P1-M5-2009-04-28 AGPI Harmoniques GA 4.ppt [Mode … · • Les transistors ont le même rôle que des relais, mais peuvent changer d’état (ON – OFF) très très vite AGPI ˜

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28 avril 2009 – AGPI Séminaire sur les harmoniques

Par

Gilles Arcouet, ing.

Sommaire de la présentation

Pageau Morel en bref

Notions de tension et courant électriques

Que sont les harmoniques ?

Sources de courants harmoniquesSources de courants harmoniques

Effets des courants et tensions harmoniques

Solutions

Pageau Morel en bref

Entreprise fondée en 1956

Employés actionnaires (près de 40 %)

150 employés dont 70 ingénieurs

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Bureaux à • Montréal (siège social – plus de 100 personnes)

• Gatineau • Laval• Hawkesbury (ON)

AGPI � Avril 2009

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Secteurs d’activités

Centres informatiques

Santé

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Santé

Immeubles de bureaux | Bâtiments publics

Sciences | Industries

Éconergie

AGPI � Avril 2009

La matière qui nous entoure :• L’atome et la molécule : Le modèle compact

Notions d’électricité

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Isolants :• Les gaz et les liquides sont formés de molécules

autonomes des molécules voisines - Ils ne sont donc pas de bons conducteursPar contre si un très fort champ électrique leur est


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• Par contre, si un très fort champ électrique leur est appliqué, un claquage peut se produire, des températures extrêmement élevées sont atteintes, et ce gaz, transformé en plasma devient conducteur

6AGPI � Avril 2009

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Conducteurs :• Dans les cristaux métalliques, les atomes partagent

des électrons avec leurs voisins• Ces atomes peuvent se détacher facilement si on les

place dans un champ électrique (ex : créé par une


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place dans un champ électrique (ex.: créé par une batterie)

• Ces électrons portent une charge électrique, et leur déplacement constitue le courant électrique

• Il faut 10 000 000 000 000 000 000 électrons par seconde pour totaliser 1 ampère


Isolants et semi-conducteurs :• Dans la plupart des solides (ex.: le verre), les molécules ne

partagent pas d’atomes avec les molécules voisines. Ces solides sont aussi des isolants

• Il existe, enfin, des cristaux métalliques qui sont de pauvres d L i d (Sili i G i


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conducteurs : Les semi-conducteurs (Silicium pur, Germanium, Selenium,…)

• En les «polluant» avec quelques atomes par million de Phosphore ou de Bore, on peut fabriquer des diodes et des transistors. Leur théorie de fonctionnement est complexe

• Les transistors ont le même rôle que des relais, mais peuvent changer d’état (ON – OFF) très très vite


Source d’électricité• Une pile électrique fournit une tension continue• Si on raccorde des piles en série, les tensions

s’additionnent



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Résistance et courant• Si on donne un chemin pour que les électrons

passent, un courant électrique est créé• Ce courant augmente linéairement avec la tension,

et diminue linéairement avec la résistance


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et diminue linéairement avec la résistance• I = V / R• P = V x I


Autres composants• Inductance : s’oppose aux variations de courant. Analogie : La

masse d’une voiture fait qu’on ne peut pas en accélérer la vitesse rapidement

• Condensateur : s’oppose aux variations de tension.


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Analogie : Un réservoir d’eau• Diode : Ne laisse passer le courant que dans une direction


Tension et courant alternatif• Les alternateurs d’Hydro-Québec fournissent une

tension qui alterne constamment (à 60 Hz) entre positive et négative (forme sinusoïdale)Cela facilite la transformation et le transport sur de


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• Cela facilite la transformation et le transport sur de longues distances


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Les ondes cycliques ne sont pas toutes sinusoïdales

Nature des harmoniques


Toute forme d’onde répétitive peut se décomposer mathématiquement en la somme d’une onde fondamentale et de ses harmoniques :



Voici la forme du courant typique consommé par un redresseur :



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Voici les amplitudes de chacune des harmoniques de ce courant :



Tous les systèmes qui incluent un redresseur sont une source possible d’harmoniques

Source des harmoniques


Voici un redresseur simpliste à 1 impulsion



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Voici les courants et tensions qui apparaissent lorsque la source est activée



Tous les systèmes qui incluent un redresseur :

• Ordinateurs et imprimantes

• Variateurs de vitesse de moteur (ascenseurs, ventilateurs, refroidisseurs, etc.)


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, , )

• Certaines alimentations sans coupure (ASC ou UPS)

• Ballasts électroniques

• Appareils électroniques audio, vidéo, etc.


Il y a d’autres systèmes non linéaires :

• Soudeuses à arc

• Fours à arc

R d i d t i l i tt t


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• Redresseurs industriels, comme ceux qui permettent l’électrolyse de l’aluminium


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Qu’est-ce qu’un transformateur ?

Effets des harmoniques


Échauffement des transformateurs :• Les transformateurs sont faits de tôles d’acier• Pour une épaisseur de tôle données, l’échauffement

de tôle par courants de Foucault augmente avec le é d l f é


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carré de la fréquence• Exemples : 1 watt à 60 Hz, 9 watts à 180 Hz, 25

watts à 300 Hz• Les enroulements de cuivre perdent leur efficacité

lorsque la fréquence augmente (effet de peau) et eux aussi s’échauffent davantage en présence d’harmoniques


Conséquences de l’échauffement des transformateurs :• L’échauffement du cuivre et de l’acier constitue

une perte d’énergie => Facture d’électricité


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• Cet échauffement peut demander davantage de climatisation => Investissement et facture d’électricité

• Chaque augmentation de température de 10 degrés Celcius réduit la vie du transformateur de 50 % =>Pannes et coûts de remplacement


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Augmentation des courants de neutre :



Effet d’échauffement des conducteurs de neutre :• Dans les réseaux triphasés la distribution peut se

faire à 3 conducteurs (A, B, C) ou à 4 conducteurs


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(A, B, C, N)• Dans les réseaux à 4 conducteurs et charges

linéaires et équilibrées, le courant du conducteur neutre est 0

• Dans les réseaux à 4 conducteurs et charges non-linéaires, le courant de neutre peut dépasser le courant des phases (173% des phases)


Conséquences de l’augmentation de courant des conducteurs de neutre :• Échauffement des câbles => facture d’énergie• Échauffement des barres de neutre dans les


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panneaux => facture d’énergie et déclenchement des certains disjoncteurs

• Augmentation du bruit en mode commun ( = tension de plusieurs volts sur le neutre) => problèmes de communications entre certains types d’ordinateurs


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Distorsion excessive de la tension et ses conséquences :• Perturbation des ordinateurs• Distorsion dans les systèmes audio et vidéo


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y• Distorsion de l’image sur les systèmes de

surveillance en circuit fermé


Cas des groupes électrogènes :• L’impédance interne des génératrices est 4 fois plus

grande que celle d’Hydro-Québec• En présence de courants harmoniques, la distorsion

d l i d l (4 ) l l


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de la tension va quadrupler (4 x) lorsque le bâtiment est alimenté par les groupes électrogènes


Connaître (1) :• Il existe des instruments installés

en permanence qui permettentde «voir» les harmoniques

• Pageau Morel et OnPower Systems

Solutions

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disposent d’instruments performantsDranetz que nous pouvons installerpendant quelques jours ou semaines


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Connaître (2) :• Très important : Il faut toujours utiliser des ampère-

mètres de type «True RMS»• Les instruments conventionnels lisent la pointe du

i di i 1 414

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sinus et divisent par 1,414• Si la forme d’onde est distorsionnée par les

harmoniques, la tension indiquée sera plus faible que la réalité

• Si la forme d’onde est distorsionnée par les harmoniques, le courant indiqué sera plus élevé que la réalité


Subir et supporter :• Filtrer pour les équipements les plus sensibles seulement• Profiter de la dilution : Si la moitié des charges sont linéaires,

la distorsion harmonique est réduite de moitié• Installer des transformateurs avec facteur K >1, comme K=4,

K 13 et K 20

Solutions

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K=13 et K=20• Sur-dimensionner les conducteurs de neutre


Éviter (Corriger à la source) :• Choisir des équipements qui ne créent pas, ou peu,

d’harmoniques• Dans certains cas inévitables, filtrer à la source pour éviter de

propager la distorsion dans tout le bâtiment• Exemple : Inductances séries d’entrée et bus cc pour les

Solutions

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• Exemple : Inductances séries d’entrée et bus cc pour les variateurs de vitesse


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Compenser et corriger (1):• Protéger les condensateurs de régulation du facteur de

puissance• Inductances en série avec les équipements qui produisent des

harmoniques• Transformateurs triangle étoile (3e harmonique et 9e

Solutions

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• Transformateurs triangle-étoile (3e harmonique et 9e harmonique réduites)

• Transformateurs sur-dimensionnés• Transformateurs homopolaires• Transformateurs triangle-zig-zag


Compenser et corriger (2):• Filtres accordés• Filtres combinés (inductance et filtre accordé)• Filtres actifs

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• Alimentations sans coupure sélectionnées


Condensateurs de facteur de puissance protégés (accordés)• 4 fois plus gros, 2 fois plus coûteux• Ne corrigent pas les problèmes harmoniques

Solutions

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g p p q• Évitent de griller les condensateurs


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Inductances en série• Petites• Peu coûteuses• Réduisent le courant harmonique• Entrent rarement en résonance

Solutions

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• Réduisent les pointes de tension sur le bus cc


Les inductances en série réduisent les courants harmoniques

Solutions


Les inductances en série réduisent les surtensions sur le bus cc

Solutions


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Transformateurs triangle-étoile

Solutions


Transformateurs triangle-étoile• Gros• Coût moyen• Annulent les 3e, 9e et 15e harmoniques

Solutions

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• Réduisent le courant harmonique• Requièrent un facteur K approprié


Transformateurs sur-dimensionnés• Gros• Coût moyen• Annulent les 3e, 9e et 15e harmoniques

Solutions

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• Réduisent le courant harmonique• Le sur-dimensionnement compense pour le facteur

K inapproprié• Plus de pertes• Plus de courant de magnétisation et problème de

déclenchement des disjoncteurs amonts


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Filtres homopolaires

Solutions


Transformateurs triangle-zig-zag• Gros et coûteux• Ont toujours un facteur K>1• En plus de faire disparaître la 3e harmonique et ses multiples

impairs, le zig-zag peut aider à réduire la 5e et la 7e harmonique

Solutions

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harmonique


Filtres accordés• Taille moyenne• Coût moyen• Possibilité de résonance

Solutions


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Les filtres accordés sont branchés en parallèle avec les charges

Solutions


Filtres accordés combinés• Taille moyenne• Coût élevé• Peu de résonance

Solutions


Les filtres accordés combinés sont branchés en parallèle avec les charges

Solutions


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Filtres actifs• Gros• Coûteux• Aucune résonance

Solutions


Filtres actifs (TCI H5)

Solutions


Filtres actifs (TCI H5)

Solutions


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Alimentations sans coupure (ASC, ou UPS) sélectionnées• Les modèles Off-Line n’aideront pas• Les modèles Line-Interactive réduisent les harmoniques• Les ASC qui ont des redresseurs à diodes n’aideront pas

Solutions

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• Les ASC qui ont des redresseurs à SCR n’aideront pas• Pour les 2 cas qui précèdent, certaines ASC ont des filtres

harmoniques à leur entrée. Attention, car ces filtres peuvent rendre le facteur de puissance capacitif, ce qui est à éviter pour les génératrices

• Les ASC qui ont des redresseurs de type IGBT, ou diodes et IGBT, sont efficaces pour faire disparaître les harmoniques


Recette votre présentateur• Si vous croyez avoir un problème, vous aurez besoin

d’un ingénieur qui s’y connaît pour évaluer les coûts et les délais des meilleures solutionsSi h d d é i l

Solutions

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• Si vous achetez ou raccordez du nouveau matériel, sachez et choisissez ce que vous aurez

• Règle du pouce : Ne pas dépasser une moyenne de 15 % de DHT en courant sur un groupe électrogène, 25 % sur le secteur


Pageau Morel…

Avez-vous des questions ?


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Merci de votre attention !

Documents

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