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Problèmes de pollution des réseaux

D. Bareille 2006

2

Examen des faits

Dans la vie :• Perceuse portative• Pont redresseur à diodes, charge inductive• Aspirateur domestique • Eclairage• Micro-ordinateur

Au lycée :

Les charges "non linéaires"

En TP

3

Des charges diverses…

4

De l’éclairage

Au néon … À économie d’énergie…

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Courbe 1 : courant secteur (2A/div): valeur efficace 0,82 A, fondamental 0.4A quasiment en phase avec

la tension, Courant maximum 3,3A .  Courbe 3 : puissance instantanée (1250W/div): valeur crête 1000w une puissance moyenne 92W Courbe 2 : tension secteur (250V/div) : sinusoïde quasi idéale.  

1 >

Un micro-ordinateur…

6

Ve

Ie

Is

VsCVred

Ired

Réaliser une alimentation DC à partir du secteur• pour l’électronique de commande des appareils de classe D (micro-ordinateurs, électroménager, Hi-FI…),• pour l’étage d’entrée de la plus-part des variateurs de vitesse.

Solution technique traditionnelle

redresseur à diode + condensateur de forte capacité.

Cahier des charges

7

Ve

Ie

Is

VsCVred

Ired

En TP :

8

La tension de sortie est constante : la fonction est réalisée

Les courants sont « impulsionnels » : la charge est non linéaire

9

Remarque : la tension du secteur est déformée

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Caractérisation d’une charge "non linéaire"

ω φ ω φI 2sin n t-nI 2sin t- 11

i + nn=2

t =

2 2 2I I I ....I1 2 n

v t = Vsin ωtAlimentée par :

Elle absorbe i(t) non sinusoïdal :

• de valeur efficace :

• de fondamental : ω φi t =I 2sin t- 11

11

Caractérisation d’une charge "non linéaire"

S= V I

Ses puissances par phase

Apparente S :

Active P : 1 1P = V I cosφ

Réactive Q : 1 1Q= V I sinφ

Il existe de la puissance déformante D

2 21P Q = V I < S

2 2 2D= S P Q

2 21D= S S

La puissance déformante est liée aux harmoniques de courant

12

Caractérisation d’une charge "non linéaire"

Des grandeurs de caractérisation utiles

Le facteur de déplacement : 1 2 2

PcosφP Q

Le facteur de puissance fp : pPf =S

2 2 22 22 3 n1

dh1 1

I I ....II ITI I

Le taux de distorsion

harmonique:

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Caractérisation d’une charge "non linéaire"

Le taux de distorsion harmonique ?

Il sait tout faire !

La puissance apparente S :

Le facteur de puissance fp : pPf =S

La puissance déformante D : 2 2

1D= S S

2 21

dh1

I ITI

2 2 2S= P Q D

21 dhS=S 1 T

1

pcosφ

f =21 Tdh

1 dhD S T

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Tension efficace fondamentale = 236 V Courant efficace I= 0,82 ACourant efficace fondamental = 0,4 AFacteur de déplacement = 0,956 Taux de Distorsion Harmonique = 179% Puissance moyenne = 92 WFacteur de puissance = 0,476 

1 >

Application

Courant absorbé par un PC : analyse harmonique

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Modélisation du réseau en régime sinusoïdal

v(t)

Jeu de barres

vg(t)

source

ligne

i(t)

charge linéaire

Z50 = : impédance isochrone de la ligne

50

2N

ccV

S 3Z

cc N ccS 3V IPuissance de court-circuit de la ligne :

50gV V Z I

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Modélisation du réseau

i (t) = i1(t) + i2(t) + i3(t) + ….. + in(t)

v(t)

Jeu de barres

vg(t)

source

ligne

i1(t)

Charge non linéaire

i2(t) in(t)

i(t)

gdi(t)

v t v t λdt

1 2 3 ng

di (t) di (t) di (t) di (t)v t v t λ λ λ ... λdt dt dt dt

17

ApplicationCreux de tension causés par une dizaine de PC sur une phase

analyse harmonique

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Modélisation du réseauvis à vis :

50λ ω nnZ n Z

Vg

I1

I1

V1

Jeu de barres n

In

In

Vn

Jeu de barres

+

1 50 1gV V Z I

du fondamental du rang n

n nnV Z I

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n)amont

In

(In)am

Vn

aval

av

nam

amontal

ZnIZ Zn n

I

n)aval(In)av

Vkn

amont

am

nav

avalont

ZnIZ Zn n

I

Propagation des harmoniques sur le réseau

aval

nmont

na

Z Z

nam

naval

I I

Les harmoniques « remontent » vers la source

20

Conséquence de la présencedes harmoniques

De tension— creux de tension— augmentation du flux

• Pertes ferromagnétiques

• Saturation

Déclassement jusqu’à 50%

De courant— courant de neutre— condensateurs

• résonnance • vieillissement

— augmentation des pertes Joule en ligne

— Perturbation des protections

— dégradation du facteur de puissance

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Conséquence réglementaire    

 

APPAREIL DE CLASSE D : Gabarit du courant d’entrée :

 EXRAITS DE LA NORME CEI61000-3-2

 

         

0.35

1

/3 2/3

I/Imax

22

Comment lutter contre les harmoniques

• Filtrage passif :– techniquement simple,

– faible investissement,

– lourd si beaucoup d’ harmoniques à filtrer

• Filtrage actif :– Techniquement

complexe,

– Très coûteux en forte puissance,

– Adapté aux filtrages multiples

filtrage mixte

– passif pour les harmoniques forte puissance (basses fréquences)

– actif pour tous ceux de haute fréquence (faible énergie)

FILTRAGE

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Comment lutter contre les harmoniquesSYSTEME NON POLLUANT

Idée : contrôler la charge du condensateur

Moyen : intercaler un dispositif de découpage

hacheur parallèle, alim Flyback…

ve

ie

IS

VS

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Alimentation à absorption sinusoïdale

Ve VsC

L

Cde CFP Q

D

0 0 t

Tension réseau

Courant réseausans CFP

Courant réseauavec CFP

T2

Hacheur parallèle

iL IS

ie

Cde

25

Analyse du fonctionnement

• De 0 à T • De T à TL

Q

CVSvred

iL

D CVSvred

LiL

L

reddiv Ldt

iL est croissant

L

red Sdiv V Ldt

iL est décroissant

Plusieurs modes de commande : • par fourchette de courant• au zéro de courant

26

Commande par fourchette de courant

Ve

Ie

Is

VsVred

Ired

RC

T

DL

C(t)

1

0

Iref

Ired

iL

iL

27

Vref = 2,5V

-

+

ZCS CSVe

Vfb

ZCS = 0 : déblocage de QCS = MLTout : blocage de Q

MC34262

Vres Ve VsC

12Veff

L

Q

D

MLT

MLI

DRV

AER1

R2

Rss

Commande au zéro de courant

iL

RS

28

Conclusion

Dans les deux cas :

• il faut ajouter des condensateurs coté secteur pour éliminer lés raies de découpage : elles sont à fréquence élevée cela ne pose pas de problème,

• Le facteur de puissance est pratiquement 1,

• Le taux de distorsion harmonique est très faible (20% avec notre petit montage simple ! )

29

Filtrage passif

• Circuit L,C série accordé sur l’harmonique à éliminer

10 Ln ωCn ω

2

2 1Z R Ln ω

fn Cn ω

ZfnZrésn

Zfn << Zrésn

• Un circuit par harmonique à éliminer• Peut aussi servir à compenser la puissance réactive

30

Filtrage actif

• Un onduleur autonome :– spécialement conçu pour

la chasse aux harmoniques

– en parallèle sur la charge polluante

31

ApplicationCourant dans une phaseet courant dans le neutre

32

Accroissement des pertes Joule

Charge non linéaire absorbant un courant de valeur efficace I

Ligne de résistance R

Pertes Joule :2

jP R I

2 2 22 2 3 nj 1P R I R I I .... I

2 2 22 3 njP R I I .... I

2 2 2 21 2 3 nI I I I .... I

Accroissement relatif :2j

j1

PTdh

P

33

Commande par fourchette de courant

Référence

de courantiL

34

Commande par fourchette de courant

Commande de Q

iL

35

Courant dans l’inductance

Raies de redressement

Raies liées

au découpage

36

Courants

iL

ie

50Hz

Raies liées

au découpage

37

Coté réseau…

38

Coté sortie…

Tension de sortie constante VS = 21,4V

Taux d’ondulation < 10 %

39

Commande au zéro de courant

ON

OFF

MOSFET Q

I inductance

I crêteinductance

I réseauIQ ID

T

ton

iL

40

Courant dans le transistor

Courant dans la diode

41

Courant dans l’inductance

Raies liées au redressement

Raies liées au découpage

42

Coté sortie…

43

Coté réseau…

44

Courants

iL

ie