LYCÉE ST GATIEN TRAVAUX PRATIQUES

Pollution d’un réseauSystème : Harmonique de courant Puissance déformante Facteur de puissance et cos Sensibilisation à la CEM

BTS ÉLECTROTECHNIQUE

1. Présentation du problèmeSous tension sinusoïdale de fréquence 50Hz, seul un courant sinusoïdal et de même fréquence 50 Hz apporte la puissance active nécessaire à l’équipement alimenté par cette tension.Or, la plupart du temps, les appareils n’appellent pas un courant purement sinusoïdal  : le courant est plus ou moins déformé (par rapport à la sinusoïde). Ainsi, seul le fondamental à 50 Hz de ce courant déformé contribue, avec la tension, à l’apport de la puissance active consommée par l’équipement. Les harmoniques de courant n’apportent pas cette puissance (car leurs fréquences sont différentes de 50 Hz) mais contribuent malheureusement à augmenter inutilement l’intensité efficace du courant véhiculée par les câbles d’alimentation.

Plusieurs normes existent pour cadrer ce sujet et parmi les plus importantes : CEI 61000-1-1 : Pour définir les harmoniques. CEI 61000-2-1 à 5 : Pour les réseaux basse fréquence et transmission. CEI 61000-3-2 à 6 : Pour les limites d'émission de courant harmonique. CEI 61000-4-1 à 15 : Pour les essais et les immunisations des matériels. EN 50160 : Pour les caractéristiques de la fourniture de la tension par les réseaux publics. Le guide UTE C15-105 : Pour le dimensionnement des câbles en présence d'harmoniques.

2. ManipulationBanc de test : oscilloscope numérique / PC / … (à préciser)

Equipement de mesures : analyseur de réseau Chauvin Arnoux CA8332B, en mode ‘’Harmoniques’’Oscilloscope numérique (facultatif)

Un ordinateur alimenté sous 230V possède une allure de courant non sinusoïdal. Son allure est typique d’une alimentation redressée par un pont de Graetz avec lissage capacitif.

Effectuer le montage ci-contre.

Programmer l’analyseur de réseau CA8332B pour une visualisation de la tension et du courant aux bornes de l’équipement testé.

Nb   : plusieurs boucles de courant, permettant de ‘’multiplier’’ la valeur du courant sont mises à disposition, compte tenu de la valeur minimale de lecture de la pince MN93A.

P 1 sur 8

Visualiser l’allure de la tension et du courant grâce au montage ci-dessus.Représenter les oscillogrammes correspondants

Relever les informations suivantes :Information ValeurCourant efficace dans la ligneTension efficace aux bornes de l’ordinateurPuissance active PPuissance réactive QPuissance apparente SFacteur de puissance PFCos DPF

Représenter l’allure des spectres en fréquence de la tension et du courant de ligne.Spectre en tension

P 2 sur 8

Spectre en courant

Relever également les taux d’harmoniques en tension (THDV) et en courant (THDI).

Rang Fréquence Tension (%) Courant (%)

1 f1 = 50 Hz 100 100

3 f3 =

5 f5 =

7 f7 =

9 f9 =

11 f11 =

13 f13 =

15 f15 =

17 f17 =

19 f19 =

21 f21 =

…. fn =

THD (%)

Note : Les courants harmoniques sont les composantes sinusoïdales d'un courant électrique périodique décomposé en série de Fourier. Les harmoniques ont une fréquence multiple de la fréquence fondamentale, généralement de 50 ou 60 hertz dans les réseaux électriques.Les tensions harmoniques possèdent une définition analogue.

La théorie des harmoniques et les séries de Fourier seront reprises en Physique Appliquée et en Mathématiques.

P 3 sur 8

3. Exploitation des résultats1- Facteur de puissance et cos

Les mesures du facteur de puissance (PF) et du cos (DPF) donnent-ils un résultat différent ? Qu’en conclure ?

Donner la différence de définition entre le facteur de puissance (PF) et le cos (DPF)

2- Taux de distorsion harmonique En reprenant les résultats tirés de l’analyse spectrale et en vous aidant des annexes (cf ‘’calcul du taux de

distorsion harmonique’’), recalculer ces taux d’harmonique et comparer les résultats obtenus avec les taux THDV / THDI donnés par l’analyseur de réseau. Conclure.

P 4 sur 8

D’après vos résultats et selon la norme NF C 15-105 (cf annexe), le réseau électrique considéré est-il ‘’pollué’’ en tension, en courant ? Justifier.

3- Puissance déformante (D, unité VAD) La puissance déformante est directement liée à la présence des harmoniques de courant Qu’appelle t’on puissance déformante (cf Internet) ?

Calculer la puissance déformante D=¿ √S ²−(P2+Q2) que génère l’équipement testé.

4- Impact sur le courant de ligne et le choix de la section On considère une installation électrique monophasée en PVC3 véhiculant 19A. A l’aide des annexes, donner la section du câble cuivre pour la phase et le neutre (méthode de pose B)

o En l’absence de perturbation réseauo Avec votre taux THDI précédemment calculé

Conclure sur la nécessité de combattre les harmoniques

P 5 sur 8

ANNEXES

1. Mode de représentation : le spectre en fréquenceLe spectre est un histogramme fournissant l’amplitude de chaque harmonique en fonction de son rang.Son examen permet d’apprécier à la fois quels sont les harmoniques en présence et leur importance respective

2. Calcul du taux de distorsion harmoniqueL’une des solutions destinées à déceler la présence d’harmoniques est le calcul du THD, taux de distorsion harmonique. Il en existe 2 sortes :

en tension (apparaît à la source) en courant (dû aux charges).

Ce taux de distorsion harmonique correspond au rapport entre la réelle valeur efficace de l’harmonique d’un signal (U ou I) et sa valeur efficace à la fréquence du fondamental.

Taux de distorsion harmonique en tension  : THDV=√∑k >2

V k2

V 1

Taux de distorsion harmonique en courant  : THD I=√∑k>2

I k2

I 1

Lorsque le THD est égal à zéro, on peut conclure qu’il n’y a pas d’harmoniques sur le réseau.

P 6 sur 8

3. Prise en compte des courants harmoniques par la norme NF C 15-105 (extraits)3.1. analyse prévisionnelle du taux de distorsion harmoniques en courant de rang 3 et multiple de 3.

Taux d’harmoniques Effets prévisiblesTHDU < 5 % et THDI < 10 % Néant

5 % < THDU < 8 % ou10 % < THDI < 50 %

Pollution significative,effets nuisibles possibles

THDU > 8 % et THDI > 50 %Pollution forte,

dysfonctionnement probablesTaux d’harmoniques de rang 3

en courant > 15 %Courant non négligeable

dans le neutre

3.2. Choix de la section de phase en l’absence de facteur de correction

3.3. Choix de la section du neutre selon NF C 15-105

P 7 sur 8

si Taux d’harmoniques de rang 3 (et multiple de 3) < 15% pas de modificationo calcul des sections des câbles de phaseso mise en œuvre de l’équilibrage des phaseso application de la règle du 1/2 neutre protégé

CuSphase

16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400

Sneutre Sph 16 25 25 35 50 70 70 95 120 150 185

AlSphase

25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400

Sneutre Sph 25 35 35 50 70 70 95 120 150 185

Si 15% < Taux d’harmoniques de rang 3 < 33 %o calcul des sections des câbles de phaseso mise en œuvre de l’équilibrage des phaseso application de la section de phase au câble du neutre

si Taux d’harmoniques de rang 3 > 33 %, o calcul de la section des câbles de phaseso mise en œuvre de l’équilibrage des phases

application d’un coefficient de 1,45 sur l’intensité nominale I phase pour calculer Ineutre

calcul de la section du câble neutre.

P 8 sur 8