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Harmoniques: Problématique actuelle et sa solution

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La solution la plus versatile aux problèmes de qualité du réseau

Introduction

Les charges domestiques et industrielles contiennent de plus en plus de circuits électroniques qui sont alimentés de courant qui n’est pas purement sinusoïdal. Ainsi, par exemple, les moteurs utilisent de plus en plus la régulation de fréquence, qui exige un passage du courant alternatif (CA) au courant continu (CC) et ensuite de CC à CA. Étant donné que l’alimentation habituelle est en CA, ceci implique une utilisation de plus en plus intensive de convertisseurs électroniques (redresseurs, onduleurs, etc.) pour réaliser ces transformations CC-CA et CA-CC. La même chose se passe avec des charges aussi habituelles que celles des ordinateurs, éclairage LED et de décharge, ascenseurs…

Du point de vue du réseau électrique, ceci se traduit par le fait que celui-ci doit alimenter un grand nombre de charges qui rectifient le courant et c’est pourquoi la forme d’onde du courant consommé se voit altérée, de telle sorte que ce n’est plus une onde sinusoïdale, mais une superposition d’ondes sinusoïdales aux fréquences multiples de la fréquence de réseau (harmoniques). Les figures 1 et 2 montrent la consommation typique d’un réseau avec des redresseurs monophasés et d’un autre avec des redresseurs triphasés. Les courants de ce type sont les plus abondants dans des installations telles que les bureaux, les centres commerciaux, les hôpitaux… et ils sont formés par une composante de 50 ou 60Hz (fréquence fondamentale du réseau) et une série de composants de fréquences multiples dans différents pourcentages. Ces pourcentages peuvent être mesurés au moyen d’un analyseur des harmoniques, ainsi que le taux de distorsion totale, THD, qui donne la relation entre la valeur efficace de l’ondulation et celle efficace de la composante fondamentale.

Fig. 1 - Formes d’onde typiques de réseaux à distorsion

La conséquence des consommations non sinusoïdales est que la tension subit également une certaine distorsion, en raison des chutes de tension sur les impédances de lignes et les transformateurs. Dans les enregistrements, on peut observer une légère distorsion de la tension sur le réseau monophasé (THD bas) et une distorsion plus forte sur l'exemple triphasé. Dans les deux cas, le courant a des formes très différentes de celle sinusoïdale avec des valeurs de THD plus élevées.

Pour réguler la question et limiter les niveaux de distorsion de tension sur les points de liaison des abonnés au réseau public, il existe une série de normes internationales que établissent des limites d'émission des harmoniques pour les équipements et les systèmes qui doivent être connectés au réseau (Tableau 1), les plus importantes sont celles relatives aux niveaux de compatibilité.

AFQevo

Tableau 1 - Normes internationales sur des limites d’émission des harmoniques

 

Quelques concepts clés sur les harmoniques

Nous pouvons mieux comprendre les problèmes des harmoniques en nous basant sur certains concepts essentiels, qui ont été publiés dans de nombreux articles et livres et que nous résumons succinctement ci-après :

  • L'origine des problèmes des harmoniques sont les récepteurs qui consomment des courants à distorsions (récepteurs dénommés « non linéaires »).
  • La propagation du problème à d'autres utilisateurs connectés au même réseau dépend de l'impédance de ce réseau, ce qui dépend à son tour de la compagnie distributrice. Cette impédance ne se produit pas habituellement d'une façon directe, mais on peut la calculer à partir de la puissance de court-circuit disponible (plus de puissance de court-circuit, moins d'impédance).
  • Le propre utilisateur dispose d'une partie du réseau de distribution jusqu'à arriver à la charge finale. Ainsi donc, le problème qu'il peut avoir à l'entrée de son installation peut être attribué à un manque de puissance de court-circuit mais, dans de nombreux cas, le problème qu'il peut avoir sur des points éloignés du branchement est habituellement dû à des impédances de sa propre installation.
  • Pour revenir à la question de la distorsion sur des points éloignés du branchement, il faut prendre en compte que l'impédance des lignes a un composant inductif très important. Par conséquent, il ne s'agit pas très souvent de distribuer avec des câbles à très grande section, mais de limiter l'inductance par mètre des câbles, ce qui est obtenu en torsadant et en tordant les câbles de distribution (quelque chose très souvent refusé par les installateurs pour le problème esthétique que cela représente).
  • Le problème de distorsion de la tension sur le point PCC peut être aggravé en raison de résonnances entre les condensateurs de compensation du facteur de puissance et l'inductance du réseau de distribution (transformateurs et lignes).
  • Les mesures correctives (filtres) doivent être installées le plus près possible des charges génératrices des harmoniques.

En résumé, la solution du problème des harmoniques est une solution sur deux plans : d'un côté, l'utilisateur doit limiter la quantité de courants harmoniques que génèrent ses récepteurs et il doit faire en sorte de distribuer dans son installation à basse impédance par mètre de ligne. D'un autre côté, la compagnie distributrice doit garantir un minimum de puissance de court-circuit et doit veiller à ce que les utilisateurs ne dépassent pas certaines limites de distorsion, pour ne pas porter préjudice aux voisins qui partage le réseau avec eux.

Lorsque les niveaux des harmoniques générés par certains récepteurs ne sont pas admissibles pour le système de distribution qui les alimente, il faut appliquer des filtres de correction. Dans cet article, nous allons nous centrer sur la question du filtrage et la développer.

 

Limites de compatibilité par harmoniques

La présence des harmoniques sur le réseau a plusieurs conséquences. Les plus importantes sont les suivantes.

  • Détérioration de la qualité de l'onde de tension, affectant certains récepteurs sensibles.
  • Surcharge et possible résonnance parallèle entre l'inductance de ligne et les condensateurs de compensation de facteur de puissance (FP)
  • Empirement du facteur de puissance. La capacité du réseau pour fournir la puissance se voit diminuée de ce fait, obligeant à son surdimensionnement.
  • Surcharge des câbles et surtout des transformateurs (augmentation très significative des pertes dans le fer)
  • Problèmes de déclenchement intempestif des protections

Pour éviter ces phénomènes, les normes établissent un minimum de qualité d'alimentation, qui est fixé en limitant les niveaux maximums de distorsion sur l'onde de tension fournie sur le point de couplage au réseau public (PCC). Ces limites sont dénommées limites de compatibilité. Le tableau 1 offre un résumé de ces limites, en ce qui concerne les harmoniques sur les réseaux industriels à BT. Les différentes classes mentionnées sur ledit tableau correspondent à :

  • Classe 1 : Environnement industriel prévu pour l'alimentation des équipements électroniques sensibles
  • Classe 2 : Environnement industriel normal. Limites habituelles pour les réseaux publics
  • Classe 3 : Environnement industriel dégradé (généralement par la présence de convertisseurs). Non apte pour l'alimentation d'équipements sensibles.

AFQevo. Actif multifonction filtre

Tableau 2 - Limites de compatibilité : Harmoniques de tension (Un %) sur les réseaux industriels de BT (IEC-61000-2-4).

Les harmoniques de tension sont dus à la chute de tension que produisent les harmoniques de courant sur les impédances du réseau de distribution. Ce fait est illustré sur la fig. 2. Ainsi donc, atteindre ces limites dépend de deux facteurs :

  1. Niveau d'émission des récepteurs : Plus grande sera l'émission, plus grande sera la distorsion due à la chute de tension produite par les courants harmoniques sur le réseau
  2. Impédance du réseau : Plus grande sera l'impédance, plus grande sera la chute de tension pour la même valeur d'émission sur les récepteurs.

 

Tableau 3 - Limites d’émission pour Séquipement < 33xScc (EN-IEC-61000-3-4)

Le tableau 3 donne les valeurs limites d'émission sur les réseaux de basse tension, fixées par la norme EN-IEC-61000-3-4 pour les branchements sur lesquels la puissance installée sur des éléments perturbateurs ne dépasse pas la valeur (33xScc), où Scc est la puissance de court-circuit qui correspond à ce branchement (Partie proportionnelle de la puissance de court-circuit totale qui correspond à la puissance souscrite).

 

Fig.2 Schéma unifilaire montrant la détérioration de l’onde de tension en raison de charges non linéaires

 

Dans quelles installations les filtres actifs sont-ils nécessaires?

Certains des problèmes de perturbations que nous avons indiqués précédemment peuvent être mitigés et corrigés au moyen de filtres. Les filtres actifs sont la solution idéale pour des installations avec une grande quantité de charges monophasées et triphasées, qui seraient génératrices des harmoniques et avec différents régimes de consommation.

Les filtres actifs sont des équipements basés sur des convertisseurs avec une modulation de largeur d'impulsion PWM. Deux types peuvent être distingués : Filtres en série et filtres en parallèle. Habituellement, pour respecter les normes IEC-61000-3.4 et IEEE-519, des filtres en parallèle sont employés, dont le principe de fonctionnement consiste dans l'injection au réseau, en contre-phase, des harmoniques consommés par la charge, à travers un onduleur. La fig.3 illustre ce principe de fonctionnement en montrant les courants de charge, de filtre et de réseau. On observe que de la somme de ICHARGE + IFILTRE on obtient un courant IRED qui est sinusoïdal.

Les aéroports et les infrastructures - Industries automobile - Superstores et centres commerciaux - Industries du papier

Fig. 3 - Principe de fonctionnement d’un filtre actif parallèle.

 

La solution

Les équipements de filtrage ont incorporé des fonctions complémentaires pour s'adapter aux modifications dans les installations, qu'il s'agisse d'extensions ou de changements de machines qui peuvent nécessiter plus de filtrage de certains harmoniques ou un équilibrage entre phases. Il est habituellement utile de disposer également d'une compensation d'énergie réactive sur ces équipements.

"Interaction aisée
écran tactile"

 

Comme solution aux problèmes susmentionnés, CIRCUTOR dispose du nouveau filtre actif AFQevo. Sa nouvelle conception permet d'offrir des avantages tels que :

  • Capacité unitaire de filtrage pour courants de 30 A par phase et de 90 A de neutre.
  • Si des capacités supérieures de filtrage sont requises, le système peut être élargi avec jusqu'à 100 filtres actifs AFQevo raccordés en parallèle.
  • Enveloppe métallique réduite pour le montage mural. Facilité dans l'installation par dimensions.
  • Communications pour une meilleure gestion énergétique de l'installation.
  • Connexions sur le côté du réseau ou de la charge pour une plus grande flexibilité d'installation.
  • Réglage de priorité pour filtrer les harmoniques, compenser la réactive et équilibrer les phases. >> Réduction des courants harmoniques jusqu'à l'ordre 50 (2500 Hz).
  • Filtrage sélectif de certains harmoniques. Compensation de puissance réactive (inductive/capacitive).
  • Équilibrage des courants de phase. Le modèle 4W aide à la réduction de la consommation sur le neutre.

L'importance d'une bonne installation

Pour obtenir les meilleurs résultats, il convient de disposer de filtres comme les AFQevo qui sont installés et gérés sous une forme simple. Les fonctions qui facilitent le plus la mise en marche sont :

  • Mise en marche en 3 étapes : connecter, configurer, démarrer.
  • Display tactile pour une gestion rapide
  • Alarmes comme erreur de configuration, polarité, températures, résonnance, tensions, surcharge, contacteurs, bus de courant continu, etc.
 

"Energy management improvement"

AFQevo. CONNECT - SET - MANIVELLE

Polyvalents : Différentes configurations et priorités

Les filtres actifs AFQ sont très polyvalents, car ils peuvent être configurés avec différentes configurations et modes de fonctionnement. Par conséquent, ils peuvent être utilisés dans n'importe quel type d'installation et pour n'importe quel type de situation.

Polyvalents : Différentes configurations et priorités

Type d'application avec Multifonctions Filtres Actifs AFQevo pointe et à côté de la charge.

 

Conclusions

La présence des harmoniques sur les réseaux de distribution est de plus en plus importante, en causant une série de problèmes de détérioration de la qualité de l'onde de tension, ce qui rend nécessaire un surdimensionnement des installations et occasionne des pertes additionnelles significatives. En marge du fait qu'il existe des normes qui limitent la consommation de ces harmoniques, il convient de filtrer lesdits harmoniques, car cela permet d'optimiser les sections de câble, les puissances des transformateurs de distribution et de réduire les pertes sur les installations et éviter des pertes de production.

La solution du problème passe par une conception globale et rationnelle des filtres des harmoniques, comme les filtres actifs, ce qui permet de résoudre le problème avec des coûts raisonnables et facilement amortissables par l'économie en matière de pertes, amélioration de la vie de certains composants des installations et optimisation de l'infrastructure de distribution (câbles canalisations, transformateurs, etc.).

 

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