1 La Qualité de l’énergie électrique. Filtrer les harmoniques de courant et nettoyer la tension de la pollution Kamal Al-Haddad ing. M.Sc.A. Dr. G.É Professeur Titulaire de la Chaire de Recherche du Canada Conversion de l’Énergie Électrique et Électronique de Puissance 1 Montréal le 15 février 2005 Avez-vous déjà entendu parler des harmoniques ? • Avez-vous vu leurs effets? • Avez-vous déjà souffert de leur présence? • Savez-vous comment réduire les effets néfastes des harmoniques? 2
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La Qualité de l’énergie électrique. Filtrer les ... · • 75% de l’énergie produite transite par les convertisseurs statiques. • Ces convertisseurs absorbe un courant non
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La Qualité de l’énergie électrique. Filtrer les harmoniques de courant
et nettoyer la tension de la pollution
Kamal Al-Haddad ing. M.Sc.A. Dr. G.ÉProfesseurTitulaire de la Chaire de Recherche du Canada Conversion de l’Énergie Électrique et Électronique de Puissance
1
Montréal le 15 février 2005
Avez-vous déjà entendu parler des harmoniques ?
• Avez-vous vu leurs effets?• Avez-vous déjà souffert de leur présence?• Savez-vous comment réduire les effets
néfastes des harmoniques?
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Plan de la présentation
• Qualité de l’énergie électriqueP i b i d filt l• Pourquoi nous avons besoin de filtrer les harmoniques
• Les sources harmoniques• Les techniques de filtrage passifs et hybrides
– Filtres classiques
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– Filtres avancés• Contrôler les filtres• Applications industrielles
Les applications types des filtres pour améliorer la qualité de l’énergie
Immeubles et bureaux Hôpitaux Bâtiments
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Immeubles et bureaux, Hôpitaux, Bâtiments industriels, etcAlimentations de secours UPSClimatisation HVACCentre, parc d’ordinateursÉclairage, AscenseursDrives et autres charges polluantes
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Introduction• La qualité de l’énergie électrique est un indicateur de la
santé des équipements électriques branchés sur le réseau.
• La santé des équipements (bon fonctionnement,La santé des équipements (bon fonctionnement, défaillance, durée de vie, etc.) est affectée directement par la qualité du réseau à l’intérieur du bâtiment et surtout de la tension disponible sur chacune des prises électriques.
• Garder une bonne qualité de l’énergie c’est équivalent à protéger l’environnement des pollutions.
• La qualité de l’énergie est mesurable comme la qualité de l’airH i d t i d d b CO
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• Harmoniques de tension== monoxyde de carbone CO• Harmoniques de courant== dioxyde de carbone CO2• Taux de distorsion harmonique élevé == Avertissement
SMOG
Quelle est la situation ?• Plusieurs techniques sont actuellement
disponibles pour aider à améliorer la qualité de l’é il’énergie.
• Si les équipements sont déjà installés, comment améliorer la qualité et éviter les problèmes?
• Ajouter le critère qualité de l’énergie au départ et ceci avant d’arrêter le choix et par la
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départ, et ceci avant d arrêter le choix et par la suite l’acquisition de l’équipement
• N’oublier pas que la meilleure technique de protection est à la source.
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Quel est le Problème ?PCC
Un courant de charge riche en
isCharges non linéaires
???Vs Xs
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harmoniquesles harmoniques de courant sont injectées dans la source via les câbles impédantesDistorsion de la tension au PCC
Charges Non-Lineaires • Diodes, thyristors e tous les autres semi-conducteurs de puissance sont
très utilisés pour contrôler l’écoulement de l’énergie dans les charges comme: Drives (ASDs),Ordinateurs, toutes les sources d’alimentations, les sources d’énergie renouvelables, etc.es sou ces d é e g e e ou e ab es, etc
• 75% de l’énergie produite transite par les convertisseurs statiques. • Ces convertisseurs absorbe un courant non sinusoïdale, et échange de
l’énergie réactive avec la source d’alimentation.• Dans le système triphasé, ces harmoniques causent un débalancement
de la tension et un courant excessif circulant dans le conducteur de neutre
Conséquences:
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Conséquences: – Un mauvais facteur de puissance– Rendement faible – Pollution à d’autres clients– Interférences aux réseaux de télécommunication
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Impact de la Distortion THD 0% 33% 38.6% 44%
Peak 100% 133% 168% 204%RMS 100% 105% 107% 109% → Modification importante de la
l êt
9∑
∞
=
+=2n
n21RMS III
valeur crête → Augmentation de la valeur RMS
ConvertisseurType ACDrives
Charge industrielle non-lineaire type
DC Drives
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Drives
Inductance de lissage Pour 60 KVA AC Drive
6
Charges non linéaires actives
ABB- ACF-600 Air conditionné45 KVA Drive
Grahame contrôleur pour60 KVA HVAC Drive
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Train de banlieueMontréal Deux Montagnes4 moteurs, 360 Hp dans chaque motriceLigne monophasé de 5 kV
Train léger à Orlando
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Train type monorail, Jackson VilleConception et installation par
Laboratoire ETS-Bombardier 1999-2003
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Exemple de THD des courants pour différentes charges
PRISE
ALIMENTATION DOUBLE
THD = 44.6%
THD = 50%PC
13THD = 19.1%
OSCILLOSCOPE
Formes des courants absorbés par les charges types:Sources d’alimentations, ordinateur, Ins. de mesure
Alimentations
Ordinateur
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Instrument de mesure
8
Éclairage électronique
Lampe incandescentFluorescent compact type 15 watts
Fluorescent compacttype 11 watts
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Pourquoi c’est nécessaire de filtrer les harmoniques ?
• Dégradation de la qualité de l’énergie• Pertes additionnelles, surchauffe• Surtension récurrente• Surtension récurrente• Mal fonctionnement et des équipements électroniques sensibles,• Vibrations mécanique dans les stystèmes électromécaniques• Déclenchement des disjoncteurs, brûler les fusibles de protection• Problème de résonance avec les condensateurs de compensation de la
puissance réactive déjà installé• Il faut respecter les normes sur les
– Harmonics standards– Limitation de la tension harmonique
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– Limitation du courant harmoniques
Attention, Ces normes sont souvent fait par les fournisseurs d’énergie. Pour le réseau à l’intérieur des bâtiments il faut appliquer
des normes plus strictes
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Filtrer les harmoniquescomment ?
ChargesAlimentationCourant fondamental
PowerQualityFilter
1 ,31 ,3
1 ,3
Les HARMONIQUES
17
-1 ,3
0 3 6 0
-1 ,3
0 3 6 0
-1 ,3
0 3 6 0
Analyse harmoniques des signaux1 ,3
0 3 6 0
1 ,3
0 3 6 0
1 ,3
0 3 6 0
es d
’ond
es
-1 ,3
Courantdes charges
2 0
4 0
-1 ,3
Courant du filtre
2 0
4 0
-1 ,3
Courant propre non
pollué
2 0
4 0
Form
e
+=
oniq
ues
18
-2 0
0
1 5 7 11 13 1 7 19
-2 0
0
1 5 7 11 13 17 19-20
0
1 5 7 1 1 1 3 17 1 9Har
mo
10
SourceZs
iL
harg
e
1- Charges type source de courant
es
Ch
19
2- Charges type source de tension
Zs
SourceC
harg
evL
es
Ch
20
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Quoi utiliser comme moyen de mitigation?
• Les filtres LC conventionnels ont déjà été utilisés pour éliminer les harmoniquesp q
• Les banques de condensateurs sont utilisés pour améliorer le facteur de puissance à l’entrée des bâtiment afin de réduire la facture d’électricité
• Pourquoi ne pas utiliser cette technologie
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Pourquoi ne pas utiliser cette technologie encore?
Batteries de condensateurs pour 320 KV/120kV/25KV réseau de
distribution
6 fois 60kVAR, 600 Voltinstallation du Bâtiment A-ETS
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Désavantages du filtrage passif
•Compensation fixe,Compensation fixe, •Volumineux, •Risque de résonance à tout moment.
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Une solution active ou hybride s’impose
• Le filtrage actif ou hybride est une solution intéressante– Dynamique
Adaptative– Adaptative– Une technologie devenue mature
• Permet d’effectuer plusieurs fonction à la fois– Compensation de la puissance réactive– Élimination de certaines harmoniques– Stabiliser la tension et éviter la résonance– Disponible pour les installations sous différentes topologies
• Deux fils (système monophasé),• Trois files sans neutre (système triphasé),
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( y p ),• Quatre fils (3-phases avec le neutre)
Une solution active/hybride s’impose
• L’augmentation de la sévérité de la pollution harmonique a pourssé le développement d’un système dynamique et p pp y y qajustable pour améliorer la qualité de l’énergie
• Ces équipements sont connu sous différents noms:– Filtres actifs ou hybrides (AF), – Conditionneur active de la ligne (APLC), – Compensateur instantané de la puissance réactive(IRPC), – Conditionneur active de la qualité de l’énergie(APQC)
D’autres noms sont certainement utilisés
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– D autres noms sont certainement utilisés
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Un exemple d’un filtre actif de 60 Ampères
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Tendances technologiques• La technologie des filtres actives est maintenant mature
pour être utilisé comme élément de compensation dans lesbâtiments et industries où la qualité de l’énergie est enq gquestion.
• Cette technologie s’est beaucoup améliorée depuis unquart de siècle avec l’arrivé sur le marché de plusieursconfigurations et techniques de contrôle.
• Cette technologie est utilisée pour éliminer lesharmoniques, réguler la tension, éliminer le papillotementde la tension, éliminer le déséquilibre de la tension.
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• Ce plus grand nombre d’objectifs sont atteints soitindividuellement ou bien en combinaison dépendammentdu besoin du client (le choix de la stratégie de contrôle, latopologie, le nombre de conducteurs, etc.)
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La qualité sur le réseau monophasé• Les charges monophasés comme: éclairage, fours, Écrans - TVs,
Ordinateurs,, imprimantes, photocopieuses, climatisation, agissentcomme des charges non linéaires et absorbent un courant nonsinusoïdal ce qui détériore la qualité de l’énergiesinusoïdal ce qui détériore la qualité de l énergie.
• Une installation dédiée pour les ordinateurs, et autres chargesmonophasées polluantes doit être:– Compensée en terme de tension (Vmin et Vmax)– Protéger contre les variations de la lignes (surtension, creux, etc)– Découplée et isolée des autres charges et pour minimiser l’interaction
via la tension d’alimentation– Isolateur galvaniquement avec écran électrostatique– Bien mise à la terre
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• La plupart de ces charges sont du type générateur d’harmoniquesde tension
• Un filtre active série ou combinaison entre série-parallèle permet deles compenser
Les composantes du filtre actifLes composantes du filtre actif
Filt É
icomp
Filtre d’entrée
OnduleurType courant
ou tension
Élément de stockage de
l’énergieL/C
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Circuit de commande
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Système monophasé avec le controleur en schéma block
T1
T2
T3
T4
Ls
Vdc
iL
LL
vs
ic
RL
vf
Rsis
iLdc
Lc
Cdc
Rc
G1G3
Cc
μL
D1 D2
D3 D4
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+
-Commutation
techniqueGating signals for the inverter
G2 G4
avantcompensation(THD=26%)
après compensation(THD=8.6%)
après compensation(THD=1.8%)
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Système monophasé: le courant de ligne peut être plus propre que la tension de ligne
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La qualité de l’énergie sur le réseau triphasé• Comme la majeur partie de l’énergie est consommée par des charges
triphasées telles: Variateurs de vitesse avec une entrée redresseur àdiodes, à thyristors ou dernièrement nous avons les redresseurs actif àIGBT.
– La grande majorité de redresseurs utilise les diodes éléments de redressement.g j• Ces diodes imposent un spectre d’harmoniques proportionnel à la consommation
énergétique• Le facteur de déplacement est unitaire mais le facteur de puissance est mauvais
variant de .56 à .9• La dernière technologie des redresseurs d’entrée est du type IGBT inclus la
fonction correction du facteur de puissance et la compensation de l’énergieréactive.
• Ces convertisseurs peuvent être qualifiés d’intelligents s’ils sont munisd’un contrôleur approprié
• Un filtre d’entrée est nécessaire pour augmenter l’impédance de ligne,li l t t té l ti
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lisser le courant et protéger le convertisseur• Ils sont bidirectionnels en puissance• Ils coûtent plus cher• Technologie de l’avenir
Exemple d’une mesure effectuée sur un variateur triphasé utilisant un système à trois conducteurs
LINE VOLTAGES & LINE CURRENTS WITHOUT ACTIVE FILTER
500
750
Vol
tsAm
ps
-750
-500
-250
0
250
0
1000
2000
3000
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Waveform event at 22/11/01 10:25:43.533
CHA Volts CHB Volts CHC Volts CHA Amps CHB Amps CHC Amps
CHA Vthd CHB Vthd CHC Vthd CHA Ithd CHB Ithd CHC Ithd 10:41:55.0 10:41:55.5 10:41:56.0 10:41:56.5 10:41:57.0
0
5
10
Qualité de l’onde dans le réseau 4 fils• Un courant de neutre excessif due aux charges non
linéaire déséquilibrés.L t d t l t i iè h i t• La composante de courant le troisième harmonique peutatteindre des valeurs dépassant la limite de la capacité del’installation.– Surchauffe des circuits magnétiques, transformateur et autres– Feux dans les câbles
• Des techniques passives telles transfo zigzag et autre ontété utilisé
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• Les techniques actives plus efficace permettent laréduction jusqu’è l’élimination du courant neutre,compensation des harmoniques, balancement de lacharge, compensation de la puissance réactive.
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Problème d’harmoniques dans le réseau à 4 fils
• Exemple: réseau typique
Protection
Ith (L): 100ARMS
N: 65-80% * Ith
MV LV
PQFT
L1 (R)L2 (Y)
L3 (B)
N
ChargesNL
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NL Loads:- Fluor.
-Éclairage
Ordinateurs.
NL Loads:- Controleur des moteurs ...
NL Loads:- Fluor. light - PCs- ...
La qualité de l’énergie dans le système à 4 fils
I [100 A/div] Load current
Courant de charge:Courant de charge:-- IIfondfond ≈≈ 80ARMS/phase80ARMS/phase-- IIHH3 3 ≈≈ 50 ARMS/phase50 ARMS/phase
I [100 A/div] Line current
-- THDTHDI I ≈≈ 63 %63 %-- CF CF ≈≈ 2.12.1
Après compensationAprès compensationCourant de ligne:Courant de ligne:IIfondfond ≈≈ 80 ARMS/phase80 ARMS/phaseIH3 IH3 ≈≈ 0 ARMS/phase0 ARMS/phase
40
Time [10 ms/div]
-- THDTHDI I ≈≈ 3 %3 %-- CF CF ≈≈ 1.41.4
21
Le problème de la troisième harmonique dans le système à 4 fils
I [100 A/div] Without filterForce de l’harmonique H3
dans le neutre sans et avec filtre
Sans filtre:
I [100 A/div] With filter
Sans filtre:IH3 ≈ 150 ARMS
avec filter:- IH3 ≈ 0 ARMS
Conclusion •le filtre actif améliore
41
Time [10 ms/div]
•le comportement du système
•élimine l’harmonique d’ordre 3.
Avancement technologique• Les nouveaux semi-conducteurs de puissance• Thyristors, BJTs et power MOSFETs on• Later, SITs and GTOs ont tout debut été utilisés.• Avec l’arrivé du composant IGBTs le problème du filtre est
réglé pour les applications à moyenne puissance.• La qualité des capteurs développé à base de (Integrated
électronics) à améliorer ses performances• La disponibilité des composants a grandement réduit le
coût des installations
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coût des installations.• L’introduction des techniques avancées de commande
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CONFIGURATIONS
• Les filtres actifs peuvent être classés en enfonction du type de convertisseur type defonction du type de convertisseur, type detopologie et le nombre de phase à compenser
~ Non-LinearLoads
is iL
AC Mains
AFv
43
d
AF
v
Contrôleur unifié de l’énergie, filtre universel
is iLAFv
~ Non-LinearLoads
is iL
AC Mains ic
UPQC
44Series AF Shunt AF
Q
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Combinaison d’un filtre actif série et d’un filtre passif shunt
iis iLAFv
~ Non-LinearLoads
AC Mainsic
Shunt Passive
45
Series AF
Filter
Ces figures montrent la compensation par deux méthodes directe et indirecteExemple de compensationExemple de compensation
THD=28.35%
THD=5 12%
46Le régime permanent est obtenu après demi-cycle. La perturbation est de 75%de la charge nominale
THD=5.12%
THD=2.92%
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Résultats expérimentaux
*sai
i
PM3394, FLUKE & PHILIPS
vsa
isa
PM3394, FLUKE & PHILIPS
isa
ica
iLa
(a)Time (5ms/div)
isa
ica
iLa
(b)Time (5ms/div)*i
47
= Reference current outputted from DSP, isa=7.49 A (rms), iLa =6.65 A (rms), ica= 1.94 A (rms), and vsa=60V(rms)
THD in Load Current = 29.7 %THD in Supply Current = 3.2 %
*sai
Experimental result of AF system with improvedcontrol technique
vsa
ch1
ch2
PM3394, FLUKE & PHILIPS
vsa ch1
ch2
PM3394, FLUKE & PHILIPS
isa
iLa
ica
ch3
ch4
(a)Time (5ms/div)
isa
isb
isc
ch2
ch3
ch4
(b)Time (5ms/div)
48
vsa=60V(rms), isa= isb= isc=3.55 A (rms) to 8.22 A (rms), iLa= 2.9 A(rms) to 6.85 A(rms) and ica=1.45 A (rms) to 2.3 A (rms)
THD in Supply Current=3.2%, THD in Load Current=29.7%
Load perturbation response of AF system for an increase in load from 0.52 kW to 1.23 kW
entièrement développé au laboratoire ETS-Bombardier Transports
Trajectoire et contact électrique
Train Shoe pour assurer le contact avec Une source de480 Volts, 3-phases
68
35
0.00 s 0.04 s 0.08 s
13.Harm. [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00 0.00 s 0.04 s 0.08 s
Overlay [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00
0.00 s 0.04 s 0.08 s
Sum [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00
0.00 s 0.04 s 0.08 s
ih13(z) [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00 0.00 s 0.04 s 0.08 s
Sum [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00ih5(z) [V] ih7(z) [V] Sum [V]
0.00 s 0.04 s 0.08 s
( ) [ ]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00 0.00 s 0.04 s 0.08 s
( ) [ ]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00
0.00 s 0.04 s 0.08 s
[ ]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00
0.00 s 0.04 s 0.08 s
ih5(z) [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00 0.00 s 0.04 s 0.08 s
ih7(z) [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00
0.00 s 0.04 s 0.08 s
Sum [V]
1000.00
500.00
0.00
-500.00
-1000.00
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Resonance of 1000Hz 100V, the 13th harmonicdoes not exist and has not been detected.
Resonance of 1000Hz 100V, line contains the 13th
harmonic. The 13th harmonic (100V) has beendetected (red trace).
Resonance of 1000Hz 100V, line contains the 5th
and 7th harmonic. The harmonics (100V) havebeen detected (green and red trace).
Without resonance frequency, line contains the 5th
and 7th harmonic. The harmonics (100V) havebeen detected (green and red trace).
Jacksonville 250 kWatts, 480 volts 3-phase supply for monorail traction system
7014kW without compensation 14kW with compensation
14kW without compensation 14kW with compensation
36
7181kW without compensation 94kW with compensation
81kW without compensation 94kW with compensation
Commentaires• La qualité de l’onde est un objectif collectif à atteindre.• Les techniques de mitigation pour améliorer la qualité de l’onde
existe il faut les utiliser pour prévenir les problèmesexiste il faut les utiliser pour prévenir les problèmes• Les applications du filtrage actif types sont les charges types
variateurs plus spécifiquement le contrôleur CA• D’autres charges non linéaires peut bénéficier des filtres• Ie filtrage actif peut être utiliser pour des nouvelles installations et
aussi pour améliorer les installations existantes.• Le filtrage actif est flexible, facile à dimensionner, pas de surcharge,
phénomène de résonance ou interaction avec des nouveaux équipements