Élimination des harmoniques dans les installations

Élimination des harmoniques dans les
installations
Sommaire
Harmoniques ................................................................... 2
Définition, origine et types d'harmoniques ............................................2
Valeurs caractéristiques des harmoniques ...........................................5
Effets des harmoniques ........................................................................7
Élimination des harmoniques ........................................ 12
Stratégies contre les harmoniques .......................................................12
Vivre avec les harmoniques .................................................................12
Solutions Schneider Electric pour éliminer les harmoniques ...............13
Compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine ........ 14
Procédure de mise en œuvre de la compensation active .....................20
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Harmoniques (suite)
Définition, origine et
types d'harmoniques
Harmoniques
Les harmoniques sont des tensions ou des courants sinusoïdaux dont la fréquence
est un multiple entier (k) de la fréquence du réseau de distribution, appelée
fréquence fondamentale (50 à 60 Hz).
Lorsqu'elles sont combinées à la tension ou au courant fondamental sinusoïdal, les
harmoniques provoquent la distorsion de la forme d'onde de la tension ou du courant
(voir fig. 3.1).
Les harmoniques sont généralement nommées Hk, où k est le rang de l'harmonique.
• IHk ou UHk indique le type d'harmonique (tension ou courant).
• IH1 ou UH1 désigne la tension ou le courant sinusoïdal à 50 ou 60 Hz lorsqu'il n'y
a pas d'harmoniques (tension ou courant fondamental).
H1 (50 Hz)
H3 (150 Hz)
H1 + H3
Fig. 3.1. Distorsion de H1 (la fondamentale) par H3 (harmonique de troisième rang)
Les charges non linéaires en sont la cause
Les équipements incorporant des dispositifs électroniques d'alimentation sont la
principale cause des harmoniques. Pour alimenter les composants électroniques en
courant continu, l'équipement dispose d'une alimentation à découpage avec un
redresseur à l'entrée qui génère des courants harmoniques.
Il s'agit, par exemple, d'ordinateurs, de variateurs de vitesse, etc.
Les autres charges causent une distorsion du courant à cause de leur mode de
fonctionnement et génèrent aussi des harmoniques.
Il s'agit, par exemple, des lampes fluorescentes, des lampes à décharge, des
machines à souder et des dispositifs comportant un cœur magnétique qui peut être
saturé.
)Toutes les charges qui provoquent une distorsion du courant sinusoïdal normal
créent des harmoniques, et sont appelées des charges non linéaires.
Ordinateur
Variateur de vitesse
Lampe fluorescente
Fig. 3.2. Exemples de charges non linéaires causant des harmoniques
Charges linéaires et non linéaires
Le réseau électrique fournit aux charges une tension sinusoïdale de 50/60 Hz. La
forme d'onde du courant fourni par la source en réponse aux besoins de la charge
dépend du type de charge.
Charges linéaires
Le courant absorbé est sinusoïdal avec la même fréquence que la tension. Le
courant peut être en retard (déphasage, angle ϕ) par rapport à la tension.
• La loi d'Ohm définit une relation linéaire entre la tension et le courant (U = ZI) avec
un coefficient constant, l'impédance de charge. Le rapport entre le courant et la
tension est linéaire.
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Harmoniques (suite)
C'est parce qu'elles sont conformes à cette loi qu'on nomme linéaires des charges
telles que les ampoules classiques, les systèmes de chauffage, les charges
résistives, les moteurs, les transformateurs, etc.
• Elles ne contiennent aucun composant électronique actif, seulement des
résistances (R), des bobines d'inductance (L) et des condensateurs (C).
Charges non linéaires
• Le courant absorbé par la charge est périodique, mais pas sinusoïdal : la forme
d'onde du courant est déformée par les courants harmoniques.
• La loi d'Ohm définissant le rapport entre la tension totale et le courant (1) n'est
plus valide car l'impédance de la charge varie au cours d'une période (voir fig. 3.3).
Le rapport entre le courant et la tension n'est pas linéaire.
• Le courant absorbé par la charge résulte en fait de la combinaison des éléments
suivants :
- un courant sinusoïdal appelé « composante fondamentale », à une fréquence de
50 ou 60 Hz ;
- les harmoniques, qui sont des courants sinusoïdaux dotés d'une amplitude
inférieure à celle de la composante fondamentale, mais dont la fréquence est un
multiple de la composante fondamentale et définit l'ordre des harmoniques. Par
exemple, l'harmonique de rang 3 possède une fréquence égale à 3 x 50 Hz (ou
60 Hz).
(1) La loi d'Ohm s'applique à chaque tension et courant du même rang d'harmoniques, Uk = Zk
Ik, où Zk est l'impédance de charge pour le rang donné, mais ne vaut plus pour la tension et le
courant totaux.
Î Charges linéaires et non linéaires, voir Ch. 1 p. 11 « Qualité de l'alimentation
fournie par les ASI ».
Un bon exemple en sont les charges RCD
(résistances, condensateurs, diodes) qui se
trouvent dans la majeure partie des
alimentations électriques utilisées avec les
dispositifs électroniques.
● Le condensateur C, en régime stable, ne se
charge que si la tension de ligne instantanée
est supérieure à la tension entre ses bornes.
● À partir de ce point, l'impédance de charge
est faible (diode allumée). Avant, l'impédance
était importante (diode éteinte).
● L'impédance d'une charge non linéaire varie
donc en fonction de la tension entre ses
bornes.
● L'impédance n'est pas constante et la
tension et le courant ne sont plus sinusoïdaux.
● La forme du courant est plus complexe, et
peut être représentée, en utilisant le théorème
de Fourier, en ajoutant :
- un courant avec la même fréquence f que la
tension, appelé « composante
fondamentale » ;
- d'autres courants dont les fréquences kf (k
est un nombre entier > 1) sont appelées
harmoniques.
● La figure donne une idée générale du
courant de charge en ne montrant que deux
rangs d'harmoniques, IH3 et IH5.
Fig. 3.3. Tension et courant des charges non linéaires
Types d'harmoniques et aspects spécifiques des
harmoniques à séquence zéro
Types d'harmoniques
Les charges non linéaires causent trois types de courants harmoniques, tous de
rang impair (car la sinusoïde est une fonction « impaire »).
• Harmoniques H7 - H13 - …. : séquence positive.
• Harmoniques H5 - H11 - …. : séquence négative.
• Harmoniques H3 - H9 - …. : séquence zéro.
Aspects spécifiques des harmoniques à séquence zéro (H3 et
multiples)
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Harmoniques (suite)
Les courants harmoniques à séquence zéro (H3 et multiples impairs, écrit 3(2k+1),
où k est un entier) dans les systèmes triphasés s'accumulent dans le conducteur du
neutre.
Comme leur rang est un multiple du nombre de phases (3), les harmoniques
coïncident avec de déphasage (un tiers de période) des courants de phase.
La figure 3.4 illustre ce phénomène sur une période. Les courants des trois phases
sont déphasés d'un tiers de période (T/3), c'est-à-dire que les harmoniques IH3
respectives IH3 sont en phase et que les valeurs instantanées s'ajoutent. Par
conséquent :
• Quand il n'y a pas d'harmoniques, le courant dans le neutre est égal à zéro :
IN = I1+I2+I3 = 0
• Quand il y a des harmoniques, le courant dans le neutre est égal à :
I1 + I2 + I3 = 3 IH3
Il est donc nécessaire de faire particulièrement attention à ce type d'harmoniques
dans les installations ayant un neutre distribué (applications commerciales et
d'infrastructure).
Fig. 3.4. Les harmoniques de rang 3 et leurs multiples s'additionnent dans le conducteur
neutre.
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Fig. 3.5. Quand il y a des harmoniques H3 et leurs multiples impairs, le courant du conducteur
neutre n'est plus égal à zéro, il est la somme des harmoniques de séquence zéro.
Valeurs
caractéristiques des
harmoniques
Voir le livre
blanc WP 17Î
L'analyse harmonique d'un courant non linéaire consiste à déterminer les éléments
suivants :
• le rang des harmoniques présentes dans le courant ;
• l'importance relative de chaque rang.
Vous trouverez ci-dessous quelques valeurs caractéristiques d'harmoniques et des
rapports à la composante fondamentale utilisés dans l'analyse des harmoniques.
Î Pour plus d'informations sur les harmoniques, voir Ch. 5 et les explications du
Livre blanc n° 17, « Understanding Power Factor, Crest Factor and Surge Factor »
(Comprendre les facteurs de puissance, de crête et de surtension).
Valeur efficace des harmoniques
Il est possible de mesurer la valeur efficace de chaque rang d'harmonique car les
différents courants harmoniques sont sinusoïdaux, mais leurs fréquences sont des
multiples différents de la fréquence fondamentale.
• IH1 est la composante fondamentale (50 ou 60 Hz).
• IHk est la composante harmonique, où k est le rang d'harmonique (k fois 50 ou
60 Hz).
L'analyse harmonique est utilisée pour déterminer les valeurs.
Intensité efficace totale
Irms = IH12 + IH22 + IH3 2 + ... + IHk 2 + ...
Harmoniques individuelles
Chaque harmonique est exprimée sous forme d'un pourcentage, c'est-à-dire le
rapport entre sa valeur efficace et celle de la composante fondamentale. Ce rapport
est le niveau de l'harmonique en question.
IH
100 k
IH1
Hk% = distorsion de l'harmonique k =
Distorsion harmonique de la tension et du courant
Les charges non linéaires créent des harmoniques de courant et de tension. En
effet, pour chaque harmonique de courant de charge, il existe une harmonique de
tension d'alimentation de même fréquence. Par conséquent, la tension subit
également une distorsion par les harmoniques.
La distorsion d'une onde sinusoïdale est présentée sous forme de pourcentage :
rms value of all harmonics
THD*% = distorsion totale = 100 rms value of fundamental
* Distorsion harmonique totale.
Les valeurs suivantes sont définies :
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• THDU% pour la tension, fonction des harmoniques de tension ;
• THDI% pour le courant, fonction des harmoniques de courant.
La valeur THDI (ou THDU pour la tension) est mesurée à l'aide de l'équation :
THDI % = 100
IH22 + IH3 2 + IH4 2 + ... + Hk 2 + ...
IH1
Facteur de crête
Le facteur de crête (Fc), utilisé pour caractériser la forme du signal (courant ou
tension), est le rapport entre la valeur de crête et la valeur efficace.
peak value
Fc =
rms value
Ci-dessous sont les valeurs typiques pour différentes charges :
• Charge linéaire : Fc = 2 = 1,414
• Grand système : Fc = 2 à 2,5
• Ordinateurs personnels : Fc = 2 à 3
Spectre de courant harmonique
La définition du spectre d'un courant harmonique consiste à déterminer la forme
d'onde du courant et les différentes harmoniques, ainsi que certaines valeurs telles
que THDI et FC.
Harmoniques individuelles
H5 = 33 %
H7 = 2,7 %
H11 = 7,3 %
H13 = 1,6 %
H17 = 2,6 %
H19 = 1,1 %
H23 = 1,5 %
H25 = 1,3 %
THDI = 35 %
Fc = 1,45
Courant d'entrée d'un redresseur triphasé
Spectre des harmoniques et THDI
correspondant
Fig. 3.6. Spectre des harmoniques du courant absorbé par une charge non linéaire
Facteur de puissance
Facteur de puissance
Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active (en kW) et la
puissance apparente S (en kVA) entre les bornes d'une charge non linéaire.
P (kW )
λ=
S (kVA )
Il n'exprime pas le déphasage entre la tension et le courant, car ils ne sont plus
sinusoïdaux.
Déphasage entre le courant fondamental et la tension
Le déphasage ϕ1 entre le courant fondamental et la tension, tous deux sinusoïdaux,
peut être défini comme :
P1 (kW )
cos ϕ1 =
S1 (kVA )
où P1 et S1 sont respectivement les puissances active et apparente, correspondant
à la composante fondamentale.
Facteur de distorsion
Le facteur de distorsion est défini comme :
1
v = 1 − 1+THDI
2 =
λ
cos ϕ1
(tel que défini par
CEI 60146).
Lorsqu'il n'y a pas d'harmoniques, ce facteur est égal à 1 et le facteur de puissance
est simplement cos ϕ.
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Harmoniques (suite)
Puissance
Charge linéaire
Entre les bornes d'une charge linéaire triphasée équilibrée alimentée par une tension
entre phases U et un courant I, où le déphasage entre U et I est ϕ, les valeurs de
puissance sont :
• P apparente = S = UI, en kVA ;
• P active = S cos ϕ, en kW ;
• P réactive = Q = S sin ϕ, en kvar.
S=
P 2 + Q2
Charge non linéaire
Entre les bornes d'une charge non linéaire, l'équation définissant P est beaucoup
plus complexe car U et I contiennent des harmoniques. P peut toutefois être exprimé
simplement par l'équation :
• P = S λ (λ = facteur de puissance)
Pour les composantes fondamentales U1 et I1, déphasées de ϕ1 :
• P fondamentale apparente = S1 = U1 I1 3
• P fondamentale active P1 = S1 cos ϕ1
• P fondamentale réactive Q1 = S1 sin ϕ1
S=
P12 + Q12 + D2
où D est la puissance de distorsion, due aux
harmoniques.
Effets des harmoniques
Perte de puissance apparente
) Dans les dispositifs électriques, les
La figure 3.7 montre que le produit d'une tension à la fréquence fondamentale sans
harmoniques et d'un courant harmonique multiple de trois est nul à la fin d'une
période. Cela reste vrai quels que soient la phase et le rang de l'harmonique.
harmoniques ne produisent pas de
puissance active ou réactive,
seulement des pertes par l'effet Joule
2
(ri ).
Voir le livre
blanc WP 26 Î
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S = P12 + Q12 + D2
Cela est exprimé par la relation
Une partie de la puissance apparente est consommée par les harmoniques, sans
effet.
• Dans les machines rotatives, le couple du moteur obtenu est égal à zéro, et seul
un couple parasite pulsatoire existe, créant des vibrations.
• La seule puissance active présente pendant une chute de tension est la chaleur
produite par le courant harmonique (IHk) dans un conducteur de résistance r (r IHk2).
Î Voir le Livre blanc WP 26 : « Hazards of Harmonics and Neutral Overloads »
(Dangers des harmoniques et des surcharges sur le neutre) pour plus d'informations.
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Harmoniques (suite)
Fig. 3.7. Produit de U x I pour les composantes fondamentales (haut) et pour les
fondamentales avec harmoniques (bas)
) L'échauffement dû aux courants
harmoniques s'ajoute à l'échauffement
causé par le courant fondamental.
Échauffement des câbles
L'échauffement des câbles est exprimé par l'équation :
∞
r
Pertes =
) Le neutre doit être surdimensionné
pour prendre en compte les
harmoniques de troisième rang et leurs
multiples.
∑ IHn
2
n =1
Courant dans le neutre
Les harmoniques de rang 3 et leurs multiples s'additionnent dans le conducteur
neutre (voir fig. 3.8). Le courant dans le neutre peut atteindre 1,7 fois celui des
phases.
Conséquences
Pertes considérables dans le neutre
r Ineutre2 = échauffement du neutre.
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Harmoniques (suite)
Fig. 3.8. Les harmoniques de rang 3 et leurs multiples s'additionnent dans le conducteur
neutre.
Charges autopolluantes
) La distorsion de la tension reflète celle
du courant et augmente
proportionnellement à la somme des
impédances en amont de la charge non
linéaire
La distorsion du courant THDI, causée par la charge, cause la distorsion de la
tension THDU, causée par les courants harmoniques circulant à travers les
différentes impédances, depuis la source. La figure 3.9 montre les différentes formes
de distorsion dans une installation électrique ordinaire.
Fig. 3.9. Effets des harmoniques dans l'ensemble de l'installation
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Harmoniques (suite)
Risque de panne des condensateurs
) Pour conclure, plus le contenu de
composantes de rang élevé est
important dans la tension, plus la
situation est difficile pour le
condensateur. Il est souvent
nécessaire d'utiliser des
La valeur d'un courant dans un condensateur est égale à :
I=UCω
Pour un courant harmonique de rang k, la fréquence angulaire est égale à ω = 2π k f,
et le courant est égal à :
I=2πkfUC
où f correspond à la fréquence fondamentale et k au rang de l'harmonique.
Il en découle que la valeur du courant augmente avec la valeur de k.
Qui plus est, pour une fréquence harmonique, il peut également y avoir une
résonance (1) du condensateur (capacitance C) avec l'inductance équivalente (L) de
la source (transformateur, principalement inductif) en parallèle avec les autres
charges fournies. Ce circuit résonant (voir fig. 3.10) amplifie notablement le courant
harmonique de rang correspondant, empirant ainsi la situation du condensateur.
(1) C'est le cas si, pour une harmonique de rang k et de fréquence fk = k x 50 (ou 60) Hz,
2
LCωk ˜ 1, où ω= 2 π fk.
IH
Source
impedance
(transformer) in
parallel with that
of other loads
supplied
harmonic
currents
L
resonant
LC circuit
C
All
non-linear
loads
Fig. 3.10. Effets des harmoniques sur les condensateurs, risques de résonance
Conséquences
• risque de panne des condensateurs ;
• risque de résonance dû à la présence des bobines d'inductance.
Certaines limites doivent être observées :
• U max = 1,1 Un
• U max = 1,3 Un
• THDU max = 8 %
• Sélection du type de condensateur, en fonction de la situation, par exemple
standard, classe h (isolation renforcée), avec bobines d'inductance harmoniques.
Déclassement des transformateurs
) De manière générale, les
harmoniques causent un
déclassement de la source
inversement proportionnel au facteur
de puissance de la charge, c'est-à-dire
que plus ce facteur de puissance est
faible plus la source doit être
Un certain nombre d'effets sont combinés :
• En raison de l'effet de peau, la résistance d'un enroulement de transformateur
augmente avec le rang des harmoniques.
• Les pertes dues à l'hystérésis sont proportionnelles à la fréquence.
• Les pertes dues aux courants de Foucault sont proportionnelles au carré de la
fréquence.
Conséquences
) Conformément à la norme NFC 52-114, les transformateurs doivent être
déclassés par application d'un coefficient k à leur puissance nominale, selon la
formule suivante :
k=
1
n=∞
∑H n
2 1,6
n
1 + 0,1
n=2
Il s'agit d'une équation empirique.
D'autres normes nationales recommandent un déclassement utilisant un facteur k
similaire qui varie selon les pays (par exemple, BS 7821 Section 4, IEE 1100-1992).
Exemple
Un transformateur à 1 000 kVA alimente un pont redresseur à six impulsions qui
absorbe les harmoniques suivantes :
H5 = 25 %, H7 = 14 %, H11 = 9 % et H13 = 8 %.
Le coefficient de déclassement est k = 0,91.
La puissance apparente du transformateur est donc 910 kVA.
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Harmoniques (suite)
Risque de perturbation des générateurs
) En pratique, le THDI du courant
dans le générateur ne doit pas
dépasser 20 %. Pour toute valeur
supérieure, le déclassement est
nécessaire.
Similaires aux transformateurs, les générateurs subissent des pertes plus
importantes en raison de l'hystérésis et des courants de Foucault.
• La réactance subtransitoire X"d augmente en fonction de la fréquence.
• Le champ rotatif « harmonique » balaye le rotor à une fréquence différente de
celle du synchronisme (50 ou 60 Hz).
Conséquences
• création d'un couple parasite causant un rendement moindre de la conversion de
l'énergie électrique en énergie mécanique ;
• pertes supplémentaires dans les bobines d'inductance et dans l'amortisseur du
rotor ;
• présence de vibrations et de bruits anormaux.
Déperditions dans les moteurs asynchrones
Les harmoniques produisent les effets suivants dans les moteurs asynchrones :
• augmentations des pertes par effet Joule et des pertes fer (pertes au stator) ;
• couple pulsatoire (pertes au rotor avec une chute du rendement mécanique).
) Le THDU doit être inférieur à 10 % pour limiter ces phénomènes.
Effets sur d'autres équipements
Les harmoniques peuvent également perturber le fonctionnement des équipements
suivants :
• déclencheurs sans valeur efficace, ce qui cause des déclenchements intempestifs
de disjoncteurs ;
• centraux téléphoniques automatiques ;
• alarmes ;
• équipement électronique sensible ;
• systèmes télécommandés.
Effets sur les systèmes d'ASI récents
Les ASI modernes ont des fréquences de hachage (PWM) très élevées et une
impédance en sortie très faible (similaire à celle d'un transformateur cinq fois plus
puissant).
Lorsqu'elles sont confrontées à des charges non linéaires, ces ASI proposent :
• des pertes limitées ;
• un fonctionnement avec limitation du courant ;
• une distorsion très faible de la tension (THDU < 3 %).
) Les ASI sont un excellent moyen pour alimenter les charges non linéaires.
Conclusion
Les harmoniques peuvent avoir des effets dommageables sur les installations
électriques et la qualité de leur fonctionnement.
C'est pourquoi les normes internationales définissent des niveaux de compatibilité
avec les harmoniques de plus en plus précis pour les équipements et établissent des
limites sur la quantité d'harmoniques sur les réseaux d'alimentation publics.
Î Normes sur les harmoniques, voir « Normes des ASI » au Ch. 5 p. 29.
Les pages suivantes présentent les différentes stratégies concernant les
harmoniques et l'utilité des compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine.
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Élimination des harmoniques
Stratégies contre les
harmoniques
Vivre avec les
harmoniques
Voir le libre
blanc WP 38 Î
Il existe deux stratégies possibles :
• Vous pouvez accepter de « faire avec » les harmoniques, ce qui revient
essentiellement à surdimensionner les équipements pour prendre en compte les
effets des harmoniques.
• Vous pouvez éliminer tout ou partie des harmoniques à l'aide de filtres ou de
compensateurs actifs d'harmoniques.
Surdimensionnement des équipements
Comme les effets négatifs des courants harmoniques augmentent avec l'impédance
cumulative des câbles et des sources, la solution évidente consiste à limiter
l'impédance totale afin de réduire la distorsion de la tension et l'échauffement.
La figure 3.11 montre le résultat du doublement de la section des câbles et de la
puissance nominale de la source.
Comme le THDU dépend principalement du composant inductif et donc de la
longueur des câbles, il est clair que cette solution n'est pas très efficace et permet
seulement de limiter l'échauffement.
La figure 3.12 montre que, pour les courants harmoniques les plus forts (H3 à H7), le
rapport Lω/R est égal à 1 pour les câbles de 36 mm² de section. Par conséquent, audelà de 36 mm², il est nécessaire de réduire l'impédance en utilisant des câbles
multibrin pour créer des impédances parallèles.
Î Pour les centres de données, voir « Harmonic Currents in the Data Center: A
Case Study » (Courants harmoniques dans les centres de données : étude de cas).
Fig. 3.11. Augmentation de la section des câbles pour limiter la distorsion et les pertes
Fig. 3.12. Effet de la section du câble sur Lω/R
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Élimination des harmoniques (suite)
Solutions Schneider Electric
pour éliminer les harmoniques
Plusieurs types de solutions permettent d'éliminer les harmoniques.
Î Filtres, voir Ch. 1 p. 27 « Sélection d'un filtre ».
Filtres passifs
Les filtres passifs LC sont accordés sur la fréquence à éliminer ou peuvent atténuer
une plage de fréquences. Les systèmes de recombinaison des harmoniques (pont
double, déphasage) peuvent également être regroupés dans cette catégorie.
• Sur demande, Schneider Electric peut intégrer ce type de filtre dans ses solutions.
Toutefois, les filtres passifs ont deux principaux inconvénients :
• L'élimination des harmoniques n'est effective que pour cette configuration précise
(l'ajout ou la suppression de charges peut rendre les filtres inefficaces).
• Il est souvent difficile de mettre cette solution en œuvre dans une installation
existante.
Filtres actifs/compensateurs actifs d'harmoniques
Les filtres actifs, ou compensateurs actifs d'harmoniques, tels que les systèmes
AccuSine, annulent les harmoniques en injectant des courants harmoniques
exactement égaux là où elles surviennent. Ce type de filtre réagit en temps réel
(activement) aux harmoniques existantes pour les éliminer. Ils sont plus souples et
efficaces que les filtres passifs, ils évitent leurs inconvénients et, en comparaison,
constituent une solution :
• offrant de meilleures performances (l'élimination totale de toutes les harmoniques
est possible jusqu'au 50e rang) ;
• flexible, adaptable (leur action peut être configurée) et réutilisable.
Tableau résumant les stratégies possibles contre les harmoniques
Stratégie
Avantages
Vivre avec les harmoniques
Augmenter la puissance Réduction du THDU
d'alimentation en
nominale des sources
réduisant l'impédance
et/ou la section des
de source. Réduction
câbles
des pertes par effet
Joule.
Limite les
Alimentation spéciale
perturbations aux
pour les charges non
charges voisines par
linéaires
découplage.
Élimination partielle des harmoniques
Filtres passifs accordés Solution simple.
Inconvénients
Difficile dans les installations existantes. Solution
coûteuse limitée à la réduction du composant résistif
pour les petites sections (l'inductance reste constante).
Nécessite des câbles parallèles pour les sections
importantes. N'évite pas les perturbations en amont de
l'installation. N'est pas conforme aux normes.
Comme ci-dessus.
Pour un ou deux rangs d'harmoniques uniquement.
Filtres à bande large peu efficaces. Possibilité de
résonance. Travaux de conception coûteux
nécessaires.
Augmentation du THDU sur toutes les bornes de la
Bobines d'inductance en Réduction des
amont des charges non courants harmoniques. charge.
Limite les effets des
linéaires
surtensions
transitoires.
N'élimine que certains rangs d'harmoniques.
Transformateurs
Construction non standard.
spéciaux
Élimination complète des harmoniques
Compensateurs actifs
Solution simple et
L'élimination totale de toutes les harmoniques est
e
d'harmoniques
souple.
possible (jusqu'au 25 rang), système adaptable
(configurable) et réutilisable.
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Solutions Schneider Electric
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Gamme de filtres passifs
Notamment solutions à double pont
et déphasage
Compensateurs actifs
AccuSine
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Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
Compensateurs actifs
d'harmoniques AccuSine
Caractéristiques d'AccuSine
Compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine
Les compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine constituent une approche plus
générale du problème des harmoniques. Ces filtres actifs ne sont pas seulement
destinés aux ASI. Ils sont conçus pour éliminer les harmoniques sur toute
l'installation.
AccuSine est particulièrement bien adapté aux applications industrielles et
d'infrastructure de taille moyenne. Il offre des courants de compensation de 20 à
480 A sur les systèmes triphasés avec un neutre.
Ces solutions sont présentées dans la section suivante.
Le tableau ci-dessous résume les principales caractéristiques.
Gamme
AccuSine
Niveau
de
puissa
nce
20 à
480 A
Systèmes
50/60 Hz
Caractéristiques
principales
380 à 415 V ● Filtrage jusqu'à H25
3 Ph+N
● Compensation
et 3 Ph
numérique active avec :
- analyse et compensation
des différents rangs ;
- délai de réaction de
40 ms pour les
fluctuations de charge.
Applications
Filtrage des
système
commerciaux,
d'infrastructure et
commerciaux de
puissance
moyenne, charges
3Ph+N, 3Ph et
monophasées.
Avantages des compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine
• Solution à large bande passante de H2 à H25 avec compensation individuelle de
chaque phase.
• Il est possible de sélectionner les rangs d'harmoniques à compenser.
• Aucun risque de surcharge, la compensation est limitée à la puissance nominale
maximum, même si la puissance de la charge dépasse la puissance nominale.
• S'adapte automatiquement à tous les types de charge, monophasé et triphasé.
• Compatible avec toutes les installations de la mise à la terre.
• Correction du facteur de puissance.
• Économique (quand les harmoniques sont réduites de moitié, les pertes sont
divisées par quatre).
• Peut être réutilisé dans d'autres installations.
• Évolutif avec des unités connectées en parallèle.
• Très compact.
• Installation simple, avec transformateurs de courant en amont ou en aval.
Principe de fonctionnement
La source fournit uniquement la composante fondamentale (IF) du courant de
charge.
Le compensateur actif mesure en temps réel les harmoniques (IH) générées par la
charge et les fournit.
En amont du point A, où est connecté le compensateur, le courant fondamental IF
n'est pas altéré. En aval, la charge absorbe le courant non linéaire IF + IH.
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Édition 09/2015
p. 14
Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
IF
IF + IH
A
Source
Injection of
compensation
current
Non-linear
load
IH
Active harmonic
conditioner
Measurement
of load
harmonics
Fig. 3.13. Compensation des harmoniques par AccuSine
Modes de fonctionnement
Mode numérique, compensation des différents rangs
Le mode de fonctionnement de base du compensateur AccuSine est numérique,
avec un capteur de courant, la conversion analogue/numérique des mesures de
courant et le calcul en temps réel du spectre des harmoniques. Ces informations
sont fournies à l'onduleur pour qu'il effectue la compensation des différents rangs
d'harmoniques.
Le délai de réaction aux fluctuations de charge est de 40 ms (deux cycles).
Schéma de fonctionnement
La puissance requise pour la compensation est tirée sur le système d'alimentation
triphasé et stockée dans la bobine d'inductance L et dans les condensateurs
chargés respectivement à +Vm et -Vm (voir fig. 3.14).
Selon le signe du courant harmonique requis, la largeur d'impulsion d'un des
condensateurs est modulée. Cela signifie que la même connexion au système
d'alimentation peut être utilisée pour absorber de la puissance et injecter des
harmoniques.
La puissance envoyée vers la charge dépend de plusieurs paramètres :
• les valeurs mesurées des harmoniques ;
• les besoins de l'utilisateur, définis pendant la configuration : rangs d'harmoniques
à éliminer, correction ou non du facteur de puissance.
Le transformateur de courant, combiné à un convertisseur analogique/numérique,
détermine le spectre (composante fondamentale et harmoniques) du courant qui
alimente la charge.
En fonction de ces valeurs et du programme de sélection, un processeur prépare les
commandes pour l'onduleur, qui les exécute une phase après les mesures.
La correction du facteur de puissance est obtenue en générant un courant
fondamental déphasé de +90° par rapport à la tension.
Fig. 3.14. Fonctionnement du compensateur AccuSine.
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Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
Options
Sur les systèmes 3Ph ou 3Ph+N, l'utilisateur peut choisir de compenser :
• certaines harmoniques ou toutes les harmoniques jusqu'à H25 ;
• le facteur de puissance.
)Le compensateur AccuSine est toujours alimenté par du courant triphasé, mais il
peut compenser des charges monophasées, c'est-à-dire des harmoniques 3k à
séquence zéro.
Modes d'installation
Mode parallèle
Il est possible de connecter en parallèle au même point d'installation jusqu'à quatre
compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine. Cela permet d'augmenter la capacité
de compensation des harmoniques et/ou la disponibilité du système.
Pour les installations parallèles, un seul jeu de capteurs est nécessaire sur le circuit
compensé et un câble de connexion est utilisé pour envoyer les mesures du courant
de charge aux différents compensateurs. Si l'un des compensateurs s'arrête, les
autres continuent à compenser les harmoniques, dans la limite de leur capacité de
compensation nominale.
Fig. 3.15. Fonctionnement en parallèle de trois compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine
Mode en cascade ou en série
Le mode de fonctionnement « en cascade » ou « en série » est possible, mais
nécessite simplement un paramétrage précis pour éviter toute interaction entre les
différents compensateurs.
Le compensateur en aval traite généralement une charge de forte puissance. Le
compensateur en amont traite les autres circuits sortants basse puissance et, le cas
échéant, les harmoniques résiduelles non traitées par le premier condensateur.
Fig. 3.16. Compensateurs actifs d'harmoniques AccuSine en mode cascade
Mode multicircuit
Ce mode permet à un même compensateur de traiter jusqu'à trois circuits sortants. Il
nécessite un jeu de capteurs pour chacun des circuits compensés. Tous sont
connectés au compensateur AccuSine. Cette configuration est très utile lorsque les
harmoniques sont concentrées sur un petit nombre de circuits.
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Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
Fig. 3.17. Un compensateur actif AccuSine pour plusieurs circuits
Position dans l'installation
Compensation totale (ou centralisée)
Le compensateur actif d'harmoniques est connecté juste en aval des sources, en
général au niveau du TGBT principal.
Compensation partielle
Le compensateur actif d'harmoniques est connecté au niveau du TGBT principal ou
secondaire et compense un ensemble de charges.
Compensation locale
Le compensateur actif d'harmoniques est connecté directement aux bornes de
chaque charge.
Fig. 3.18. Trois points d'installation possibles pour le compensateur AccuSine selon les besoins
de l'utilisateur
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Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
Comparaison des installations possibles
Type de compensation
Totale
(au niveau du TGBT)
Avantages
Économique.
Soulage les générateurs
(transformateurs et générateurs).
Partielle
(au niveau du tableau
secondaire)
Évite le surdimensionnement des
câbles entre les tableaux principal
et secondaire.
La recombinaison de certaines
harmoniques peut permettre de
réduire la puissance nominale du
compensateur.
Élimine les harmoniques là où
elles apparaissent.
Réduit les pertes dans tous les
câbles, jusqu'à la source.
Locale
(au niveau de la charge)
Inconvénients
Les harmoniques restent
présentes en aval de l'installation.
Les câbles doivent être
surdimensionnés.
Les harmoniques restent
présentes entre le tableau
secondaire et la charge non
linéaire.
Le câble connecté à la charge doit
être surdimensionné.
Applications
Conforme aux besoins de l'utilisateur.
Évite l'injection d'harmoniques en amont
de l'installation.
Coûteux si de nombreux
compensateurs sont requis.
Pour les installations où les charges non
linéaires sont peu nombreuses et sont
puissantes par rapport aux autres charges
(par exemple : variateurs de vitesse de
grande taille, ASI puissantes,
baies de serveurs et éclairage
fluorescent).
Grands bâtiments.
Compensation répartie régulièrement pou
chaque étage ou pour chaque ensemble
d'étages.
Plusieurs circuits alimentait les charges
non linéaires.
Aspects pratiques
• La compensation totale ne pose aucun problème de calcul.
• La compensation partielle nécessite quelques précautions.
• Pour toutes les charges RCD non compensées (variateurs de vitesse de grande
puissance sans bobines d'inductance pour applications à couple variable), la
compensation locale ne peut garantir qu'un THDU ne dépassant pas certaines
limites afin de garantir un bon fonctionnement de la charge.
Positionnement des transformateurs de courant en amont
ou en aval
Dans la plupart des modes d'installation ci-dessus, les deux modes d'installation de
transformateur de courant sont possibles avec les compensateurs AccuSine.
Transformateur en amont de la charge
Ce mode est le plus fréquent.
IF
IH
IF + IH
active harmonic
conditioner
CT to measure load
harmonics
non-linear
load
Fig. 3.19. Installation avec un transformateur en amont de la charge
Installation avec un transformateur en amont du compensateur
AccuSine et un sur l'arrivée du TGBT
Cette configuration simplifie le problème lorsqu'il est difficile d'installer un
transformateur sur la ligne juste en amont de la charge. Les deux transformateurs
doivent avoir des caractéristiques compatibles et complémentaires. La différence
entre les courants mesurés détermine la nécessité d'un courant de compensation.
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Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
CT1 to measure
source current
IH
IF
CT2 to measure
conditioner current
IF + IH
information on current to be
reinjected
(différence CT1 - CT2)
active harmonic
conditioner
non-linear
load
Fig. 3.20. Installation avec deux transformateurs, l'un sur l'arrivée du TGBT et l'autre en amont
du compensateur.
Avantages du compensateur AccuSine
Élimination des courants harmoniques compensés
Pour les harmoniques sélectionnées, le compensateur AccuSine est conçu de
manière à donner un chemin aux courants harmoniques avec une impédance
pratiquement nulle par rapport à celle de la source. Cela les empêche de remonter
vers la source.
La figure 3.21 montre AccuSine entre deux sections de ligne ZL1 et ZL2, alimentant
une charge RCD standard mono ou triphasée (alimentation à découpage ou
variateur de vitesse).
Les courants harmoniques IHn qui circulaient auparavant au travers des impédances
Zs et ZL1 en amont du point d'installation du compensateur AccuSine sont éliminés.
La source fournit maintenant uniquement le courant fondamental If.
C'est le compensateur AccuSine qui fournit les courants harmoniques IHn à la
charge en mesurant continuellement les harmoniques absorbées par la charge.
Fig. 3.21. Le compensateur AccuSine
modifie le courant en amont de son point d'installation.
Réduction en THDU au point d'installation
En amont du compensateur AccuSine, les courants harmoniques IHn (toutes ou
certaines des harmoniques jusqu'au 25e rang) sont éliminées.
La distorsion des harmoniques en amont du point d'installation est calculée selon la
formule (voir Ch. 4 p. 49) :
∞
∑ UH
n
THDU % = 100
2
n =2
UH1
où UHn est la chute de tension correspondant à l'harmonique IHn.
L'élimination du courant harmonique pour un rang donné élimine la tension
harmonique du même rang (1).
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Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
Il en résulte une réduction majeure du THDU grâce à la sélection des harmoniques
les plus importantes.
Comme au-delà du 25e rang, l'effet des différentes harmoniques est négligeable, le
THDU est pratiquement nul et la distorsion est totalement éliminée (si le
compensateur est configuré pour éliminer toutes les harmoniques jusqu'au 25e rang.
(1) UHn et IHn étant des composantes sinusoïdales de fréquence nf (où f est la fréquence de la
composante fondamentale), elles sont associées à la loi d'Ohm, en prenant en compte la valeur
des impédances concernées (Zs et ZL1) avec une fréquence angulaire nω.
Par conséquent :
UHn = (Zs(nω) + ZL1(nω)) IHn.
Pour toutes les harmoniques compensées, IHn = 0, et par conséquent UHn = 0.
Procédure de mise en
œuvre de la
compensation active
Conclusion sur la compensation active
Pour calculer précisément la compensation, il faut :
• une connaissance précise et approfondie de l'installation (sources, lignes et
méthode d'installation) ;
• une connaissance précise des charges (courbes d'harmoniques et courbes de
déplacement en fonction de l'impédance de la source) ;
• des outils de calcul spéciaux ;
• une analyse et une simulation.
Nouvelles installations
Les règles standard gouvernant les installations électriques s'appliquent, mais il est
nécessaire d'effectuer une évaluation du THDU aux endroits où circulent les
courants harmoniques.
Cette évaluation est très complexe et nécessite des logiciels de calcul spécialisés
ainsi qu'une connaissance approfondie des charges non linéaires, notamment de la
répartition harmonique en tant que fonction de l'impédance en amont.
Schneider Electric propose les outils de simulation nécessaires pour effectuer ces
calculs.
Installations existantes
Pour les installations existantes, une évaluation précise du site est un préalable
indispensable à toute action de rectification. Le rapport mathématique entre la
distorsion du courant et de la tension est complexe, et dépend des divers
composantes de l'installation.
La maîtrise des phénomènes harmoniques nécessite du savoir-faire et de
l'expérience, ainsi que des outils et des logiciels spécialisés (analyseur de spectre,
logiciel de calcul des distorsions dans les câbles, logiciel de simulation, etc.).
Toutefois, si chaque solution est spécifique à un site donné, l'utilisation des
techniques professionnelles appropriées et de méthodes rigoureuses offre les
meilleures chances de bon fonctionnement de l'installation.
Méthodologie
Schneider Electric maîtrise tout le processus d'élimination des harmoniques et
propose une approche en trois étapes :
1. Audit du site
2. Détermination de la solution la plus appropriée
3. Installation et vérification du système
1. Audit du site
Schéma d'installation
Avant d'effectuer les mesures, nous vous suggérons de tracer un schéma simplifié
de l'installation, en indiquant ce qui suit :
• Les types d'équipement
- Générateurs : type, puissance nominale, tension, Ucc et X"d (groupe électrogène).
- Transformateurs d'isolement : tension, puissance nominale, type, Ucc et couplage.
- Distribution : type de câbles, longueur, section et méthode d'installation.
- Charges : puissance nominale et type.
- Installations de mise à la terre du système à divers points de l'installation.
• Modes de fonctionnement
- Secteur
- Groupes électrogènes (secours ou cogénération)
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p. 20
Compensateurs actifs d'harmoniques
AccuSine (suite)
- ASI
• Modes de fonctionnement dégradé
- Sans redondance
- Sur groupe électrogène
Ce schéma devrait vous permettre de trouver les différents points de mesure et
d'identifier les phases de fonctionnement critiques (pour évaluation par simulation ou
calcul).
Mesures
Après l'étape précédente (indispensable), la phase de mesure peut commencer, en
commençant de préférence à la source et en allant vers les charges qui génèrent les
harmoniques, de sorte à limiter le nombre de mesures.
La qualité des mesures est plus importante que leur quantité et simplifie l'étape
suivante.
Étude préliminaire de l'installation
Cette première étape se termine par une étude préliminaire de l'installation :
• - point(s) d'installation du ou des compensateurs ;
• - conditions d'installation des disjoncteurs de protection ;
• - installation des capteurs (sous tension ou non) ;
• - possibilité d'arrêter la charge ;
• - espace disponible ;
• - évacuation des pertes (ventilation, climatisation, etc.) ;
• - contraintes environnementales (bruit, CEM, etc.).
2. Détermination de la solution la plus appropriée
Les éléments précédents sont utilisés pour déterminer la solution optimale à l'aide
de ces outils :
• analyse des résultats des mesures ;
• simulation de différentes solutions au problème ;
• détermination de la solution la plus appropriée ;
• composition d'un rapport récapitulatif contenant les solutions proposées.
3. Installation et vérification du système
Cette dernière étape inclut :
• la mise en œuvre des solutions sélectionnées ;
• la vérification des niveaux de performance par rapport aux résultats garantis ;
• la rédaction d'un rapport sur le démarrage du système.
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