EFFETS DES HARMONIQUES

Transcription

PERTURBATIONS
PUISSANCES
ÉNERGIES
Présenté par
Hédi Besrour
Puissances, Énergies, Perturbations
page 1
Plan d’exposé
y NOTIONS DE CHARGE (LINEAIRE et DEFORMANTE)
y LE SPECTRE HARMONIQUE
y LA PROBLÉMATIQUE
y EFFETS DES HARMONIQUES
y COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE
y SOLUTION AUX HARMONIQUES
y QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET
QUALIFIER CES HARMONIQUES ?
y EXEMPLES
page 2
z 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.
page 3
z 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
page 4
z LES CHARGES DEFORMANTES
AUJOURD’HUI
z Les récepteurs présents
déforment les signaux
électriques du courant
et de la tension.
z Les signaux analysés
s’éloignent de l’allure
sinusoïdale de départ.
page 5
z Une Installation aujourd’hui
Source
Perturbations
Électrique
Éclairage
Informatique
Variateur de
Vitesse
Chauffage &
Climatisation
page 6
z LE SPECTRE HARMONIQUE
Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux,
d'amplitudes et de fréquences, et multiples de la fréquence
fondamentale.
page 7
z LE SPECTRE HARMONIQUE
rang=
f Harmo.
f Fond .
Décomposition harmonique d’un signal déformé.
page 8
z LE SPECTRE HARMONIQUE (suite)
Types de charge
Récepteur résistif
Appareils concernés
Courant absorbé
- Fours industriels à
résistances régulées par
commande à trains
d’ondes
- Lampe à incandescence,
convecteurs, chauffe-eau.
- Tubes fluorescents,
Eclairage
Redresseur monophasé
à diodes avec filtrage
Alimentation à
découpage
- Lampes à vapeur HP.
- Micro-informatique,
- Télévisions,
- Lampes à ballast
électronique.
Récepteurs consomment
de l'énergie réactive
page 9
Spectre harmonique
correspondant
Types de charge
Redresseur triphasé à
diodes avec filtrage
Appareils concernés
Courant absorbé
- Variation de vitesse des
moteurs asynchrones.
- Régulation de puissance
Gradateur monophasé
(commande par angle de de fours à résistances,
phase)
- 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.
page 10
Spectre harmonique
correspondant
z LA PROBLÉMATIQUE
Présence de charges
déformantes
«I» Courant
déformé
Tensions
harmoniques
x
=
Courant déformé
«Z» Impédance interne
des générateurs
=
=
«V» 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.
page 11
z EFFETS DES HARMONIQUES
Les phénomènes de résonance
z 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).
ÎDestruction des condensateurs de compensation d’énergie réactive
page 12
z EFFETS DES HARMONIQUES (suite)
Les échauffements dans les conducteurs et équipements électriques
z 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
Iz
A
A'
Ic
G
C
Z
Source
charge non
linéaire
B
z 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
page 13
B'
Les effets dans le conducteur Neutre
0°
360°
z 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.
page 14
Effets immédiats
Accroissement des pertes par effet Joule
Charge non linéaire absorbant un courant de valeur efficace I
I = I12 + I 22 + I32 + .... + I n 2
Pertes Joule : Pj = R I 2
Ligne de résistance R
(
Pj = R I12 + R I 22 + I32 + .... + I n 2
)
Accroissement relatif :
(
ΔPj = R I 2 2 + I32 + .... + I n 2
ΔPj
Pj1
= Tdh
)
2
page 15
15
Effets immédiats
Î Dégradation du facteur de puissance
Î Réduction de la puissance des moteurs
Î Différences de potentiel entre masses
Î Surcharges des câbles , transformateurs et moteurs
Î Bruits et vibrations
Î perturbation des systèmes électroniques
Î Surdimensionnement de certains composants :
conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs
Effets à moyen et long terme
Î Réduction de la durée de vie des moteurs
Î Réduction de la durée de vie des transformateurs
Î Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques
page 16
z COS
φ ET FACTEUR DE PUISSANCE
Apparente S : S= V I
Active P :
φ
P = V I1 cosφ1
Réactive Q : Q= V I1 sinφ1
2
2
P + Q = V I1 < S
P
= Fp
cos φ =
S
zLe cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale "Courant"
dans le cas de signaux non déformés.
zLe cosinus φ n’est plus applicable, on parle alors de : FACTEUR DE PUISSANCE
page 17
z 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.
page 18
z COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE
z 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.
z On intègre dans la formule de FP la puissance dite
DÉFORMANTE qui traduit les effets de la distorsion
harmonique.
∞
i ( t ) = I 2 sin( ω t -φ1) + ∑ I n 2 sin nω t -φn
1
n=2
(
Fp=
P
=
S
P
P² + Q² + D²
)
fp =
page 19
cosφ 1
1+ ( Tdh )
2
z COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite)
page 20
zINTÉRÊT DU RELEVEMENT DU FACTEUR DE PUISSANCE
La compensation d’énergie réactive apporte :
Î Un allègement de la facturation pour l’abonné
Î Une augmentation de la puissance disponible
Î Une diminution des pertes
Î Une réduction de la chute de tension de ligne
sur l’installation
page 21
z QUE FAIRE ?
z Réduire le taux d ’harmoniques
z Compenser l'installation grâce à l'adjonction de
batteries de condensateurs
Formule : Qc = P ( tanϕ - tanϕ ')
Pactiv
ϕ'
ϕ
e
S
Q'
Q
S'
Qc
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
Harmoniques paires
Multiples de 3
Rang
h
Tension
relative
Rang
h
Tension
relative
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 %
page 23
z SOLUTION AUX HARMONIQUES
Î Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement
Î Mise en place de filtre :
z 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"
z Filtres actifs
Injecte des courants harmoniques
équivalents mais en opposition de phase
que ceux émis par les appareils.
page 24
QUELS PARAMETRES
ALLONS NOUS MESURER
POUR QUANTIFIER
ET QUALIFIER
CES HARMONIQUES ?
page 25
z FORMULES
Valeur RMS ( Root Mean Square)
z Les appareils numériques dit R.M.S
réalisent la mesure efficace d’un signal
quelque soit sa forme, sinusoïdal ou
déformé
Courant mesuré
Appareil RMS
Même mesure :
I = 16 A
Appareil NON RMS
Mesure :
I = 12 A
2
2
2
I R . M . S . = I ² fondamenta l + Ih3 + Ih5 + Ih7 +...
page 26
z Facteur de Crête
z Dans le cas d’une charge linéaire
FC =
Charge linéaire : 2 soit 1,414
Matériel informatique : 2 à 3
Variateur de vitesse : environ 2
IMax
Iefficace
= 2=1,414
Î Absence d'harmonique
Î Présence d'harmoniques
Î Présence d'harmoniques
page 27
z Le taux distorsion harmonique global
THD =
A2 + A3 + A4 ...
2
2
2
%
A ou V
2
A1
z Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du
signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale
z Le facteur de distorsion global
DF =
A 0 2 + A 2 2 + A 3 2 ...
Aeff
%
A ou V
2
z Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques
du signal sur la valeur efficace du signal
page 28
z Le taux distorsion harmonique rang par rang
z Détermination de la valeur efficace du
rang d’harmonique considéré ainsi
que de son pourcentage par rapport à
la fondamentale
An
τn =
A1
Exemple pour l’harmonique 3 :
A3 9
τn =
=
= 75%
A1 12
100 %
1
3
5
7
9
n
page 29
z facteur K
z Le facteur K indique la quantité de chaleur produite par
des courants sinusoïdaux par rapport à la même valeur
efficace de courant sinusoïdal pur.
z 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.
page 30
z Les différentes perturbations selon la EN 50160
z Coupures
z Fluctuations rapides
z Creux de tension
z Déséquilibres
z surtensions
z Fréquence
z Fluctuations lentes
z Harmoniques
page 31
z 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
page 32
Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)
z Coupures brèves,
la norme donne des valeurs indicatives
les valeurs efficaces de la tension fournie doivent situer
longues et creux Toutes
dans la plage Un+10% et Un-15%
de tensions
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.
page 33
z 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
page 34
z 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.
z 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.
page 35
z 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.
page 36
Phénomène
Limite
Paramètre
Probabilités à ne pas dépasser
Fréquence
Valeur moyenne sur 10s
+1%/-1%
+4% / - 6%
99,5% sur un an
100% du temps
Variations de tension
Valeur TRMS moyenne
sur 10 min
+10%/-10%
+10% / -15%
95% sur une semaine
100% du temps
Variations rapides de
tension
Nombre d’évènements
Courte durée et 5% Un
Courte durée et 10% Un
Normal
Plusieurs fois par jour
Flicker
Plt (2hr)
Creux de tension
durée < 1 seconde et < 60% Un
10..1000 évènements par an
> 50% sur tous les creux
Interruptions courtes
durée < 1 seconde et < 1% Un
10..1000 évènements par an
> 70% sur toutes les interruptions
Interruptions longues
durée >180 secondes
et <1% Un
10...50 évènements par an
Surtensions (50Hz)
Durée de quelques s > 110% Un et ≤
1,5kV
Transitoires en
surtensions
Durée de la µs à la ms > 1,5kV et <
6kV
Déséquilibre
Uneg/Upos sur 10 min
<2%
95% de la semaine
Harmoniques en
tension
Valeur moyenne RMS sur
10 min
THD ≤ 8%
Voir tableau des limites harmonique
par harmonique
≤ 8%
95% de la semaine
≤ 1 pour 95% d’une semaine
InterHarmoniques
A l’étude
Mains signaling
Valeur moyenne RMS sur
3 sec
95% de la semaine
99% de la journée
page 37
Comment lire l’EN50160.
Prenons l’exemple que nous surveillons une alimentation secteur 230V.
Après une semaine de surveillance nous trouverons:
y La tension TRMS avec un point toutes les 10 périodes (50 Hz)
y Ces mesures sont moyennées par intervalles de 10 min (Qta = moyenne de 10 périodes pendant 10 mn)
y 168 h (1 semaine) x 6 (6 Qta en 1 heure) = 1008 mesures de tension moyennes
y 95% des lectures (958 lectures) doivent être à +/‐10% du nominal. y Aucune lecture ne doit dépasser +10% ou ‐15% du nominal. y 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.
page 38
page 39
z COMMENT MESURER ?
CA8352
CA8342
CA8340
Monophasé
CA8335
INVESTIGATION
DIAGNOSTIC
CA8334
CA 8230
CA8332
CA 8220
F27
Triphasé non équilibrée
MX240
PX120
page 40
z LL’ANALYSEUR
’ANALYSEUR DE
DE PUISSANCES
PUISSANCES &
& HARMONIQUES
HARMONIQUES
z
QUALISTAR C.A 8334
page 41
page 42
z 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
page 43
le logiciel d’exploitation sur PC( DataViewer
Configuration de l’appareil
Visualisation des données
en option
)
Traitement de données
récapitulatif des paramètres selon la norme EN 50160
page 44
Exemples d’applications industrielles
Exemple1:
Exemple2:
page 45
Exemples d’applications industrielles
Exemple4:
Sans filtre
Avec filtre
page 46
Exemples d’applications industrielles (suite)
Exemple 4:
Moteur avec démarrage direct
Moteur avec variateur de vitesse
page 47
Exemples d’applications industrielles (suite)
Exemple 5:
Exemple 6:
page 48
MERCI POUR VOTRE
ATTENTION
page 49

EFFETS DES HARMONIQUES

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