FLICKER

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Perturbation en tension - Section 5.1.4

Zbigniew Hanzelka & Andrzej Bien AGH Université de Sciences et Technologies

Octobre 2008

Flicker (papillotement)

Perturbation en tension

2

fr.leonardo-energy.org

Table des matières

1. Introduction 4

2. Origines des perturbations de la tension 4

3. Origine des fluctuations de la tension 6

4. Effets des fluctuations de tension 6

4.1 Machines électriques ..................................................................... 7

4.2 Redresseurs statiques ................................................................... 8

4.3 Electrolyseurs ................................................................................. 8

4.4 Equipements électro-thermiques .................................................. 8

4.5 Sources lumineuses ....................................................................... 8

5. Techniques de mesure du Flicker 9

5.1 Facteurs de fluctuations de tension ............................................. 9

5.2 Evaluation de l’influence des fluctuations en tension sur

le confort ....................................................................................... 11

6. Atténuation des fluctuations de tension

sur les installations électriques 11

6.1 Conditionneurs dynamiques de tension .................................. 12

6.2 Machines synchrones .................................................................... 13

6.3 Stato-compensateur ...................................................................... 15

6.3.1 Compensateurs avec bobines saturables ................................... 15


3


6.3.1.1 Bobines auto-saturables .................................................... 15

6.3.1.2 Bobines commandées par courant continu ..................... 15

6.3.2 Stato-Compensateur (TCR) à capacités commutées (TSC) ..... 16

6.3.3 Stato-Compensateur (TCR) avec condensateurs fixes (FC) .... 16

6.3.4 Commutateur de sources de tension ondulées et de source

de courant / puissance réactive ................................................. 19

7. Conclusion 20

8. Références 20

9. Annexes 21


4


1. Introduction Le Flicker est défini comme une impression visuelle de papillotement de l’éclairage dû à des fluctuations temporelles de l’intensité lumineuse ou de la distribution spectrale de l’éclairage. Usuellement, cette notion est employée pour désigner les variations cycliques de l’intensité lumineuse des éclairages ayant pour origine des variations de la tension d’alimentation. Le Flicker est symptomatique de fluctuations de tensions dues à des perturbations introduites sur le réseau lors de la production, du transport ou de la distribution d’électricité, mais ont la plupart du temps pour origine l’utilisation de charges fluctuantes, i.e. pour lesquelles les consommations de puissances actives et réactives fluctuent rapidement. Nous analyserons ici la nature des fluctuations de tension, ainsi que leurs causes et leurs effets, les différentes méthodes de mesures adaptées, les techniques d’atténuation et les normes relatives au sujet.

2. Origines des perturbations de la tension La figure 1 décrit la classification des variations de la valeur efficace de la tension en fonction de la durée de la perturbation. La partie hachurée correspond à la gamme de variation de tension prise en considération dans ce document.

Figure1 : Classification des variations de tension

Pour tout type d’alimentation, la tension au point de raccordement de la charge est différente de la tension au droit de la source d’alimentation (voir schéma unifilaire équivalent, figure 2a).

Durée de la perturbation

Coupures brèves

Coupures longues

Surtension transitoire

Creux de tension

Variations et fluctuations de tension

1s 1min 1h


5


La relation 1 ci-dessous permet de calculer la valeur de la tension d’alimentation U (voir figure 2b) à partir du diagramme de phase et de règles géométriques simples.

Où :

E = tension de la source Uo = tension aux bornes de la charge Io = Courant dans le circuit Zs, Xs, Rs = Impédance, réactance et résistance équivalente du circuit P, Q = Puissances active et réactive appelées par la charge Szw = Puissance de court-circuit au point de raccordement de la charge (Ssc)

Figure 2a : schéma unifilaire équivalent

Figure 2b : Diagramme équivalent du circuit d’alimentation d’une charge résisto-inductive Si l’on considère que la résistance équivalente de la ligne est petite devant sa réactance (Xs > 10 Rs), ce qui est vrai pour tous les systèmes d’alimentation en moyenne et haute tension, la relation suivante exprime la valeur relative de la tension aux bornes de la charge :


6


Selon leurs origines, les variations de la tension ∆U peuvent prendre la forme de creux de tension sur une valeur fixe et pendant une longue durée, une variation de tension lente ou rapide, ou une fluctuation de tension. Les fluctuations de tension sont définies comme des suites de variations de tension ou des variations cycliques de l’enveloppe de la tension (voir figure 3). Les fluctuations de tension sont définies par les caractéristiques suivantes :

• variation de l’amplitude de la tension (différence entre les valeurs maximales et minimales de la tension efficace ou des valeurs crêtes de la tension, pendant la durée de la perturbation),

• nombre de variations de tension pendant un temps donné,

• effets (tel que le flicker) dus aux changements de la tension d’alimentation pendant la perturbation.

3. Origines des fluctuations de la tension D’après la relation (1a) exprimée ci-dessus, il apparaît que la cause première des variations de tension est la variabilité temporelle de la composante réactive de la puissance appelée par la charge fluctuante. Les charges fluctuantes sont typiquement : les fours à arc, les laminoirs, les enrouleurs, etc., en règle générale, des charges fortement fluctuantes et dont la puissance est proche de la puissance de court-circuit au point de raccordement de la charge. Il est par ailleurs important de noter que des charges telles que les démarreurs de moteurs à induction, les machines à souder, les chaudières, les régulateurs de puissance, les scies et les marteaux électriques, les pompes et les compresseurs, les grues, les ascenseurs et les monte-charges peuvent aussi être sources de flicker. D’autres sources potentielles sont : la modification du nombre de gradins enclenchés dans les batteries de condensateurs, le changement de sources d’alimentation (commutation de transformateurs), qui modifient dans les deux cas la composante inductive de l’impédance de source. La variation de la capacité de production des turbines éoliennes peut aussi être génératrice de perturbations. Dans certains cas, les fluctuations de tension peuvent avoir pour origine des inter-harmoniques basses fréquences.

4. Effets des fluctuations de tension Les fluctuations de tension sont sources de dysfonctionnements techniques divers pouvant aller jusqu’à l’arrêt des process de production et engendrer des pertes financières importantes. Toutefois, les effets psychologiques du flicker sont considérés comme les plus graves. En effet, le phénomène de flicker modifie l’ergonomie de l’environnement de travail, ce qui a pour conséquence de provoquer une fatigue et une baisse du niveau de concentration des opérateurs.


7


Figure 3 : Exemple de fluctuation de la tension efficace

De plus, des commutations irrégulières (dues à des fluctuations de tension) des contacteurs et autres relais de pilotage du process peuvent causer de graves perturbations sur le réseau d’alimentation électrique (et donc sur le process). Divers exemples d’effets nuisibles de fluctuations de tension sont présentés ci-dessous.

Figure 4 : Variation de la puissance réactive au point de connexion

d’un four à arc ayant pour effet des fluctuations de tension

4.1 Machines électriques

Des fluctuations de la tension d’alimentation d’un moteur électrique peuvent avoir pour effet des variations du couple mécanique sur l’arbre moteur et des variations du glissement moteur, ce qui se traduira par un impact direct sur le process industriel. Dans le pire des cas, cela peut conduire à l’apparition de vibrations importantes et une fatigue mécanique prématurée se traduisant par une réduction du temps de vie du moteur. Des fluctuations de tension au point de connexion de machines synchrones ou de générateurs ont pour effet d’user de façon prématurée les enroulements du rotor, de générer des variations de couple et de puissance et d’augmenter les pertes moteur.

rms(r)

Temps

Puissance réactive Tension

9,4 MVAr

1s

5%


8


4.2 Redresseurs statiques

Les effets caractéristiques des fluctuations de tension sur les redresseurs statiques sont la réduction du facteur de puissance et l’apparition d’harmoniques et d’inter-harmoniques. Dans le cas de freinage par variation de vitesse, cela peut se traduire par des dysfonctionnements de commutation des composants d’électronique de puissance pouvant aller jusqu’à la casse de ces éléments.

4.3 Electrolyseurs

La durée de vie utile et le rendement opérationnel des électrolyseurs peuvent être fortement réduits en cas de fluctuations de la tension d’alimentation. De plus, des éléments de la ligne d’alimentation peuvent être dégradés, ce qui a pour conséquence des coûts de réparation et de maintenance élevés.

Figure 5 : Fluctuations de tension mesurées lors d’une opération de soudage

4.4 Equipements électro-thermiques

Le rendement opérationnel de tout type d’équipement de chauffe est fortement réduit en cas de fluctuations de la tension d’alimentation (allongement du temps de chauffe des matières premières dans un four à arc).

4.5 Sources lumineuses

Toute variation de valeur efficace de la tension d’alimentation des éclairages aura pour effet de faire varier l’intensité lumineuse. Cet effet est désigné par le terme « papillotement » ou flicker et traduit l’impression subjective d’instabilité du flux lumineux due à la fluctuation dans le temps de la luminance ou de la distribution spectrale de la lumière.

120 A

Vms (V)

Temps (ms)


9


Les lampes à incandescence sont particulièrement sensibles car le flux lumineux est directement proportionnel à la tension d’alimentation selon la relation ΦUy, où l’exposant y varie entre 3.1 et 3.7 (pour les lampes fluorescentes, l’exposant est beaucoup plus faible, typiquement de l’ordre de 1.8). La figure 6 illustre la variation de flux lumineux due à une fluctuation de tension pour une lampe à incandescence de 60 W alimentée en 230 V. Le flicker qui en résulte affaiblit la vision et provoque inconfort et fatigue.

Figure 6 : Impact d’une variation de tension sur le flux lumineux

d’une lampe à incandescence [1] Les impacts physiologiques de ce phénomène sont complexes. En règle générale, il est admis que le flicker affecte la vision et les réactions du cerveau humain. Les sources lumineuses papillonnantes génèrent de l’inconfort et affectent la qualité du travail pouvant provoquer des accidents sur le lieu de travail.

5. Techniques de mesure du Flicker C’est uniquement sur la base de mesures de fluctuation de tension qu’il est possible de déterminer le niveau d’émissivité d’une charge en comparaison avec les valeurs seuils définies par les normes de compatibilité électromagnétique (CEM). Les mesures de flicker sont réalisées pour deux raisons : la première, pour définir la qualité de l’alimentation électrique et donc de comparer le niveau existant de flicker au point de mesure aux recommandations normatives, et la seconde, de définir le niveau d’émissivité au stade de la conception d’un équipement (avant sa commercialisation) grâce à des tests types dans le cadre d’une certification.

5.1 Facteurs de fluctuation de tension

Jusqu’à peu, les fluctuations de tension observées à la source de production ou au point de raccordement de la charge n’étaient caractérisées que par des facteurs en relation avec les variations des valeurs efficaces (crête à crête) de la tension. L’énergie des fluctuations de tension, leurs spectres en puissance (spectre énergétique des

Niveau de l’intensité lumineuse Source de tension


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fluctuations de tension), ainsi que leurs durées étaient autant de facteurs utilisés pour caractériser les fluctuations de tension. Aujourd’hui, ces notions ont laissé place à deux nouveaux paramètres : la sévérité de courte durée du papillotement (Pst) et la sévérité de longue durée (Plt). Ces paramètres permettent de rendre compte de l’impact des fluctuations de tension sur l’éclairage et de l’influence néfaste du flicker sur le corps humain. Les premières recherches portant sur les procédés de perceptions visuelles remontent à plus de quarante ans et consistaient principalement en des tests effectués sur des groupes d’individus soumis à différentes sources lumineuses alimentées par des tensions de formes d’ondes variées. C’est sur cette base que les notions de perception ainsi que les courbes de sévérité de flicker ont été déterminées. Ces courbes représentent les valeurs des fluctuations de tension rectangulaires ou sinusoïdales (axe des ordonnées) en fonction de la fréquence (axe des abscisses). La surface au-dessus de la courbe ainsi définie correspond à des fluctuations de tension pour lesquels le flicker constitue une gène non acceptable alors que, dans la zone située en-dessous de la courbe, la gène est acceptable. La participation de psychologistes et de physiologistes au cours de ces expériences a permis de développer des modèles mathématiques complexes permettant de rendre compte des process neurophysiologiques mis en jeu. Les expériences de De Lange ont notamment permis de développer la thèse selon laquelle une corrélation forte existe entre la perception de stimuli lumineux par l’oeil humain et les caractéristiques fréquentielles de la tension d’alimentation de la source lumineuse. Des études complémentaires menées par Kelly ont permis de prendre en compte, en plus des variations d’amplitude de tension, les différents niveaux d'ajustement de l’oeil à la luminosité ambiante. Une contribution importante à ce sujet à été apportée par Rashbass, Koenderink et Van Doom [1, 2]. Leur travail de recherche a en effet permis de développer un appareil de mesure de flicker (le Flickermètre UIE), qui utilise les fluctuations de tension comme signal d’entrée plutôt que les variations du flux lumineux. Ce procédé nécessite d’implémenter dans l’appareil de mesure la modélisation du process physiologique de la perception visuelle selon les règles établies par le travail de Rashbass et Koenderink. Il a ainsi été possible de démontrer que la réponse de l’oeil humain avait les mêmes caractéristiques qu’un filtre passe bande entre 0.5 Hz et 35 Hz, avec une sensibilité maximale au flux lumineux pour des fréquences situées entre 8 et 9 Hz. Pour des lampes incandescentes, des fluctuations de tension d’environ 0.3 % de la valeur moyenne sont détectées à cette fréquence. Les effets psychologiques dépendent de l’amplitude des variations du flux lumineux, du spectre en fréquence et de la durée de la perturbation. La réponse du cerveau au stimuli lumineux a une inertie caractéristique ayant pour constante de temps environ 300 ms, ce qui implique que des variations lentes du flux lumineux sont perceptibles alors que des variations rapides sont lissées. Par exemple, deux variations brèves du flux lumineux espacées de 300 ms seront perçues comme une seule variation.


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Lorsque l’on adopte ce point de vue, il est évident que des variations brèves du flux lumineux espacées d’une durée supérieure à 300 ms présentent une gène plus importante que celle de l’exemple précédent. De plus, on observe que le phénomène de flicker présente une gène plus importante à la périphérie du champ de vision qu’au point où l’attention visuelle est portée. Les fluctuations en tension nécessaires à la production d’un flicker perceptible sont indépendantes de la nature de la tension d’alimentation (alternatif ou continu) de l’éclairage.

5.2 Evaluation de l’influence des fluctuations en tension sur le confort

La problématique imposée par le phénomène de flicker sur l’éclairage existe depuis l’existence des systèmes de distribution d’énergie. Cette problématique n’a fait qu’empirer avec le nombre croissant d’utilisateurs et l’augmentation des puissances électriques installées. Afin de bien comprendre le phénomène de flicker et ses effets, nombre d’investigations ont été menées pour mesurer et traiter ce problème par simple observation des variations du flux lumineux dans un premier temps, puis grâce à la mise en place d’un modèle permettant de rendre compte de la réaction de l’oeil humain (fatigue) aux variations des flux lumineux. Ces investigations ont permis de mettre en place les premiers appareils de mesure de sévérité du flicker des sources lumineuses. Ces appareils étaient constitués de lampes à incandescence (60 W, 230 V), d’un capteur de flux lumineux et d’un modèle analogique (utilisant des amplificateurs opérationnels) pour simuler les réactions de l’oeil humain. A la fin des années 80, divers travaux ont permis de compléter les méthodes de calculs de sévérité de flicker en coordination avec l’union internationale d’électrotechnologie (UIE). Un modèle standardisé d’appareil de mesure de flicker, basé sur les notions de sévérité de courte durée (Pst) et de sévérité de longue durée (Plt) a été adopté à l’issue de ces travaux. Cet appareil de mesure électronique permet de modéliser à la fois le comportement des lampes tungstène et la réponse de l’oeil humain aux stimuli lumineux. Les principes de conception sont présentés dans un autre chapitre de ce guide.

6. Atténuation des fluctuations de tension sur les installations électriques

Les effets néfastes des fluctuations de tension sont principalement liés aux variations d’amplitude de la tension qui dépendent indirectement des caractéristiques techniques de l’installation électrique ainsi que du nombre d’occurrences des fluctuations qui dépendent de la nature du process et du type de charges alimentées. En règle générale, des systèmes d’atténuation des creux de tension sont mis en place pour limiter les fluctuations d’amplitude de tension et ne visent que très rarement le process même.


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Quelques exemples de ce type de système sont :

• le four à arc incorporant des inductances (en série ou à saturation variable), un système de contrôle du fonctionnement interne des électrodes, une chauffe séparée et préliminaire de la charge, etc. ; ces méthodes sont régulièrement mises en place par les ingénieurs métallurgiques ;

• la ligne de soudage avec alimentation de la ligne par un transformateur

dédié, répartition équilibrée des soudeuses monophasées sur le réseau triphasé, connexion des soudeuses monophasées à des phases différentes que les phases dédiées aux équipements d’éclairage, etc. ;

• les variateurs de vitesse et démarreurs de moteurs électriques.

D’après la relation (1a), les amplitudes des fluctuations de tension peuvent être limitées de deux façons :

• En augmentant la puissance de court-circuit (en respect avec la puissance appelée par la charge) au point de raccordement de la charge fluctuante. Ceci peut être mis en pratique par :

− la connexion de la charge à un niveau de tension plus élevé que

la tension nominale ;

− l’alimentation de ce type de charge par des circuits dédiés ;

− la séparation galvanique (transformateur d’isolement) des charges fluctuantes et des charges stables ;

− l’augmentation de la puissance nominale du transformateur alimentant les charges fluctuantes ;

− l’installation de condensateurs en série.

• Diminution des variations de la puissance réactive appelée par la charge en installant des compensateurs dynamiques ou des stabilisateurs de charge.

6.1. Conditionneurs dynamiques de tension

Les variations de tension peuvent être complètement ou partiellement supprimées grâce aux conditionneurs dynamiques de tension. Leur efficacité dépend essentiellement de leur puissance nominale et de leur temps de réaction (réactivité). En appelant de la puissance réactive sur le réseau à la fréquence fondamentale, ces équipements génèrent des chutes de tension au niveau des impédances de source d’alimentation. Selon que la puissance réactive ainsi générée est inductive ou capacitive, la valeur de la tension efficace au point de raccordement (PR) peut être augmentée ou diminuée.


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La Figure 7 représente une classification des différentes technologies des conditionneurs dynamiques de tension. Ces systèmes sont le plus souvent triphasés et ont une puissance nominale élevée pour pouvoir stabiliser la tension au point de livraison de la distribution ou au PR d’une charge spécifique ou d’un groupe de charge. Ces systèmes étant le plus souvent utilisés pour compenser la puissance réactive sur le fondamental, nous les désignerons indifféremment par les termes « compensateur » ou « conditionneur ».

Figure 7 : Classification des conditionneurs dynamiques de tension

6.2 Machines synchrones

En utilisant les machines synchrones sur leur quadrant moteur ou générateur, il est possible, tout en continuant de bénéficier de la puissance mécanique sur l’arbre, de générer de la puissance réactive (inductive ou capacitive) à la fréquence fondamentale, et ce de façon permanente. L’utilisation de machines synchrones sans contrôle du courant d’excitation ne permet pas d’atteindre les niveaux limites normatifs de variation de tension. En effet, il faudrait, pour cela, que la puissance nominale de la machine synchrone soit plusieurs fois supérieure à la puissance de la charge à stabiliser. Il est de ce fait obligatoire de contrôler la machine synchrone en boucle fermée en régulation de tension avec un contrôle du courant d’excitation rapide (figure 8). Une telle solution permet un contrôle rapide du courant réactif appelé par la machine.

Conditionneur dynamique de tension

Statique Tournant

Onduleurs à électronique de puissance Inductances

STATCOM

DVR

Onduleurs On-Line

Onduleurs Off-Line

Gradateur capacitif (TRIAC)

Stato-Compensateur (TCR), avec condensateurs fixes (FC) ou commutables (TSC)


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Figure 8 : Système de contrôle et de stabilisation de tension

par un compensateur synchrone

(a) (b)

Figure 9 : Diagramme (a) - Principe de fonctionnement d’une inductance auto-saturable Diagramme (b) - Caractéristiques magnétiques du noyau de fer

Figure 10 : Diagramme de principe du compensateur TSC (a) Formes d’onde de tension et de courant pendant la phase de commutation

des condensateurs (b)

Réseau d’alimentation

Charge fluctuante

Système de contrôle

Tension de référence

Compensateur synchrone Convertisseur

Plage de fonctionnement

Réseau d’alimentation

Charge Système de contrôle

TSC Tension de référence ou

puissance réactive

(a)

(b)


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6.3 Stato-Compensateur

Les stato-compensateurs (autre que STATCOM) fonctionnent sur le principe de commutation contrôlée au cours de la période réseau de composants statiques (inductance ou capacité), et peuvent être utilisés associés à des bobines dont la saturation du noyaux est contrôlée. Ces équipements fournissent le courant réactif nécessaire à la stabilisation de la charge soit par palier, soit, dans la plupart des cas, de façon continue. Les compensateurs statiques sont considérés comme la solution la plus avantageuse pour améliorer la qualité de la puissance d’alimentation tant sur le plan économique que technique.

6.3.1. Compensateurs avec bobines saturables

Il existe de nombreux équipements utilisant la saturation de circuit magnétique pour stabiliser la tension. Deux de ces solutions sont largement utilisées en pratique : les bobines auto-saturables (SR) et les bobines commandées par courant continu.

6.3.1.1 Bobines auto-saturables

Les bobines auto-saturables ont été une des premières solutions mises en oeuvre industriellement pour atténuer les effets des fluctuations de tension. La bobine est conçue de façon à ce que sa caractéristique magnétique présente les propriétés suivantes :

• une faible pente positive sur une large plage de courant au-delà du coude de saturation (voir Figure 9).

• pour les plus faibles valeurs de la plage de tension, le noyau de fer est en-dessous de la saturation et le courant magnétisant qui parcourt la bobine est équivalent au courant appelé par un transformateur à vide. Sur ces points de fonctionnement, la bobine n’affecte pas l’amplitude de tension.

• sous tension nominale, la bobine est à saturation. Une petite variation de la tension d’alimentation aura un fort impact sur le courant appelé par la bobine.

Ce type de compensateur est habituellement directement connecté au réseau sans transformateur abaisseur.

6.3.1.2 Bobines commandées par courant continu

Ce type de stabilisateur est le plus souvent utilisé avec un condensateur connecté en parallèle, constituant ainsi un filtre pour les rangs harmoniques élevés. Ce dispositif fonctionne de façon équivalente à un transducteur, où l’amplitude du courant primaire est contrôlée par ajustement d’un courant magnétisant continu.


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L’enroulement de contrôle est alimenté en continu, le plus souvent par un redresseur à thyristors dont la puissance est inférieure à 1% de la puissance nominale du stabilisateur. Cette solution permet de générer des courants transitoires important avec une grande réactivité. Par ajustement du courant magnétisant, le courant au primaire de la bobine varie de 0 (noyau non saturé) à la valeur maximale (noyau saturé), couvrant ainsi toute la plage de variation des courants primaires. L’inconvénient majeur de cette solution est la création d’harmoniques de courant sur les rangs élevés. En version triphasée, un plus grand nombre de réglages autorisés par un couplage adaptée d’un grand nombre d’enroulements permet d’éliminer presque totalement les harmoniques de courant de rangs élevés au détriment de la réactivité. L’utilisation de 3 stabilisateurs monophasés permet de corriger le déséquilibre.

6.3.2 Stato-Compensateur (TCR) à capacités commutées (TSC)

Cette solution permet de venir connecter des gradins de batteries de condensateurs installés entre phases par commutation de chaque gradin à l’aide de thyristors (Figure 10). Dans ce cas, les valeurs équivalentes de la susceptance de compensation varient de façon discrète selon le nombre de gradins enclenchés. En installant le nombre nécessaire de gradins de faible valeur, il est possible d’obtenir la résolution souhaitée dans la variation de susceptance. La synchronisation des commutateurs et la pré-charge initiale des condensateurs permettent d’éviter les surintensités et les surtensions inhérentes à la commutation des capacités. Le temps de réactivité pour un fonctionnement de nature symétrique ne dépasse pas 20 ms.

6.3.3 Stato-Compensateur (TCR) avec condensateurs fixes (FC)

Cette solution est un exemple de compensation indirecte. Selon la fonctionnalité requise – stabilisation de la tension ou compensation de l’énergie réactive – la valeur de la somme de deux composantes de courant peut être contrôlée (Figure 11) :

• composante fondamentale du courant au droit du condensateur, qui est alors utilisé comme un filtre ou comme des gradins de capacités commutées (TCR/TSC) ;

• composante fondamentale du courant dans la bobine, contrôlée par un gradateur à thyristors.


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Figure 11 : schéma équivalent d’un compensateur FC/TCR monophasé (a), Formes d’onde de courant mesurées dans le TCR (b)

Figure 12 : Compensateur FC/TCR triphasé

(a) Charge

(b)

Réseau

d’alimentation

Charge Système de contrôle

Tension de référence ou puissance réactive


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Figure 13 : Exemple de l’impact d’un compensateur FC/TCR sur la tension d’alimentation

Comme le montre la configuration classique triphasée de la figure 12, les bobines sont connectées en triangle avec des filtres parallèles et sont vues depuis le réseau comme une susceptance équivalente connectée entre phases. En faisant varier l’angle de contrôle, les valeurs de susceptance sont changées de façon discrète et sont indépendantes les unes des autres. La fonctionnalité d’une telle bobine peut être réalisée par les inductances équivalentes d’un transformateur à tension de court-circuit élevée. Un exemple de l’efficacité des effets de la mise en oeuvre d’un compensateur FC/TCR sur la tension d’alimentation est proposé figure 13.

Figure 14 : Schéma équivalent d’un compensateur (VSC) connecté au réseau d’alimentation

Compensateur FC/TCR off

Compensateur FC/TCR on

20kV

Temps (s)


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6.3.4 Commutateur de sources de tension ondulées et de sources de courant/puissance réactive

Ce compensateur est équivalent à un compensateur de type VSC. La stratégie de commande des éléments semi-conducteurs (modulation de largeur d’impulsion) détermine la valeur et la nature (inductif ou capacitif) de la puissance réactive – Figure 14. Un grand nombre d’équipements utilisant diverses versions de cette solution sont proposés dans la littérature. Leur efficacité est équivalente à celle de la machine synchrone avec des temps de réaction beaucoup plus courts. Le compensateur le plus utilisé est le STATCOM.

Figure 15 : Formes d’onde de tension et de courant et diagramme de Fresnel pour différents angles de phase entre U0 et UP

Les STATCOM appartiennent à une nouvelle génération de compensateurs statiques utilisant des éléments semi-conducteurs à commutation forcée. La désignation – Compensation Statique Synchrone – fait référence au principe de fonctionnement, analogue à celui du compensateur synchrone. Le compensateur est constitué d’un redresseur AC/DC connecté au réseau via une réactance inductive, habituellement en utilisant l’inductance de fuite d’un transformateur.


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Lorsque la tension de sortie du redresseur est inférieure à la tension du réseau, le compensateur agit comme une charge inductive. Inversement, lorsque la tension de sortie du redresseur est supérieure à la tension du réseau, le compensateur fournit de la puissance réactive au réseau et agit donc comme une charge capacitive – Figure 15.

7. Conclusion La notion de papillotement (Flicker) est parfaitement subjective, c’est pourquoi il est particulièrement difficile de définir le coût des effets du flicker. Le flicker affecte en premier lieu la qualité du service – à savoir, la capacité à fournir un éclairage constant et de bonne qualité. Au delà des baisses de productivité probables, le coût du flicker est essentiellement celui de la solution à mettre en place pour en atténuer les effets si ces derniers sont trop néfastes. Les développements récents de l’électronique de puissance et, plus particulièrement dans le domaine des semi-conducteurs, ont permis la réalisation de conditionneurs dynamiques de tension de puissance de plus en plus importante ainsi qu’une diminution des coûts d’investissement et de fonctionnement. La disponibilité de ce type d’équipement et la capacité à réaliser des algorithmes de contrôle complexes ont permis d’implémenter de nombreuses fonctionnalités dont la stabilisation dynamique de la tension.

8. Références

[1] Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations, Part 5, Flicker and Voltage Fluctuations, ‘Power Quality’ Working Group WG2, 2000

[2] UIE Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations. Part 1: General Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC), Types of Disturbances and Relevant Standards, 1994


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9. Annexes

1 IEC 61000-2-2: 2002 Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 2-2: Environnement – Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites à basse fréquence et la transmission des signaux sur les réseaux publics d'alimentation basse tension

2 IEC 1000-3-5: 1994 Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 3: Limites - Section 5: Limitation des fluctuations de tension et du flicker dans les réseaux basse tension pour les équipements ayant un courant appelé supérieur à 16 A

3 IEC 1000-3-7: 1996 Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 3: Limites - Section 7:

Définition des seuils d’émissivité pour charges fluctuantes sur les réseaux moyenne et haute tension

4 IEC 61000-4-14: 2002

Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 4-14: Techniques d'essai et de mesure – Essai d'immunité aux fluctuations de tension

5 IEC 60868: 1986 Flickermètre – Spécifications fonctionnelles et de conception

6 IEC 61000-4-15: 2003

Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 4: Techniques d’essai et de mesure – Section 15: Flickermètre – Spécifications fonctionnelles et de conception

7 IEC 61000-4-30: 2003 Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 4-30: Techniques d'essai et de mesure – Méthodes de mesure de la qualité de l'alimentation

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