Perturbations Electromagnetiques Bf Hf

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e travail est le fruit d'une troite collaboration avec le milieu industriel. Il rpond un besoin de formation clairement identifi et repose sur une forte complmentarit entre l'exprience et le savoir-faire industriel de M. G. GAY, responsable de la formation CEM de l'Institut Schneider formation et l'approche pdagogique de M. Y. PELLICIER, enseignant au lyce Pablo Neruda de Saint Martin d'Hres. Le document est compos d'un article de vulgarisation sur les perturbations lectromagntiques basse et haute frquence et la prsentation d' HARMOCEM, un banc d'tude dvelopp pour rpondre au besoin de formation. Etude des phnomnes Harmoniques Basse Frquence Etude des phnomnes Harmoniques Haute Frquence Prsentation du Banc HARMOCEM Extrait du manuel des activits pdagogiques p3 p 11 P 17 p 23

C

Les perturbations lectromagntiques basse et haute frquenceCet article a pour objectif de prsenter les phnomnes lectromagntiques basse et haute frquence et de proposer les principales solutions industrielles permettant dy remdier.- Les perturbations harmoniques sont situes dans un spectre basse frquence stendant jusqu quelques kHz. - Les perturbations haute frquence se situent dans un spectre stendant jusqu plusieurs GHz. Dfinition dune perturbation lectromagntique Il sagit de tout phnomne lectromagntique susceptible de dgrader les performances dun dispositif ou dun systme. Les diffrents niveaux de perturbations rencontrsniveau de la perturbation

p.3Etude des phnomnes harmoniques basse frquencemarge d'immunit

niveau de susceptibilit : niveau de perturbation partir duquel il y a dysfonctionnement par un matriel ou un systme

niveau d'immunit : niveau normalis d'une perturbation supporte par un matriel ou un systme

niveau de compatibilit lectromagntique : niveau maximal spcifi de perturbation auquel on peut s'attendre dans un environnement donn

p.11Les perturbations lectromagntiques haute frquence

limite d'mission : niveau normalis d'mission que ne doit pas dpasser un matriel

Etude des phnomnes harmoniques basse frquenceLe domaine dapplication des phnomnes harmoniques basse frquence stend jusqu environ 2 kHz. Il est noter que sur un systme monophas ou triphas avec neutre cbl le spectre contient des harmoniques de rang 3. Exemple - alimentation dcoupage - variation de vitesse pour moteur asynchrone - clairage.

OrigineDans les secteurs industriel et domestique on constate une recrudescence de gnrateurs dharmoniques imposant un courant alternatif non sinusodal. Les gnrateurs dharmoniques sont des charges non linaires, cest--dire quils nabsorbent pas un courant sinusodal, bien quils soient aliments par une tension sinusodale. Ils comprennent deux types :

Quelques dfinitions importantesRappel du thorme de Fourier (Joseph)mathmaticien franais n Auxerre (1768-1830). Toute fonction priodique de frquence f peut tre reprsente sous la forme dune somme compose : dun terme sinusodal la frquence f de valeur efficace Y1 (fondamental) de termes sinusodaux dont les frquences sont gales : - n fois la frquence du fondamental et de valeurs efficaces Yn (harmonique) - n multiple entier tant le rang de chaque harmonique dune ventuelle composante continue de valeur Y0y(t) = Ynrsin (not - n) + Y0n=1 n=

Les redresseurs en courantIl sagit des redresseurs en pont de Graetz dbitant sur une charge inductive. La forme du courant est compose de crneaux lis la commutation rapide des thyristors.Lf

Z L ligne

Exemples : - convertisseurs statiques (onduleurs) - variateurs de vitesse pour moteur courant continu

Id ot

Les redresseurs en tensionIl sagit des redresseurs en pont de Graetz chargs par un condensateur. La forme du courant est compose de pointes leves et fines lies la charge du condensateur.

Y0 = Y1 = Yn = o = n =

valeur de la composante continue valeur efficace du fondamental valeur efficace de lharmonique de rang n pulsation de la frquence fondamentale dphasage de la composante harmonique

I (t)

L ligne

% 100Spectre d'une charge triphase quilibre Absence d'harmonique de rang 3 et multiple

50

0 1 5 7 11 13 17 19

N

Exemple dapplication du thorme de Fourier sur un signal carr Reprsentation temporellefondamental 2r valeur efficace = E +E harmonique 3 1 2r valeur efficace = E 3 t 2

Notion de taux de distorsionIl donne une mesure de linfluence thermique de lensemble des harmoniques : cest le rapport de la valeur efficace des harmoniques la valeur efficace du fondamental seul. Taux de distorsion (selon dfinition donne par le dictionnaire CEI) : ce paramtre, appel encore distorsion harmonique ou facteur de distorsion, reprsente le rapport de la valeur efficace des harmoniques la valeur efficace du fondamental Y1.n= n=2

0 -E

H1+H3Composante continue : Y0 = 0

Reprsentation spectrale% 100 fondamental (H1) rang H3 rang H5

(Yn2) Y1

THD (%) = 100

Exemple dapplication (signal carr)302 + 102 = 28 % 104

THD = 1000 1 3 5 7 9 n

Facteur de puissance et cos Le facteur de puissance est le rapport de la puissance active P la puissance apparente S P FP = S Le facteur de dphasage cos 1 reprsente le cosinus de langle entre les fondamentaux de la tension et du courant P1 cos1 = S1 P1 puissance active de la composante fondamentale S1 puissance apparente de la composante fondamentale Conclusions FP = cos1 sur une charge linaire FP cos1 sur une charge non linaire - le facteur de dformation FD reprsente le lien entre FP et cos FD = FP cos1 donc FP = cos1.FD

Le spectre est observ avec un analyseur de spectre. Remarque : lamplitude (donc lnergie) des raies harmoniques dcrot en fonction de leur rang. Nota : Nous constatons que le signal rsultant de la sommation (H1 + H3) se rapproche du signal carr.

Valeur efficace dune grandeur alternative non sinusodaleLa valeur efficace de la grandeur dforme conditionne les chauffements, donc habituellement les grandeurs harmoniques sont exprimes en valeurs efficaces. Pour une grandeur sinusodale : Veff = Vmaxr

Pour une grandeur dforme et en rgime permanent, lnergie dissipe par effet Joule est la somme des nergies dissipes par chacune des composantes harmoniques, soit lapplication de la formule gnrale :yeff = 1 y2t.dt T0T

donne avec la reprsentation harmonique :

n=

yeff =

n=1

Yn2

- le facteur de crte cest le rapport de la valeur de crte la valeur efficace dune grandeur priodique Fc = Y crte Yeff

Exemple dapplication IH1 = 104 A ) Valeurs donnes par lanalyseur IH3 = 30 A ) de spectre dans lexemple IH5 = 10 A ) du signal carryeff = 1042 + 302 + 102 = 109 A

Conclusions Ncessit deffectuer la mesure de courant avec un ampremtre RMS (Root Mean Square) intgrant les rangs harmoniques (valeur efficace). Le calcul de la section des conducteurs sera adapt au courant efficace et non pas au seul fondamental.

Principaux gnrateurs dharmoniques- Onduleurs, hacheurs. - Ponts redresseurs : lectrolyse, machine souder. - Fours arc et induction. - Variateurs de vitesse lectroniques pour moteur courant continu ou pour moteur asynchrone ou synchrone. - Appareils domestiques tels que tlviseurs, lampes dcharges, lampes fluorescentes ballast lectronique. - Alimentation dcoupage informatique. Ces quipements connaissent une diffusion croissante, ils entranent une source de pollution harmonique importante.

Les effets indsirables et les retombes conomiques des harmoniques sur les installationsLes tensions et courants harmoniques superposs londe fondamentale conjuguent leurs effets sur les appareils et quipements utiliss. Ces grandeurs harmoniques ont des effets diffrents selon les rcepteurs rencontrs : - soit des effets instantans, - soit des effets terme dus aux chauffements.

Les effets instantans

La normalisation en vigueurLimites dmission en courantElles sont fixes par la norme CEI 61000-3-2 pour les appareils raccords au rseau public en basse tension consommant moins de 16 A par phase. Au del une norme CEI 61000-3-4 est en prparation. Pour les abonns tarif vert en France, EDF propose un contrat EMERAUDE qui engage ses abonns limiter leur niveau de pollution et EDF fournir une nergie de qualit. Nota : Un club FIABELEC en partenariat avec EDF peut servir dassistance aux industriels.

Sur les systmes lectroniques, les tensions harmoniques peuvent perturber les dispositifs de rgulation. Elles peuvent influencer les liaisons et les quipements courants faibles, entranant des pertes dexploitation. Les compteurs dnergie prsentent des erreurs supplmentaires en prsence dharmoniques : par exemple un compteur classe 2 donnera une erreur supplmentaire de 0,3 % avec un taux de 5 % dharmonique 5 sur le courant et la tension. Les rcepteurs de tlcommande centralise frquence musicale utilise par les distributeurs dnergie peuvent tre perturbs par des tensions harmoniques de frquence voisine de celle utilise par le systme. Vibrations, bruits Par les efforts lectrodynamiques proportionnels aux courants instantans en prsence, les courants harmoniques gnreront des vibrations, des bruits acoustiques, surtout dans les appareils lectromagntiques (transformateurs, inductances). Des couples mcaniques pulsatoires, dus aux champs tournants harmoniques, donneront des vibrations dans les machines tournantes. Ils peuvent entraner une destruction du matriel. Perturbations induites sur les lignes courants faibles (tlphone, contrle-commande) Des perturbations surviennent lorsquune ligne courants faibles chemine le long dune canalisation de distribution lectrique avec courants et tensions dforms.

Niveau de compatibilitLa norme CEI 61000-2-2 dfinit des niveaux de compatibilit de tensions harmoniques pour les rseaux publics basse tension et CEI 61000-2-4 pour les installations industrielle