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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)
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Secteurs d’activités
Centres informatiques
Santé
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Santé
Immeubles de bureaux | Bâtiments publics
Sciences | Industries
Éconergie
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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
Notions d’électricité
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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
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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
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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
Notions d’électricité
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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
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Source d’électricité• Une pile électrique fournit une tension continue• Si on raccorde des piles en série, les tensions
s’additionnent
Notions d’électricité
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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
Notions d’électricité
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et diminue linéairement avec la résistance• I = V / R• P = V x I
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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
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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
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Toute forme d’onde répétitive peut se décomposer mathématiquement en la somme d’une onde fondamentale et de ses harmoniques :
Nature des harmoniques
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Voici la forme du courant typique consommé par un redresseur :
Nature des harmoniques
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Voici les amplitudes de chacune des harmoniques de ce courant :
Nature des harmoniques
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Tous les systèmes qui incluent un redresseur sont une source possible d’harmoniques
Source des harmoniques
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Voici un redresseur simpliste à 1 impulsion
Source des harmoniques
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Voici les courants et tensions qui apparaissent lorsque la source est activée
Source des harmoniques
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Tous les systèmes qui incluent un redresseur :
• Ordinateurs et imprimantes
• Variateurs de vitesse de moteur (ascenseurs, ventilateurs, refroidisseurs, etc.)
Source des harmoniques
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, , )
• Certaines alimentations sans coupure (ASC ou UPS)
• Ballasts électroniques
• Appareils électroniques audio, vidéo, etc.
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Il y a d’autres systèmes non linéaires :
• Soudeuses à arc
• Fours à arc
R d i d t i l i tt t
Source des harmoniques
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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
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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
Effets des harmoniques
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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
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Conséquences de l’échauffement des transformateurs :• L’échauffement du cuivre et de l’acier constitue
une perte d’énergie => Facture d’électricité
Effets des harmoniques
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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 :
Effets des harmoniques
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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
Effets des harmoniques
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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)
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Conséquences de l’augmentation de courant des conducteurs de neutre :• Échauffement des câbles => facture d’énergie• Échauffement des barres de neutre dans les
Effets des harmoniques
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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
Effets des harmoniques
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y• Distorsion de l’image sur les systèmes de
surveillance en circuit fermé
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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
Effets des harmoniques
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de la tension va quadrupler (4 x) lorsque le bâtiment est alimenté par les groupes électrogènes
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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
Solutions
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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
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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
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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
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Compenser et corriger (2):• Filtres accordés• Filtres combinés (inductance et filtre accordé)• Filtres actifs
Solutions
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• Alimentations sans coupure sélectionnées
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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
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• Réduisent les pointes de tension sur le bus cc
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Les inductances en série réduisent les courants harmoniques
Solutions
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Les inductances en série réduisent les surtensions sur le bus cc
Solutions
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Transformateurs triangle-étoile
Solutions
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Transformateurs triangle-étoile• Gros• Coût moyen• Annulent les 3e, 9e et 15e harmoniques
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• Réduisent le courant harmonique• Requièrent un facteur K approprié
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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
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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
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harmonique
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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
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Filtres accordés combinés• Taille moyenne• Coût élevé• Peu de résonance
Solutions
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Les filtres accordés combinés sont branchés en parallèle avec les charges
Solutions
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Filtres actifs• Gros• Coûteux• Aucune résonance
Solutions
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Filtres actifs (TCI H5)
Solutions
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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
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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
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Pageau Morel…
Avez-vous des questions ?
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Merci de votre attention !