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.......................................................................... Collection Technique Cahier technique n° 183 Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs E. Bettega J-N. Fiorina

Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

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Page 1: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

..........................................................................Collection Technique

Cahier technique n° 183

Harmoniques : convertisseurspropres et compensateurs actifs

E. BettegaJ-N. Fiorina

Page 2: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partirdu site Schneider.Code : http://www.schneider-electric.comRubrique : maîtrise de l’électricité

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La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique »du groupe Schneider.

Avertissement

L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrectedes informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et nesaurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni deconséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémascontenus dans cet ouvrage.

La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée aprèsaccord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire :« Extrait du Cahier Technique Schneider n° (à préciser) ».

Page 3: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Jean Noël FIORINA

Entré chez Merlin Gerin en 1968 comme agent technique delaboratoire au département ACS - Alimentations ConvertisseursStatiques - il participe à la mise au point des convertisseurs statiques.En 1977, diplômé ingénieur de l’ENSERG (Ecole Nationale Supérieured’Electricité et de Radioélelctricité de Grenoble) , il réintègre ledépartement ACS.D’abord ingénieur de développement, puis chargé de projet, il devientensuite Responsable Innovations de MGE UPS Systems. Il est enquelque sorte le père des onduleurs de moyenne et forte puissance.

n° 183Harmoniques : convertisseurspropres et compensateursactifs

CT183 édition janvier 2000

Eric BETTEGA

Employé comme agent technique au BE électronique ABT de MerlinGerin en 1983, a rejoint la Direction Scientifique et Technique en 1986.Titulaire depuis 1991 d’un diplome d’ingénieur CNAM (ConservatoireNational des Arts et Métiers), il est, au sein de la Direction desRecherches responsable des études relatives aux « compensateursactifs ».

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.2

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.3

Harmoniques : convertisseurs propreset compensateurs actifs

De plus en plus de récepteurs électriques, dans l’industrie, le tertiaire etmême le domestique, sont des charges déformantes (non linéaires).Ils absorbent des courants non sinusoïdaux et ceux-ci, compte tenu desimpédances des circuits, déforment l’onde sinusoïdale de tension. C’est laperturbation harmonique des réseaux.Elle est aujourd’hui préoccupante car génératrice de beaucoup de maux.

Le lecteur, qui n’est pas un spécialiste des harmoniques, est invité àcommencer par lire l’annexe ; il trouvera dans celle-ci les basesnécessaires à la compréhension des diverses solutions classiques etnouvelles pour minimiser ou combattre les harmoniques. En effet, il fautconnaître, outre les grandeurs caractérisantes, les pollueurs, l’influencedes sources et les effets perturbateurs des harmoniques. Enfin, il fautsavoir qu’il existe des niveaux de compatibilité (maximums acceptables)fixés par les normes.

Ce Cahier Technique a pour but de vous présenter les compensateursactifs d’harmoniques. C’est une solution séduisante, souple, car auto-adaptative, qui peut être utilisée dans de nombreux cas en complément ouà la place d’autres remèdes. Ceci étant, il existe des solutions, ditestraditionnelles, qu’il faut aussi connaître et utiliser.Elles sont rappelées dans le premier chapitre.

Sommaire

1 Les solutions traditionnelles 1.1 Réduire les courants harmoniques des charges déformantes p. 4

1.2 Abaisser l’impédance harmonique de la source p. 4

1.3 Agir sur la structure de l'installation p. 4

1.4 Confinement des harmoniques p. 5

1.5 Utilisation d'inductances anti-harmoniques p. 5

1.6 Filtres passifs d'harmoniques p. 6

2 Convertisseurs « propres » 2.1 Introduction p. 7

2.2 Convertisseurs « propres » p. 8

2.3 Le compensateur actif « shunt » p. 12

3 Compensateurs à structures hybrides 3.1 La structure hybride « parallèle/série » p. 17

3.2 La structure hybride « série/parallèle » p. 18

3.3 L'association «parallèle » filtres passifs et compensateur actif p. 19

3.4 Les performances des structures hybrides p. 19

4 Mise en œuvre d’un compensateur 4.1 Objectif et contexte p. 22

4.2 Le point d'insertion d’un compensateur « shunt » p. 23

4.3 Le dimensionnement d'un compensateur actif « shunt » p. 24

4.4 Exemples d'application p. 25

5 Conclusion p. 27

Annexe : rappel sur les phénomènes Définition et grandeurs caractéristiques p. 28

Origine et transmission p. 29

Les charges déformantes p. 30

Les effets néfastes des harmoniques p. 30

Les normes et recommandations p. 32

et compensateurs actifs

actif « shunt »

harmoniques

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.4

1 Les solutions traditionnelles

Aujourd’hui tout électricien doit les connaître,soit pour prendre les bonnes dispositions lorsde l’installation de matériels pollueurs, soitpour concevoir une installation nouvelle entoute connaissance de cause.

Les solutions ci-après sont fonction du butrecherché et des pollueurs/pollués en présence.

Elles utilisent des composants passifs :inductances - condensateurs - transformateurset/ou jouent sur le schéma de l’installation.

Dans la plupart des cas l’objectif est de diminuerle taux de distorsion en tension au niveau d’unpoint de raccordement de plusieurs charges(d’un tableau de distribution).

1.1 Réduire les courants harmoniques des charges déformantes

A part la solution évidente qui consiste à choisirdes matériels non polluants, il est possible delimiter les courants harmoniques de certainsconvertisseurs en intercalant entre leur point deraccordement et leur entrée une inductance ditede lissage . Cette disposition est utilisée en

particulier avec les redresseurs avec conden-sateurs en tête ; l'inductance pouvant même êtreproposée en option par les constructeurs.Attention ! cette solution diminue le taux global dedistorsion en tension en amont de l’inductancemais l’augmente aux bornes du récepteur polluant.

1.2 Abaisser l’impédance harmonique de la source

En pratique cela revient à brancher le pollueurdirectement sur un transformateur le pluspuissant possible, ou à choisir un générateur àfaible impédance harmonique (cf. annexeet fig. 1 ).

Notons qu’il est intéressant, côté source, d’utiliserplusieurs câbles en parallèle, de sections plusfaibles, plutôt que d'en utiliser un seul.

Si ces conducteurs sont suffisamment éloignés,l'inductance apparente est divisée par le nombrede câbles en parallèle.

1.3 Agir sur la structure de l'installation

Il faut éviter de connecter un récepteur sensibleen parallèle avec un pollueur (cf. fig. 2 ). Unealimentation par câble distinct est préférable.

Quand on est un présence d’un pollueur de fortepuissance, il est souhaitable de l’alimenter parun autre transformateur MT/BT.

TDH

ZS ZL

Chargepolluante

E

Fig. 1 : Ajouter une inductance aval ou diminuerl’impédance de source amont, entraîne une diminutiondu TDH de tension au point considéré.

Fig. 2 : Une distribution en étoile permet le découplage par les impédances naturelles et/ou additionnelles.

a) Solution à éviter b) Solution à préconiser

Alimentation des pollueurs

Réseau « propre »

Pollueur

Matérielsensible

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.5

1.4 Confinement des harmoniques

Il s'agit de limiter la circulation des courantsharmoniques à une partie aussi petite quepossible de l'installation, à l'aide detransformateurs à couplages appropriés.

L’utilisation de transformateurs primaire étoile(sans neutre !) et à secondaire ZIG-ZAG est unesolution intéressante.Ce couplage permet d’avoir le minimum dedistorsion au secondaire. En effet, dans ce cas,les courants harmoniques de rang 3 k necirculent pas au primaire du transformateur etl'impédance Zs ne dépend plus que desenroulements secondaires. L’inductance est trèsfaible : Uccx ≈ 1 % et la résistance est à peuprès diminuée de moitié comparée à celle d’untransformateur ∆Y de même puissance.

La figure 3 et le calcul ci-après permettent decomprendre pourquoi les courants de pulsation3 k ω ne se retrouvent pas au primaire dutransformateur (courant homopolaire nul).Le courant circulant par exemple dansl’enroulement primaire 1 vaut :

NN

(i i )2

11 3−

avec

i = = sin 3 k t1 1 3 k I I ( ) ( ) ω

i = = sin 3 k t - 433 3 (3 k) I I ω π

,

i = sin 3 k t = i3 1 I ω( )d’oùNN

(i i ) = 02

11 3 − .

Dans le cas de charges triphasées il est possibled'éliminer certains rangs d'harmoniques enutilisant des transformateurs ou desautotranformateurs avec plusieurs secondairesdéphasés ; cette disposition se rencontre surtoutdans le cas de redresseurs puissants.Le plus connu de ces montages est le redresseurconstitué de deux ponts mis en série ou enparallèle, alimentés par un transformateur à deuxsecondaires dont l'un est en étoile et l'autre entriangle. Cette disposition entraîne un déphasagede 30 degrés entre les tensions des deux

1.5 Utilisation d'inductances anti-harmoniques

Cette disposition consiste à protéger lescondensateurs, destinés à améliorer le cos ϕ, enplaçant une inductance en série. Cetteinductance est calculée de façon à ce que lafréquence de résonnance ne corresponde àaucun des harmoniques présents. Lesfréquences typiques d'accord sont pour unfondamental 50 Hz : 135 Hz (rang 2,7), 190 Hz(rang 3,8) et 225 Hz (rang 4,5).

Ainsi, pour le fondamental la batterie peutassurer sa fonction d'amélioration du cos ϕ,tandis que l'impédance élevée de l'inductancelimite l'amplitude des courants harmoniques.Les condensateurs à gradins doivent tenircompte des fréquences de résonnance àprivilégier.

secondaires. Le calcul montre que lesharmoniques de rangs 6 k ± 1 avec k impair sontéliminés au primaire du transformateur. Lespremiers harmoniques éliminés, qui sontégalement les plus importants en amplitude,sont pour k = 1, les harmoniques 5 et 7. Lespremiers harmoniques présents sont alors le 11et le 13.

Il est possible de généraliser cette propriété, enaugmentant le nombre de redresseurs et lenombre de secondaires du transformateur ou lenombre de transformateurs en choisissantcorrectement les déphasages relatifs de chacundes secondaires.

Cette solution est largement employée dans lecas de redresseurs de très fortes puissancespour lesquels la répartition des courants dans lesdifférents ponts est facilement réalisable. Elle estcouramment utilisée par les redresseursd’électrolyse (jusqu’à 72 phases !).

Un cas particulier intéressant est obtenu avecles alimentations sans interruption placées enparallèle. Dans ce cas en effet, les onduleurs serépartissent les courants en sortie et lesredresseurs qui les alimentent absorbent descourants identiques.

Fig. 3 : Transformateur à secondaire ZIG-ZAG etatténuation des harmoniques de rangs 3 k.

N1

N1

N1

N2

N2

N2

N2

N1 i3 i1(i1- i3)

N2

N2

N2

i2

i3

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.6

1.6 Filtres passifs d'harmoniques

A l’inverse du cas précédent il s'agit ici d'utiliserun condensateur en série avec une inductancede façon à obtenir l'accord sur un harmonique defréquence donnée. Cet ensemble placé endérivation sur l'installation présente uneimpédance très faible pour sa fréquenced'accord, et se comporte comme un court-circuitpour l’harmonique considéré.Il est possible d'utiliser simultanément plusieurs en-sembles accordés sur des fréquences différentesafin d'éliminer plusieurs rangs d'harmoniques.

Les filtres passifs contribuent à la compensationd’énergie réactive de l’installation.

D'apparence simple ce principe demandetoutefois une étude soignée de l'installation carsi le filtre se comporte bien comme un court-circuit pour la fréquence désirée, il peutprésenter des risques de résonnance avec lesautres inductances du réseau sur d'autresfréquences et ainsi faire augmenter des niveauxd'harmoniques non gênants avant sa mise enplace (cf. Cahier Technique n° 152).

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.7

2 Convertisseurs « propres » et compensateurs actifs

2.1 Introduction

Le chapitre précédent nous a permis de rappelerles techniques et les systèmes passifscorrespondants, utilisés pour réduire lesperturbations harmoniques.Tous ces systèmes modifient desimpédances, des rapports d’impédancesou font s’opposer certains courantsharmoniques.Il existe d'autres voies de contrôle del'impédance - que nous nous garderonsnéanmoins de qualifier d'« intelligentes »! -passant par l'utilisation des convertisseursstatiques toujours plus performants, étant donnél'amélioration croissante des possibilités descomposants semi-conducteurs de puissance(cf. tableau fig. 4 ).Les IGBT ont permis le développement industrielde convertisseurs de puissance aptes à garantirla non-pollution au point de raccordement (leprélèvement sinusoïdal), puis la dépollution desréseaux (le filtrage actif).

c Le prélèvement sinusoïdal est une techniquequi permet aux convertisseurs statiquesd'absorber un courant très proche d'unesinusoïde, avec, en plus, un cosinus ϕproche de l'unité, c’est une technique trèsintéressante qui devrait être de plus en plusutilisée.

c Le filtrage actif :Un compensateur actif est un dispositif quiexploite au moins un convertisseur statique poursatisfaire la fonction de « dépollutionharmonique ».

Ce vocable générique regroupe donc en fait unemultitude de systèmes, qui se différencient par :v le nombre de convertisseurs utilisés, et leurmode d'association,v leur type (source de tension, source decourant),v les lois de régulation globales (compensationen courant ou en tension),v l'association éventuelle avec des composantspassifs (voire même de filtres passifs).

Le seul trait d'union entre ces systèmes actifsreste le fait que tous génèrent des courants quis’opposent aux harmoniques créés par lescharges non linéaires. La réalisation la plusinstinctive est celle illustrée par la figure 5 , quel'on qualifie habituellement de topologie

Technologie V A F (kHz)Transistor

MOS 500 50 50Bipolaire 1200 600 2IGBT 1200 600 10

ThyristorGTO 4500 2500 1

Fig. 4 : Caractéristiques typiques d’emploi des semi-conducteurs de puissance dans les convertisseursstatiques.

Réseau

Compensateuractif

Charge(s)

Fig. 5 : Compensateur actif dit « shunt » génère uncourant harmonique qui annule les harmoniques decourant coté réseau.

Réseau

Compensateuractif

Charge(s)sensible(s)

Fig. 6 : Compensateur actif dit « série » génère unetension harmonique qui garantit une tensionsinusoïdale aux bornes de la charge.

« shunt » (ou « parallèle »). Son étude détailléefait l'objet du § 2.3.Le compensateur actif de type « série »(cf. fig. 6 ) ne sera mentionné que pourmémoire, car très peu usité. Sa fonction estde permettre le raccordement d'une chargesensible sur un réseau pollué, par blocagedes sources de tensions harmoniques amont.Mais dans les faits, cette solution dedépollution « amont » ne présente que peud'attraits, car :v la « qualité » de l'énergie au point de livraisonest dans la plupart des cas satisfaisante,

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.8

v l'insertion d'un composant en mode «série»n'est pas aisée : tenue aux courants de court-circuit par exemple,v à l'intérieur d'un réseau, il est plus efficace des'intéresser aux causes mêmes de la distorsionde la tension (les sources de courantsharmoniques).

Parmi les nombreuses variantes dites« hybrides », nous nous intéresserons plusparticulièrement au type dit « série/parallèle »associant compensateurs actif(s) et passif(s)(cf. fig. 7 ) qui présente un intérêt certain pour ladépollution au plus près de convertisseurs degrosses puissances.

Ce Cahier Technique ne se veut pas exhaustif,et nous passerons volontairement sous silencede nombreuses topologies, car tous les autressystèmes ne sont que des variations sur unmême thème ; les solutions de base sontdécrites dans ce document.

Avant de présenter plus en détail lesconvertisseurs propres et les compensateursactifs, il est intéressant de constater qu’il existeune certaine identité technologique entre cesdeux dispositifs. En effet :c lorsque la stratégie de commande d’un pontredresseur (intégrant, par exemple, un étageélévateur BOOST) impose la circulation d'uncourant réduit à son seul fondamental, il s'agitalors de prélèvement sinusoïdal , et leredresseur est alors qualifié de propre ,c lorsque la consigne de courant appliquée àcette même commande est - par exemple -égale au contenu harmonique du courantabsorbé par une charge perturbatrice tierce,alors le redresseur entraîne l'annulation globaledes harmoniques au point de couplage : il s'agitlà de compensateur actif .

Ainsi une même topologie de puissance estsusceptible de satisfaire aux deux types debesoins distincts que sont la non-pollution et ladépollution ; seule la stratégie de commandediffère (cf. fig. 8 ).

2.2 Convertisseurs «propres»

Qu'il s'agisse de redresseurs, de chargeurs debatteries, de variateurs de vitesse pour moteur àcourant continu ou de convertisseurs defréquence, l'élément en relation directe avec leréseau reste un « redresseur ». C'est ce mêmecomposant, et plus généralement l'étaged'entrée (puissance et commande), qui

détermine le comportement harmonique dusystème complet.

Principe du prélèvement sinusoïdal (enmonophasé)

Il consiste à forcer le courant absorbé à êtresinusoïdal. Les convertisseurs propres utilisent

Fig. 7 : Compensateur hybride dit « série/parallèle ».

Réseau

Compensateuractif

Charge(s)polluante(s)

Filtre(s)passif(s)

Fig. 8 : Convertisseur « propre » et compensateuractif.

RéseauCharge

Convertisseur

Elab.commande

Réseau Chargepolluante

Elab.commande

Convertisseur

b) Compensateur actif

a) Compensateur « propre »

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.9

de façon générale la technique de commutationdite MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion),souvent nommée PWM (Pulse WidthModulation).

Deux grandes familles peuvent être distinguées,selon que le redresseur se comporte comme unesource de tension (cas le plus général), ou unesource de courant.

c Convertisseur source de tensionDans ce cas, le convertisseur se comportevis-à-vis du réseau comme une forcecontre-électromotrice, un « générateur detension sinusoïdale » (cf. fig. 9 ), et le courantsinusoïdal est obtenu en intercalant uneinductance entre le réseau et la source detension.La modulation de la tension est obtenue parl'intermédiaire d'un asservissement visant àmaintenir le courant au plus près de la sinusoïde

de tension souhaitée. Même si d'autrescharges non linéaires élèvent le taux dedistorsion de la tension du réseau, la régulationpeut agir de façon à prélever un courantsinusoïdal.

Les faibles courants harmoniques résiduels ontune fréquence qui est celle de la modulation, etde ses multiples. La fréquence est liée auxpossibilités des semi-conducteurs utilisés(cf. fig. 4 ).

ccccc Convertisseur source de courantLe convertisseur se comporte dans ce cascomme un « générateur » de courant haché.Un filtre passif relativement conséquent estindispensable pour restituer côté secteur uncourant sinusoïdal (cf. fig. 10 ).Ce type de convertisseur est utilisé dans desapplications spécifiques, par exemple pourfournir un courant continu très bien régulé.

Fig. 10 : Schéma monophasé équivalent à unredresseur MLI de courant.

iL

Réseau

L

I

t

+ I

0

- I

iL

Fig. 9 : Schéma monophasé équivalent à unconvertisseur MLI de tension.

iL

Réseau

L

t

+ E

0

- E

iL

F c.e.m.

F c.e.m.

Page 12: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.10

Principe de mise en œuvre du« convertisseur de tension »

En raison de sa simplicité de mise en œuvre, leschéma de la figure 11 est celui le plus souventretenu (cf. certaines ASI de MGE UPS Systems).Il utilise le principe du générateur de tension.Le transistor T (qui est le plus souvent detechnologie MOS) et la diode D constituent lemodulateur de tension. La tension (u) passeainsi de 0 à Vs selon que le transistor T est àl'état passant ou bloqué.Lorsque le transistor T est conducteur, le courantdans l'inductance L ne peut qu'augmenter,puisque la tension v est positive, et que u = 0.

On a alors :didt

= eL

⟩ 0 .

Lorsque le transistor T est bloqué, le courantdans L diminue, à condition que Vs soitsupérieur à v, de façon à ce que :

didt

= e - Vs

L ⟨ 0 .

Cette condition nécessite que la tension Vs soitsupérieure à la tension de crête de v, soit lavaleur efficace de la tension alternative,multipliée par 2 .

Si cette condition est remplie, il est possible àtout instant de faire augmenter ou diminuer le

Fig. 11 : Schéma de principe du redresseur monophasé à prélèvement sinusoïdal.

iL

i1

0

v

0

0

e1

e1

i1

iL L D

TvRéseau

Asservissement iL, Vs

u Vs

i

0

t

Vs

0

u

Vu de la source, le convertisseur doit secomporter comme une résistance : i1 estsinusoïdal, en phase avec e1 (cos ϕ = 1).Par commande du transistor T, la régulationforce iL à suivre une consigne de courant dutype sinusoïdal redressé double alternance.De ce fait, nécessairement, la forme de i1est sinusoïdale et en phase avec e1.De plus, pour maintenir en sortie la tensionVs à sa valeur nominale, la régulation agitsur la valeur moyenne de iL.

Page 13: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.11

courant dans L. En contrôlant les tempsrespectifs de conduction et de blocage dutransistor T, il est ainsi possible de forcerl'évolution temporelle du courant dans L.

La figure 12 montre comment évolue le courantiL par rapport à une valeur de référence.

Fig. 14 : Redresseur triphasé à prélèvement sinusoïdal.

Rés

eau

Vs

Fig. 13 : Courant amont d’un redresseur monophasé « propre » (ASI de 2,5 kVA -type PULSAR-PSX-).

Rang Contrib. max. Valeurs Valeuren % de I1 typiques sans mesuréeselon prélèvementCEI 1000-3-2 sinusoïdal

(Uccx = 1%)3 14,65% 81% 8,03%5 7,26% 52% 2,94%7 4,90% 24% 3,15%9 2,55% 6% 1,65%11 2,10% 7% 1,09%13 1,34% 6% 1,07%

a) Forme temporelle b) Décomposition spectrale

t

u

i

t

Référence iiL

Fig. 12 : Evolution du courant iL - par rapport à laréférence.

Les écarts de iL par rapport à la sinusoïde sontd'autant plus réduits que les instants decommutation de T sont rapprochés, c'est à direque la fréquence de découpage est élevée.Dans ce cas, le courant iL est très proche ducourant sinusoïdal redressé, et le courant deligne i1 est alors nécessairement sinusoïdal.

La figure 13 représente l'allure temporelle et lespectre harmonique du courant prélevé par unredresseur propre d’une ASI de 2,5 kVA. Letransistor est ici un MOS, et la fréquence dedécoupage est égale à 20 kHz.

Les harmoniques du courant absorbé sont trèsatténués par rapport à une alimentation à décou-page qui n’utilise pas la stratégie de commande« prélèvement sinusoïdal » et leur niveau est audessous de ce qu’autorise la norme. Le filtragedes rangs ≥ 20 kHz est facile, et peu onéreux.

Montages triphasésLe montage de base est représenté surla figure 14 .Nous retrouvons ici le montage de la figure 11 ,dans lequel la self est placée en amont des redres-seurs; le principe de fonctionnement est le même.Le système de contrôle pilote chaque bras depuissance, et force le courant absorbé sur chaquephase à suivre la consigne sinusoïdale. Aujourd’huiil n’existe pas de convertisseurs triphasés propressur le marché car le surcoût est important.L’évolution de la normalisation peut l’imposer.

Page 14: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.12

2.3 Le compensateur actif « shunt »

Principe de fonctionnementNous pouvons illustrer le concept decompensateur actif « shunt » à travers l'analogieélectroacoustique (cf. fig. 15 ). L’observateurn’entend plus la source de bruit S si une sourcede bruit secondaire S’ génère un contre-bruit.Les ondes de pression générées par lehaut-parleur sont de même amplitude et en

opposition de phase avec celles de la source,c’est le phénomène d'interférences destructrices.Cette analogie permet d'illustrer le conceptmême du compensateur actif « shunt » : l'objectifest de minimiser - sinon d'annuler - au point deraccordement les harmoniques du courant (oude la tension), par injection d'un courant (oud'une tension) « ad-hoc » (cf. fig. 16 ).

Fig. 16 : Principe de la compensation des composantes harmoniques par compensateur actif « shunt ».

Source bruitprimaire S

Source secondaire S'

Microphone de commande

Contrôleur

Microphone d'erreur

Fig. 15 : Principe du contre-bruit acoustique.

Courant source iF

iFA

Courant compensateur iH

iH

Courant charge iF + iH

iF + iH

Chargepolluante àcompenser

Compensateuractif

d'harmoniques

Source

Page 15: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.13

Sous réserve que le dispositif soit apte à injecterà tout instant un courant dont chaquecomposante harmonique est de même amplitudeque celle du courant dans la charge, et de phaseopposée, alors la loi de sommation des courantsen A garantit que le courant fourni par la sourceest purement sinusoïdal.L'association « charges perturbatrices +compensateur actif » constitue une chargelinéaire (dans laquelle courant et tension sontliés par un coefficient k). Ce type de dispositif estparticulièrement bien adapté à la dépollution desréseaux BT, et ce quel que soit le point deraccordement choisi et le type de charge (car cedispositif est auto-adaptatif).

Nous réalisons ainsi selon le niveau d'insertion :c une dépollution locale : si le compensateur estassocié à une charge perturbatrice,c une dépollution globale : si le raccordement estréalisé - par exemple - au niveau du TGBT(Tableau Genéral Basse Tension) de l'installation.

Le compensateur actif « shunt » constitue doncune source de courant indépendante del'impédance réseau, et qui présente lescaractéristiques intrinsèques suivantes :c sa bande passante est suffisante pour garantir lasuppression des composantes harmoniquesmajoritaires (en termes statistiques) du courant dela charge. Typiquement, nous considérons que laplage H2 - H23 est satisfaisante ; car plus le rangest élevé, plus le niveau de l'harmonique est faible ;

c son temps de réponse est tel que la compen-sation harmonique soit effective non seulementen régime établi, mais encore en régimetransitoire « lent » (quelques dizaines de ms);c sa puissance permet d'atteindre les objectifs dedépollution fixés, ce qui ne signifie pas nécessai-rement la compensation totale et permanente desharmoniques générés par la (ou les) charge(s).

Sous réserve que ces trois objectifs soientsimultanément atteints, alors le compensateuractif « shunt » constitue un excellent dépollueur,car auto-adaptatif, et ne présentant aucun risqued'interaction avec l'impédance réseau.

Notons également que la fonction principale de cedispositif n'est pas de rephaser les composantesfondamentales de U et I : l'insertion d'uncompensateur actif est sans incidence sur lecos ϕ1. Néanmoins, si la charge traitée est du type« redresseur polyphasé », alors il s'avèreeffectivement que le facteur de puissance globalest sensiblement amélioré, du fait que le facteurde déformation se rapproche de l'unité et que lecos ϕ1 d'un redresseur (non commandé) estproche de l'unité. Mais il s'agit plus là d'un « effetde bord » que d'un objectif désigné !Bien que l’objectif premier soit la dépollutionharmonique, la même structure peut assurer lacompensation du cos ϕ. Dans ce cas, la part ducourant réactif pouvant être importante, il y a lieud’en tenir compte dans le dimensionnement duproduit en courant nominal.

Structure du compensateur actif « shunt »Le compensateur shunt se décompose en deuxsous-ensembles, à savoir (cf. fig. 17 ) :c la puissance : filtre d'entrée, onduleurréversible, éléments de stockage,c la commande : élaboration des consignes,régulations U/I, commande rapprochée duconvertisseur.

Par rapport au convertisseur à prélèvementsinusoïdal, évoqué dans le chapitre précédent, ladifférence essentielle se situe au niveau ducontrôle-commande (car la consigne n'est plusune sinusoïde 50 Hz). Si l'élément de« stockage » est un condensateur ou une batterie,la structure du convertisseur est similaire à cellede l'étage d'entrée du convertisseur àprélèvement sinusoïdal (cf. fig.18 ).

Fig. 17 : Structure de principe du compensateur actif« shunt ».

Consignes

Contrôle Vcapa

Mesure i filtre

Vers charge

Mesure i charge

Filtred'entrée

Onduleurréversible

Contrôlecommande

Vers source

C

Fig. 18 : Schéma du compensateur actif « shunt » à stockage capacitif.

Page 16: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.14

Fig. 19 : Schéma du compensateur actif « shunt » à stockage inductif.

t

I

t

I

a) Courant charge (TDH = 80 %, Ieff. = 44 A)

Fig. 20 : Compensateur actif « shunt » associé à une ASI - formes temporelles des courants (charge 20 %).

Celui-ci peut également être réalisé à l'aided'une inductance (cf. fig. 19 ).

Dans le cadre de la gamme SINEWAVE,Merlin Gerin a choisi le stockage capacitif, car ilest plus intéressant (en termes techniques etéconomiques) : bande passante plus large, filtred'entrée plus simple.De plus, la structure « capacitive » esttechniquement très proche des onduleurs(mutateurs).

L'électronique de contrôle-commande

Elle a pour rôle essentiel de piloter lessemi-conducteurs de puissance et, pour cefaire, elle doit :c piloter la charge des condensateurs (c) à lamise sous tension,c réguler la tension aux bornes de c,c générer des ordres de conduction et deblocage du « redresseur » dans sonfonctionnement en mutateur, de telle façon que,à chaque instant, le compensateur actif fournisseun courant qui compense les courantsharmoniques pollueurs (cf. fig. 16 ).

Il existe 2 méthodes de traitement du signal :c la première est qualifiée de temps réel, elle estparticulièrement adaptée aux cas de charges qui

présentent des variations très rapides de leurspectre harmonique.Elle peut utiliser la méthode dite « détectionsynchrone » ou exploiter les transformations deClark ;c la deuxième est qualifiée de temps différé, elleest adaptée aux cas des charges dont lecontenu harmonique du courant absorbé variepeu en 0,1 s. Elle utilise le principe de l’analysefréquentielle et s’appuie sur la transformée deFourier rapide (FFT).

Cette méthode permet un traitement global ousélectif des rangs harmoniques.

Exemples de performances obtenues avecdes récepteurs non linéaires

Dans ces exemples, les récepteurs nefonctionnent pas à pleine charge, car le TDH estminimum à pleine charge. Dans l’exemple quisuit, le TDH est de 30 % à pleine charge alorsqu’il est de 80 % avec une charge de 20 %.

c Cas d’une ASIUn compensateur actif « shunt » est connecté enparallèle sur une alimentation sans interruptiontriphasée d'une puissance de 120 kVA. Lesformes temporelles de courant sont celles dela figure 20 . Le spectre du courant absorbé par

b) Courant source (TDH = 4,6 %, Ieff. = 35 A)

Page 17: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.15

la charge est donné en figure 21 ; il corres-pond à une distorsion harmonique de 80,8 %.La mise en service du compensateur actif« shunt » entraîne une forte atténuation duTDH (I), celui-ci étant réduit de 80 % à 4,6 %.Le courant efficace baisse de près de 20 %, etle facteur de puissance croît de 30 %.(cf. fig. 21 et 22).

c Cas d’un convertisseur de fréquenceUn compensateur actif est connecté en parallèlesur un variateur de vitesse pour moteurasynchrone d'une puissance de 37 kWfonctionnant à mi-charge. Les formestemporelles du courant sont celles dela figure 23 , correspondant à une distorsionharmonique de 163 % pour le courant charge.

Fig. 21 : Spectre des courants sources.

Fig. 22 : Compensateur actif « shunt » sur ASI : valeurs mesurées.

a) Courant charge (TDH = 163 %, Ieff. = 25 A) b) Courant source (TDH = 22,4 %, Ieff. = 15,2 A)

Fig. 23 : Compensateur actif « shunt » sur variateur de vitesse - formes temporelles des courants à mi-charge.

Caractéristiques du courant Sans compensateur actif Avec compensateur actifIeff (A) 44,1 35,2Facteur de crête 1,96 1,52THD (I) en % 80,8 4,6Facteur de puissance 0,65 0,86cos (ϕ1) 0,84 0,86Ieff harmonique (A) 27,7 1,6

03 5

Compensateur actif « shunt » sur ASI

Valeur relative (% du fondamental)

Rang harmonique

7 9 11 13 15 17

10

20

30

40

50

60

70

■ I Source sans compensateur

I Source avec compensateur

I

tt

I

Page 18: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.16

La figure 24 montre le spectre harmonique descourants source et charge.La mise en service du compensateur actif« shunt » entraîne une forte atténuation duTDH (I), celle-ci étant réduite à 22,4 %. Lecourant efficace baisse de près de 40 %(cf. fig. 24 et 25 ).

Les performances sont moindres que dans lecas précédent, (ASI) car les fluctuations ducourant ligne sont beaucoup plus rapides. Dansce cas particulier, on a intérêt à rajouter une selfen ligne de 0,3 mH. Le tableau de la figure 26traduit bien une efficacité accrue. On peutconclure que le compensateur « shunt » est

excellent pour dépolluer un départ ou unrécepteur non linéaire ; il faut toutefois noter :c que la dépollution totale, si elle est possible,n’est pas nécessairement l’objectif,c qu’il est mal adapté aux réseaux de tensionsupérieure à 500 V,c qu’il est inefficace vis à vis de la pollution quipeut exister en amont du capteur de courant,c que le bilan technico-économique peutconduire à utiliser, en associations uncomposant passif ; par exemple une self(cf. fig. 26 ) ou un filtre passif chargé d’éliminerl’harmonique 3 ou 5 (diminution significative dela puissance du compensateur « shunt »).

Fig. 24 : Compensateur actif « shunt » associé à un variateur de vitesse - spectre harmonique du courant source.

Caractéristiques Sans Avecdu courant à compensateur compensateurmi-charge actif actifIeff (A) 25,9 15,2Facteur de crête 3,78 1,95TDH (I) en % 163 22,4Ieff harmonique (A) 21,7 3,3

Caractéristiques du Avec compensateurcourant à pleine actif et self en lignechargeIeff (A) 57,6Facteur de crête 1,46TDH (I) en % 3,4Ieff harmonique (A) 2

Fig. 25 : Compensateur actif « shunt » associéà un variateur de vitesse - caractéristiques ducourant.

Fig. 26 : Compensateur actif « shunt » associéà un variateur de vitesse - avec self en ligne -caractéristiques du courant.

03 5

Valeur relative (% du fondamental)

Rang harmonique

7 9 11 13 15 17 19

10

20

30

40

50

60

■ I Source sans compensateur I Source avec compensateur

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.17

3 Compensateurs à structures hybrides

Les besoins, en termes de dépollutionharmonique sont multiples, car on peut souhaitergarantir :c la non-pollution d'un réseau « propre » par unecharge perturbatrice,c le bon fonctionnement d'une charge sensible(ou d'un réseau sensible) dans unenvironnement pollué,c les deux objectifs précédents de façonsimultanée !

Le problème de dépollution peut ainsi se traiter àdeux niveaux (exclusifs ou combinés) :

c dépollution parallèle par source de courant enaval du point considéré : c'est la solution« shunt » décrite dans le chapitre précédent,c dépollution série par mise en œuvre d'unesource de tension en amont.Les structures que nous qualifieronsd'« hybrides » dans la suite de cet exposé sontcelles qui combinent en fait la mise en œuvresimultanée des deux solutions, la figure 27 enest un exemple.Elles utilisent des filtres passifs et descompensateurs actifs. Les variantes identifiéessont multiples, nous en présenterons trois.

3.1 La structure hybride « parallèle/série »

Sur le schéma de la figure 28 sont représentésles principaux sous-ensembles de cettestructure, à savoir :c une (ou plusieurs) batterie(s) de filtres passifsrésonnants (Fi), connectés en parallèle avec la(les) charge(s) perturbatrice(s) ;c un compensateur actif, constitué par :v un coupleur magnétique (Tr), dont le primaireest inséré en série avec le(s) filtre(s) passif(s),v un mutateur (MUT), connecté au secondairedu coupleur magnétique.Le compensateur actif est commandé de façontelle que :Vfa = K × ISHoù :Vfa : tension aux bornes du coupleur magnétique,K : valeur en « ohm », fixée pour chaque rang,ISH : courant harmonique provenant de la source.

Fig. 27 : Compensateur hybrides actif/passifs - exemple.

vch

ich(h1) ich(hn)

vcaCompensateur actif

Filtre passif

ChargeVs(hn)

Vs(h1)

Zs

Zf

Fig. 28 : Compensateur hybrides dit « parallèle/série »- schéma unifilaire.

SourceIs

Compensateuractif

Charge

Vfa

FiltrepassifFi

MUT. Tr

Page 20: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.18

Dans cette configuration, le compensateur n’agitque sur les courants harmoniques, et améliorel'efficacité des filtres passifs :v il évite l'amplification des tensionsharmoniques amont aux fréquencesd'antirésonnance des filtres passifs,v il atténue fortement les courants harmoniquesentre charge et source par « abaissement » del'impédance globale (filtres passifs pluscompensateur actif).

Puisque le compensateur actif n'est pas traversépar la totalité du courant réseau, sondimensionnement (et en particulier celui ducoupleur magnétique) peut être réduit.

Cette structure est donc bien adaptée à traiterles réseaux de puissance et tension élevées,tout en assurant le rephasage des composantesfondamentales.Son principal inconvénient est que les filtrespassifs sont définis en fonction de la nature dechaque charge : une étude préalable estimpérative.

Enfin, la quasi-totalité des tensions harmoniquespréexistantes (sur la source) sont présentes côtécharge. Dans ce sens, cette configuration peutêtre assimilée au compensateur actif de type« shunt ».

3.2 La structure hybride « série/parallèle »

Le schéma de la figure 29 montre que nousretrouvons là les principaux sous-ensembles dela structure précédente, la seule différencerésidant dans le point de connexion du primairedu coupleur (en série entre source et charge).La loi de commande du compensateur actif estinchangée, et traduit qu'en fait le compensateuractif développant une tension s'oppose à lacirculation des courants harmoniques vers lasource. Il se comporte donc comme uneimpédance (de valeur K fixée pour chaque rang)pour les fréquences harmoniques.

De ce fait, le filtrage passif est plus efficace (carla présence de cette « impédance » série forcela circulation des courants harmoniques de lacharge vers les filtres passifs). De plus, le filtresérie permet d'isoler la charge des composantesharmoniques préexistantes sur la source, etinterdit toute surcharge des filtres passifs.

Cette topologie est donc en fait le plus souventqualifiée d'« isolateur harmonique », car isolant -en quelque sorte - la source d'une chargeperturbatrice, et inversement elle permet d’éviterla surcharge d’un filtre passif par une pollutionamont.

Il convient de noter que cette topologie induit descontraintes de dimensionnement et de protectiondu coupleur magnétique, car :c par ce dernier transite le courant total de lacharge,c il est soumis en cas de court-circuit à une ondede courant de valeur très importante.

Une issue à ces deux problèmes peut êtred'utiliser un transformateur avec un enroulementsecondaire supplémentaire (cf. fig. 30 ).

La compensation s'effectue alors par voie« magnétique » par action directe sur le flux.

Fig. 29 : Compensateur hybrides de type« série/parallèle ».

Fig. 30 : Compensateur hybride avec injection partransformateur.

Source IsCharge

Vc

Filtrepassif Fi

Vs

Compensateuractif

Vfa

MUT.

Tr.

Source Charge

Compensateuractif

Is

Page 21: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.19

3.3 L'association « parallèle » filtres passifs et compensateur actif

Son principe consiste à connecter en mode« parallèle » un (ou plusieurs) filtre(s) passif(s)accordé(s), et un compensateur actif « shunt »(cf. fig. 31 ).

Ici encore le compensateur actif et le filtrepassif complètent leurs actions. Il peut êtreintéressant de limiter (par utilisation de latechnique FFT) l’action du compensateur actifaux seuls rangs non traités par les filtrespassifs.

Cette structure permet selon le cas :c d'améliorer la dépollution obtenue avec lesfiltres passifs seuls,c de limiter le nombre de rangs de filtres passifs,c d'améliorer les performances du compensateuractif seul (pour une même puissance efficace ducompensateur actif).

Ceci étant, cette combinaison ne permet pasd'éviter les surcharges des filtres passifs, ni leseffets de l'antirésonnance avec l'impédanceréseau.

En résumé

Ces structures hybrides ne présentent pas lecaractère « universel » du compensateur actif« shunt », puisqu'il est nécessaire de choisir lesfiltres passifs (en terme de type, nombre derangs, et fréquences d'accord) en fonction de lanature des courants harmoniques générés par lacharge. La présence du compensateur actif

Fig. 31 : Association « parallèle » compensateur actifet filtres passifs - principe.

3.4 Les performances des structures hybrides

Des prototypes ont été conçus, réalisés et testésen collaboration avec Electricité de France.Ils comportaient deux batteries de filtres passifsrésonnants accordés sur les rangs 5 et 11(dépollution d’une charge de type ASI) ou 5 et 7(charge type variateur).

Ci-après le résultat des essais concernantl’association de deux compensateurs hybridesavec un convertisseur de fréquence (variateur devitesse pour moteur asynchrone) :

Configuration « parallèle/série »(cf. fig. 28 )Les caractéristiques du circuit d’essai sontprécisées sur le tableau de la figure 32 .

Commentaires :Cette topologie n’est pas adaptée pourtraiter un réseau à fort taux de pollution de latension amont ; néanmoins ses performances

minimise le dimensionnement des filtres passifset complète leurs effets.

Inversement, dans une installation existante, lerajout d’un compensateur actif de puissanceréduite permet d’améliorer l’efficacité des filtrespassifs existants.

Fig. 32 : Compensateur « parallèle/série » -caractéristiques et résultats.

Caractéristiques du circuitSource 400 V, tri,

600 kVA, 5 %,TDH (Vs) < 1,5 %

Charge 130 kW,charge 70 %,self ligne 0,15 mH.

Mesures effectuéesTDH (Ich) 35 %TDH (Is) 9 %TDH (Vch) 2 %

C.A.

FP1 FP2

ChargeSource

Page 22: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.20

« courant » sont tout à fait honorables (le TDH (I)est ramené de plus de 35 % à 9 %), (cf. fig. 33 ).Elle est donc particulièrement adaptée autraitement des réseaux à faible taux de pollutionamont, ou pour lesquels l’insertion d’un élémenten série présente des difficultés particulières.

Configuration « série/parallèle »(cf. fig. 29 )Les caractéristiques du circuit d’essai sontprécisées sur le tableau de la figure 34 .

Commentaires :Les performances sont également tout à fait satis-faisantes, même si la qualité de la tension source(TDH (u) très faible) ne permet pas d’apprécier lesperformances en terme d’isolement. Le TDH ducourant source est néanmoins ramené de plus de35 % à 11 % (cf. fig. 35 ). Le courant des filtres

0sans filtre filtres passifs seuls filtres passifs et actifs

1

2

10

20

30

40

TDH(Is)TDH(Vch)

Vch (en %)

Is (en %)

Fig. 33 : Compensateur hybride dit « parallèle/série » associé à un variateur de vitesse - évolution du TDH (Vch)et du TDH (Is).

Caractéristiques du circuitSource 400 V, tri,

600 kVA, 5 %,TDH (Vs) < 1,5 %

Charge 130 kW,charge 70 %,self ligne 0,15 mH.

Mesures effectuéesTDH (Ich) 35 %TDH (Is) 11 %TDH (Vch) 2,1 %

Fig. 34 : Compensateur hybride, dit « série/parallèle »- caractéristiques et résultat.

0sans filtre filtres passifs seuls filtres passifs et actifs

2

1

4

3

5

10

20

30

40

TDH(Is)TDH(Vch)

Vch (en %)

Is (en %)

Fig. 35 : Compensateur hybride dit « série/parallèle » - associé à un variateur - relevé du TDH (Vch) et du TDH (Is).

Page 23: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.21

Type de « Série » « Shunt » Hybride Hybride Hybridecompensateur « parallèle » « parallèle/série » « série/parallèle »

Critère

Structure de principeRes. C.A. Charge Res.

C.A.

Charge Res.

C.A.

Charge

F.P.

Res. Charge

F.P.

C.A.

Res. C.A. Charge

F.P.

Action sur Uh/source Ih/charge Ih/charge Ih/charge Ih/charge,Uh/source

Performance +++ +++ +++ ++ ++Dimensionnement C.A. fond. + harm. harm. harm. harm. fond. + harm.Impact d’un court-circuit fort aucun aucun aucun fortInsertion difficile simple simple simple difficileAmélioration du cos ϕ1 non possible oui oui ouiEvolutivité non oui oui non nonRisque de résonnance sans objet sans objet oui non non

passifs reste constant, ce qui traduit bienl’isolement vis à vis de la source. Des essaiscomplémentaires ont montré qu’en cas de trèsforte distorsion amont (TDH (U) = 11 %), la qualitéde la tension aux bornes de la charge restaitbonne (TDH(UCH) = 4,7 %).

Caractéristiques des solutions activesA ce stade, nous avons traité des filtres actifssérie et parallèle et des structures hybrides…

Pour conclure ce chapitre, il est intéressant defaire une synthèse des qualités de cesdifférentes « solutions actives » de lutte contre lapollution harmonique…Le tableau de la figure 36 permet de constaterque, sauf cas particulier, c’est le C.A. « shunt »et la structure parallèle qui sont les solutions lesplus intéressantes en basse tension.

Fig. 36 : Synthèse des différentes « solutions actives » de lutte contre la pollution harmonique.

Page 24: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.22

4 Mise en œuvre d’un compensateur actif « shunt »

Remarque liminaire : notre objectif n'est pas icide donner un « guide de sélection » entre lesdifférents types de dépollueurs harmoniques,tant actifs que passifs, mais plutôt de montrer lescritères de dimensionnement et d'insertion descompensateurs actifs.Un guide de choix supposerait de plus que lesdifférentes solutions exposées soient disponiblesen termes de produits.Aujourd’hui tant les solutions « traditionnelles »que les solutions hybrides nécessitant des

études sérieuses et une solution adaptée, seulsles compensateurs actifs shunts sontcommercialisés (étude simple).Ainsi, nous nous attacherons plusparticulièrement à identifier les principauxparamètres que l'utilisateur - potentiel - decompensateurs actifs se doit de connaître et derenseigner, afin d'être à même d'effectuer unchoix pertinent.

4.1 Objectif et contexte

Connaître les « mécanismes »La difficulté majeure des phénomènesharmoniques est certainement liée à leur trèsfaible visibilité : en effet, s’il est souvent facile deconstater une dégradation de la qualité de l'onde(de tension et/ou de courant) en un ou plusieurspoints, la fonction combinatoire entre les diffé-rentes sources (autonomes ou non), charges, etla topologie du réseau n'est pas triviale !De plus, l'association entre les phénomènesharmoniques (souvent ignorés) et les dysfonc-tionnements constatés dans les constituants duréseau (souvent aléatoires) n'est pas instinctive.

Connaître le réseau et sa topologieLe premier pré-requis est donc relatif àl'environnement du réseau : la mise en œuvred'un dépollueur requiert une connaissance del'ensemble du réseau (sources, charges, lignes,condensateurs), et pas seulement une visionfragmentaire limitée à la seule zone susceptible.Ce schéma unifilaire est - en quelque sorte - lepremier composant de notre « boîte à outils ».

Faire un « état des lieux »Dans cette même « boîte à outils », nous auronspris soin de placer un analyseur d'harmoniques.Ce dernier est indispensable pour quantifier lapollution en divers points d’une installationexistante.

Identifier et caractériser les pollueursIl est indispensable d'identifier le (ou les)pollueur(s) majoritaire(s), ainsi que leursspectres respectifs. Ces derniers peuvent êtreobtenus par mesures, ou bien par lecture desspécifications techniques fournies par chaqueconstructeur.

Définir l'objectif de la dépollutionLe deuxième pré-requis est relatif à l'objectifmême de l'action envisagée : qu'il s'agisse deremédier à des dysfonctionnements constatés,

ou de se mettre en conformité avec les prescrip-tions d'un distributeur, où encore d'un construc-teur de récepteur non linéaire, la démarche diffèrenotablement. Cette réflexion doit égalementintégrer les évolutions du réseau à court terme.

Par exemple, cette étape doit permettred'identifier (a minima) :c le type de compensation (globale ou locale),c le niveau de puissance, au noeud considéré,c le type de correction souhaitée (sur lesdistorsions de tension et/ou de courant),c le besoin de compensation de l'énergieréactive,Ces deux analyses étant faites, il reste alors àchoisir quelle solution présente le meilleur optimumtechnico-économique : il existe souvent plusieursalternatives techniques pour un même objectif, et leproblème est le plus souvent de choisir en fonctiondes contraintes, chaque installation électrique étantun cas particulier. Par exemple, l'îlotage ou ledécouplage par impédance des chargesperturbatrices est une action simple sur uneinstallation nouvelle, dès lors qu'elle est envisagéeen phase d'études. Sur un réseau déjà existant,elle génère souvent des contraintes inacceptables.

Il est donc clair que le choix d'une solution« active » (quelle qu'elle soit) ne peut être fait apriori, mais qu'il est le résultat d'une démarcheanalytique dans laquelle le coût du seulcompensateur n'est pas forcement un facteurprépondérant.Les compensateurs actifs ont de sérieuxavantages vis à vis des filtres passifs. Mais il n’ya pas nécessairement concurrence notammentpour les installations existantes déjà équipéesde filtres passifs. L’insertion, après étude, d’uncompensateur actif série ou parallèle est unebonne solution.Nous allons maintenant traiter, en profitant del’expérience accumulée sur site, de la mise enœuvre d’un compensateur actif « shunt »,solution la plus simple.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.23

4.2 Le point d'insertion d’un compensateur shunt

Son insertion en mode parallèle est ici réaliséeau tableau basse tension d'une installation(TBT), et la seule interaction avec le réseau àdépolluer est l'insertion des capteurs de courant.En ce qui concerne l'insertion du compensateuractif, la dépollution peut être envisagée àchaque niveau de l'arborescence que traduit lafigure 38 . Le mode de compensation peut êtrequalifié de global (position « A »), semi-global(position « B »), ou local (position « C »), selonle choix du point d'action. S’il est difficiled'énoncer des règles absolues, il est évident quesi la pollution résulte de nombreux petitsrécepteurs, le « mode » sera plutôt global ; parcontre, si elle résulte d’un gros pollueur,l’efficacité sera optimale en « mode » local.

La dépollution localeLe compensateur actif « shunt » est raccordédirectement aux bornes de la charge. Ce modeest le plus efficace, sous réserve que le nombrede charges soit limité, et que chaque charge aitune puissance significative par rapport à lapuissance globale. En d'autres termes, il estimpératif que les charges traitées soient lescontributeurs majoritaires aux perturbationsharmoniques.La circulation des courants harmoniques dans leréseau est évitée, ce qui réduit les pertes pareffet Joule dans les câbles et composants enamont (non sur-dimensionnements des câbles ettransformateurs), et par ailleurs supprime lesperturbations par les charges pollueuses et descharges susceptibles.Il faut toutefois noter que le compensateur actif« shunt » entraîne un abaissement de l'impédancede source au point de raccordement, et par làmême un léger accroissement du taux de

Fig. 37 : Raccordement d’un compensateur actif « shunt » - principe.

Charge àcompenser

Compensateuractif

d'harmoniques

Courant decompensationharmonique

Réseaud'alimentation

Tableau de distributionbasse tension

Courant harmoniqueà compenser

Compensateuractif

HTA

BT

A

B

C

Tableau généralbasse tension

Compensateuractif

Tableaudivisionnaire

Compensateuractif

Tableauterminal

M M

Fig. 38 : Les différents points d’insertion d’uncompensateur actif « shunt » - principe.

Le principe de raccordement d'un compensateuractif « shunt » est représenté par la figure 37 .

Page 26: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.24

distorsion du courant entre le point deraccordement et la charge.

La compensation semi-globaleRaccordé sur l'entrée du tableau divisionnaireBT, le compensateur actif traite plusieursgroupes de charges. Les courants harmoniquescirculent alors entre le TDBT et les charges dechaque départ.Cette forme de compensation est bien adaptéedans le cas de charges perturbatrices multiplesde puissance unitaire faible. C’est le cas parexemple au niveau d’un étage d’un immeubletertiaire (bureautique et éclairage).Elle permet également de bénéficier dufoisonnement entre charges, au prix d'un légeraccroissement des pertes par effet Joule surchaque départ traité.Nota : ce type de compensation peut égalementêtre appliqué à un seul départ, limitant alors la

dépollution à un seul type de charges(cf. fig. 37 ).

La compensation globaleCette forme de compensation participe plus à lamise en conformité au point de raccordement(ou de livraison) vis-à-vis de prescriptions« distributeur », qu'à la réduction desperturbations internes au réseau du client. Seulle transformateur (ou les transformateurs)bénéficie (nt) en fait directement de ladépollution ; cette forme présente néanmoins unintérêt fort dans le cas de fonctionnement enmode production autonome, du fait desinteractions multiples entre chargesperturbatrices et groupes générateurs à forteimpédance harmonique.Cependant, et comparativement à lacompensation locale, ce mode de dépollutionentraîne un dimensionnement en puissance ducompensateur qui bénéficie du foisonnementdes charges polluantes de l'ensemble du réseau.

4.3 Le dimensionnement d'un compensateur actif « shunt »

Le principal facteur dimensionnant ducompensateur actif « shunt » est sa puissance(ou plus précisément son courant efficace ) :le courant efficace ICA RMS est le courant que lecompensateur est à même de générer demanière permanente.

Autres facteurs caractéristiques ducompensateur sa bande passante et sacapacité dynamiquec La bande passante du compensateur estdéfinie par nmin et nmax, rangs (minimum etmaximum) d'action du compensateur actif.

On a ainsi : ICA RMS A( ) = ICA n( )2

n=nmin

n=nmax

∑ .

c La capacité dynamique de suivi en courant du

compensateur actif (que traduit le didt

) est la

capacité du compensateur à « suivre » desconsignes rapidement variables.NB : ces deux derniers facteurs ne sont pasconsidérés comme dimensionnants, dans lamesure où ils constituent une caractéristiqueintrinsèque du compensateur, et non unparamètre réglable.

Choix du calibre nominal :Dès lors que le spectre du courant à dépolluerICH est connu, il est possible de déterminer lecourant nominal du compensateur actif IN CA RMS,tel que :

IN CA RMS A( ) ≥ ICH n( )2

n=nmin

n=nmax

∑ .

Sous réserve que la condition ci-dessus soitrespectée, il est alors possible de calculer le« nouveau » taux de distorsion en courant

(amont) après mise en service ducompensateur :

TDH I %( ) =

ICH n( )2

n=2

n=nmin

∑ + ICH n( )2

n=nmax +1

n→∞

∑ICH 1( )

.

Cette formule permet d'apprécier si laperformance théorique maximale ducompensateur est compatible avec l'objectif fixé.Elle peut encore être simplifiée, si l'on considèrele cas particulier des produits Merlin Gerin, pourlesquels nmin = 2 et nmax = 23 :

TDH I %( ) =

ICH n( )2

n=24

n→∞

∑ICH 1( )

.

De plus, la règle de choix du calibre nominalénoncée ci-dessus doit être pondéré par les faitspratiques suivants :c le spectre harmonique de la plupart descharges n'est significatif que dans la seulebande, h3 à h13,c l'objectif de l'insertion du compensateur actifn'est pas d'annuler le TDH (I), mais de le mini-miser pour qu’il soit par exemple inférieur à 8 %,c un compensateur actif peut être choisi d'uncalibre inférieur à IN_CA_RMS, et fonctionner alorsen saturation permanente (par limitationpermanente et automatique de son courantefficace).

Enfin, la mise en parallèle au même pointd'insertion de plusieurs compensateurs actifs esttechniquement possible, et cette solution peuts'avérer intéressante en cas d'évolution d'unréseau déjà équipé !

Page 27: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.25

4.4 Exemples d'application

Réduction des distorsions liées auxcanalisations

Dans le cadre des IGH (Immeubles de GrandeHauteur) ou des bâtiments à fortdéveloppement horizontal, le problème principalest lié aux longueurs des canalisations entre lepoint de livraison (transformateur HTA/BT) et lescharges.En effet, quelle que soit la qualité de l'onde detension à l'origine de l'installation, et quelles quesoient les précautions prises au niveau descanalisations (choix de la section des câbles,fractionnement,..), la distorsion harmonique detension va croissante avec l'« altitude » ou ladistance !Il existe donc un point à partir duquel ladistorsion de tension peut être considéréecomme non-admissible en mode permanent, etle compensateur actif « shunt » constitue unealternative intéressante aux solutionstraditionnelles (ex : îlotage par transformateursBT/BT à couplage judicieux).

A titre d'exemple, considérons le cas d'une ASItriphasée alimentant un groupe de charges« informatiques » à l'extrémité d'une ligne de60 m. Nous constatons alors au niveau de lacharge une distorsion en tension de 10,44 %(entre phases), et 15,84 % (entre phase etneutre). Cette dégradation a deux originescombinées :c la sensibilité de l'ASI (à régulation non MLI) àla caractéristique non-linéaire du courant aval,c la caractéristique majoritairement selfique dela ligne, qui amplifie les distorsions.

La solution proposée est représentéefigure 39 . Elle repose sur l'insertion d'uncompensateur actif « shunt » au plus près descharges.Les performances sont alors tout à satisfaisantespar rapport à l’objectif : le TDH (U) tombe à4,9 % entre phases et à 7,2 % entre phase etneutre.

Association Compensateur actif. « shunt » etcomposants passifs - Impact tarifaire

Une station de pompage permet d'assurer unepression d'eau constante sur le réseau dedistribution d'eau potable (cf. fig. 40 ). Pour cefaire, la motopompe P1 est commandée par unvariateur de vitesse à convertisseur defréquence.

Dans ce cas particulier, l'objectif principal était lamise en conformité du spectre du courant sourcevis-à-vis de prescriptions du distributeur. Sansdispositif de filtrage, le niveau d'émissionharmonique autorisé était :c largement dépassé sur le rang 5,c pratiquement atteint sur les rangs 7 et 11.

Fig. 39 : Traitement par compensateur actif de ladistorsion de tension à l’extrémité d’un câble de 60 m.

Fig. 40 : Station de pompage - schéma.

n charges informatiques

Câble de liaison : 60 m/50 mm2

ASI non MLI, sn = 200 kVA

Compensateuractif

Compensateuractif

P2

Démarreur

P1

L

TGBT

Variateur

Page 28: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.26

Le choix adopté est la combinaison de selfs enligne et d'un compensateur actif « shunt » ; lafigure 41 traduit les performances mesurées :c tous les rangs harmoniques sont très en-deçàdes limites d'émission autorisées,c le taux global de distorsion en courant estréduit de 89 %.

Un avantage particulièrement apprécié par leclient est la réduction de sa puissance souscrite(en kVA - tarif jaune).

Cet exemple démontre en sus que l'associationcompensateur actif + inductance de lissage estparticulièrement pertinente, étant donné le fortniveau de pollution.

Fig. 41 : Station de pompage - représentation spectrale des courants harmoniques.

02 3 4 5 6 7 9 11 13

5

10

15

20

25

15 17■ I autorisé ■ I sans compensation ■ I avec compensation

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.27

5 Conclusion

Du fait de la profusion des charges non-linéaires, la distorsion harmonique des réseauxest un phénomène dont l'amplitude estcroissante. Ses effets ne peuvent être négligés,car la quasi-totalité des composants du réseauen est en pratique affectée.La solution la plus couramment mise en œuvrejusqu’à ce jour a été le filtrage passif. A cettesolution lourde et non exempte de risque, il estaujourd’hui proposé une alternative fortséduisante : l’utilisation de compensateurs actifs.Ces dispositifs utilisent une structure de typeconvertisseur statique de puissance. Ainsi, grâce

aux progrès des semi-conducteurs, lesconvertisseurs, qui sont habituellement despollueurs harmoniques, sont capables d’être desdépollueurs efficaces et auto-adaptatifs.Le compensateur actif « shunt », soupled’emploi, auto-adaptatif et qui ne nécessitepratiquement pas d’études préalables à la miseen service, est la solution pour la dépollution auniveau d’une charge non linéaire ou d’un tableaude distribution BT.Il faut noter qu’il ne s’oppose pasnécessairement aux filtres passifs auxquels ilpeut s’associer avec intérêt.

Page 30: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.28

Annexe : rappel sur les phénomènes harmoniques

Définition et grandeurs caractéristiques

Joseph FOURIER a démontré que toute fonctionpériodique non sinusoïdale peut être représentéepar une somme de termes sinusoïdaux dont lepremier, à la fréquence de répétition de lafonction, est appelé fondamental, et les autres àdes fréquences multiples du fondamentalappelés harmoniques .A ces termes purement sinusoïdaux peut serajouter une éventuelle composante continue.Formule de FOURIER

y t Yo+ Yn 2 sin n t - nn=

n( ) = ( )

=∞∑ ω ϕ

1, avec :

Yo : valeur de la composante continuegénéralement nulle et considérée comme tellepar la suite,Yn : valeur efficace de l'harmonique de rang n,ω : pulsation de la fréquence du fondamental,ϕn : déphasage de la composante harmoniquede rang n.

Cette notion d'harmonique s'applique àl'ensemble des phénomènes périodiques quelleque soit leur nature, en particulier au courantalternatif.

Valeur efficace d'une grandeur alternativenon sinusoïdale

Il y a identité entre l'expression usuelle de cettevaleur efficace calculée à partir de l'évolutiontemporelle de la grandeur alternative (y(t)) etl'expression calculée à partir de son contenuharmonique :

Yeff =1T

y t dt Yn2

0

T2

n=

n( ) =∫ ∑

=∞

1.

Notons qu’en présence d’harmoniques, lesappareils de mesure doivent avoir une bandepassante élevée (> 1 kHz).

Taux de distorsion

Le taux de distorsion est un paramètre qui définitglobalement la déformation de la grandeuralternative :

TDH %

Yn

Y

2

n=

n

1( ) =

=∞∑

100 2 .

Il existe aussi une autre définition qui remplacele fondamental Y1 par la valeur efficace totaleYeff. Certains appareils de mesure l’utilisent.

Taux individuel d'harmonique

Cette grandeur représente le rapport de la valeurefficace d'un harmonique par rapport à la valeurefficace du fondamental (Y1), selon la définitionusuelle ou bien par rapport à la valeur efficacede la grandeur alternative (Yeff).

Hn % =100YnY1

( )

Spectre ( de fréquence )

C'est la représentation de l'amplitude desharmoniques en fonction de leur rang, la valeurdes harmoniques étant généralement expriméeen pourcentage du fondamental.

Facteur de puissance et cos ϕ1

Il est important en présence d'harmoniques dene pas confondre ces deux termes qui sontégaux seulement lorsque les courants ettensions sont parfaitement sinusoïdaux.

c Le facteur de puissance (λ) est le rapport entreles puissances active P et apparente S:

λ =PS

.

c Le facteur de déphasage (cos ϕ1) concerne lesgrandeurs fondamentales donc :

cos =PS1

1

1ϕ .

En sinusoïdal pur :cos ϕ1 = cos ϕ = λ.

Facteur de déformation

Selon la CEI 146-1-1, c’est le rapport entre le

facteur de puissance et le cos ϕ1 : ν λϕ

=cos 1

.

Il est toujours inférieur ou égal à 1.

Facteur de crête

C'est le rapport de la valeur de crête à la valeurefficace d'une grandeur périodique.

Fc=

Ycr te

Yeff

Page 31: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.29

Origine et transmission

Charges linéaires et non linéairesUne charge est dite linéaire lorsqu'il y a unerelation linéaire (équation différentielle linéaire àcoefficients constants) entre le courant et latension. Plus simplement, une charge linéaireabsorbe un courant sinusoïdal lorsqu'elle estalimentée par une tension sinusoïdale, cecourant pouvant être déphasé d'un angle ϕ parrapport à la tension.Lorsque cette relation linéaire n'est pas vérifiéela charge est qualifiée de non linéaire. Celle-ciabsorbe un courant non sinusoïdal, donc descourants harmoniques, même lorsqu’elle estalimentée par une tension parfaitementsinusoïdale (cf. fig. 42 ).

Distorsion de tension et distorsion de courantUn récepteur non linéaire provoque des chutesde tension harmoniques dans les circuits qui

Fig. 42 : Courant absorbé par une charge non linéaire.

1F

0

I

U

π

Fig. 43 : Impédance de sortie des différentes sources en fonction de la fréquence.

0

100

50

150

50 250 500 750

Rapport de l'impédancede sortie à l'impédancenominale de charge

F (Hz)

Zs

Zc%

Alternateur X"d = 12 %

Transformateur Uccx = 4 %

Onduleur MLI

l’alimentent. En fait ce sont toutes les impé-dances amont qui sont à prendre en compte,ceci jusqu’à la source de tension sinusoïdale.En conséquence, un récepteur qui absorbe descourants harmoniques a toujours une tensionnon sinusoïdale à ses bornes. Ceci est carac-térisé par le taux global de distorsion en tension :

TDH % =100

Zn n

Un=2

n=

1( )

( )∞

∑ I 2

où Zn est l’impédance totale de source à lafréquence de l’harmonique n et In la valeurefficace de l’harmonique n.La distorsion de la tension est d’autant plus impor-tante que la charge est « déformante » et absorbedes courants harmoniques de rang élevé(impédance de source inductive 2 π f1 n L).Rappelons que le taux global de distorsion ducourant est :

100

nn=2

n=

1

I

I

2∞

∑.

Afin de hiérarchiser le comportement desprincipales sources, la figure 43 montre l'évolutionde leurs impédances en fonction de la fréquence.Pour plus de détails, le lecteur intéressé voudrabien se repporter au Cahier Technique n° 159.Rappelons que les câbles de forte section sont àprédominance selfique et que les câbles de faiblesection ont une résistance non négligeable.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.30

Les charges déformantes

La plupart des charges déformantes sont desconvertisseurs statiques.Ils peuvent être puissants et peu nombreux oupeu puissants et nombreux, citons :c les lampes fluorescentes, les gradateurs delumière,c les ordinateurs,c les appareils électroménagers (téléviseurs,micro-onde, plaques à induction).

Les effets néfastes des harmoniques

Effets sur les appareils et systèmes courantfaibleLa distorsion harmonique peut entraîner :c des dysfonctionnements de certains appareils quiutilisent la tension comme référence pour générerdes commandes de semi-conducteurs ou commebase de temps pour synchroniser certains systèmes ;c des perturbations en créant des champs électro-magnétiques. Ainsi lorsque des conducteurs« courant faible » circulent au voisinage deconduc-teurs de puissance traversés par descourants harmoniques, ils peuvent être le siège decourants induits capables de provoquer desdysfonctionne-ments des matériels auxquels ilssont raccordés ;c enfin la circulation de courants harmoniquesdans le neutre entraîne une chute de tensiondans ce conducteur ; ainsi dans le cas duschéma de mise à la terre du neutre TNC lesmasses des différents équipements ne sont plusau même potentiel ce qui est de nature àperturber les échanges d'informations entrerécepteurs « intelligents ».

De plus il y a circulation de courant dans les struc-tures métalliques du bâtiment et donc création dechamps électromagnétiques perturbateurs.

Effets sur les condensateursL’impédance des condensateurs diminue lorsquela fréquence augmente. De ce fait si la tension estdéformée, des courants harmoniques relativementimportants circulent dans ces condensateursdestinés à améliorer le cos ϕ. Par ailleurs laprésence d'inductances dans les différentesparties de l'installation fait apparaître des risquesde résonnance avec les condensateurs, ce quipeut augmenter fortement l'amplitude d’unharmonique dans les condensateurs.En pratique il faut veiller à ne jamais connecter descondensateurs sur des installations présentant untaux de distorsion en tension supérieur à 8%.

Effets sur les transformateursLes harmoniques génèrent des pertessupplémentaires dans les transformateurs :c pertes par effet Joule dans les enroulements,accentuées par l’effet de peau,c pertes par hystérésis et courant de Foucaultdans les circuits magnétiques.

Pour tenir compte de ces différentes pertes uneformule empirique normalisée (NFC 52-114)permet de calculer le coefficient dedéclassement k à appliquer à un transformateur.

k =1

1+0,1 H nn2 1,6

n=

n

2

=∞∑

avec Hn =InI1

Par exemple avecH5 = 25 % ; H7 = 14 % ; H11 = 9 % ; H13 = 8 %,le facteur k est de 0,91.

Effet sur les alternateursComme pour un transformateur, lesharmoniques créent des pertes supplémentairesdans les enroulements et le circuit magnétique.De plus les harmoniques créent des couplespulsatoires qui entraînent des vibrations et deséchauffements additionnels des amortisseurs.Enfin la réactance subtransitoire étantrelativement importante, le taux de distorsion entension devient très rapidement élevé dès queles courants harmoniques augmentent.En pratique il est admis de limiter le taux dedistorsion en courant à une valeur inférieure à20% avec une limite de 5% pour chaque rangd'harmonique.Au delà de ces valeurs il faut consulter lesconstructeurs avec le spectre du courant réelabsorbé par les charges.

Effet sur les câbles et en particulier leconducteur de neutreLes courants harmoniques créent des pertessupplémentaires dans les conducteursaccentuées par l'effet de peau.Plus grave lorsque des charges monophaséesabsorbent des courants harmoniques 3 etmultiples de 3, ces courants se retrouvent enphase et s'additionnent dans le conducteur deneutre.Avec par exemple 75% d'harmonique 3, lecourant circulant dans le neutre vaut 2,25 fois lefondamental. Le courant dans chacune desphases vaut seulement

1+0,752 = 1,25 fois le fondamental.

Une attention particulière doit donc être apportéeau dimensionnement du conducteur neutre enprésence de charges déformantes. Le régime duneutre TN-C est fortement déconseillé.

Aujourd’hui c'est la prolifération des appareils defaibles puissances qui est la principaleresponsable de l'augmentation de la distorsionde tension dans les réseaux.

A titre d'illustration, la figure 44 montre lecourant absorbé par quelques charges ; et lafigure 45 , les spectres harmoniquescorrespondants (valeurs typiques).

Page 33: Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs

Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.31

Fig. 45 : Exemple de spectre harmonique des courants absorbés par les charges de la figure 44.

Fig. 44 : Forme du courant absorbé par quelques charges non linéaires.

0

e

α = π/2

e1

e1

i1

e1

i1

0

U

i

i

i1

e

i

u C

i

R

C

i1e1

e2

e3

i2

i3R

C

i1e1

e2

e3

i2

i3R

C

Lc

i1e1

e2

e3

i2

i3R

Type de convertisseur Schéma Allure du courant

1 : Gradateur de lumière ou de chauffage

2 : Redresseur d'alimentation à découpage,par exemple :c ordinateurc électroménager

3 : Redresseur triphasé avec condensateuren tête par exemple : variateur de vitessepour moteurs asynchrones

4 : Redresseur triphasé avec inductance defiltrage en continu, par exemple : chargeurde batterie.

5 : Redresseur triphasé avec inductance delissage en alternatif, par exemple : ASI deforte puissance

N° H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H191 54 18 18 11 11 8 8 6 62 75 45 15 7 6 3 3 3 23 0 80 75 0 40 35 0 10 54 0 25 7 0 9 4 0 5 35 0 33 3 0 7 2 0 3 2

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Cahier Technique Schneider Electric n° 183 / p.32

Les normes et recommandations

L'électricité est considérée comme un produit, ettout particulièrement en Europe avec la directivedu 25 Juillet 1985. La norme EN 50160 définit descaractéristiques principales au point de livraison duclient pour un réseau public basse tension, et enparticulier les niveaux de tensions harmoniques(ceux de la classe 2 du tableau de la figure 47 ). Ils’agit de niveaux de compatibilité en terme decompatibilité électromagnétique (cf. fig. 46 ).Outre cette norme européenne, les niveaux maxides divers rangs harmoniques sont définis par laCEI 61000.c Pour les réseaux publics à basse tension :CEI 61000-2-2 et recommandations CIGRE(Conférence Internationale des Grands RéseauxElectriques).c Pour les réseaux publics moyenne et hautetension : projet de norme CEI pour la moyennetension et recommandations de la CIGRE.c Pour les installations industrielles bassetension et moyenne tension : CEI 61000-2-4A titre d'illustration le tableau extrait de cettenorme indique les niveaux de compatibilitéharmonique dans trois situations types (classes)(cf. fig. 47 ).Afin d’éviter d’atteindre ces niveaux il faut fixerdes limites aux perturbations émises (niveau

d'émission) par les appareils pris isolément, oubien pour un ensemble de matériels vis à vis deleur point de raccordement au réseau électrique.En basse tension et pour les appareils absorbantun courant inférieur à 16 A il existe laCEI 61000-3-2 et, pour les appareils absorbantun courant supérieur à 16 A , le projet de guideCEI 61000-3-4.Pour les applications industrielles il n'y a pas denorme mais une sorte de consensus autour de lanotion d'étapes pour l'autorisation de raccorde-ment au réseau public : l'étape 1 étant l'accepta-tion automatique pour de faibles puissances vis àvis de la puissance souscrite, l'étape 2 étantl'acceptation sous réserve (de ne pas dépasserpour un utilisateur seul des niveaux de l'ordre de lamoitié des niveaux de compatibilité), et l'étape 3l'acceptation à titre exceptionnel et précairelorsque le niveaux précédent est dépassé.Enfin, pour garantir un bon fonctionnement desappareils il est nécessaire que ceux-ci puissentsupporter des niveaux de perturbationsupérieurs aux niveaux de compatibilitéindiqués dans la figure 47 dans le cas oùceux-ci seraient dépassés, ce qui est admis defaçon transitoire ; c’est leur niveau d’immunité.

Fig. 47 : Taux ( en %) des tensions harmoniques acceptables (compatibilité).

Rang de Classe 1 (matériels et Classe 2 (réseaux Classe 3 (pour le raccor-l'harmonique systèmes sensibles) publics et industriels) dement des gros pollueurs)2 2 2 33 3 5 64 1 1 1,55 3 6 86 0,5 0,5 17 3 5 78 0,5 0,5 19 1,5 1,5 2,510 0,5 0,5 111 3 3,5 512 0,2 0,2 113 3 3 4,5TDH 5% 8% 10%

Fig. 46 : Les différents niveaux de perturbation pour une cohabitation pollueurs-pollués.

0

Niveau de perturbation

Niveau de susceptibilité : niveau à partir duquel il y a dysfonctionnement d'un matérielou d'un système.

Niveau d'immunité : niveau d'une perturbation supportée par un matériel ou un système.

Niveau d'émission : niveau maximal autorisé pour un utilisateur sur le réseau public oupour un appareil.

Niveau de compatibilité : niveau maximal spécifié de perturbation auquel on peuts'attendre dans un environnment donné.

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Sch

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