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LA POLLUTION HARMONIQUEProblèmes et Solutions

Mai 2010

Plan de la Présentation

C’est quoi la pollution harmonique ?

Types d’harmoniques et spectres harmoniques

Quels sont les responsables de cette pollution électrique?

Origines de la pollution harmonique

Effets de la pollution harmonique sur le réseau national de distribution de l’électricité

Effets des harmoniques sur les réseaux internes dans les secteurs industriel, tertiaire et résidentiel

Comment traiter les courants harmoniques et la distorsion de la tension

Harmoniques et Facteur de puissance

Pertes subies du non comptage des harmoniques

Gains obtenus par le traitement des harmoniques

Solutions pratiques aux harmoniques

Economie d’énergie obtenue en traitant les harmoniques

Mise en place d’une réglementation et définition de normes et limites applicables dans le Maghreb

Comment sensibiliser les consommateurs à l’importance de l’atténuation des harmoniques

Etude de cas

Discussion

LES CHARGES LINEAIRES

Une charge est dite "linéaire" si le courant qu'elle absorbe est sinusoïdal lorsqu'elle est

alimentée par une tension sinusoïdale.

Ce type de récepteur ne génère pas d'harmonique.

CHARGE NON LINEAIRE

Une charge est dite "non linéaire" si le courant absorbé n'est pas sinusoïdal

lorsqu'elle est alimentée par une tension sinusoïdale. Ce type de récepteur

est générateur des courants harmoniques.

Les charges non linéaires déforment les signaux électriques

du courant et de la tension.

Le courant tiré par un redrésseur est formé en faisant la SOMME du courant

Sinusoidal à 50 HZ(composante fondamentale) et des courants correspondant à

tous les harmoniques d’ordre impair (150 HZ, 250 HZ, 350 HZ,…)

La composante la plus importante du courant est la fondamentale (ordre 1), et

les autres plus importantes sont les 3ème, 5ème,7ème...

TRANSFORMATION DE FOURIER

6

Charges Mono-phasées Charges Tri-phasées

SPECTRE TYPIQUE DES CHARGES NON-LINEAIRES

Transformation de Fourier - Example

PerturbéeComposante Fondamentale du

courant

La composante Fondamentale correspond à la fréquence 50 HZ,

les autres composantes sont multiples de 50 HZ.: 150 HZ, 250 HZ, 350 HZ, 550 HZ, etc…..

Transformation de Fourier - Example Etudions les “ Composantes Harmoniques”

Harmonique Ordre 5

L’Harmonique d’ordre 5 correspond à la fréquence 5 x 50 = 250 HZ

Transformation de Fourier - ExampleAjoutons l’Harmonique d’ordre 7

Harmonique 7Harmonique 5



Rang des harmoniques

Dans le cadre de la décomposition en série de Fourier d'un signal périodique , un courant électrique

est composé en un signal sinusoidal à la fréquence du réseau et la somme (en général infinie) de

signaux sinusoïdaux, de fréquence 2,3,4,5, ..n fois la fréquence du réseau.

n est le rang de la composante harmonique

• Rang 3 : courant supplémentaire de 150 Hz (3 x50 Hz)



• Rang 11 : courant supplémentaire de 550 Hz (11 x50 Hz),

etc……

La pollution des réseaux électriques par les courants harmoniques est une

conséquence inévitable de la prolifération depuis quelques années des

charges non linéaires engendrant des courants harmoniques et des

distorsions dans les différents réseaux électriques

Conséquence :

• Le réseau national de distribution de l’électricité est pollué

• La pollution harmonique est présente dans tous les secteurs:

- Industriel

- Tertiaire

- Résidentiel

Qui sont les principaux responsables de cette pollution ???

1- La présence des charges électriques non linéaires chez les consommateurs génèrent les

courants harmoniques dans leur réseau public et dans leurs réseaux internes entrainant

une pollution électrique ayant des effets néfastes sur la qualité de puissance fournie.

2- Le responsable de la pollution harmonique n’étant pas les centrales électriques , ni

le réseau national de distribution électrique.

3- Les consommateurs sont les principaux responsables de cette pollution dans le réseau

de distribution de l’électricité qui subit les effets générés par les charges polluantes.

Types de charges non-lineaires

1- Le premier groupe (Charges monophasées) comprend :

Lampe basse consommation dite à économie d’énergie.

Tubes fluorescent

Lampes à décharge gazeuse à basse et haute pression.

Ballasts électroniques pour éclairage.

Equipements médicaux

Téléviseurs

Ordinateurs

Imprimantes et photocopieurs

Onduleurs

Exemple de charge non linéaire monophasée - Eclairage Fluorescent

Comparaison des courants harmoniques générés entre les Ballasrs

magnétiques et électroniques

Fluorescent Lighting Comparison - Phase Current Spectrum

0

2

4

6

8

10

12

14

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33

Harmonic No

Perc

en

tag

e H

arm

on

ic C

urr

en

t

Dis

tort

ion

Magnetic

Electronic

2- Le deuxième groupe (Charges triphasées) comprend :

Variateurs de vitesse pour moteurs

• Redresseur (convertisseur alternatif – continu)

• Hacheur ( Convertisseur continu - continu est un dispositif de

l'électronique de puissance)

• Soudeuses

• Four à arc utilisé dans la métallurgie

• Chargeurs de batteries

• PLC, UPS

Exemple de charge non linéaire triphasée (AC VFD)

Forme d’onde déformée du courant

-80.00

-60.00

-40.00

-20.00

0.000

20.00

40.00

60.00

80.00

A

12:00:12.802

02/12/2005

12:00:12.822

02/12/2005

4 mSec/Div

20.008 (mS)

Exemple : Forme d’ondes de la tension et du courant : Effet des

harmoniques

THDV : 6,6% & THDI : 62,4%

Exemple de spectre Harmonique

Pourquoi faut il traiter les harmoniques ?

1- Pour les producteurs et distributeurs d’électricité, il ya plusieurs raisons dont :

Les courants harmoniques génèrent des pertes sur le réseau de distribution et un manque à

gagner compte tenu du fait que les compteurs électriques actuellement installés ne

comptabilisent que les courants fondamentaux à 50 HZ et ne comptabilisent pas les courants

harmoniques.

Les producteurs et distributeurs d’électricité ont le devoir de fournir une électricité non

polluée, donc ils ont la responsabilité de protéger l’intégrité et la fiabilité de leur réseau de

distribution contre les effets néfastes de cette pollution.

Ils ont également le devoir de fournir une qualité de puissance à leurs clients sans

perturbations et sans pollution harmonique.

Le traitement des harmoniques permet de réduire les puissances apparentes et réactives, Ils

pourront par conséquent distribuer des KVA et des KVAR aux nouveaux abonnés sans

investir dans de nouveaux moyens de production entrainant ainsi des économies d’énergie

2- Pour les consommateurs dans les secteurs industriels et tertiaires:

La responsabilité de la pollution harmonique incombe à la présence des charges polluantes chez les

consommateurs qui sont donc les principaux pollueurs ,

d’où le principe Pollueur = Payeur.

Les avantages du traitement des harmoniques sont nombreuses:

Protection des équipement électriques contre les effets néfastes des courants harmoniques.

Amélioration du TPF qui sera dans le futur, le nouveau facteur déterminant pour l’instauration

des pénalités et des bonifications.

Economies d’énergie électriques dues aux réductions des différents types de pertes et

réduction des couts de maintenance.

Etre conforme aux normes et standards internationaux qui sont en cours d’élaboration au

Maghreb

Dans un milieu où il n’y a que des charges linèaires, le Facteur de

Puissance est tout simplement le Cosinus de l’angle de phase entre

la Tension et le Courant à la fréquence 50HZ.

Ce parametre est appelé DPF (Displacement Power Factor)

Donc dans un milieu non harmonique on a :

DPF = KW/KVA = COS φ 50HZ

Facteur de Puissance

En présence de charges non linéaires,

Le cos φ n’est plus applicable, on parlera du FACTEUR DE PUISSANCE

Dans un milieu non harmonique : PF = Cos φ

Dans un milieu harmonique : FP < Cos φ

REMARQUE IMPORTANTE

• Pour améliorer le DPF ou le Cos φ, il faut injecter du courant réactif à

partir des batteries de condensateurs.

• Pour améliorer le TPF (Facteur de puissance), il faut réduire le facteur

de distorsion en réduisant la magnitude du courant harmonique par :

le traitement des harmoniques.

En cas de présence de charges non linéaires, il y a

2 facteurs de puissance mesurables : DPF & TPF

- Pour le DPF , il ya que les courants fondamentaux à 50 HZ

- Pour le TPF, il ya les courants fondamentaux et les courants harmoniques

- Pour améliorer le TPF, le consommateur est appelé à traiter les harmoniques et

réduire la distorsion exportée aux voisins et au réseau national de distribution

OU il sera confronté à des couts électriques élevés .

Exemple de cas d’une charge non linéaire où le TPF < DPF

DPF entre 0,85 et 0,88

TPF entre 0,71 et 0,74

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1:50:00.000 PM

7/13/2006

2:19:50.000 PM

7/13/2006

5 min/Div

29:50.000 (min:s)

DEFINITION: Facteur de Puissance

Facteur de puissance en présence d’Harmoniques

Le facteur de puissance indique à quel point la charge utilise d’une facon efficace l’électricité pour produire un travail

donné. Plus le facteur de puissance est élevé, plus grand est le travail produit pour une tension et une Intensité de

courant données.

Type pf disp (cos φ) THDI pf dist Vraie pf

Ventilateur 0.999 1.8 1.000 0.999

Refrigérateur 0.875 13.4 0.991 0.867

Micro-onde 0.998 18.2 0.984 0.982

Aspirateur 0.951 26.0 0.968 0.921

Lampe fluorescente 0.956 * 39.5 0.930 0.889

Télévision 0.988 * 121.0 0.637 0.629

PC et Imprimante 0.999 * 140.0 0.581 0.580

Mesures de Facteur de puissance et de la distorsion,

faites sur des charges domestiques

Harmoniques dans le Neutre

Les courants harmoniques de rang 3 et multiples de 3 vont s’additionner et donner naissance

dans le conducteur neutre à la circulation d’un courant :

I neutre = 3 x I harmonique de rang 3

Solution : Filtre NCE (Neutral Current Eliminator)

Le NCE supprime la majorité des courants harmoniques de rang 3 du neutre et les

renvoie aux 3 phases. Le NCE équilibre également les courants des phases.

Circulating

current in

primary

3rd, 9th,

5th, 7th

Transformer

Residual

circulating

current in

primary

3rd, 9th,

5th, 7th

Transformer

3rd, 5th,7th, 9th

3rd, 5th,7th, 9th

DP

DP

3rd, 9th5th, 7th

-(5th, 7th)3rd, 9th

3rd, 5th, 3rd, 5th,CNCETM NCETM

7th, 9th 7th, 9th3rd, 9th 3rd, 9th

5th, 7th

PP PP PP PP

3rd, 5th,7th, 9th

Non-linearLoads

3rd, 5th,7th, 9th

3rd, 5th,7th, 9th

Non-linearLoads

3rd, 5th,7th, 9th

3rd, 5th,7th, 9th

Non-linearLoads

3rd, 5th,7th, 9th

3rd, 5th,7th, 9th

Non-linearLoads

3rd, 5th,7th, 9th

Figure 6: Flow of harmonic currents in

typical 4-wire distribution

system without treatment

Figure 7: Cancellation of harmonic currents

using NCE™ and CNCE™

Circulation des Harmoniques

Les tensions et les courants harmoniques ajoutées et superposées

à l’onde fondamentale provoquent sur les récepteurs:

- des effets instantanés.

- des effets à terme dus aux échauffements

Problèmes Crées par les harmoniques

EFFETS DES HARMONIQUES

Réduction de la durée de vie des moteurs

Détérioration des batteries de condensateurs

Réduction de la durée de vie des transformateurs

Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques

Pertes Fer (Iron losses) , pertes crées par le champ magnétique + pertes dues aux courants de

Foucault, entrainant un déclassement des transformateurs et des moteurs

Effets immédiats Pertes par effet Joule

Dégradation du facteur de puissance

Réduction de la puissance des moteurs (couple négatif)

Surcharges des câbles , transformateurs et moteurs

Augmentation du bruit dans les moteurs

Erreur d’enregistrement dans les compteurs

Surdimensionnement des câbles

Réduction de la capacité du réseau

Mauvais fonctionnement des contacteurs

Perturbation des systèmes électroniques

Effets à moyen et long terme

QUELS PARAMETRES

ALLONS NOUS MESURER

POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER

CES HARMONIQUES

FORMULES Les appareils numériques dit RMS réalisent

la mesure efficace d’un signal quelque soit sa

forme, sinusoïdal ou déforméValeur RMS

Appareil non RMS

Mesure = 12 A

Appareil RMS

Mesure = 16 A

37

Formules Fondamentales

ASPECT NORMATIF

Dans le cadre de la fourniture d’électricité :

Les taux de tension harmonique THD-V < 5%

Les taux de courants harmoniques THD-I < 10%

« Total Harmonic Distorsion THD-I & THD-V »

Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du

signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale

THDV

THDI

LE TAUX DE DISTORSION HARMONIQUE GLOBAL

LE FACTEUR DE DISTORSION GLOBAL

DF = I0² + I2² + I3² + I4² + I5² + …………

I eff ²

Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques

du signal sur la valeur efficace du signal

Solutions aux harmoniques

• FILTRES ACTIFS

Mise en place de filtre anti Harmonique

• FILTRES PASSIFS

42

Filtres Actifs

• Filtres installés en Parallèle.

• Le filtrage s’effectuent en injectant des courants

opposés aux courants harmoniques.

Problèmes:

- Cette méthode de filtrage est encore très chère

- Ce type de filtre utilise des composants électroniques très

sensibles non adaptés au milieu industriel.

- Consomme beaucoup d’énergie, donc l’économie réalisée par la

suppression des harmoniques est presque entièrement absorbée

par les composants du filtre

- Exige des phases équilibrées pour un meilleur rendement

*

Filtres Passifs

POUR UN FILTRE PASSIF

Les résultats des performances réalisées par le CETIME ont donné les résultats suivants:

• - Une réduction moyenne du courant RMS de l’ordre de 32,7 %.

• - Une réduction moyenne de la puissance apparente KVA de l’ordre de 32,7 %.

• - Une réduction moyenne du taux d’harmonique (THDI) de l’ordre de 92,3 %.

• - Une amélioration moyenne du facteur de puissance de l’ordre de 50,2%.

Performances

Evolution du courant Arms

Sans Filtre Avec Filtre

Courant Arms moyen 12 Amp. 7,8 Amps

Réduction du courant Arms de 32,4 %

L’installation du filtre permet de réaliser une réduction moyenne du

courant RMS de l’ordre de 32,7%

Exemple de la déformation de courbe de courant

(Sans filtre)

Courbe de

courant

Exemple de la correction de courbe de courant

(Avec filtre)

Courbe de courant

EVOLUTION DE LA PUISSANCE APPARENTE


Puissance apparente (VA) 2 610 1 755

Réduction du KVA de 32,7 %

EVOLUTION DU TAUX D’HARMONIQUE THDI


Taux d’harmonique THDI 123,5 % 9,1 %

Réduction du THDI de 92,6 %

Fig.12 : Evolution du taux d’harmoniques de la Phase 1

EVOLUTION DU FACTEUR DE PUISSANCE


Facteur de puissance (%) 0,624 % 0,961 %

Amélioration du facteur de puissance de 52 %

Réduction de la puissance active totale

- Soulager les transformateurs et augmenter leur capacité du réseau en KVA.- Réduire les pertes par effets Joules, économie d’énergie en KWH - S’aligner aux normes internationales pour la distorsion du courant (THD-I < 10%) et la distorsion de la tension (THD-V < 5%).- Réduire la puissance réactive en KVAR.- Améliorer le facteur de puissance PF en le portant à des valeurs proches de 1.- Protéger complètement les charges traitées.- Supprimer les transitoires causée par les batteries de condensateurs automatiques et par le changement de la charge.- Améliorer les capacités du variateur de vitesse à supporter les hausses et les chutes de

tension.- 99% d’ Efficacité (Consommation négligeable)

Avantage des filtres harmoniques

Avantage du traitement des Harmoniques pour

les systèmes de Cogénération

• Pour les Installations Existantes:

– Le traitement des harmoniques au niveau des installations comportant un système de

cogénération permet de libérer au niveau des transfos une puissance apparente

(Capacité supplémentaire en KVA) pouvant aller à plusieurs MW que l’industriel

pourra vendre à la STEG ou réduire la consommation de gaz naturel correspondante à

la réduction des KVA, réalisant ainsi d’importantes économies d’énergie.

• Pour les Nouvelles Installations:

– Le traitement des harmoniques permet également de réduire le dimensionnement des

systèmes de cogénération et par conséquent, réduire le coût de l’investissement.

REDUCTION DE LA CONSOMMATION

PAR FILTRAGE DES HARMONIQUES

FACTURATION ENERGETIQUE EN PRESENCE DES

HARMONIQUESLes compteurs énergétiques modernes sont capables d’enregistrer

les puissances actives crées par la présence de Tensions

Harmoniques et de courants Harmoniques.

Puissance Active Moyenne / phase :

Puissance Active Fond. + Puissance Active Harmonique =

V1 . I1 . Cosφ1 + ∑ Vn . In . Cosφn

• n est le rang Harmonique 2,3,4,5,……. Correspondant aux Fréquences 100HZ, 150HZ, 200HZ, 250HZ, etc….

• V1 et I1 sont les valeurs de la tension et du courant sinusoidaux à 50HZ, fournisseurs du travail réel.

CAS: USINE TEXTILES

Table 8 a été completée en utilisant l’équation P = S* PF pour determiner la partie

facturée (Colonne noire) et l’équation P= 3*VLN * PF pour déterminer la puissance

consommée reellement par les charges(vert), la difference en rouge représente les

pertes. On remarque que DB1 a le plus de pertes soit 45.3 ou 64.71 KW. Les pertes de

chaque ligne represente 32% dues aux harmoniques.

Cela veut dire que la puissance réellement consommée par l’usine

représente uniquement 67.43% de la puissance totale facturée.

• Avec l’installation du Filtre, le courant harmonique a été réduit à 5% THDI ce qui a entrainé une réduction de la distortion de la tension et du courant. Le courant est reduit à sa valeur fondamentale.

Le % Efficacité est devenue:

(259.01+294.42)/554 * 100 = 99.9%

Cela veut dire que les pertes ont ete réduites de 99.9%

Pertes sans filtrage = pertes Incomer I + pertes Incomer II

=113.7+154.19=267.89 [KW] ou $214,400.00 par an

Le temps de retour est de 1.5 années

PERTES TRANSFO AVEC DES CHAGES LINEAIRES

ET NON LINEAIRES ET COUT PAR AN

On remarque que le meilleur traitement est au niveau

de la charge non-linéaire

PERTES TOTALES EN PRESENSE DE CHARGES NON LINEAIRES

ECONOMIE EN $/AN EN PRESENSE DE CHARGES NON LINEAIRES

• Variateur de vitesse (VFD):

• Puissance: 80 KW @ 400 Volts/50HZ

• THDI = 120%

• I rms = 150 Amperes

• I1 = 96 Amperes

• Pertes = 3 * R * 150 * 150 = 67 500 R

• Longueur cable: 50 m

• Resistance circuit: 0.08 Ohm/50 m

• Pertes = 5400 watts

• Après installation d’un filtre :

• THDI = 5%

• Irms = 96 Amperes

• Pertes = 3 * R * 96 * 96 = 27 648 R

• = 2211 Watts

ECONOMIE cable = 3188 watts Ou 4%

VFD

M

ETUDE DE CAS – VARIATEUR DE VITESSE

Analyse des mesures effectuées sur les 2 redresseurs

SECTION A SECTION B

Sans Filtre Avec Filtre Variation Sans Filtre Avec Filtre Variation

V rms 414 414 414 414

KW 36 36 138 138

KVA 40 26 -35% 155 136 -12,25%

KVAR 20 6 -70% 80 24 -70%

PF 0,88 0,98 +11% 0.9 0,98 +6%

THDI % 120 8 -93% 90 8 -91%

THDV % 8 3 -62% 8 3 -62%

I rms 48 31 -35% 215 161 -25%

I1 30 30 159 159

I3 0,6 0 -100% 3 1 -66%

I5 9 0 -100% 48 0 -100%

I7 2,4 0,5 -80% 13 2 -85%

I9 0,3 0 -100% 1 0 -100%

I11 2 0 -100% 9,5 1 -90%

I13 1 0 -100% 5 1 -80%

I harmonique 15,3 0,5 -98% 79,5 5 -94%

Mesures effectuées sur 4 variateurs de la Coficab

Mesures I rms THDI I fondam I5 I7 I11 I13 I17 I19 I harm KVAR

TEF1 Moteur

commande 1350 32 % 334 67 48 30 26 20 18 208 140

TFE2 Moteur

commande 1261 49 % 235 47 34 21 18 14 12 146 135

TFE3 Moteur

commande 1233 37 % 218 44 31 20 17 13 11 136 130

TFE4 Moteur

commande 1323 34 % 306 61 44 28 24 18 16 190 166

1167 1093 680 571

Résultats & Performances obtenus

1- Une réduction de 570 Ampères

- I (harmonique) avant traitement : 680 Ampères

- I (harmonique) après traitement : 109 Ampères

Le gain sera donc de 680 – 109 = 571 Ampères,

2-Une réduction de 395 KVAobtenue comme suit : KVA = 571 Amp. x 400 x 1.732 = 395 kva

3- Autres performances obtenues :

- Une réduction de 500 KVAR

- Une augmentation du cos φ à 0,98.

- Une réduction des pertes ligne par effets joules et des pertes dans les jeux de barre,

les disjoncteurs, les transfos, etc..

- Une économie totale projetée de 7%

- Une protection des variateurs de fréquence contre les surtensions

- Une réduction des taux de panne et des couts de la maintenance.

MERCI

POUR

VOTRE ATTENTION

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