Dysfonctionnement d’appareils utilisant la tension comme référence

Pour les installations industrielles basses tension et moyenne tension CEI 61000-2-4

A titre d’illustration le tableau extrait de cette norme indique les niveaux de compatibilité harmonique dans trois situations types (classes). Afin d’éviter d’atteindre ces niveaux il faut fixer des limites aux perturbations émises (niveau d’émission) par les appareils pris isolément, ou bien pour un ensemble de matériels vis à vis de leur point de raccordement au réseau électrique. En basse tension et pour les appareils absorbant un courant inférieur à 16 A il existe la CEI 61000-3-2 et, pour les appareils absorbant un courant supérieur à 16 A, le projet de guide CEI 61000-3-4. Pour les applications industrielles il n’y a pas de norme mais une sorte de consensus autour de la notion d’étapes pour l’autorisation de raccordement au réseau public : l’étape 1 étant l’acceptation automatique pour de faibles puissances vis à vis de la puissance souscrite, l’étape 2 étant l’acceptation sous réserve (de ne pas dépasser pour un utilisateur seul des niveaux de l’ordre de la moitié des niveaux de compatibilité), et l’étape 3 l’acceptation à titre exceptionnel et précaire lorsque le niveaux précédent est dépassé. Enfin, pour garantir un bon fonctionnement des appareils il est nécessaire que ceux-ci puissent supporter des niveaux de perturbation.

Supérieurs aux niveaux de compatibilité indiqués dans la figure (I.1) dans le cas où ceux-ci seraient dépassés, ce qui est admis de façon transitoire ; c’est leur niveau d’immunité. Le tableau (I.3) présente la norme CEI-1000-3-2 qui fixe la limitation des courants injectés dans un réseau public basse tension pour des équipements dont le courant par phase est inférieur à 16A. Il s’agit là des appareils du domaine domestique. Aussi, du fait de leur puissance, les équipements industriels sont exclus du champ d’application de cette norme [7]. La norme (CEI-1000-3-4) spécifie les limites d’émissions de courants harmoniques des équipements individuels d’intensité assignée supérieure à 16A et jusqu’à 75A. Ces limites s’appliquent aux réseaux publics de tensions nominales comprises entre 230V (monophasé) et 600 V (triphasé). Dans ce chapitre nous avons vu que la présence des éléments d’électroniques de puissance cause la détérioration de la qualité du courant et de la tension des réseaux de distribution. En effet, ces systèmes absorbent des courants non sinusoïdaux, même s’ils sont alimentés par une tension sinusoïdale. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers ou non entiers de la fréquence fondamentale. Ainsi différents critères sont définis pour caractériser ces perturbations.

Filtres passifs [9][10] Il s’agit des premiers dispositifs utilisés pour l’élimination d’harmoniques. Ils sont composés par des éléments passifs comme des inductances, des condensateurs et des résistances. En général, les filtres d’harmoniques sont connectés en parallèle avec les charges génératrices d’harmoniques (les redresseurs à diodes ou à thyristors, fours à arcs électriques, etc.). Le filtre passif est conçu pour offrir un chemin de faible impédance aux courants harmoniques, de façon à ce qu’ils circulent dans le filtre et non pas dans l’alimentation. Il peut être conçu pour un seul harmonique ou pour une série d’harmoniques. On différencie quatre types de filtres passifs : les filtres réglés à des fréquences déterminées, les filtres passe-haut, les filtres passe-bas et les filtres passe-bande. Le choix le plus commun pour le redresseur à thyristors de haute puissance consiste à utiliser une combinaison de plusieurs filtres réglés chacun sur une seule fréquence (sur les harmoniques 5, 7, 11 et 13) et un filtre passe haut du deuxième ordre réglé autour de la fréquence de l’harmonique 17. Un filtre passe-haut ne laisse passer que les fréquences au-dessus d’une fréquence déterminée, appelée fréquence de coupure. Il atténue les autres (basses fréquences). Autrement dit, il « laisse passer ce qui est haut ». C’est un atténuateur de graves pour un signal audio. On pourrait aussi l’appeler coupe-bas. Un filtre passe-bas ne laisse passer que les fréquences au-dessous de sa fréquence de coupure. On pourrait l’appeler coupe-haut. Un filtre passe-bande ne laisse passer qu’une certaine bande de fréquences (et atténue tout ce qui est au-dessus ou en dessous). Pour isoler le signal que l’on désire capter.

Filtrage actif

Les filtres actifs de puissance ont été étudiés pour la compensation d’harmoniques dans les réseaux de puissance industriels depuis le principe de compensation proposé par H. Sasaki et T. Machida en 1971 [11]. Dans ces années, le filtrage actif ne connaissait que des progrès au stade théorique en laboratoire. La technologie des semi-conducteurs n’était pas encore assez développée pour l’implantation pratique du principe de compensation. Quelques années plus tard, le développement des semi-conducteurs de puissance, commandable à la fermeture et à l’ouverture, connaissait une éclosion remarquable. Ce phénomène a stimulé l’intérêt dans la recherche du filtrage actif pour la compensation d’harmoniques et de la puissance réactive. De plus l’apparition de microcontrôleur facilitant l’implantation des algorithmes de contrôle et de commande des convertisseurs ; on rendu possible leur matérialisation au niveau pratique. Au début des années 1990, le filtre actif a connu un regain d’intérêts. Il a été démontré que ses performances de compensation d’harmoniques sont supérieures à celles d’un filtre passif LC classique [14]. De nos jours, les filtres actifs ont atteint une maturité technologique sans précédent. Ils peuvent faire la compensation d’harmoniques, de puissance réactive et/ou de courant de neutre. Ils ont évolué dans le dernier quart de siècle au niveau de la variété de leur configuration, de leur stratégie de commande et de leurs technologies, couvrant ainsi de large gamme de puissance. Les filtres actifs sont maintenant utilisés dans d’autres domaines que la compensation d’harmoniques. On les utilise dans la régulation de tension, pour supprimer le papillotement de la tension et pour améliorer l’équilibre des phases des systèmes de distribution triphasés.

Mise en œuvre

Les premiers principes de fonctionnement des filtres actifs parallèles ont été présentés dans la littérature dès le début des années 1970 [19]. En 1976, une première famille de filtre actif parallèle a été conçue à partir d’onduleurs à transistors de puissance commandés en MLI. Ces premiers dispositifs de puissance étaient alors proposés pour la seule compensation des courants harmoniques. Cependant, à cette époque, il était encore difficile de concevoir ce type de système pour des applications industrielles. En effet, dans ces années-là, il était presque impossible de trouver, sur le marché, des interrupteurs de puissance capables de fonctionner aux fréquences de commutation et aux niveaux de puissance exigés par la réalité industrielle. Cette barrière technologique sera franchie, dès 1977, lors de la conception d’un premier prototype de filtre actif parallèle à base de thyristors à commutations naturelles pour la compensation de courant harmonique [20]. Cependant, l’application des onduleurs à base de thyristor a tout de suite posé le problème de la génération non désirée de composantes injectées sur le réseau à la fréquence de commutation. La même raison a également empêché l’utilisation de compensateurs statiques parallèles à thyristors, lesquels avaient été conçus pour la compensation conjointe de la puissance réactive et des courants déséquilibrés.

Au cours des années 1980, des progrès importants dans le domaine des semi-conducteurs ont permis de développer de nouveaux composants de puissance associant hautes fréquences de commutation et fortes puissances. Profitant de ces avancées, et de l’avènement des interrupteurs de puissance du type GTO et IGBT, de nombreux onduleurs de puissance, commandés en MLI, ont pu être conçus en vue de répondre aux contraintes industrielles de conception des filtres actifs parallèles [21]. Ainsi, ces derniers ont commencé à être commercialisés et installés à travers le monde, et plus spécialement dans les pays les plus industrialisés comme le Japon [14, 22]. Ces premiers prototypes ne compensaient alors que les perturbations harmoniques de courant. Suite à ces premiers développements, d’autres types de filtre actif parallèle ont pu être réalisés pour compenser à la fois la puissance réactive, et/ou les harmoniques et les déséquilibres de courant. Actuellement, les filtres actifs parallèles sont essentiellement installés par les consommateurs industriels. L’évolution future de ces dispositifs de puissance pourrait autoriser le fournisseur d’énergie à prendre un rôle plus important, en lui permettant de les installer lui-même. Cette approche permettrait d’amortir la propagation des harmoniques causées par la résonance, laquelle peut être observée entre les inductances du réseau et les batteries de condensateur installées pour améliorer le facteur de puissance [15, 22]. De même, des filtres actifs parallèles installés par le fournisseur auraient aussi pour objectif de réduire la distorsion harmonique de tension en amont, côté réseau électrique.

Conclusion général

Ce travail présente l’étude d’un système de compensation d’harmoniques en utilisant un filtre actif parallèle. L’objectif de ce système est de compenser les perturbations générées par les charges dites non linéaires connectées aux réseaux et d’améliorer les performances du filtrage des courants harmoniques. Le premier chapitre a été consacré à la problématique des perturbations ou distorsions harmoniques générées par les charges non linéaires connectées aux réseaux électriques ainsi que les normes définies par les organismes internationaux. L’augmentation régulière du nombre de dispositifs d’électronique de puissance utilisés dans les systèmes électriques ne fait qu’accentuer ces perturbations. En outre les origines et les effets néfastes de ces perturbations ont été abordés. Des normes en vigueur ont été présentées, ces normes, notamment imposées aux distributeurs d’énergie, autorisent cependant la génération d’harmoniques dans certaines limites. Le second chapitre est plus particulièrement dédié à l’étude et le développement des méthodes utilisé pour la dépollution des réseaux électriques. Nous avons présenté, de manière générale, les solutions traditionnelles et modernes utilisées comme par exemple les dispositifs de filtrage actif, objets de ce mémoire. Pour déterminer les courants harmoniques de référence, on a utilisé dans le chapitre trois la méthode des puissances réelles et imaginaires instantanées et on a également montré et expliqué d’autres méthodes d’identification des harmoniques. Le développement du modèle du filtre actif parallèle à été élaboré par deux stratégies de commande, à savoir : La commande par hystérésis. La commande par hystérésis modulé.