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.......................................................................... Collection T echnique Cahier technique n° 183 Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs E. Bettega J.N. Fiorina I Merlin Gerin I Modicon I Square D I Telemecanique Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider. Code : http://www.schneider-electric.com Rubrique : maîtrise de l’électricité Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » du groupe Schneider. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée après accord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider n° (à préciser) ». Jean Noël FIORINA Entré chez Merlin Gerin en 1968 comme agent technique de laboratoire au département ACS - Alimentations Convertisseurs Statiques - il participe à la mise au point des convertisseurs statiques. En 1977, diplômé ingénieur de l’Enserg il réintègre le département ACS. D’abord ingénieur de développement, puis chargé de projet, il devient ensuite Responsable Innovations de MGE UPS Systems. Il est en quelque sorte le père des onduleurs de moyenne et forte puissance. n° 183 Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs CT183 édition juin 1998 Eric BETTEGA Employé comme agent technique au BE électronique ABT de Merlin Gerin en 1983, a rejoint la Direction Scientifique et Technique en 1986. Titulaire depuis 1991 d’un diplome d’ingénieur CNAM (Conservatoire National des Arts et Métiers), il est, au sein de la Direction des Recherches responsable des études relatives aux « compensateurs actifs ». Cahier Technique Schneider n° 183 / p.2 Cahier Technique Schneider n° 183 / p.3 Harmoniques : convertisseurs propres et compensateurs actifs De plus en plus de récepteurs électriques, dans l’industrie, le tertiaire et même le domestique, sont des charges déformantes (non linéaires). Ils absorbent des courants non sinusoïdaux et ceux-ci, compte tenu des impédances des circuits, déforment l’onde sinusoïdale de tension. C’est la perturbation 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 à commencer par lire l’annexe ; il trouvera dans celle-ci les bases nécessaires à la compréhension des diverses solutions classiques et nouvelles pour minimiser ou combattre les harmoniques. En effet, il faut connaître, outre les grandeurs caractérisantes, les pollueurs, l’influence des sources et les effets perturbateurs des harmoniques. Enfin, il faut savoir qu’il existe des niveaux de compatibilité (maximums acceptables) fixés par les normes. Ce Cahier Technique a pour but de vous présenter les compensateurs actifs d’harmoniques. C’est une solution séduisante, souple, car auto- adaptative, qui peut être utilisée dans de nombreux cas en complément ou à la place d’autres remèdes. Ceci étant, il existe des solutions, dites traditionnelles, 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 «p arallèle » 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 Cahier Technique Schneider n° 183 / p.4 1 Les solutions traditionnelles Aujourd’hui tout électricien doit les connaître, soit pour prendre les bonnes dispositions lors de l’installation de matériels pollueurs, soit pour concevoir une installation nouvelle en toute connaissance de cause. Les solutions ci-après sont fonction du but recherché et des pollueurs/pollués en présence. Elles utilisent des composants passifs : inductances - condensateurs - transformateurs et/ou jouent sur le schéma de l’installation. Dans la plupart des cas l’objectif est de diminuer le taux de distorsion en tension au niveau d’un point 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 choisir des matériels non polluants, il est possible de limiter les courants harmoniques de certains convertisseurs en intercalant entre leur point de raccordement et leur entrée une inductance dite de lissage. Cette disposition est utilisée en particulier avec les redresseurs avec conden- sateurs en tête ; l'inductance pouvant même être proposée en option par les constructeurs. Attention ! cette solution diminue le taux global de distorsion en tension en amont de l’inductance mais l’augmente aux bornes du récepteur polluant. 1.2 Abaisser l’impédance harmonique de la source En pratique cela revient à brancher le pollueur directement sur un transformateur le plus puissant possible, ou à choisir un générateur à faible impédance harmonique (cf. annexe et fig. 1 ). Notons qu’il est intéressant, côté source, d’utiliser plusieurs câbles en parallèle, de sections plus faibles, plutôt que d'en utiliser un seul. Si ces conducteurs sont suffisamment éloignés, l'inductance apparente est divisée par le nombre de câbles en parallèle. 1.3 Agir sur la structure de l'installation Il faut éviter de connecter un récepteur sensible en parallèle avec un pollueur (cf. fig. 2 ). Quand on est un présence d’un pollueur de forte puissance, il est souhaitable de l’alimenter par un autre transformateur MT/BT. TDH ZS ZL Charge polluante E Fig. 1 : Ajouter une inductance aval ou diminuer l’impédance de source amont, entraîne une diminution du TDH de tension au point considéré. Fig. 2 : Une distribution en étoile permet le découplage par les impédances naturelles et/ou additionnelles. Pollueur Matériel sensible Alimentation des pollueurs Réseau « propre » a) Solution à éviter b) Solution à préconiser Cahier Technique Schneider n° 183 / p.5 1.4 Confinement des harmoniques Il s'agit de limiter la circulation des courants harmoniques à une partie aussi petite que possible de l'installation, à l'aide de transformateurs à couplages appropriés. L’utilisation de transformateurs primaire étoile (sans neutre !) et à secondaire ZIG-ZAG est une solution intéressante. Ce couplage permet d’avoir le minimum de distorsion au secondaire. En effet, dans ce cas, les courants harmoniques de rang 3 k ne circulent pas au primaire du transformateur et l'impédance Zs ne dépend plus que des enroulements secondaires. L’inductance est très faible : Uccx ≈ 1 % et la résistance est à peu près diminuée de moitié comparée à celle d’un transformateur ∆Y de même puissance. La figure 3 et le calcul ci-après permettent de comprendre pourquoi les courants de pulsation 3 k ω ne se retrouvent pas au primaire du transformateur (courant homopolaire nul). Le courant circulant par exemple dans l’enroulement primaire 1 vaut : N N (i i ) 2 1 1 3 − avec i = = sin 3 k t 1 1 3 k I I ( ) ( ) ω i = = sin 3 k t - 4 3 3 3 (3 k) I I ω π      , i = sin 3 k t = i 3 1 I ω ( ) d’où N N (i i ) = 0 2 1 1 3 − . Dans le cas de charges triphasées il est possible d'éliminer certains rangs d'harmoniques en utilisant des transformateurs ou des autotranformateurs avec plusieurs secondaires déphasés ; cette disposition se rencontre surtout dans le cas de redresseurs puissants. Le plus connu de ces montages est le redresseur constitué de deux ponts mis en série ou en parallèle, alimentés par un transformateur à deux secondaires dont l'un est en étoile et l'autre en triangle. Cette disposition entraîne un déphasage de 30 degrés entre uploads/Ingenierie_Lourd/ ct-183.pdf