Élimination des harmoniques dans les installations - apc. · PDF fileLes équipements incorporant des dispositifs électroniques d'alimentation sont la principale cause des harmoniques

Élimination des harmoniques dans les

installations

Sommaire Harmoniques ................................................................... 2

Définition, origine et types d'harmoniques ............................................2 Valeurs caractéristiques des harmoniques ...........................................5 Effets des harmoniques ........................................................................7

Élimination des harmoniques ........................................ 12 Stratégies contre les harmoniques .......................................................12 Vivre avec les harmoniques .................................................................12 Solutions Schneider Electric pour éliminer les harmoniques ...............13

Compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine ........ 14 Procédure de mise en œuvre de la compensation active .....................20

Schneider Electric Édition 09/2015 p. 1

Harmoniques (suite)

Définition, origine et types d'harmoniques

Harmoniques Les harmoniques sont des tensions ou des courants sinusoïdaux dont la fréquence est un multiple entier (k) de la fréquence du réseau de distribution, appelée fréquence fondamentale (50 à 60 Hz). Lorsqu'elles sont combinées à la tension ou au courant fondamental sinusoïdal, les harmoniques provoquent la distorsion de la forme d'onde de la tension ou du courant (voir fig. 3.1). Les harmoniques sont généralement nommées Hk, où k est le rang de l'harmonique. • IHk ou UHk indique le type d'harmonique (tension ou courant). • IH1 ou UH1 désigne la tension ou le courant sinusoïdal à 50 ou 60 Hz lorsqu'il n'y a pas d'harmoniques (tension ou courant fondamental).

H1 (50 Hz) H3 (150 Hz) H1 + H3

Fig. 3.1. Distorsion de H1 (la fondamentale) par H3 (harmonique de troisième rang) Les charges non linéaires en sont la cause Les équipements incorporant des dispositifs électroniques d'alimentation sont la principale cause des harmoniques. Pour alimenter les composants électroniques en courant continu, l'équipement dispose d'une alimentation à découpage avec un redresseur à l'entrée qui génère des courants harmoniques. Il s'agit, par exemple, d'ordinateurs, de variateurs de vitesse, etc. Les autres charges causent une distorsion du courant à cause de leur mode de fonctionnement et génèrent aussi des harmoniques. Il s'agit, par exemple, des lampes fluorescentes, des lampes à décharge, des machines à souder et des dispositifs comportant un cœur magnétique qui peut être saturé.

Toutes les charges qui provoquent une distorsion du courant sinusoïdal normal créent des harmoniques, et sont appelées des charges non linéaires.

Ordinateur Variateur de vitesse Lampe fluorescente

Fig. 3.2. Exemples de charges non linéaires causant des harmoniques

Charges linéaires et non linéaires Le réseau électrique fournit aux charges une tension sinusoïdale de 50/60 Hz. La forme d'onde du courant fourni par la source en réponse aux besoins de la charge dépend du type de charge. Charges linéaires Le courant absorbé est sinusoïdal avec la même fréquence que la tension. Le courant peut être en retard (déphasage, angle ϕ) par rapport à la tension. • La loi d'Ohm définit une relation linéaire entre la tension et le courant (U = ZI) avec un coefficient constant, l'impédance de charge. Le rapport entre le courant et la tension est linéaire.


Harmoniques (suite)

C'est parce qu'elles sont conformes à cette loi qu'on nomme linéaires des charges telles que les ampoules classiques, les systèmes de chauffage, les charges résistives, les moteurs, les transformateurs, etc. • Elles ne contiennent aucun composant électronique actif, seulement des résistances (R), des bobines d'inductance (L) et des condensateurs (C). Charges non linéaires • Le courant absorbé par la charge est périodique, mais pas sinusoïdal : la forme d'onde du courant est déformée par les courants harmoniques. • La loi d'Ohm définissant le rapport entre la tension totale et le courant (1) n'est plus valide car l'impédance de la charge varie au cours d'une période (voir fig. 3.3). Le rapport entre le courant et la tension n'est pas linéaire. • Le courant absorbé par la charge résulte en fait de la combinaison des éléments suivants : - un courant sinusoïdal appelé « composante fondamentale », à une fréquence de 50 ou 60 Hz ; - les harmoniques, qui sont des courants sinusoïdaux dotés d'une amplitude inférieure à celle de la composante fondamentale, mais dont la fréquence est un multiple de la composante fondamentale et définit l'ordre des harmoniques. Par exemple, l'harmonique de rang 3 possède une fréquence égale à 3 x 50 Hz (ou 60 Hz). (1) La loi d'Ohm s'applique à chaque tension et courant du même rang d'harmoniques, Uk = Zk Ik, où Zk est l'impédance de charge pour le rang donné, mais ne vaut plus pour la tension et le courant totaux.

Charges linéaires et non linéaires, voir Ch. 1 p. 11 « Qualité de l'alimentation fournie par les ASI ».

Un bon exemple en sont les charges RCD (résistances, condensateurs, diodes) qui se trouvent dans la majeure partie des alimentations électriques utilisées avec les dispositifs électroniques. ● Le condensateur C, en régime stable, ne se charge que si la tension de ligne instantanée est supérieure à la tension entre ses bornes. ● À partir de ce point, l'impédance de charge est faible (diode allumée). Avant, l'impédance était importante (diode éteinte). ● L'impédance d'une charge non linéaire varie donc en fonction de la tension entre ses bornes. ● L'impédance n'est pas constante et la tension et le courant ne sont plus sinusoïdaux.● La forme du courant est plus complexe, et peut être représentée, en utilisant le théorème de Fourier, en ajoutant : - un courant avec la même fréquence f que la tension, appelé « composante fondamentale » ; - d'autres courants dont les fréquences kf (k est un nombre entier > 1) sont appelées harmoniques. ● La figure donne une idée générale du courant de charge en ne montrant que deux rangs d'harmoniques, IH3 et IH5.

Fig. 3.3. Tension et courant des charges non linéaires Types d'harmoniques et aspects spécifiques des harmoniques à séquence zéro Types d'harmoniques Les charges non linéaires causent trois types de courants harmoniques, tous de rang impair (car la sinusoïde est une fonction « impaire »). • Harmoniques H7 - H13 - …. : séquence positive. • Harmoniques H5 - H11 - …. : séquence négative. • Harmoniques H3 - H9 - …. : séquence zéro.

Aspects spécifiques des harmoniques à séquence zéro (H3 et multiples)


Harmoniques (suite)

Les courants harmoniques à séquence zéro (H3 et multiples impairs, écrit 3(2k+1), où k est un entier) dans les systèmes triphasés s'accumulent dans le conducteur du neutre. Comme leur rang est un multiple du nombre de phases (3), les harmoniques coïncident avec de déphasage (un tiers de période) des courants de phase. La figure 3.4 illustre ce phénomène sur une période. Les courants des trois phases sont déphasés d'un tiers de période (T/3), c'est-à-dire que les harmoniques IH3 respectives IH3 sont en phase et que les valeurs instantanées s'ajoutent. Par conséquent : • Quand il n'y a pas d'harmoniques, le courant dans le neutre est égal à zéro : IN = I1+I2+I3 = 0 • Quand il y a des harmoniques, le courant dans le neutre est égal à : I1 + I2 + I3 = 3 IH3 Il est donc nécessaire de faire particulièrement attention à ce type d'harmoniques dans les installations ayant un neutre distribué (applications commerciales et d'infrastructure).

Fig. 3.4. Les harmoniques de rang 3 et leurs multiples s'additionnent dans le conducteur neutre.


Harmoniques (suite)

Fig. 3.5. Quand il y a des harmoniques H3 et leurs multiples impairs, le courant du conducteur neutre n'est plus égal à zéro, il est la somme des harmoniques de séquence zéro.

Valeurs caractéristiques des harmoniques

L'analyse harmonique d'un courant non linéaire consiste à déterminer les éléments suivants : • le rang des harmoniques présentes dans le courant ; • l'importance relative de chaque rang. Vous trouverez ci-dessous quelques valeurs caractéristiques d'harmoniques et des rapports à la composante fondamentale utilisés dans l'analyse des harmoniques.

Voir le livre blanc WP 17 Pour plus d'informations sur les harmoniques, voir Ch. 5 et les explications du

Livre blanc n° 17, « Understanding Power Factor, Crest Factor and Surge Factor » (Comprendre les facteurs de puissance, de crête et de surtension). Valeur efficace des harmoniques Il est possible de mesurer la valeur efficace de chaque rang d'harmonique car les différents courants harmoniques sont sinusoïdaux, mais leurs fréquences sont des multiples différents de la fréquence fondamentale. • IH1 est la composante fondamentale (50 ou 60 Hz). • IHk est la composante harmonique, où k est le rang d'harmonique (k fois 50 ou 60 Hz). L'analyse harmonique est utilisée pour déterminer les valeurs. Intensité efficace totale

Irms IH IH IH IHk= + + + + +1

22

23

2 2... ...

Harmoniques individuelles Chaque harmonique est exprimée sous forme d'un pourcentage, c'est-à-dire le rapport entre sa valeur efficace et celle de la composante fondamentale. Ce rapport est le niveau de l'harmonique en question.

Hk% = distorsion de l'harmonique k = 100

1

IHIH

k

Distorsion harmonique de la tension et du courant Les charges non linéaires créent des harmoniques de courant et de tension. En effet, pour chaque harmonique de courant de charge, il existe une harmonique de tension d'alimentation de même fréquence. Par conséquent, la tension subit également une distorsion par les harmoniques. La distorsion d'une onde sinusoïdale est présentée sous forme de pourcentage :

THD*% = distorsion totale = 100

rms value of allharmonicsrms value of fundamental

* Distorsion harmonique totale.

Les valeurs suivantes sont définies :


Harmoniques (suite)

• THDU% pour la tension, fonction des harmoniques de tension ; • THDI% pour le courant, fonction des harmoniques de courant. La valeur THDI (ou THDU pour la tension) est mesurée à l'aide de l'équation :

THDI

IH IH IH HIH

k%... ...

=+ + + + +

100 22

32

42 2

1

Facteur de crête Le facteur de crête (Fc), utilisé pour caractériser la forme du signal (courant ou tension), est le rapport entre la valeur de crête et la valeur efficace.

Fc

peak valuerms value

=

Ci-dessous sont les valeurs typiques pour différentes charges : • Charge linéaire : Fc = 2 = 1,414 • Grand système : Fc = 2 à 2,5 • Ordinateurs personnels : Fc = 2 à 3 Spectre de courant harmonique La définition du spectre d'un courant harmonique consiste à déterminer la forme d'onde du courant et les différentes harmoniques, ainsi que certaines valeurs telles que THDI et FC.

Courant d'entrée d'un redresseur triphasé

Harmoniques individuelles

H5 = 33 % H7 = 2,7 % H11 = 7,3 % H13 = 1,6 % H17 = 2,6 % H19 = 1,1 % H23 = 1,5 % H25 = 1,3 %

THDI = 35 % Fc = 1,45

Spectre des harmoniques et THDI

correspondant Fig. 3.6. Spectre des harmoniques du courant absorbé par une charge non linéaire Facteur de puissance Facteur de puissance Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active (en kW) et la puissance apparente S (en kVA) entre les bornes d'une charge non linéaire.

)kVA(S)kW(P

=λ

Il n'exprime pas le déphasage entre la tension et le courant, car ils ne sont plus sinusoïdaux. Déphasage entre le courant fondamental et la tension Le déphasage ϕ1 entre le courant fondamental et la tension, tous deux sinusoïdaux, peut être défini comme :

)kVA(S)kW(Pcos

1

11 =ϕ

où P1 et S1 sont respectivement les puissances active et apparente, correspondant à la composante fondamentale. Facteur de distorsion Le facteur de distorsion est défini comme :

1cos1 2THDI

1

ϕλ

=−=+1

v (tel que défini par

CEI 60146). Lorsqu'il n'y a pas d'harmoniques, ce facteur est égal à 1 et le facteur de puissance est simplement cos ϕ.


Harmoniques (suite)

Puissance Charge linéaire Entre les bornes d'une charge linéaire triphasée équilibrée alimentée par une tension entre phases U et un courant I, où le déphasage entre U et I est ϕ, les valeurs de puissance sont : • P apparente = S = UI, en kVA ; • P active = S cos ϕ, en kW ; • P réactive = Q = S sin ϕ, en kvar.

22 QPS += Charge non linéaire Entre les bornes d'une charge non linéaire, l'équation définissant P est beaucoup plus complexe car U et I contiennent des harmoniques. P peut toutefois être exprimé simplement par l'équation : • P = S λ (λ = facteur de puissance) Pour les composantes fondamentales U1 et I1, déphasées de ϕ1 : • P fondamentale apparente = 3IUS 111 = • P fondamentale active P1 = S1 cos ϕ1 • P fondamentale réactive Q1 = S1 sin ϕ1

22121 DQPS ++= où D est la puissance de distorsion, due aux harmoniques.

Perte de puissance apparente Effets des harmoniques La figure 3.7 montre que le produit d'une tension à la fréquence fondamentale sans harmoniques et d'un courant harmonique multiple de trois est nul à la fin d'une période. Cela reste vrai quels que soient la phase et le rang de l'harmonique.

Dans les dispositifs électriques, les harmoniques ne produisent pas de puissance active ou réactive, seulement des pertes par l'effet Joule (ri2).

Cela est exprimé par la relation 22121 DQPS ++=

Une partie de la puissance apparente est consommée par les harmoniques, sans effet. • Dans les machines rotatives, le couple du moteur obtenu est égal à zéro, et seul un couple parasite pulsatoire existe, créant des vibrations. • La seule puissance active présente pendant une chute de tension est la chaleur produite par le courant harmonique (IHk) dans un conducteur de résistance r (r IHk

2). Voir le livre blanc WP 26

Voir le Livre blanc WP 26 : « Hazards of Harmonics and Neutral Overloads » (Dangers des harmoniques et des surcharges sur le neutre) pour plus d'informations.


Harmoniques (suite)

Fig. 3.7. Produit de U x I pour les composantes fondamentales (haut) et pour les fondamentales avec harmoniques (bas) Échauffement des câbles L'échauffement dû aux courants

harmoniques s'ajoute à l'échauffement causé par le courant fondamental.

L'échauffement des câbles est exprimé par l'équation :

Pertes = ∑∞

=1n

2IHnr

Courant dans le neutre Le neutre doit être surdimensionné

pour prendre en compte les harmoniques de troisième rang et leurs multiples.

Les harmoniques de rang 3 et leurs multiples s'additionnent dans le conducteur neutre (voir fig. 3.8). Le courant dans le neutre peut atteindre 1,7 fois celui des phases.

Conséquences Pertes considérables dans le neutre r Ineutre

2 = échauffement du neutre.


Harmoniques (suite)

Fig. 3.8. Les harmoniques de rang 3 et leurs multiples s'additionnent dans le conducteur neutre. Charges autopolluantes La distorsion du courant THDI, causée par la charge, cause la distorsion de la tension THDU, causée par les courants harmoniques circulant à travers les différentes impédances, depuis la source. La figure 3.9 montre les différentes formes de distorsion dans une installation électrique ordinaire.

La distorsion de la tension reflète celle du courant et augmente proportionnellement à la somme des impédances en amont de la charge non linéaire

Fig. 3.9. Effets des harmoniques dans l'ensemble de l'installation


Harmoniques (suite)

Risque de panne des condensateurs La valeur d'un courant dans un condensateur est égale à :

Pour conclure, plus le contenu de composantes de rang élevé est important dans la tension, plus la situation est difficile pour le condensateur. Il est souvent nécessaire d'utiliser des

I = U C ω Pour un courant harmonique de rang k, la fréquence angulaire est égale à ω = 2π k f, et le courant est égal à : I = 2 π k f U C où f correspond à la fréquence fondamentale et k au rang de l'harmonique. Il en découle que la valeur du courant augmente avec la valeur de k. Qui plus est, pour une fréquence harmonique, il peut également y avoir une résonance (1) du condensateur (capacitance C) avec l'inductance équivalente (L) de la source (transformateur, principalement inductif) en parallèle avec les autres charges fournies. Ce circuit résonant (voir fig. 3.10) amplifie notablement le courant harmonique de rang correspondant, empirant ainsi la situation du condensateur. (1) C'est le cas si, pour une harmonique de rang k et de fréquence fk = k x 50 (ou 60) Hz, LCωk

2 ˜ 1, où ω= 2 π fk.

resonantLC circuit All

non-linearloads

Sourceimpedance

(transformer) inparallel with that

of other loadssupplied

harmoniccurrents

IH

L C

Fig. 3.10. Effets des harmoniques sur les condensateurs, risques de résonance Conséquences • risque de panne des condensateurs ; • risque de résonance dû à la présence des bobines d'inductance. Certaines limites doivent être observées : • U max = 1,1 Un • U max = 1,3 Un • THDU max = 8 % • Sélection du type de condensateur, en fonction de la situation, par exemple standard, classe h (isolation renforcée), avec bobines d'inductance harmoniques. Déclassement des transformateurs Un certain nombre d'effets sont combinés :

De manière générale, les harmoniques causent un déclassement de la source inversement proportionnel au facteur de puissance de la charge, c'est-à-dire que plus ce facteur de puissance est faible plus la source doit être

• En raison de l'effet de peau, la résistance d'un enroulement de transformateur augmente avec le rang des harmoniques. • Les pertes dues à l'hystérésis sont proportionnelles à la fréquence. • Les pertes dues aux courants de Foucault sont proportionnelles au carré de la fréquence. Conséquences

Conformément à la norme NFC 52-114, les transformateurs doivent être déclassés par application d'un coefficient k à leur puissance nominale, selon la formule suivante :

∑∞=

=

+

=n

2n

1,62nnH0,11

1k

Il s'agit d'une équation empirique. D'autres normes nationales recommandent un déclassement utilisant un facteur k similaire qui varie selon les pays (par exemple, BS 7821 Section 4, IEE 1100-1992). Exemple Un transformateur à 1 000 kVA alimente un pont redresseur à six impulsions qui absorbe les harmoniques suivantes : H5 = 25 %, H7 = 14 %, H11 = 9 % et H13 = 8 %. Le coefficient de déclassement est k = 0,91. La puissance apparente du transformateur est donc 910 kVA.



Harmoniques (suite)

Risque de perturbation des générateurs

Similaires aux transformateurs, les générateurs subissent des pertes plus importantes en raison de l'hystérésis et des courants de Foucault.

En pratique, le THDI du courant dans le générateur ne doit pas dépasser 20 %. Pour toute valeur supérieure, le déclassement est nécessaire.

• La réactance subtransitoire X"d augmente en fonction de la fréquence. • Le champ rotatif « harmonique » balaye le rotor à une fréquence différente de celle du synchronisme (50 ou 60 Hz). Conséquences • création d'un couple parasite causant un rendement moindre de la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique ; • pertes supplémentaires dans les bobines d'inductance et dans l'amortisseur du rotor ; • présence de vibrations et de bruits anormaux. Déperditions dans les moteurs asynchrones Les harmoniques produisent les effets suivants dans les moteurs asynchrones : • augmentations des pertes par effet Joule et des pertes fer (pertes au stator) ; • couple pulsatoire (pertes au rotor avec une chute du rendement mécanique).

Le THDU doit être inférieur à 10 % pour limiter ces phénomènes. Effets sur d'autres équipements Les harmoniques peuvent également perturber le fonctionnement des équipements suivants : • déclencheurs sans valeur efficace, ce qui cause des déclenchements intempestifs de disjoncteurs ; • centraux téléphoniques automatiques ; • alarmes ; • équipement électronique sensible ; • systèmes télécommandés. Effets sur les systèmes d'ASI récents Les ASI modernes ont des fréquences de hachage (PWM) très élevées et une impédance en sortie très faible (similaire à celle d'un transformateur cinq fois plus puissant). Lorsqu'elles sont confrontées à des charges non linéaires, ces ASI proposent : • des pertes limitées ; • un fonctionnement avec limitation du courant ; • une distorsion très faible de la tension (THDU < 3 %).

Les ASI sont un excellent moyen pour alimenter les charges non linéaires. Conclusion Les harmoniques peuvent avoir des effets dommageables sur les installations électriques et la qualité de leur fonctionnement. C'est pourquoi les normes internationales définissent des niveaux de compatibilité avec les harmoniques de plus en plus précis pour les équipements et établissent des limites sur la quantité d'harmoniques sur les réseaux d'alimentation publics.

Normes sur les harmoniques, voir « Normes des ASI » au Ch. 5 p. 29. Les pages suivantes présentent les différentes stratégies concernant les harmoniques et l'utilité des compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine.

Élimination des harmoniques

Stratégies contre les harmoniques

Il existe deux stratégies possibles : • Vous pouvez accepter de « faire avec » les harmoniques, ce qui revient essentiellement à surdimensionner les équipements pour prendre en compte les effets des harmoniques. • Vous pouvez éliminer tout ou partie des harmoniques à l'aide de filtres ou de compensateurs actifs d'harmoniques.

Vivre avec les harmoniques

Surdimensionnement des équipements Comme les effets négatifs des courants harmoniques augmentent avec l'impédance cumulative des câbles et des sources, la solution évidente consiste à limiter l'impédance totale afin de réduire la distorsion de la tension et l'échauffement. La figure 3.11 montre le résultat du doublement de la section des câbles et de la puissance nominale de la source. Comme le THDU dépend principalement du composant inductif et donc de la longueur des câbles, il est clair que cette solution n'est pas très efficace et permet seulement de limiter l'échauffement. La figure 3.12 montre que, pour les courants harmoniques les plus forts (H3 à H7), le rapport Lω/R est égal à 1 pour les câbles de 36 mm² de section. Par conséquent, au-delà de 36 mm², il est nécessaire de réduire l'impédance en utilisant des câbles multibrin pour créer des impédances parallèles.

Pour les centres de données, voir « Harmonic Currents in the Data Center: A Case Study » (Courants harmoniques dans les centres de données : étude de cas).

Voir le libre blanc WP 38

Fig. 3.11. Augmentation de la section des câbles pour limiter la distorsion et les pertes

Fig. 3.12. Effet de la section du câble sur Lω/R Schneider Electric Édition 09/2015 p. 12

Élimination des harmoniques (suite)

Solutions Schneider Electric pour éliminer les harmoniques

Plusieurs types de solutions permettent d'éliminer les harmoniques. Filtres, voir Ch. 1 p. 27 « Sélection d'un filtre ».

Filtres passifs Les filtres passifs LC sont accordés sur la fréquence à éliminer ou peuvent atténuer une plage de fréquences. Les systèmes de recombinaison des harmoniques (pont double, déphasage) peuvent également être regroupés dans cette catégorie. • Sur demande, Schneider Electric peut intégrer ce type de filtre dans ses solutions. Toutefois, les filtres passifs ont deux principaux inconvénients : • L'élimination des harmoniques n'est effective que pour cette configuration précise (l'ajout ou la suppression de charges peut rendre les filtres inefficaces). • Il est souvent difficile de mettre cette solution en œuvre dans une installation existante. Filtres actifs/compensateurs actifs d'harmoniques Les filtres actifs, ou compensateurs actifs d'harmoniques, tels que les systèmes AccuSine, annulent les harmoniques en injectant des courants harmoniques exactement égaux là où elles surviennent. Ce type de filtre réagit en temps réel (activement) aux harmoniques existantes pour les éliminer. Ils sont plus souples et efficaces que les filtres passifs, ils évitent leurs inconvénients et, en comparaison, constituent une solution : • offrant de meilleures performances (l'élimination totale de toutes les harmoniques est possible jusqu'au 50e rang) ; • flexible, adaptable (leur action peut être configurée) et réutilisable. Tableau résumant les stratégies possibles contre les harmoniques

Stratégie Avantages Inconvénients Solutions Schneider Electric Vivre avec les harmoniques Augmenter la puissance nominale des sources et/ou la section des câbles

Réduction du THDU d'alimentation en réduisant l'impédance de source. Réduction des pertes par effet Joule.

Difficile dans les installations existantes. Solution coûteuse limitée à la réduction du composant résistif pour les petites sections (l'inductance reste constante).Nécessite des câbles parallèles pour les sections importantes. N'évite pas les perturbations en amont de l'installation. N'est pas conforme aux normes.

Alimentation spéciale pour les charges non linéaires

Limite les perturbations aux charges voisines par découplage.

Comme ci-dessus.

Élimination partielle des harmoniques Filtres passifs accordés Solution simple. Pour un ou deux rangs d'harmoniques uniquement.

Filtres à bande large peu efficaces. Possibilité de résonance. Travaux de conception coûteux nécessaires.

Gamme de filtres passifs Notamment solutions à double pont et déphasage

Bobines d'inductance en amont des charges non linéaires

Réduction des courants harmoniques. Limite les effets des surtensions transitoires.

Augmentation du THDU sur toutes les bornes de la charge.

Transformateurs spéciaux

N'élimine que certains rangs d'harmoniques. Construction non standard.

Élimination complète des harmoniques Compensateurs actifs d'harmoniques

Solution simple et souple.

L'élimination totale de toutes les harmoniques est possible (jusqu'au 25e rang), système adaptable (configurable) et réutilisable.

Compensateurs actifs

AccuSine


Compensateurs actifs d'harmoniques

AccuSine (suite)

Compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine

Caractéristiques d'AccuSine Compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine Les compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine constituent une approche plus générale du problème des harmoniques. Ces filtres actifs ne sont pas seulement destinés aux ASI. Ils sont conçus pour éliminer les harmoniques sur toute l'installation. AccuSine est particulièrement bien adapté aux applications industrielles et d'infrastructure de taille moyenne. Il offre des courants de compensation de 20 à 480 A sur les systèmes triphasés avec un neutre. Ces solutions sont présentées dans la section suivante. Le tableau ci-dessous résume les principales caractéristiques.

Gamme Niveau de puissance

Systèmes 50/60 Hz

Caractéristiques principales

Applications

AccuSine 20 à 480 A

380 à 415 V3 Ph+N et 3 Ph

● Filtrage jusqu'à H25 ● Compensation numérique active avec : - analyse et compensation des différents rangs ; - délai de réaction de 40 ms pour les fluctuations de charge.

Filtrage des système commerciaux, d'infrastructure et commerciaux de puissance moyenne, charges 3Ph+N, 3Ph et monophasées.

Avantages des compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine • Solution à large bande passante de H2 à H25 avec compensation individuelle de chaque phase. • Il est possible de sélectionner les rangs d'harmoniques à compenser. • Aucun risque de surcharge, la compensation est limitée à la puissance nominale maximum, même si la puissance de la charge dépasse la puissance nominale. • S'adapte automatiquement à tous les types de charge, monophasé et triphasé. • Compatible avec toutes les installations de la mise à la terre. • Correction du facteur de puissance. • Économique (quand les harmoniques sont réduites de moitié, les pertes sont divisées par quatre). • Peut être réutilisé dans d'autres installations. • Évolutif avec des unités connectées en parallèle. • Très compact. • Installation simple, avec transformateurs de courant en amont ou en aval. Principe de fonctionnement La source fournit uniquement la composante fondamentale (IF) du courant de charge. Le compensateur actif mesure en temps réel les harmoniques (IH) générées par la charge et les fournit. En amont du point A, où est connecté le compensateur, le courant fondamental IF n'est pas altéré. En aval, la charge absorbe le courant non linéaire IF + IH.



AccuSine (suite)

SourceIH Non-linear

load

Active harmonicconditioner

IFA

Measurementof load

harmonics

Injection ofcompensation

current

IF + IH

Fig. 3.13. Compensation des harmoniques par AccuSine Modes de fonctionnement Mode numérique, compensation des différents rangs Le mode de fonctionnement de base du compensateur AccuSine est numérique, avec un capteur de courant, la conversion analogue/numérique des mesures de courant et le calcul en temps réel du spectre des harmoniques. Ces informations sont fournies à l'onduleur pour qu'il effectue la compensation des différents rangs d'harmoniques. Le délai de réaction aux fluctuations de charge est de 40 ms (deux cycles). Schéma de fonctionnement La puissance requise pour la compensation est tirée sur le système d'alimentation triphasé et stockée dans la bobine d'inductance L et dans les condensateurs chargés respectivement à +Vm et -Vm (voir fig. 3.14). Selon le signe du courant harmonique requis, la largeur d'impulsion d'un des condensateurs est modulée. Cela signifie que la même connexion au système d'alimentation peut être utilisée pour absorber de la puissance et injecter des harmoniques. La puissance envoyée vers la charge dépend de plusieurs paramètres : • les valeurs mesurées des harmoniques ; • les besoins de l'utilisateur, définis pendant la configuration : rangs d'harmoniques à éliminer, correction ou non du facteur de puissance. Le transformateur de courant, combiné à un convertisseur analogique/numérique, détermine le spectre (composante fondamentale et harmoniques) du courant qui alimente la charge. En fonction de ces valeurs et du programme de sélection, un processeur prépare les commandes pour l'onduleur, qui les exécute une phase après les mesures. La correction du facteur de puissance est obtenue en générant un courant fondamental déphasé de +90° par rapport à la tension.

Fig. 3.14. Fonctionnement du compensateur AccuSine.



AccuSine (suite)

Options Sur les systèmes 3Ph ou 3Ph+N, l'utilisateur peut choisir de compenser : • certaines harmoniques ou toutes les harmoniques jusqu'à H25 ; • le facteur de puissance.

Le compensateur AccuSine est toujours alimenté par du courant triphasé, mais il peut compenser des charges monophasées, c'est-à-dire des harmoniques 3k à séquence zéro. Modes d'installation Mode parallèle Il est possible de connecter en parallèle au même point d'installation jusqu'à quatre compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine. Cela permet d'augmenter la capacité de compensation des harmoniques et/ou la disponibilité du système. Pour les installations parallèles, un seul jeu de capteurs est nécessaire sur le circuit compensé et un câble de connexion est utilisé pour envoyer les mesures du courant de charge aux différents compensateurs. Si l'un des compensateurs s'arrête, les autres continuent à compenser les harmoniques, dans la limite de leur capacité de compensation nominale.

Fig. 3.15. Fonctionnement en parallèle de trois compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine Mode en cascade ou en série Le mode de fonctionnement « en cascade » ou « en série » est possible, mais nécessite simplement un paramétrage précis pour éviter toute interaction entre les différents compensateurs. Le compensateur en aval traite généralement une charge de forte puissance. Le compensateur en amont traite les autres circuits sortants basse puissance et, le cas échéant, les harmoniques résiduelles non traitées par le premier condensateur.

Fig. 3.16. Compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine en mode cascade Mode multicircuit Ce mode permet à un même compensateur de traiter jusqu'à trois circuits sortants. Il nécessite un jeu de capteurs pour chacun des circuits compensés. Tous sont connectés au compensateur AccuSine. Cette configuration est très utile lorsque les harmoniques sont concentrées sur un petit nombre de circuits.



AccuSine (suite)

Fig. 3.17. Un compensateur actif AccuSine pour plusieurs circuits Position dans l'installation Compensation totale (ou centralisée) Le compensateur actif d'harmoniques est connecté juste en aval des sources, en général au niveau du TGBT principal. Compensation partielle Le compensateur actif d'harmoniques est connecté au niveau du TGBT principal ou secondaire et compense un ensemble de charges. Compensation locale Le compensateur actif d'harmoniques est connecté directement aux bornes de chaque charge.

Fig. 3.18. Trois points d'installation possibles pour le compensateur AccuSine selon les besoins de l'utilisateur



AccuSine (suite)

Comparaison des installations possibles Type de compensation Avantages Inconvénients Applications Totale (au niveau du TGBT)

Économique. Soulage les générateurs (transformateurs et générateurs).

Les harmoniques restent présentes en aval de l'installation. Les câbles doivent être surdimensionnés.

Conforme aux besoins de l'utilisateur. Évite l'injection d'harmoniques en amont de l'installation.

Partielle (au niveau du tableau secondaire)

Évite le surdimensionnement des câbles entre les tableaux principal et secondaire. La recombinaison de certaines harmoniques peut permettre de réduire la puissance nominale du compensateur.

Les harmoniques restent présentes entre le tableau secondaire et la charge non linéaire. Le câble connecté à la charge doit être surdimensionné.

Grands bâtiments. Compensation répartie régulièrement pou chaque étage ou pour chaque ensemble d'étages. Plusieurs circuits alimentait les charges non linéaires.

Locale (au niveau de la charge)

Élimine les harmoniques là où elles apparaissent. Réduit les pertes dans tous les câbles, jusqu'à la source.

Coûteux si de nombreux compensateurs sont requis.

Pour les installations où les charges non linéaires sont peu nombreuses et sont puissantes par rapport aux autres charges (par exemple : variateurs de vitesse de grande taille, ASI puissantes, baies de serveurs et éclairage fluorescent).

Aspects pratiques • La compensation totale ne pose aucun problème de calcul. • La compensation partielle nécessite quelques précautions. • Pour toutes les charges RCD non compensées (variateurs de vitesse de grande puissance sans bobines d'inductance pour applications à couple variable), la compensation locale ne peut garantir qu'un THDU ne dépassant pas certaines limites afin de garantir un bon fonctionnement de la charge. Positionnement des transformateurs de courant en amont ou en aval Dans la plupart des modes d'installation ci-dessus, les deux modes d'installation de transformateur de courant sont possibles avec les compensateurs AccuSine.

Transformateur en amont de la charge Ce mode est le plus fréquent.

IF + IH

IF IH

non-linearload

active harmonicconditioner

CT to measure loadharmonics

Fig. 3.19. Installation avec un transformateur en amont de la charge Installation avec un transformateur en amont du compensateur AccuSine et un sur l'arrivée du TGBT Cette configuration simplifie le problème lorsqu'il est difficile d'installer un transformateur sur la ligne juste en amont de la charge. Les deux transformateurs doivent avoir des caractéristiques compatibles et complémentaires. La différence entre les courants mesurés détermine la nécessité d'un courant de compensation.



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IF + IH

IF IH

non-linearload

active harmonicconditioner

CT2 to measureconditioner current

information on current to bereinjected

(différence CT1 - CT2)

CT1 to measuresource current

Fig. 3.20. Installation avec deux transformateurs, l'un sur l'arrivée du TGBT et l'autre en amont du compensateur. Avantages du compensateur AccuSine Élimination des courants harmoniques compensés Pour les harmoniques sélectionnées, le compensateur AccuSine est conçu de manière à donner un chemin aux courants harmoniques avec une impédance pratiquement nulle par rapport à celle de la source. Cela les empêche de remonter vers la source. La figure 3.21 montre AccuSine entre deux sections de ligne ZL1 et ZL2, alimentant une charge RCD standard mono ou triphasée (alimentation à découpage ou variateur de vitesse). Les courants harmoniques IHn qui circulaient auparavant au travers des impédances Zs et ZL1 en amont du point d'installation du compensateur AccuSine sont éliminés. La source fournit maintenant uniquement le courant fondamental If. C'est le compensateur AccuSine qui fournit les courants harmoniques IHn à la charge en mesurant continuellement les harmoniques absorbées par la charge.

Fig. 3.21. Le compensateur AccuSine modifie le courant en amont de son point d'installation. Réduction en THDU au point d'installation En amont du compensateur AccuSine, les courants harmoniques IHn (toutes ou certaines des harmoniques jusqu'au 25e rang) sont éliminées. La distorsion des harmoniques en amont du point d'installation est calculée selon la formule (voir Ch. 4 p. 49) :

12n

2n

UH

UH

100%THDU∑∞

==

où UHn est la chute de tension correspondant à l'harmonique IHn. L'élimination du courant harmonique pour un rang donné élimine la tension harmonique du même rang (1).



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Il en résulte une réduction majeure du THDU grâce à la sélection des harmoniques les plus importantes. Comme au-delà du 25e rang, l'effet des différentes harmoniques est négligeable, le THDU est pratiquement nul et la distorsion est totalement éliminée (si le compensateur est configuré pour éliminer toutes les harmoniques jusqu'au 25e rang. (1) UHn et IHn étant des composantes sinusoïdales de fréquence nf (où f est la fréquence de la composante fondamentale), elles sont associées à la loi d'Ohm, en prenant en compte la valeur des impédances concernées (Zs et ZL1) avec une fréquence angulaire nω. Par conséquent : UHn = (Zs(nω) + ZL1(nω)) IHn. Pour toutes les harmoniques compensées, IHn = 0, et par conséquent UHn = 0. Conclusion sur la compensation active Procédure de mise en

œuvre de la compensation active

Pour calculer précisément la compensation, il faut : • une connaissance précise et approfondie de l'installation (sources, lignes et méthode d'installation) ; • une connaissance précise des charges (courbes d'harmoniques et courbes de déplacement en fonction de l'impédance de la source) ; • des outils de calcul spéciaux ; • une analyse et une simulation. Nouvelles installations Les règles standard gouvernant les installations électriques s'appliquent, mais il est nécessaire d'effectuer une évaluation du THDU aux endroits où circulent les courants harmoniques. Cette évaluation est très complexe et nécessite des logiciels de calcul spécialisés ainsi qu'une connaissance approfondie des charges non linéaires, notamment de la répartition harmonique en tant que fonction de l'impédance en amont. Schneider Electric propose les outils de simulation nécessaires pour effectuer ces calculs. Installations existantes Pour les installations existantes, une évaluation précise du site est un préalable indispensable à toute action de rectification. Le rapport mathématique entre la distorsion du courant et de la tension est complexe, et dépend des divers composantes de l'installation. La maîtrise des phénomènes harmoniques nécessite du savoir-faire et de l'expérience, ainsi que des outils et des logiciels spécialisés (analyseur de spectre, logiciel de calcul des distorsions dans les câbles, logiciel de simulation, etc.). Toutefois, si chaque solution est spécifique à un site donné, l'utilisation des techniques professionnelles appropriées et de méthodes rigoureuses offre les meilleures chances de bon fonctionnement de l'installation. Méthodologie Schneider Electric maîtrise tout le processus d'élimination des harmoniques et propose une approche en trois étapes : 1. Audit du site 2. Détermination de la solution la plus appropriée 3. Installation et vérification du système 1. Audit du site Schéma d'installation Avant d'effectuer les mesures, nous vous suggérons de tracer un schéma simplifié de l'installation, en indiquant ce qui suit : • Les types d'équipement - Générateurs : type, puissance nominale, tension, Ucc et X"d (groupe électrogène). - Transformateurs d'isolement : tension, puissance nominale, type, Ucc et couplage. - Distribution : type de câbles, longueur, section et méthode d'installation. - Charges : puissance nominale et type. - Installations de mise à la terre du système à divers points de l'installation. • Modes de fonctionnement - Secteur - Groupes électrogènes (secours ou cogénération)




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- ASI • Modes de fonctionnement dégradé - Sans redondance - Sur groupe électrogène Ce schéma devrait vous permettre de trouver les différents points de mesure et d'identifier les phases de fonctionnement critiques (pour évaluation par simulation ou calcul). Mesures Après l'étape précédente (indispensable), la phase de mesure peut commencer, en commençant de préférence à la source et en allant vers les charges qui génèrent les harmoniques, de sorte à limiter le nombre de mesures. La qualité des mesures est plus importante que leur quantité et simplifie l'étape suivante. Étude préliminaire de l'installation Cette première étape se termine par une étude préliminaire de l'installation : • - point(s) d'installation du ou des compensateurs ; • - conditions d'installation des disjoncteurs de protection ; • - installation des capteurs (sous tension ou non) ; • - possibilité d'arrêter la charge ; • - espace disponible ; • - évacuation des pertes (ventilation, climatisation, etc.) ; • - contraintes environnementales (bruit, CEM, etc.). 2. Détermination de la solution la plus appropriée Les éléments précédents sont utilisés pour déterminer la solution optimale à l'aide de ces outils : • analyse des résultats des mesures ; • simulation de différentes solutions au problème ; • détermination de la solution la plus appropriée ; • composition d'un rapport récapitulatif contenant les solutions proposées. 3. Installation et vérification du système Cette dernière étape inclut : • la mise en œuvre des solutions sélectionnées ; • la vérification des niveaux de performance par rapport aux résultats garantis ; • la rédaction d'un rapport sur le démarrage du système.

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Élimination des harmoniques dans les installations - apc. · PDF fileLes équipements incorporant des dispositifs électroniques d'alimentation sont la principale cause des harmoniques