durée de vie des moteurs Réduction de la durée de vie des transformateurs Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques Puissances, Énergies, Perturbations page 16

COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE φ Apparente S : S=VI Active P : P=VI cosφ 1 1 Réactive Q : Q=VI sinφ 1 1 P 2 2 + Q =VI <S 1 cos φ = P = S Fp Le cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non déformés. Le cosinus φ n est plus applicable, on parle alors de : FACTEUR DE PUISSANCE Puissances, Énergies, Perturbations page 17

COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE V I thyristor Puissance active : P = U x I x cos φ cos φ = 1 φ Le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale "Courant" est nul. Le cosinus φ est égal à 1 mais dans le cas de signaux déformés LE FACTEUR DE PUISSANCE < COS φ. Puissances, Énergies, Perturbations page 18

COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE La charge non linéaire, lorsqu elle est soumise à une tension sinusoïdale, absorbe un courant dit "déformé" : il n y a plus proportionnalité entre courant et tension. On intègre dans la formule de FP la puissance dite DÉFORMANTE qui traduit les effets de la distorsion harmonique. i I 2sin t- 1 1 + n=2 () t = ( ω φ ) I 2sin( nωt-φ ) n n P Fp= S = P P² + Q² + D² f = p cosφ 1 ( ) 1+ T dh 2 Puissances, Énergies, Perturbations page 19

COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite) Puissances, Énergies, Perturbations page 20

INTÉRÊT DU RELEVEMENT DU FACTEUR DE PUISSANCE La compensation d énergie réactive apporte : Un allègement de la facturation pour l abonné Une augmentation de la puissance disponible sur l installation Une diminution des pertes Une réduction de la chute de tension de ligne Puissances, Énergies, Perturbations page 21

QUE FAIRE? Réduire le taux d harmoniques Compenser l'installation grâce à l'adjonction de batteries de condensateurs Formule : Qc = P ( tanϕ -tanϕ ') P activ ϕ' ϕ S e Q' Q S' Qc Puissances, Énergies, Perturbations page 22

EN50160 et Harmoniques Les limites maximales pour chaque harmonique en tension à la source en % de la tension nominale. 95% de la tension TRMS moyenne de 10 minutes pendant une semaine doit rester dans ces limites. sachant que le taux global d'harmonique en tension ne doit pas dépasser 8 % dans une installation de distribution basse tension. Harmoniques impaires Non multiples de 3 Multiples de 3 Rang h Tension relative Rang h Tension relative Harmoniques paires Rang h Tension relative 5 6 % 3 5 % 2 2 % 7 5 % 9 1,5 % 4 1 % 11 3,5 % 15 0,5 % 6 24 0,5 % 13 3 % 21 0,5 % 17 2 % 19 1,5 % 23 1,5 % 25 1,5 % Puissances, Énergies, Perturbations page 23

SOLUTION AUX HARMONIQUES Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement Mise en place de filtre : Filtres passifs Filtre résonnant, extrêmement efficace pour éliminer une harmonique de rang particulier "filtre passe-haut" Filtre amorti, filtrage de toutes les fréquences inférieures au rang considéré "filtre passe-bas" Filtres actifs Injecte des courants harmoniques équivalents mais en opposition de phase que ceux émis par les appareils. Puissances, Énergies, Perturbations page 24

QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER CES HARMONIQUES? Puissances, Énergies, Perturbations page 25

FORMULES Valeur RMS ( Root Mean Square) Les appareils numériques dit R.M.S réalisent la mesure efficace d un signal quelque soit sa forme, sinusoïdal ou déformé Courant mesuré Appareil NON RMS Mesure : I = 12 A Appareil RMS Même mesure : I = 16 A I R... = I ² fondamenta l+ Ih3 + Ih5 + Ih7 +... M S 2 2 2 Puissances, Énergies, Perturbations page 26

Facteur de Crête Dans le cas d une charge linéaire FC= IMax = 2= 1,414 I efficace Charge linéaire : soit 1,414 Matériel informatique : 2 à 3 Variateur de vitesse : environ 2 2 Absence d'harmonique Présence d'harmoniques Présence d'harmoniques Puissances, Énergies, Perturbations page 27

Le taux distorsion harmonique global THD A2 2 + A3 Rapport de la valeur efficace de l ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale Le facteur de distorsion global 2 A1 2 + A 2 4... = % A ou V DF A 0 2 + A 2 Aeff 2 + 2 A3 = % A ou V 2... Rapport de la valeur efficace de l ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du signal Puissances, Énergies, Perturbations page 28

Le taux distorsion harmonique rang par rang Détermination de la valeur efficace du rang d harmonique considéré ainsi que de son pourcentage par rapport à la fondamentale τ n = A n A 1 Exemple pour l harmonique 3 : 100 % τ n = A A 1 9 12 3 = = 75% 1 3 5 7 9 n Puissances, Énergies, Perturbations page 29

facteur K Le facteur K indique la quantité de chaleur produite par des courants sinusoïdaux par rapport à la même valeur efficace de courant sinusoïdal pur. Le facteur K, qui fournit une mesure des effets thermiques sur les transformateurs, est défini dans la norme ANSI/IEEE C57.110 Un champ magnétique, dit flux de fuite, est présent dans les enroulements des transformateurs. Ce flux induit des courants entraînant 1 à 10 % des pertes par effet Joule en régime sinusoïdal. En régime déformé, ces pertes peuvent être 20 fois supérieures à ces valeurs. Dans ce cas, la température du transformateur s élève, et peut dépasser la capacité thermique des isolants, allant jusqu à entraîner une défaillance du transformateur. Par ailleurs, les harmoniques apportent un courant élevé sur le neutre du secondaire du transformateur. Puissances, Énergies, Perturbations page 30

Les différentes perturbations selon la EN 50160 Coupures Creux de tension surtensions Fluctuations lentes Fluctuations rapides Déséquilibres Fréquence Harmoniques Puissances, Énergies, Perturbations page 31

Les différentes perturbations selon la EN 50160 Des normes internationales définissent la qualité de la fourniture. L'électricité distribuée comme tout produit consommable doit répondre à des critères de qualité bien définis. Transients = Transitoires Swells = Bosses Sags = Creux Over Voltage = Surtension Under Voltage = Sous tension Outage =Coupures Puissances, Énergies, Perturbations page 32

Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) Coupures brèves, longues et creux de tensions la norme donne des valeurs indicatives Toutes les valeurs efficaces de la tension fournie doivent situer dans la plage Un+10% et Un-15% Coupures brèves de tension : En utilisation normale, il se produit de brèves coupures avec une fréquence variant de 10 à 100 événements par an. La durée reste en général inférieure à 1 seconde. Coupures longues de tension : De durée supérieure à 3 min, ces événements sont considérés hors du domaine de validité de la norme et pour lesquelles il n est pas possible de donner de valeurs indicatives. Origine : - Effets imprévisibles des intempéries et causes externes. Creux de tension : Diminution de la tension en dessous de 90 % de Un. Le nombre de creux peut varier de 10 à 10000 durant une année. La plupart ont une durée inférieure à 1 seconde et un niveau le plus bas de 60 % de Un. Origine : - Appel de courant important sur le réseau, démarrage de récepteur forte puissance, défaut sur le réseau : court-circuit, défaut de terre, commutation de charge. Puissances, Énergies, Perturbations page 33

Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) Les Surtensions Origine : Foudre, fusion de fusible, enclenchement de condensateur, coupure de contacteur Surtensions temporaires : En Basse Tension : - la surtension peut atteindre la valeur de tension entre phase, à cause du déplacement du point de neutre du réseau triphasé. En Moyenne Tension : - réseau neutre à la terre, raccordés directement ou avec impédance, la surtension ne devra pas dépasser 1.7 Uc - réseau à neutre isolé ou résonant, elle ne devra pas dépasser 2.0 Uc Surtensions transitoires Entre Phase et Terre, les surtensions ne dépassent généralement pas 6 kv. Le temps de montée peut varier de quelques microsecondes à plusieurs millisecondes Puissances, Énergies, Perturbations page 34

Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) Variation de fréquence EN 50160 : La valeur moyenne de la fréquence fondamentale mesurée pendant 10 secondes sur des réseaux de distribution doit être compris dans l intervalle : 50 Hz ±1 % pendant 95 % d une semaine. Déséquilibre EN 50160 : Le déséquilibre est définit par l écart de symétrie du système triphasé, caractérisé par l égalité des modules de tension en valeur efficace et leurs déphasages relatifs. Pour chaque période d une semaine, 95% des valeurs efficaces calculées sur 10 min de la composante inverse de la tension d alimentation doit se situer entre 0 et 2% de la composante directe. Puissances, Énergies, Perturbations page 35

Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite) Les harmoniques et les interharmoniques Origine: présence de charges non linéaires sur le réseau EN 50160 : la valeur moyenne sur 10 min de la valeur efficace des harmoniques ne doit pas dépasser la valeur limite définie, pour chaque rang, en pourcentage de la tension nominale Un pendant 95% d une semaine. Exemple : H3:5%, H5:6%, H7:5%, H9:1.5%, H11:3.5%.) Le taux global d harmoniques (THD) ne doit pas excéder 8% de l amplitude de la fondamentale. Puissances, Énergies, Perturbations page 36

Phénomène Paramètre Limite Probabilités à ne pas dépasser Fréquence Valeur moyenne sur 10s +1%/-1% +4% / - 6% Variations de tension Variations rapides de tension Valeur TRMS moyenne sur 10 min Nombre d évènements +10%/-10% +10% / -15% Courte durée et 5% Un Courte durée et 10% Un 99,5% sur un an 100% du temps 95% sur une semaine 100% du temps Normal Plusieurs fois par jour Flicker Plt (2hr) 1 pour 95% d une semaine Creux de tension Nombre d évènements durée < 1 seconde et < 60% Un 10..1000 évènements par an > 50% sur tous les creux Interruptions courtes Nombre d évènements durée < 1 seconde et < 1% Un 10..1000 évènements par an > 70% sur toutes les interruptions Interruptions longues Nombre d évènements durée >180 secondes et <1% Un Surtensions (50Hz) Nombre d évènements Durée de quelques s > 110% Un et 1,5kV Transitoires en surtensions Nombre d évènements Durée de la µs à la ms > 1,5kV et < 6kV 10...50 évènements par an Déséquilibre Uneg/Upos sur 10 min <2% 95% de la semaine Harmoniques en tension InterHarmoniques Mains signaling Valeur moyenne RMS sur 10 min THD 8% A l étude Valeur moyenne RMS sur 3 sec Voir tableau des limites harmonique par harmonique 8% 95% de la semaine 95% de la semaine 99% de la journée Puissances, Énergies, Perturbations page 37

Comment lire l EN50160. Prenons l exemple que nous surveillons une alimentation secteur 230V. Après une semaine de surveillance nous trouverons: La tension TRMS avec un point toutes les 10 périodes (50 Hz) Ces mesures sont moyennées par intervalles de 10 min (Qta = moyenne de 10 périodes pendant 10 mn) 168 h (1 semaine) x 6 (6 Qta en 1 heure) = 1008 mesures de tension moyennes 95% des lectures (958 lectures) doivent être à +/ 10% du nominal. Aucune lecture ne doit dépasser +10% ou 15% du nominal. Donc jusqu à 5% des lectures (50 lectures) peuvent être en dessous 207V, mais sans jamais dépasser 195,5V. La valeur moyenne en tension ne doit jamais sortir de cette gamme 95% des mesures Vrms prises durant une semaine doivent être dans cette gamme. Puissances, Énergies, Perturbations page 38

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COMMENT MESURER? Monophasé CA8352 CA8342 CA8340 CA8335 CA8334 INVESTIGATION DIAGNOSTIC F27 CA 8220 CA 8230 CA8332 Triphasé non équilibrée MX240 PX120 Puissances, Énergies, Perturbations page 40

L ANALYSEUR DE PUISSANCES & HARMONIQUES QUALISTAR C.A 8334 Puissances, Énergies, Perturbations page 41

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L ANALYSEUR DE PUISSANCES & HARMONIQUES Principales grandeurs mesurées - Tension RMS AC : Tensions simples, jusqu'à 480 V - Tensions composées, jusqu'à 830 V - Courant RMS AC : Jusqu'à 240 A (Pinces MN) et jusqu'à 3000 A (AmpFlex) - Tensions et Courants PEAK - Fréquences : de 40 à 70 Hz - Puissances : Actives, réactives, Apparentes. Par phase et cumulées - Energies : Actives, Réactives, Apparentes - Harmoniques : en Tension, Courant ou Puissance. Jusqu'au rang 50 Principales valeurs calculées - Facteurs : de crête (courants et tensions), K pour les courants (adaptation rapport de transformation pour les transformateurs de courant), de puissance, de déplacement et de la tangente. - Effet "Flicker" pour les tensions - Déséquilibres entre phases (tensions et les courants) - Taux de distorsion harmonique - Valeur moyenne de n'importe quelle valeur calculée Fonctions complémentaires - Traitement graphique, Alarmes, Enregistrement, Datation et caractéristiques des perturbations (surtensions, creux et coupures ), Stockage - Impression immédiate de l'écran sur l'imprimante, Mémorisation d'écran - Communication numérique à liaison optique Puissances, Énergies, Perturbations page 43

le logiciel d exploitation sur PC( DataViewer en option) Configuration de l appareil Traitement de données Visualisation des données récapitulatif des paramètres selon la norme EN 50160 Puissances, Énergies, Perturbations page 44

Exemples d applications industrielles Exemple1: Exemple2: Puissances, Énergies, Perturbations page 45

Exemples d applications industrielles Exemple4: Sans filtre Avec filtre Puissances, Énergies, Perturbations page 46

Exemples d applications industrielles (suite) Exemple 4: Moteur avec démarrage direct Moteur avec variateur de vitesse Puissances, Énergies, Perturbations page 47

Exemples d applications industrielles (suite) Exemple 5: Exemple 6: Puissances, Énergies, Perturbations page 48

MERCI POUR VOTRE ATTENTION Puissances, Énergies, Perturbations page 49