L’Efficacité Énergétique commence par le
choix de transformateurs appropriés
Stéphane BrouilletteConcepteur et Spécialiste d’Applications non linéaires
Le Groupe Delta xfo1-800-663-3582
IntroductionIntroduction
Transformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
Objectif de la présentation
Démontrer la réduction possible des coûts énergétiques reliés à une installation électrique
• Transformateur
• Harmoniques
• Simulation
• Conclusion
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
La théorie
Le transformateur : unité statique
• Nécessaire à la transformation des niveaux de tension
• Généralement pour abaisser la tension
• Tension et courant y sont inversement proportionnel
• Transformation :– Phénomène électromagnétique– Engendre des pertes causées par:
• la magnétisation dans le noyau• la charge dans les conducteurs
– Pertes supplémentaires• les parasites: courants de Foucault
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
La construction
Triphasé
Acier Magnétique enduit d’isolant
Enroulement Secondaire
• Conducteur et isolant
Enroulement Primaire
Conducteur et isolant
Xo X1 X2 X3
H1 H2 H3
Construction d’un transformateur
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
Enroulements et matériaux
Aluminium (Al)• Coût d’achat
moins élevé
Cuivre (Cu)• Conductivité plus élevée• Plus compact et efficace• Rendement: ROI
Type de conducteurs
KVA À En Pertesvide charge totales
Al 150 575 6556 7131 Diff. à 75% Diff. à 100 %
Cu 150 540 5000 5540 910.2W 27.15% 1591W 28.72%
0.910 kW * 0.07$ * 24 Heures * 365 jours = $558.13 / année
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
Type de transformateurs
Cuivre Aluminium1. Application général X X2. Facteur K X3. Mitigation d’harmonique X4. Mitigation avec déphasage X
réglable
Disponible selon le nouveau standard d’EfficacitéÉnergétique : CSA C802.2-00
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
L’Office de l’Efficacité Énergétiqueet le standard CSA C802.2-00
• Réglementation par : Ressources NaturellesCanada
• Selon Protocole de Kyoto• Basé sur la norme NEMA TP1• Efficacité minimale à respecter• Selon une consommation pré-établie
– 35 % (distribution)– 50 % (puissance)
• Orienté sur les pertes à vide• Réglementation frontalière• Version finale en cours d’écriture
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
Tableau d’efficacité du standard CSA C802.2-00 actuel
98.9098.90208Y/120100098.8098.80208Y/12075098.7098.70208Y/12050098.5098.60208Y/12030098.4098.50208Y/12022598.2098.30208Y/12015098.1098.20208Y/120112.597.9098.00208Y/1207597.6097.70208Y/1204597.3097.50208Y/1203096.8097.00208Y/12015
BIL 20-150 kV efficacité, %, à 0.50 du kVA de l’unité
Classe 1.2 kV efficacité, % à 0.35 du kVA de l’unité
Tension minimum
PuissancekVA
PuissanceDistribution
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
Office de l’Efficacité Energétique
Tiré du site : http://oee.nrcan.gc.ca
Introduction
TransformateurTransformateur
Harmoniques
Simulation
Conclusion
Efficacité et niveau de charge
* Coûts annuel : $0.07 * kWh * 24 heures * 365 jours
936.971.53574.800.94316.100.52210.560.3475 C802 de 35%-100%
1724.322.811026.801.67528.580.86325.300.5375 C802 à 35%
2068.323.371287.112.10729.091.19501.430.8275 standard en cuivre
$kW$kW$kW$kW
100%75%50%35%Type de transformateur
Pertes et coûts selon niveau de charge
98.00%98.36%98.64%98.71%135017875 C802 de 35%-100%
96.39%97.11%97.75%98.02%260021275 C802 à 35%
95.70%96.40%96.93%96.98%291246175 standard en cuivre
WattsWatts
100%75%50%35%En
chargeÀ videType de transformateur
EfficacitéPertes
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Réalité de l’évolution des charges:
Historique: linéaire
– Éclairage incandescent
– Moteur– Chauffage– Contrôle et
automatisation par relais
Réalité: non linéaire
– Éclairage: HID, Hallogène, Ballast électronique
– Moteur: variateur de vitesse
– Chauffage: thermostat électronique
– Contrôle et automatisation: automate programmable, ordinateur
– Équipements de bureau: ordinateur, photocopieur, équipement électronique de laboratoire
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Linéaire vs Non linéaire
Amps
S
Linéaire: Charge à impédance constante, indépendamment du niveau de tension appliquée
Non linéaire: Charge dont l’impédance varie selon le niveau de tension appliquée
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Composition de l’onde
Fréquence60 Hz180 Hz300 Hz
Fréquence60 Hz180 Hz300 Hz
Harmoniques1ère
3ième
5ième
Harmoniques1ère
3ième
5ième
Définition• Composantes d’une onde périodique dont les
fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Déformation = Distorsion
Les nouvelles technologies (électronique de puissance)
influencent grandement la qualité de l’onde
Déformation de l’onde de courant
Profil non linéaire
Résultat
Tension sans distorsion
Tension avec distorsion
Harmoniques de tension
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Problèmes engendrés
Phénomènes familiers
– Distorsion de la tension et du courant– Problèmes de régulation– Opérations inopinées des équipements– Bris d’équipements– Vieillissement prématuré des équipements– Bas facteur de puissance – Utilisation inefficace de l’énergie
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Spectre typique d’une charge monophasée
Amps
Time mS
Séries de Fourier f(t) = Ao + A1sin(wt + θ1) + A2sin(2wt + θ2) + A3sin(3wt + θ3) ...
Bloc d’alimentation d’ordinateur
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Spectre typique d’une charge triphasée
Distorted Waveform
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Fundamental 60 Hz
-1.5-1
-0.50
0.51
1.5
5th Harmonic - 300 Hz
-1.5-1
-0.50
0.51
1.5
7th Harmonic - 420 Hz
-1.5-1
-0.50
0.51
1.5
Frequency Spectrum
0
20
40
60
80
100
1 3 5 7 9 11 13harmonic
% fu
ndam
enta
l
=
Variateur de vitesse triphasé
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Facteur de puissance et harmoniques
kVAR(Puissanceréactive)
kW (Puissance réel)
kVA (Puissance Apparente)
φ
φcos==kVA
kWpf
kVA kW kVAR= +2 2
kVAR(Puissanceréactive) kW (Puissance réel)
kVA (Puissance Apparente)
kVA kW kVAR kVARH= + +2 2 2
pf kWkVA
= ≠ cosφ
kVAH(Puissance
de distorsion)
φ
Avec charges linéaires
fP total = fP de déplacement + fP de distorsion
Avec charges non linéaires
Impact des charges harmoniques sur le facteur de puissance
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Features and Benefits Functional Upgradability - Metering "Soft Switches" provide non-hardware means for
incorporating Time of Use, Reactive Measurements, Power Factor, Q-hour, Apparent Power and numerous other enhancements for advanced meter measurement and monitoring
Automatic On-Site Monitoring - Site Genie automated service diagnostics, present in every meter, identifies wiring changes before billing problems occur
Power Quality Monitoring - Power Guard identifies load power quality problems before they become complaints
Standardization - Adopts Utility-driven communication standard (ANSI C12.18 and C12.19) providing a standard way to read and program meters
Rational Power Measurements - Measures IEEE defined "3D" vector quantitiesConsolidated forms with wide voltage range (120V to 480V) - Reduced Inventory
More Measurement choices - Ability to Select "2D" Phasor Power or "3D" Vector ApparentPower. Measure fundamental only or Fundamental plus harmonics
Revenue Guard option board - Improves metering reliability at critical multi-phase installations. Prevents shut down when a single phase voltage is lost. More Billed Energy!
Harmoniques et appareil de mesure
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Harmonique et facteur K
Rms :
13579
111315171921
Ih (%)
1.000.860.630.370.170.030.040.040.020.020.01
I pu
0.660.570.410.240.110.020.020.030.010.010.01
Ipu^2
0.430.320.170.060.010.000.000.000.000.000.00
h2
19
254981
121169225289361441
% of k-factor
25%36%25%8%0%1%1%1%1%0%
Somme2 : Facteur K :
K
0.42.94.22.91.00.10.10.20.10.10.011.7
I^2
1.000.740.390.140.030.000.000.000.000.000.002.311.52
Note:La troisième est responsable de 25% de l ’effet thermique harmonique
Les harmoniques 5 et 7 sont, quant à elles, responsables de plus de 50%
Ih= unité de courant rms d ’harmonique h, en rapport avec le courant total en rms
Temps
Am
ps
k-factor: 11.72
1
2max
hIKhh
hh •= ∑
=
=
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Bénéfice de l’atténuation
100.12I rms123.98I rms151.90I rms
021021121
019219219
017217217
015015415
413413413
311311311
0909179
07377377
05635635
0303863
100110011001
amp.Rangamp.Rangamp.Rang
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Atténuation des harmoniques
X0X3 X2 X1
H1 H3
H2
X1
X2
X3
X0
• Atténuation des courants d’harmonique de rang triple au secondaire par opposition de flux
• Enroulements multiples au secondaire• Atténuation sera parfaite si les charges sont
balancées
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Déphasage
300
5ième
Harmonique
5 x 30 =1500
7ième
Harmonique
7 x 30 = 2100
Xfo
B
Xfo
BXfo
A
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Déphasage
5ième
Harmonique
5 x 30 =1500
7ième
Harmonique
7 x 30 = 2100
Xfo
B
Xfo
A
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Déphasage150
11ième
Harmonique
11 x 15 =1650
13ième
Harmonique
13 x 15 = 1950
Xfo
B
Xfo
BXfo
A
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Déphasage
11ième
Harmonique
11 x 15 =1650
13ième
Harmonique
13 x 15 = 1950
Xfo
B
Xfo
A
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Série Mitigator:sortie simple
Atténuation des rangs 5, 7, 17, 19 sur l’alimentation
commune
0 °
-3O °
Atténuation des Homopolaires au secondaire à très basse impédance
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Série Mitigator:sortie double
Atténuation des homopolaires ainsi que des 5, 7, 17 et 19ième harmoniques à très basse impédance, au secondaire
Amélioration du facteur de puissance
Élimination des 11, 13, 23 et 25ième harmoniques sur l’alimentation commune lorsque l’on combine 0°/-30° et -15°/-45°
0 / -30
-15 / -45
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Déphasage réglable au site
Déplacement angulaire-15° / 0° / +15 °
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Déphasage réglable au site
Déplacement angulaire-15° / 0° / +15 °
Déplacement angulaire-15° / 0° / +15 °
Déplacement angulaire-15° / 0° / +15 °
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Avantage de l’atténuation
* Coûts annuel : $0.07 * kWh * 24 heures * 365 jours
1194.511.95734.961.20406.700.66272.780.4475 double C802
1330.642.17807.511.32433.840.71281.380.4675 simple C802
1680.782.741003.391.64519.530.85322.120.5375 C802
$kW$kW$kW$kWIsolation facteur k13
100%75%50%35%Type de transformateur
Pertes et coûts selon niveau de charge
97.47%97.91%98.26%98.33%171323575 double C802
97.19%97.71%98.15%98.28%195022075 simple C802
96.47%97.17%97.79%98.04%252521675 C802
WattsWattsIsolation facteur k13
100%75%50%35%En
chargeÀ videType de transformateur
EfficacitéPertes
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Bénéfice de l’atténuation
100.12I rms123.98I rms151.90I rms
021021121
019219219
017217217
015015415
413413413
311311311
0909179
07377377
05635635
0303863
100110011001
amp.Rangamp.Rangamp.Rang
Introduction
Transformateur
HarmoniquesHarmoniques
Simulation
Conclusion
Avantage de l’atténuation
Amélioration globale
– Distorsion de la tension et du courant– De la régulation– Opérations inopinées des équipements $$– Bris d’équipements $$– Vieillissement prématuré des équipements $$– Meilleur facteur de puissance $$ – Utilisation efficace de l’énergie $$
Introduction
Transformateur
Harmoniques
SimulationSimulation
Conclusion
Types et profil de charge
• Charge informatique avec profil d’harmonique équivalent à K=13
• Charge auxiliaire avec profil d’harmonique équivalent de K=4 à K=13
• Charge d’éclairage de type HID avec profil d’harmonique équivalent à K=4
• Climatisation et chauffage sans variateur de vitesse K=1 avec variateur de vitesse K=9
Introduction
Transformateur
Harmoniques
SimulationSimulation
Conclusion
Connaître la répartition des groupes de charge
• Climatisation et chauffage 35%• Charge informatique 25 %• Éclairage HID 20%• Charges auxiliaires 20%
Introduction
Transformateur
Harmoniques
SimulationSimulation
Conclusion
Connaître le niveau de charge journalier
• Durée et niveau de la charge maximale
• Durée et niveau de la charge minimale
Introduction
Transformateur
Harmoniques
Simulation
ConclusionConclusion
Efficacité et Mitigation
Réduction globale des coût reliés à votre installation électrique
– Distorsion de la tension et du courant– De la régulation– Opérations inopinées des équipements $$– Bris d’équipements $$– Vieillissement prématuré des équipements $$– Meilleur facteur de puissance $$ – Utilisation efficace de l’énergie $$
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