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Juin 2000 Les perturbations électromagnétiques basse et haute fréquence Ce guid

Juin 2000 Les perturbations électromagnétiques basse et haute fréquence Ce guide technique a pour objectif de mettre en évidence les phénomènes électromagnétiques basse et haute fréquence et de proposer les principales solutions permettant d’y remédier. c Les perturbations harmoniques sont situées dans un spectre basse fréquence s’étendant jusqu’à quelques kHz. c Les perturbations haute fréquence se situent dans un spectre s’étendant jusqu’à plusieurs GHz. Définition d’une perturbation électromagnétique Il s’agit de tout phénomène électromagnétique susceptible de dégrader les performances d’un dispositif ou d’un système. Les différents niveaux de perturbations rencontrés p.2 Etude des phénomènes harmoniques basse fréquence p.10 Les perturbations électromagnétiques haute fréquence niveau de la perturbation marge d'immunité niveau d'immunité : niveau normalisé d'une perturbation supportée par un matériel ou un système niveau de susceptibilité : niveau de perturbation à partir duquel il y a dysfonctionnement par un matériel ou un système niveau de compatibilité électromagnétique : niveau maximal spécifié de perturbation auquel on peut s'attendre dans un environnement donné limite d'émission : niveau normalisé d'émission que ne doit pas dépasser un matériel Qui fait autant avancer l’électricité ? Intersections - Juin 2000 Guide Technique 2 Etude des phénomènes harmoniques basse fréquence Le domaine d’application des phénomènes harmoniques basse fréquence s’étend jusqu’à environ 2 kHz. Origine Dans les secteurs industriel et domestique on constate une recrudescence de générateurs d’harmoniques imposant un courant alternatif non sinusoïdal. Les générateurs d’harmoniques sont des charges non linéaires, c’est-à-dire qu’ils n’absorbent pas un cou- rant sinusoïdal, bien qu’ils soient alimentés par une tension sinusoïdale. Ils comprennent deux types : c Les redresseurs en courant Il s’agit des redresseurs en pont de Graetz débitant sur une charge inductive. La forme du courant est composée de créneaux liés à la commutation rapide des thyristors. Exemples : - convertisseurs statiques (onduleurs) - variateurs de vitesse pour moteur à courant continu Lf Z L ligne Id ot Spectre d'une charge triphasée équilibrée Absence d'harmonique de rang 3 et multiple I (t) % 100 50 0 1 5 7 11 13 17 19 L ligne N c Les redresseurs en tension Il s’agit des redresseurs en pont de Graetz chargés par un condensateur. La forme du courant est composée de pointes élevées et fines liées à la charge du condensateur. Il est à noter que sur un système monophasé ou triphasé avec neutre câblé le spectre contient des harmoniques de rang 3. v Exemple - alimentation à découpage - variation de vitesse pour moteur asynchrone - éclairage. Quelques définitions importantes c Rappel du théorème de Fourier (Joseph) mathématicien français né à Auxerre (1768-1830). Toute fonction périodique de fréquence f peut être représentée sous la forme d’une somme composée : • d’un terme sinusoïdal à la fréquence f de valeur efficace Y1 (fondamental) • de termes sinusoïdaux dont les fréquences sont égales à : - n fois la fréquence du fondamental et de valeurs efficaces Yn (harmonique) - n multiple entier étant le rang de chaque harmonique • d’une éventuelle composante continue de valeur Y0 Y0 = valeur de la composante continue Y1 = valeur efficace du fondamental Yn = valeur efficace de l’harmonique de rang n o = pulsation de la fréquence fondamentale n = déphasage de la composante harmonique y(t) = ∑Ynrsin (not - n) + Y0 n = ∞ n = 1 Intersections - Juin 2000 Guide Technique 3 Le spectre est observé avec un analyseur de spectre. Remarque : l’amplitude (donc l’énergie) des raies harmoniques décroît en fonction de leur rang. Nota : Nous constatons que le signal résultant de la sommation (H1 + H3) se rapproche du signal carré. c Valeur efficace d’une grandeur alternative non sinusoïdale La valeur efficace de la grandeur déformée conditionne les échauffements, donc habituellement les grandeurs harmoniques sont exprimées en valeurs efficaces. Pour une grandeur sinusoïdale : Veff = Pour une grandeur déformée et en régime permanent, l’énergie dissipée par effet Joule est la somme des énergies dissipées par chacune des composantes harmoniques, soit l’application de la formule générale : c Facteur de puissance et cos v Le facteur de puissance est le rapport de la puissance active P à la puissance apparente S v Le facteur de déphasage cos 1 représente le cosinus de l’angle entre les fondamentaux de la tension et du courant P1 puissance active de la composante fondamentale S1 puissance apparente de la composante fondamentale v Conclusions FP = cos1 sur une charge linéaire FP ≠cos1 sur une charge non linéaire - le facteur de déformation FD représente le lien entre FP et cos - le facteur de crête c’est le rapport de la valeur de crête à la valeur efficace d’une grandeur périodique +E -E π 2π 0 Composante continue : Y0 = 0 t harmonique 3 valeur efficace = E 1 2r 3 π fondamental valeur efficace = E 2r π H1+H3 Représentation temporelle % 100 fondamental (H1) rang H3 rang H5 0 1 3 5 7 9 n Représentation spectrale Vmax r yeff = ∫y2t.dt 1 T T 0 yeff = Yn2 n=∞ n=1 ∑ yeff = 1042 + 302 + 102 = 109 A FP = P S Fc = Y crête Yeff cos1 = P1 S1 c Notion de taux de distorsion Il donne une mesure de l’influence thermique de l’ensemble des harmoniques : c’est le rapport de la valeur efficace des harmoniques à la valeur efficace du fondamental seul. Taux de distorsion (selon définition donnée par le dictionnaire CEI) : ce paramètre, appelé encore distorsion harmonique ou facteur de distorsion, représente le rapport de la valeur efficace des harmoniques à la valeur efficace du fondamental Y1. v Exemple d’application (signal carré) THD (%) = 100 n=∞ n=2 ∑(Yn2) Y1 THD = 100 = 28 % 104 302 + 102 v Exemple d’application du théorème de Fourier sur un signal carré donne avec la représentation harmonique : v Conclusions Nécessité d’effectuer la mesure de courant avec un ampèremètre RMS (Root Mean Square) intégrant les rangs harmoniques (valeur efficace). Le calcul de la section des conducteurs sera adapté au courant efficace et non pas au seul fondamental. v Exemple d’application IH1 = 104 A ) Valeurs données par l’analyseur IH3 = 30 A ) de spectre dans l’exemple IH5 = 10 A ) du signal carré FD = FP cos1 donc FP = cos1.FD Intersections - Juin 2000 Guide Technique 4 Principaux générateurs d’harmoniques - Onduleurs, hacheurs. - Ponts redresseurs : électrolyse, machine à souder. - Fours à arc et à induction. - Variateurs de vitesse électroniques pour moteur à courant continu ou pour moteur asynchrone ou synchrone. - Appareils domestiques tels que téléviseurs, lampes à décharges, lampes fluorescentes à ballast électronique. - Alimentation à découpage informatique. Ces équipements connaissent une diffusion croissante, ils entraînent une source de pollution harmonique importante. La normalisation en vigueur c Limites d’émission en courant v Elles sont fixées par la norme CEI 61000-3-2 pour les appareils raccordés au réseau public en basse tension consommant moins de 16 A par phase. Au delà une norme CEI 61000-3-4 est en préparation. v Pour les abonnés “tarif vert” en France, EDF propose un contrat EMERAUDE qui engage ses abonnés à limiter leur niveau de pollution et EDF à fournir une énergie de qualité. Nota : Un “club” FIABELEC en partenariat avec EDF peut servir d’assistance aux industriels. c Niveau de compatibilité La norme CEI 61000-2-2 définit des niveaux de compatibilité de tensions harmoniques pour les réseaux publics basse tension et CEI 61000-2-4 pour les installations industrielles basse et moyenne tension. Les effets indésirables et les retombées économiques des harmoniques sur les installations Les tensions et courants harmoniques superposés à l’onde fondamentale conjuguent leurs effets sur les appareils et équipements utilisés. Ces grandeurs harmoniques ont des effets différents selon les récepteurs rencontrés : - soit des effets instantanés, - soit des effets à terme dus aux échauffements. c Les effets instantanés Sur les systèmes électroniques, les tensions harmoniques peuvent perturber les dispositifs de régulation. Elles peuvent influencer les liaisons et les équipements “courants faibles”, entraînant des pertes d’exploitation. Les compteurs d’énergie présentent des erreurs supplémentaires en présence d’harmoniques : par exemple un compteur classe 2 donnera une erreur supplémentaire de 0,3 % avec un taux de 5 % d’harmonique 5 sur le courant et la tension. Les récepteurs de télécommande centralisée à fréquence musicale utilisée par les distributeurs d’énergie peuvent être perturbés par des tensions harmoniques de fréquence voisine de celle utilisée par le système. v Vibrations, bruits Par les efforts électrodynamiques proportionnels aux courants instantanés en présence, les courants harmoniques généreront des vibrations, des bruits acoustiques, surtout dans les appareils électromagnétiques (transformateurs, inductances). Des couples mécaniques pulsatoires, dus aux champs tournants harmoniques, donneront des vibrations dans les machines tournantes. Ils peuvent entraîner une destruction du matériel. v Perturbations induites sur les lignes à courants faibles (téléphone, contrôle-commande) Des perturbations surviennent lorsqu’une ligne à courants faibles chemine le long d’une canalisation de distribution électrique avec courants et tensions déformés. Intersections - Juin 2000 Guide Technique 5 c Les effets à terme Victimes Les effets à terme Les condensateurs Les uploads/Industriel/ perturbations-electromagnetiques.pdf