Copyright © 2011 Véronique Beauvois 1 Qualité de lénergie Mars 2011.

Copyright © 2011 Véronique Beauvois 1

Qualité de l’énergieMars 2011

powersystem

price

reliability quality


Plan

1. Introduction / Notions de base2. Introduction / Qualité de l’énergie3. Phénomènes perturbateurs4. La facture électrique ?5. PQ – Exemples6. Annexes


1. Introduction / Notions de base

Signal AC : tension et courant

Si la tension u fournie par la source varie suivant une loi sinusoïdale, un courant sinusoïdal (lui aussi) s'établit : c'est un circuit à courant alternatif.

Tension u en Volt (V)Courant i en Ampère (A)



Signal AC : forme d’ondev(t) = Vmax . sin (ft)

Valeur de crêteVmax = √2 .VC’est la valeur maximale qu’atteint le signal. Par exemple pour un réseau 230 Vac, la valeur de crête ou maximale est de 325 V.

Valeur efficace ou rmsC’est la valeur quadratique moyenne.En sinusoïdal Veff=Vmax/√2

Valeur moyenneEn sinusoïdal, sur une période complète,la valeur moyenne est nulle.

Vmax

Veff



Signal AC : facteur de crête

Le facteur de crête fournit une mesure de la déformation du signal. C’est le rapport entre la valeur de crête (max) et la valeur rms.

Dans le cas d’une charge linéaire

€

FC =VMax

Vefficace

= 2 =1,414

Vmax

Veff


Plan



Acteurs concernés par la problématique ?

• Tous les acteurs en présence :• gestionnaires de réseaux (ELIA) ;• utilisateurs (producteurs / consommateurs) ;• intervenants divers (fournisseurs d’électricité ou de services, organismes de régulation – CREG – VREG/CWAPE/BRUGEL).

• Position centrale du gestionnaire de réseau : importance de la qualité aux interfaces entre réseau et monde extérieur (utilisateurs locaux et réseaux voisins).

• Remarque : croissance des unités de production décentralisée !

2. Introduction / Qualité de l’énergie


Electricité ?

• domaine d’utilité publique ;• forme d’énergie souple et adaptable ;• convertie en d’autres énergies (therm., méca., chimique) ;• pas de stockage possible (production vs demande) ;• influences :

• conditions climatiques,• phénomènes transitoires inhérents (défauts, manœuvres),• phénomènes atmosphériques (foudre),• configuration du réseau.



Electricité ? Contexte de l’Union Européenne

Electricité = produit (Directive Européenne de 1985)marché libéralisé ;cela signifie que tout producteur peut vouloir vendre son produit à n’importe quel consommateur ;nécessité d’une vérification qualitative plus rigoureuse (avant « règles de l’art »).

Electricité = produit + « services associés »




En anglais, on parle de Power Quality ?

En français :- qualité de l’alimentation- qualité de l’énergie (électrique)- qualité de l’électricité- qualité de la tension

Selon l’I.E.E.E.* (U.S.A.) : on appelle « Power Quality Problem » toute variation dans l’alimentation en puissance électrique, ayant pour conséquence le dysfonctionnement ou l’avarie d’équipements des utilisateurs (creux de tension, surtension, transitoire, harmoniques, déséquilibre, …).

* Institute of Electrical and Electronics Engineers



Qualité de l’électricité = Qualité de la tension + Continuité(pour tenir compte du concept de fiabilité de l’alimentation, de continuité de la tension, en fonction du nombre d’interruptions et de leur durée).L’alimentation est d’autant plus fiable que le nombre annuel d’interruptions est petit et que leur durée moyenne est faible.Qualité = aptitude à alimenter de façon continue et satisfaisante les appareils qui utilisent l’électricité.ContinuitéCela dépend :• de la conception des réseaux publics et industriels,• de la qualité du matériel,• des bonnes pratiques de maintenance et d’exploitation.Compromis technico-économique (explicite ou implicite).Elle se mesure par le nombre de coupures d’alimentation en un point donné : coupure/unité de temps.



Tous ces phénomènes affectent essentiellement la tension qui est fournie à l’utilisateur.- (1) soit pas de charge perturbatrice : le courant est peut-être déformé mais uniquement en fonction des caractéristiques de la tension.- (2) soit charge perturbatrice : elle perturbe d’abord le courant qui perturbe la tension (car l’impédance du réseau n’est pas nulle), ce qui se traduit par une dégradation de l’alimentation des autres utilisateurs.

(1) > C’est pourquoi on dit parfois que le qualité de l’électricité se réduit à la qualité de la tension (Power Quality = Voltage Quality).


Plan



3. Phénomènes perturbateurs

Les perturbations dégradant la qualité de la tension peuvent résulter de :

• défauts dans le réseau électrique ou dans les installations des clients (court-circuit dans un poste, une ligne aérienne, un câble souterrain, …); ces défauts pouvant résulter de causes atmosphériques (foudre, givre, tempête), matérielles (vieillissement d’isolants, …) ou humaines (fausses manœuvres, travaux de tiers, …) ;

• installations perturbatrices : fours à arc, soudeuses, variateurs de vitesse et toutes les applications de l’électronique de puissance, téléviseurs, éclairage fluorescent, démarrage ou commutation d’appareils, etc.

Nous allons poursuivre avec une description des principaux phénomènes qui peuvent affecter la qualité de la tension.



0. Puissances – Facteur de puissance et cos phiReprésentation du signal alternatif (courant et tension)v(t) = Vmax . sin (ft)Suivant le type de charge, le courant peut être soit en phase avec la tension,

soit déphasé en avance ou en retard par rapport à la tension.Donc, lorsque la tension est maximum, le courant ne l'est pas forcément.



0. Puissances – Facteur de puissance et cos phiLes différentes charges – impédancesCharges résistivesExemples : filament de lampe, chauffage électrique, …Toute l'énergie fournie est entièrement convertie en chaleur.Le courant est en phase avec la tension. R est en ohm.U = R.I = R.I. sin (2ft +



0. Puissances – Facteur de puissance et cos phiLes différentes charges – impédancesCharges inductivesExemples : un câble, un bobinage de moteur, un transformateur, un ballast de

tube fluo, …L’inductance L s’oppose au passage du courant (phénomène magnétique).L se mesure en Henry (H).L déphase le courant qui sera en retard par rapport à la tension (90°).U = Z.I = jL.IU = L.I. sin (2ft +



0. Puissances – Facteur de puissance et cos phiLes différentes charges – impédancesCharges capacitivesLe condensateur C est un réservoir de charges.C se mesure en Farad (F).C déphase le courant qui sera en avance par rapport à la tension (90°).U = Z.I = I /jCU = 1/C.I. sin (2ft +



0. Puissances – Facteur de puissance et cos phiPuissancesPuissance instantanée fournie : p(t) = u(t).i(t)u(t) = Umax.sin(t+u)i(t) = Imax.sin(t+i)Si on calcule p(t), on arrive à une somme de 2 termes :- P puissance active (Watt) qui dépend de U et de I et de leur déphasage,

P = U.I.cos- pf puissance fluctuante (Watt) de moyenne nulle.Si on poursuit les développements mathématiques, on trouve également :- Q puissance réactive (Var) qui dépend de U et I et de leur déphasage.

Q = U.I.sinOn a également la puissance apparente S (VA) qui est le produit de U et I.

Ne pas confondre kW et kWh qui est l’unité d’énergie (consommation).Donc une lampe qui a une puissance de 10W, consomme en 24h 240Wh.



0. Puissances – Facteur de puissance et cos phiFacteur de puissance

On sait que la puissance active vaut : P = U.I.cos = S.coscos est le facteur de puissance du circuit- si circuit résistif : cos = 1- si circuit purement inductif ou capacitif : cos = 0

Ce facteur de puissance dépend donc directement du déphasage entre courant et tension, et est compris entre 1 et 0.

Plus il est proche de 1, plus la situation est idéale.

Si la forme d’onde n’est plus sinusoïdale, la chargenon linéaire, alors le facteur de puissance n’est pluségal au cos mais est défini par :

²²² DQP

P

S

PFp








Si on considère un système d’alimentation triphasé équilibré, les tensions sont égales en amplitude dans les 3 phases et décalées d’un tiers de période.

Va(t) = √2 V sin 2ftVb(t) = √2 V sin (2ft – 120°)Vc(t) = √2 V sin (2ft – 240°)

Quels en sont les paramètres ?• la fréquence f (50 Hz)• l’amplitude (V)• la forme d’onde (sinusoïdale)• l’équilibre (même amplitude avec déphasage de 120°)

23




1. Fréquence – Déviations

Les variations de fréquence sont très faibles (moins de 1 %) au sein du réseau synchrone européen en régime normal de fonctionnement et ne causent généralement pas de préjudice aux équipements électriques ou électroniques. 50Hz +/- 1% pendant 99,5% d’une année [EN 50160].

La situation peut être différente dans un petit réseau isolé. Certains processus industriels nécessitent un réglage très précis de la vitesse des moteurs et peuvent subir des dysfonctionnements en cas d’alimentation par un groupe de secours mal conçu. 50Hz +/- 2% pendant 95% d’une semaine[EN 50160].



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèvesLes creux de tension sont dus aux courts-circuits survenant dans le réseau général ou dans les

installations clients (évènements aléatoires, dus à des phénomènes atmosphériques - foudre, givre, tempête -, des défaillances d’appareils, d’accidents).

Seules les chutes de tension supérieures à 10 % sont considérées (sinon ce sont des « fluctuations de tension »).

Définition creux de tension [EN 50160] : diminution brutale de la tension d’alimentation à une valeur située entre 90 et 1 % de la tension déclarée, suivie du rétablissement après un court laps de temps. Leur durée peut aller de 10 ms (1/2 période du 50 Hz) à 1 minute, par convention (fonction de la localisation du ct-ct et du fonctionnement des protections – un défaut est éliminé en 0.1-0.2 s en HT et de 0.2 s à qq s en MT.

Conséquences : ils peuvent provoquer le déclenchement d’équipements, si leur profondeur et leur durée excèdent certaines limites (voir sensibilité des charges), l’arrêt de certains équipements, voire des pertes de production et des dégâts.



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèves

Uref

U

t

Voltage dip Short interruption

Uref-10%

U(t)

Urms



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèves (suite)

Interruption d’alimentation [EN 50160] : condition dans laquelle la tension aux points de fourniture est inférieure à 1 % de la tension déclarée. Elle peut être classée comme :

2. prévue : les clients sont informés par avance pour permettre l’exécution de travaux programmés sur le réseau de distribution, ou

3. accidentelle : lorsqu’elle est provoquée par des défauts permanents ou fugitifs, la plupart du temps liés à des évènements extérieurs, à des avaries ou causes externes. Elle peut être classée comme :- coupure longue (dépassant 3 minutes) provoquée par un défaut permanent ou,- coupure brève (jusqu’à 3 minutes) provoquée par un défaut fugitif.

Solutions possibles : on peut prévoir des conditionneurs de réseau, des alimentations sans interruption (ASI/UPS) et des alimentations de secours en fonction de la sensibilité des équipements et de la durée des coupures et/ou creux.



2. Amplitude

2.1 Variations lentes de tension

La valeur efficace de la tension varie continuellement, en raison des modifications des charges alimentées par le réseau.

Le réseau est exploité pour maintenir ces variations dans des limites contractuelles.Les appareils peuvent supporter +/- 10%.On vient de voir que les chutes de tension sont des diminutions supérieures à 10 % sinon ce sont

des « fluctuations de tension ».[EN 50160] : pour chaque semaine, 95% des valeurs moyennées sur 10 minutes valent Un +/-

10% et toutes les valeurs sont tels que UN-10% et Un+15%.

Conséquences : ces variations sont souvent acceptables pour les équipements.



2. Amplitude

2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotementDans les installations où il y a des variations rapides de puissance absorbée ou

produite ou des démarrages fréquents (soudeuses, éoliennes, fours à arc pendant la période de fusion, compresseurs, moteurs à démarrages fréquents, éoliennes, générateurs d’air conditionné, …), on observe des variations rapides de tension, répétitives ou aléatoires.

Définition du flicker [EN 50160] : impression d’instabilité de la sensation visuelle due à un stimulus lumineux dont la luminosité ou la répartition spectrale fluctuent dans le temps.

Conséquences : papillotement des éclairages à incandescence (flicker), gênant pour les consommateurs.



2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotement






Pour prendre en considération les mécanismes de la vision et établir une méthode représentative de la gêne, le Flicker doit être évalué sur une période de temps suffisamment représentative. De plus, en raison de la nature aléatoire du Flicker provoqué par certaines charges, il faut admettre que pendant cette période le niveau instantanée de Flicker peut varier considérablement et de façon imprévisible.Un intervalle de 10 min a été jugé comme étant un bon compromis. Il est assez long pour éviter d’accorder trop d’importance à des variations isolées de tensions. Il est aussi assez long pour permettre à une personne non avertie de remarquer la perturbation et sa persistance, mais il est en même temps assez court pour permettre de caractériser de façon fine un matériel perturbateur avec un long cycle de fonctionnement.Les gênes sont détectées à partir d’un Pst (perturbation pendant un temps court – short time) égal à 1.

La période de 10 min sur laquelle a été basée l’évaluation de la sévérité du Flicker de courte durée est valable pour l’estimation des perturbations causées par des sources individuelles telles que les laminoirs, pompes à chaleurs ou appareils électrodomestiques. Dans les cas où l’effet combiné de plusieurs charges perturbantes fonctionnant de manière aléatoires (par exemple postes de soudure, moteurs) doit être pris en compte, ou quand il s’agit de sources de Flicker à cycle de fonctionnement long ou variable (four électrique à arc), il est nécessaire d’utiliser un critère pour évaluer la perturbation ainsi créée sur une longue durée.La sévérité du Flicker pendant un temps long (long time), Plt, sera déduite des valeurs de la sévérité du Flicker pendant des temps courts, Pst, sur une durée appropriée liée au cycle de fonctionnement de la charge ou sur une période pendant laquelle un observateur peut être sensible au Flicker, par exemple quelques heures. Classiquement, le temps est fixé à 120 min.




2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotementRemèdes• choix des sources lumineuses : lampes fluorescentes moins sensibles que les lampes à incandescence, les « fluo-compactes » sont encore moins sensibles.• installer un régulateur de tension ou un onduleur sur les lignes éclairage.• agir sur le cycle de fonctionnement des charges perturbatrices.• gestion du réseau : par ex. raccordement des circuits d’éclairage au plus près du transfo., augmenter la puissance du transfo à Ucc constant ou diminution de Ucc à puissance constante, raccordement de la charge perturbatrice à un niveau de tension plus élevé.• ajout de C série.• ajout d’une réactance série avec un four à arc (consommation de Q !).• ajout d’une réactance shunt saturée (coût et consommation de Q !).• ajout d’une réactance de découplage entre ligne source et ligne victime.• ajout d’un compensateur synchrone ou d’un compensateur statique (qui ajout comme compensateur de Q mais aussi sur le flicker).



2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotementRemèdes



2.2 Fluctuations rapides de tension – Flicker/ papillotementRemèdes• compensateur statique


3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques et interharmoniques

Harmoniques : composantes de fréquence multiple de la fondamentale (50 Hz), qui provoquent une distorsion de l’onde sinusoïdale.

Interharmoniques : composantes dont la fréquence n’est pas un multiple entier de la fondamentale – rares – fours à arc, cycloconvertisseurs. Conséquences : valeurs crêtes de la sinusoïde modifiées et déplacement du passage par zéro.


Harmonique h = 5

Interharmonique h = 3.5


Un physicien nommé Fourier a démontré qu’un signal périodique quelconque pouvait se décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux ayant différentes amplitudes et phases et dont la fréquence est un multiple entier du fondamental de fréquence f.Ceci nous amène tout naturellement à parler des harmoniques.

3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques – Notions de base


Copyright © 2011 Véronique Beauvois

Conversion mathématique temporel < > fréquentielSignaux périodiques - Série de Fourier

f(t) de période T : f(t) = f(t+kT) k entier

3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques – Notions de base



3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques – Notions de baseGrandeurs souvent utiliséesTaux de Distorsion Harmonique global (THD) = Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale

Facteur de Distorsion global (DF) = Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du signal

39

2

222

1

...432

A

AAATHD

A ou V%

2

222 ...320

Aeff

AAADF

% A ou V



3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques – OrigineHier, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique étaient des charges dites LINEAIRES : 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 incandescence.



3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques – OrigineAujourd’hui, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique sont des charges dites NON LINEAIRES ou DEFORMANTES.



3. Forme d’onde3.1 Harmoniques – Origine





Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmoniquecorrespondant

Récepteur résistif

- Fours industriels à résistances régulées par commande à trains d’ondes- Lampe à incandescence, convecteurs, chauffe-eau.

Eclairage

- Tubes fluorescents,

- Lampes à vapeur HP.

Redresseur monophasé à diodes avec filtrage

Alimentation à découpage

- Micro-informatique,

- Télévisions,

- Lampes à ballast électronique.




R ed resse u r tr ip h a sé à d io d es a v ec f iltra g e

- V aria tio n d e v ite sse d es m o te u rs a syn ch ro ne s.

G ra d a teu r m o n o p h a sé (co m m a n d e p a r a n g le d e p h a se )

- R é g u la tio n d e p u issa nce d e fo u rs à ré sis ta nces,

- M o d u la tio n d e p u issa nce d es la m p es ha lo gène s.

R ed resse u r tr ip h a sé à th y r isto rs

- V aria tio n d e v ite sse d es m o te u rs à co u ran t co n tin u e t d es m o te u rs sync h ro ne s,- E lec tro lyse u rs .

M o teu r a sy n ch ro n e - M ach ine s o u tils ,

- A p p are ils é lec tro m é na gers ,

- A sce nse u rs .

Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmoniquecorrespondant


3. Forme d’onde3.1 Harmoniques – OrigineSi on veut résumer la problématique


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.

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.

Courant déformé

CourantdéforméCourantdéformé x Impédance interne

des générateursImpédance internedes générateurs

Tensionsharmoniques=

TensionsharmoniquesTensionsharmoniques = Tension non sinusoïdale

=

U = Z.I


• machines synchrones échauffements• transformateurs pertes & échauffements suppl.

risque de saturation• machines asynchrones échauffements, couples pulsatoires• câbles augm. pertes ohmiques et diél.• ordinateurs problèmes fonctionnels• électronique de puissance problèmes liés à la forme d’onde• condensateurs échauff., vieillissement, résonance, etc.• régulateurs, relais, compteurs fonct. intempestif, erreurs, mesure faussée

3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques – conséquences ?




Effets immédiats Pertes par effet Joule

Dégradation du facteur de puissance Réduction de la puissance des moteurs Surcharges des câbles, transformateurs et moteurs Disjonctions intempestives Augmentation du bruit dans les moteurs Surdimensionnement de certains composants : conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs

Réduction de la durée de vie des moteurs Réduction de la durée de vie des transformateurs Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques

Effets à moyen et long terme

3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques – conséquences ?



3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive ?




Si le réseau doit alimenter des convertisseurs AC/DC, des variateurs de vitesse, …, il est, en plus de la charge normale due à la consommation de puissance active, sollicité par une demande de puissance réactive et est également pollué par les harmoniques générés par les convertisseurs. Il faut donc trouver des solutions pour soulager le réseau et éviter les pénalités liées à la consommation de puissance réactive.Il faut s’arranger pour que le facteur de puissance cos soit plus grand et supérieur à 0,9.




Diminuer la puissance réactive consommée et augmenter le cos Pourquoi ?

• 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



3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ?Ajout de bancs de condensateur



3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ?Ajout de bancs de condensateur



3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ?Ajout de bancs de condensateurParadoxalement,le fait d'ajouter un équipement (et donc de générer un courant supplémentaire)Entraîne une diminution du courant total demandé au réseau !



3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ?Ajout de bancs de condensateur : où ?- Compensation individuelle : solution chère, efficace, pas de perte en ligne ni de chute de tension dans l’installation, on évite les surcompensations.

- Compensation centralisée : solution simple.Batteries fixes et/ou batteries avec enclenchement automatique (gestion par régulateur qui enclenche et déclenche en fonction de la valeur du cos ce qui évite les surcompensations.

- Compensation par groupes : solution intermédiaire, par ex.pour les utilisateurs en aval d’un tableau.



3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ?Ajout de bancs de condensateur : conséquences, risques et précautions ?

Ne pas surcompenser !Un dimensionnement correct est essentiel. Si on compense trop peu, le résultat est insuffisant mais si on compense trop, il y aura un renvoi d’énergie réactive capacitive vers le réseau qui sera comptabilisé et facturé.



3.1 Harmoniques – relation avec puissance réactive et solutions ?Ajout de bancs de condensateur : conséquences, risques et précautions ?

Lors du placement d'une batterie de condensateurs, il faut effectuer une vérification de la présence d'harmoniques dans l'installation: celles-ci peuvent endommager les batteries de condensateurs et provoquer des surtensions dangereuses pour l'installation. Elles peuvent être à l'origine du claquage des condensateurs. Ceci est lié au phénomène dit de résonance quand L et C cohabitent.



Des déclenchements intempestifs des dispositifs magnétiques des disjoncteurs peuvent se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matériel informatique important. Ils sont bien souvent dus aux problèmes de pollution harmonique.

Les disjoncteurs assurant la protection des installations électriques comprenant des matériels informatiques voient leur seuil de sensibilité atteint lors des pointes de courant engendrés par des signaux déformés ayant des facteurs de crête importants.

3.1 Harmoniques – Conséquences ?Les facteurs de crête élevés



Les courants harmoniques de rang 3, le fondamental x 3, soit 150 Hz, à partir des 3 phases vont s’additionner, ceux-ci étant en phase.Ils donnent naissance dans le conducteur du neutre à la circulation d’un courant.

I Neutre = 3 fois I Harmoniques 3I Neutre = 3 fois I Harmoniques 3

Remarque : Des incendies de bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre.Remarque : Des incendies de bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre.

3.1 Harmoniques – Conséquences ?Les effets dans le conducteur de neutre



Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement - Une solution contre l'harmonique 3 et ses multiples de rangs impairs (9, 15, 21, 27,…) :

PrimaireCâblé en triangle

SecondaireCâblé en étoile

Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.

3.1 Harmoniques – Remèdes ?Soit des modifications structurelles dans l’installation



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 de ceux émis par les appareils.

3.1 Harmoniques – Remèdes ?Soit ajouter des filtres



3.1 Harmoniques – Remèdes ?Soit ajouter des filtresConsidérons une installation typique

Drive Charge

Réseau HT/MT120 MVA

6 kV

Transformateur 1300 kVA6%

Bus bar BT400 V50 Hz

Compensation de puissance réactive



3.1 Harmoniques – Remèdes ?Soit ajouter des filtresConsidérons son schéma équivalent

Joue le rôle d’un

injecteur de courant

Drive

Charge Transformateur

RéseauMTIh

Compensation



3.1 Harmoniques – Remèdes ?Soit ajouter des filtresSolution : contrôler la résonnance via une inductance série

Ajout d’une inductance en série avec le condensateur

Imposition de la fréquence d’accord



3.1 Harmoniques – Remèdes ?Soit ajouter des filtresSolution : contrôler la résonnance via une inductance série

Le but est de protéger le condensateur contre les harmoniques (résonnance) et une propriété de filtrage « gratuite » (L-C série).Choisir la valeur de L pour avoir un accord proche d’une harmonique, on a donc un filtre passif accordé. La règle utilisée est que la fréquence d’accord sera toujours inférieure au rang de la première harmonique significative présente dans le circuit.On peut généraliser avec des échelons en parallèle (un échelon par fréquence).

5 7 11 13




Avantages :• économiques, fourniture de réactif (L), assez bon rendement.

Inconvénients :• Peu de flexibilité, de souplesse. Coût. Encombrement.• Risque de surcompensation.• Très sensibles aux variations de charge, d’où risque de surcharge et donc de destruction. Nécessité de protection contre les surcharges.• En cas de modifications du réseau ou de changement des conditions d’exploitation, la solution étant figée, elle peut ne plus être adaptée.

Si on veut filtrer des charges dynamiques (dont le profil de charge varie beaucoup trop vite – laminoirs, soudeuses par points, ascenseurs, grues, …), les enclenchements des filtres par contacteurs sont trop lents.Solution : enclenchement par thyristors.




Inconvénients (suite) :• Il est important également de veiller à ce que les enclenchements et déclenchements des branches se fassent dans un certain ordre sous peine de destruction du filtre due à l’introduction de fréquences de résonnance entre les différentes branches, ce qui réduit encore la souplesse d’utilisation.• Problème d’avoir du filtrage sans apport de puissance réactive. Vu l’évolution des systèmes d’électronique de puissance, c’est de plus en plus souvent le cas.

5 7 11 13




Si on veut filtrer des charges dynamiques, l’autre solution est d’utiliser des filtres actifs.

-1 ,3

1 ,3

0 3 6 0

Réseau Charge

-1.3

1.3

0 360 Injection d’harmoniques




FA

-1 ,3

1 ,3

0 3 6 0

-1.3

1.3

0 360

-1 ,3

1 ,3

0 3 6 0

Réseau Charge

Seulement fondamental

Seulement harmoniques

Solution shunt pour ne pas être parcouru par le courant

principal




+=

Courant de charge

1 5 711131719-201 5 711131719

Courant du filtre actif

1 5 711131719-201 5 7111317

Courantd’alimentation

propre

1 5 711131719-20 5 1113

For

mes

d’on

des

Har

mon

ique

s

Harmoniques en opposition de phase avec ceux créés

par la source




Avantages- Un seul système peut contrôler l’ensemble des harmoniques avec un parfait accord.- Il peut tout à fait cohabiter avec d’autres solutions, comme des filtres passifs.- Le niveau de filtrage est contrôlable (filtrage maximum, jusqu’à un niveau prescrit, …). Il est complètement programmable.- C’est une solution modulaire, qu’on peut facilement étendre.- Il peut gérer la production ou consommation de réactif.


3. Forme d’onde

3.2 TransitoiresLes plus fortes mais les moins fréquentes : celles dues à la foudre.Surtensions dues au déclenchement d’appareils BT, de charges inductives.

Surtensions transitoires amorties (enclenchement de batteries de condensateurs).

Conséquences : déclenchements, danger pour le matériel et les personnes.Protections : séparation galvanique, parasurtenseurs.



4. Symétrie - Déséquilibre

Les dissymétries du réseau ne provoquent que de faibles niveaux de déséquilibre de la tension (qq dixièmes de %).Par contre, certaines charges monophasées sont la cause de courants déséquilibrés importants et dès lors d’un déséquilibre significatif de la tension.

Conséquence majeure : échauffement supplémentaire des machines tournantes triphasées, vibrations, dysfonctionnement de protections.Solutions possibles : dispositif d’équilibrage, conditionneur de réseau.



Type deperturbation

Origine Conséquences Solutionspossibles

Coupure longue

Court-circuit, surcharge,

déclenchement intempestif,

(maintenance)

Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâts Alimentation de secours (réseau), alimentation sans interruption (ASI)

Creux de tension et coupure

brève

Court-circuit, (enclenchement de

gros moteur)

Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâts Conditionneur de réseau, conception de l'équipement sensible, alimentation sans interruption

Fluctuation rapide

(flicker)

Installations fluctuantes (four à

arc, soudeuse, moteur à démarrage fréquent,

éolienne…)

Papillotement de l'éclairage Compensateur synchrone, compensateur statique de puissance réactive, conditionneur actif, condensateur série

Harmonique Installations non linéaires

(électronique de puissance, arcs électriques…)

Effets thermiques (moteurs, condensateurs, conducteurs de neutre…), diélectriques (vieillissement

d'isolant) ou quasi instantanés (automatismes)

Filtrage actif ou passif, self anti-harmonique, déclassement d'appareil

Interharmonique

Installations non linéaires et

fluctuantes (four à arc, soudeuse,

éolienne), changeurs de fréquence, télécommande

centralisée

Papillotement de l'éclairage fluorescent, dysfonctionnement d'automatismes, dégâts

mécaniques sur machines tournantes

Filtrage actif ou passif, amortissement de filtres anti-harmoniques, conception de l'équipement sensible

Déséquilibre Installations déséquilibrées

(traction ferroviaire…)

Echauffement de machines tournantes, vibrations, dysfonctionnement de protections

Dispositif d'équilibrage, conditionneur de réseau

Surtension transitoire

Court-circuit, commutations, foudre

Déclenchements, danger pour les personnes et pour les matériels

Séparation galvanique, parasurtenseurs, enclenchement "synchronisé", résistance de pré-insertion



Plan



4. La facture électrique ?

Depuis la libéralisation complète du marché de l’électricité en Janvier 2007, bien des choses ont changé au niveau de la tarification.En ce qui concerne la tarification BT (< 1 kV), la facture comporte 3 postes :• le prix de l’électricité qui vous est fourni "commodity" ;• le coût de son transport et de sa distribution "timbre poste";• les surcharges régionales et fédérales "taxes".


Tarification BT

Partie production : totalement libéralisée et négociable. Elle comprend :•Terme fixe en fonction du type de compteur (jour, nuit ou bi-horaire), qui dépend de Ne ;•Terme proportionnel à l’énergie consommée en fonction du type de compteur, qui dépend de Ne et Nc ;•Cotisation verte proportionnelle à l’énergie consommée, indépendamment du type de compteur, fixée annuellement.

Coefficients fixés par la CREG (publiés chaque mois)Ne : facteur lié à l’exploitation (main d’œuvre et indice des prix des matériaux)Nc : lié au prix des combustibles (nucléaire, charbon, produits pétroliers et gaz)

Les formules des différents termes varient suivant les fournisseurs.



Tarification BT

Partie transport et distribution (timbre poste) :Les frais de distribution, transport et location de compteur sont règlementés et non négociables. Ils sont fixés par la CREG.Facturation en cascade :•GRT facture au GRD les frais de transport selon un tarif approuvé par la CREG ;•GRD refacture au fournisseur les frais de transport et les frais de distribution selon un tarif approuvé par la CREG ;•le producteur facture au fournisseurs l’électricité achetée ;•le fournisseur transmet la facture au client final avec tous les termes précédents plus ses propres frais. selon un tarif approuvé par la CREG.



Tarification BT

Redevances diverses :Les taxes, redevances , cotisations et surcharges sont également non négociables.Elles sont proportionnelles à l’énergie consommée.

Elles comprennent :• redevance pour le contrôleur (CREG) ;• les obligations de services publics (OSP) ;• le fonds « Kyoto »;• le financement du passif nucléaire;• la surtaxe pour clients protégés;• une taxe énergie• et une redevance de raccordement.



Tarification BT



En ce qui concerne la tarification HT

Les tarifs HT pour fournitures dans le réseau de distribution sont appliqués aux clients qui installent leur propre cabine HT vers BT et qui sont donc raccordés au réseau HT. Le comptage se fait côté HT et il évalue séparément P et Q.




Puissance maximumIl s'agit de la puissance maximale relevée par le compteur durant le mois facturé, exprimée en kW. Ce n’est pas la pointe instantanée (exemple lors du démarrage d’un ascenseur) mais la pointe maximum enregistrée durant un 1/4h du mois. C’est la pointe ¼ horaire.En fait, le distributeur souhaite rémunérer son investissement matériel pour fournir à son client l’énergie demandée.Si A consomme 1000 kWh avec 1000kW durant une heureet B consomme 1000 kWh avec 1kW durant 1000 heures, alors il est plus aisé de fournir B que A !On mesure durant 15 minutes l’énergie et on divise par 15 minutes, on a la puissance et on cherche le maximum de cette valeur sur 1 mois.

Il est donc très important d’analyser son profil de charge ! Et de reporter vers des périodes creuses certaines consommations.




Pointe ¼ horaire.Comment la diminuer ?En utilisant la technique de délestage.Quelles charges ?Celles qui ont une inertie thermiqueimportante comme les groupes frigos,production d’eau chaude, …conditionneurs d’air, …




Heures pleines (HP) / Heures creuses (HC)• HP : 15 heures en journée, du lundi au vendredi (sauf jours fériés légaux), de 7 à 22 h généralement (horaire variable suivant les GRD), soit, 43 % du temps, soit, 3 765 h/an.• HC : nuits (de 22 h à 7 h) + WE et jours fériés légaux (du vendredi 22 h au lundi 7 h), soit 57 % du temps, soit 4 995 h/an.




InductifC'est le relevé de la puissance réactive inductive demandée par l’installation. Elle provient des inductances de l’installation, bobinages de moteurs, ballasts de lampes fluorescentes, …

CapacitifC'est le relevé de la puissance réactive capacitive, essentiellement générée par les condensateurs, installés pour compenser un mauvais cos phi.



En ce qui concerne la tarification HTRedevance fixeContribution du consommateur à la mise à disposition de puissance électrique.Contribution énergie renouvelableContribution du consommateur à la couverture, par les services publics, d'une partie de la fourniture d'électricité par des certificats "d'électricité verte".Distribution et transmissionLes tarifs applicables au transport et à la distribution de l’électricité sont approuvés par la CREG (Commission de Régulation de l’Électricité et du Gaz) et constituent le "timbre poste ».



En ce qui concerne la tarification HTContributions fédéralesContribution à la surcharge sur l’électricité empruntant le réseau de transport (70 kV), au financement du démantèlement des réacteurs nucléaires expérimentaux BP1 et BP2, de la CREG (Commission de Régulation de l’Électricité et du Gaz), ...Contributions régionalesContribution au financement de la CWAPE (Commission Wallonne pour l'Energie) principalement.



En ce qui concerne la tarification HTNe et NcMajoration pour consommation réactiveIl s'agit d'une pénalité appliquée parce que la consommation d’énergie réactive est trop importante.Cos phi < 0,9 et tg phi > 0,484.



Plan



5. Power Quality – Exemples

A. Harmoniques - Neutre - Section des conducteurs

Harmoniques 3 en phase Somme non nulle Somme dans neutre : 3 x Iphase Echauffement Destruction Adapter la section du neutre

(idem pour les multiples de 3)

Un des effets les plus importants dans la présence de courants harmoniques est l’accroissement de la valeur des courants efficaces qui vont circuler sur l’alimentation triphasée.


Exemple numérique Taux de distorsion

I1 225AI3 183A 81.3 %I5 152A 67.6 %I7 118A 52.4 %

Iphase = 348A (1,55 x I1) (somme quadratique des harmoniques)Ineutre = 3 x 183A = 549A (soit 2,44 x I1)

Phases : 225A > 70mm² avec Harmoniques Phases : 150mm² (385A)Neutre > 35mm² avec Harmoniques Neutre : 300mm² (615A)

5. Power Quality – Etude de cas

A. Harmoniques – Neutre- Section des conducteurs



B. Ampoules économiques







3dBV



C. Ampoules LED



C. Ampoules LED

6,5dBV


Plan



6. Annexes

Puissances – Facteur de puissance et cos phiPuissancesPuissance instantanée fournie : p(t) = u(t).i(t)


6. Annexes

Puissances – Facteur de puissance et cos phiPuissances


6. Annexes

Puissances – Facteur de puissance et cos phiPuissances

Copyright © 2011 Véronique Beauvois 1 Qualité de lénergie Mars 2011.

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