PUISSANCES ÉNERGIES PERTURBATIONS

1. PUISSANCES ÉNERGIES PERTURBATIONS Créé par Marie-Aude MASSIN Alain KOHLER Chef de Produits Chef de Marché Présentation S.WOLFF ET L. PITOIZET

2. LES CHARGES LINEAIRES HIER Hier, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique étaient des charges dites LINÉAIRES : charges appelant un courant de forme identique à la tension, c’est à dire quasi sinusoïdal comme les convecteurs électriques ou encore les lampes à incandescences.

3. LES CHARGES DEFORMANTES AUJOURD’HUI Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension. Les signaux analysés s’éloignent de l’allure sinusoïdale de départ.

4. Décomposition harmonique d’un signal déformé. LE SPECTRE HARMONIQUE Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, d'amplitudes, de fréquences et multiples de la fréquence du signal fondamentale.

5. LE SPECTRE HARMONIQUE (suite) Récepteurs consomment de l'énergie réactive

7. LA PROBLÉMATIQUE Présence de charges déformantes = Courant déformé Tensions harmoniques Courant déformé Impédance interne des générateurs x = Tensions harmoniques Tension non sinusoïdale = Conclusion : Cette tension déformée est commune à tous les autres récepteurs du réseau. Elle est préjudiciable au bon fonctionnement de l'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau.

8. Pertes par effet Joule Effets immédiats  Dégradation du facteur de puissance  Réduction de la puissance des moteurs  Surcharges des câbles , transformateurs et moteurs  Disjonctions intempestives  Augmentation du bruit dans les moteurs  Surdimensionnement de certains composants : conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs Effets à moyen et long terme  Réduction de la durée de vie des moteurs  Réduction de la durée de vie des transformateurs  Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques EFFETS DES HARMONIQUES

9. Puissance apparente : = U x I = cosφ COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE Puissance active : P = U x I x cos φ Le cosinus φest le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non déformés.

10. COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite)  La charge non linéaire, lorsqu’elle est soumise à une tension sinusoïdale, absorbe un courant dit "déformé" : il n’y a plus proportionnalité entre courant et tension.  Le cosinus φn’est plus applicable, on parle alors de :FACTEUR DE PUISSANCE  On intègre dans cette formule la puissance dite DÉFORMANTE qui traduit les effets de la distorsion harmonique.

11. VOUS AVEZ DIT ENERGIE REACTIVE !

12. INTÉRÊT DU RELEVEMENT DU FACTEUR DE PUISSANCE La compensation d’énergie réactive apporte : Un allègement de la facturation pour l’abonné Une augmentation de la puissance disponible sur l’installation Une diminution des pertes Une réduction de la chute de tension de ligne

13. Pactive  ' Q' S Q S' Qc  QUE FAIRE ? Réduire le taux d’harmoniques Compenser l'installation grâce à l'adjonction de batteries de condensateurs Formule :Qc = P ( tan - tan ')

14.  PRINCIPAUX PHENOMENES Les phénomènes de résonance  Les phénomènes de résonance proviennent de la présence d’éléments capacitifs et réactifs sur le réseau d’alimentation électrique (ligne, transformateur, capacité de relèvement de facteur de puissance) Ils génèrent des amplitudes élevées sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple). Les risques : Destruction des condensateurs de compensation d’énergie réactive

15. Exemple : Les échauffements dans les conducteurs et équipements électriques  Les conducteurs électriques véhiculent les courants harmoniques qui produisent, par effet Joule, un échauffement des conducteurs au même titre que le courant fondamental. Malheureusement, les harmoniques ne contribuant pas au transfert de la puissance active, ils créent uniquement des pertes électriques et participent à la dégradation du facteur de puissance de l’installation.  Les condensateurs sont particulièrement sensibles à la circulation des courants harmoniques du fait que leur impédance décroît proportionnellement au rang des harmoniques en présence dans le signal déformé.

16. Les facteurs de crêtes élevés  Des déclenchements intempestifs des dispositifs magnétiques des disjoncteurs peuvent se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matériel informatique important. Ils sont bien souvent dus aux problèmes de pollution harmonique. Les disjoncteurs assurant la protection des installations électriques comprenant des matériels informatiques voient leur seuil de sensibilité atteint lors des pointes de courant engendrés par des signaux déformés ayant des facteurs de crête importants.

17. Les effets dans le conducteur du Neutre  Les courants harmoniques de rang 3, le fondamental x 3, soit 150 Hz, à partir des 3 phases vont s’additionner,ceux-ci étant en phase. Ils donnent naissance dans le conducteur du neutre à la circulation d’un courant. INeutre= 3 foisIHarmoniques 3 Remarque : De nombreux incendies de bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre.

18. Rang de l'harmonique Taux en % 3 5 7 9 11 13 15 17 19 (1) 21 (2) 5 6 5 1,5 3,5 3 0,3 2 1,5 0,2 Dans le cadre de la fourniture d'électricité, les taux de tensions harmoniques ne doivent pas dépasser les valeurs précisées dans le tableau suivant. Ces valeurs représentent des taux individuelscalculés par rapport au fondamental à 50 Hz, sachant que le taux global d'harmonique en tension ne doit pas dépasser 8 % dans une installation de distribution basse tension. Les valeurs de taux d'harmonique individuel sont données dans le tableau ci-après. - Niveau de compatibilité pour les tensions harmoniques individuelles ASPECT NORMATIF

19.  LES REMEDES CONTRE LES HARMONIQUES Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement- Une solution contre l'harmonique 3 et ses multiples de rangs impairs (9, 15, 21, 27,…) : Primaire Câblé en triangle Secondaire Câblé en étoile Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.

20.  LES REMEDES CONTRE LES HARMONIQUES (suite) Mise en place de filtre(s) :  Filtres passifs Filtre résonnant, extrêmement efficace pour éliminer une harmonique de rang particulier "filtre passe-haut" Filtre amorti, filtrage de toutes les fréquences inférieures au rang considéré "filtre passe-bas"  Filtres actifs Injecte des courants harmoniques équivalents mais en opposition de phase de ceux émis par les appareils.

21. - Un exemple avec l'éclairage "Économique" : Montage Capacitif Montage inductif Culot E27 Z Ballast magnétique Redressement Secteur 230 V AC R C' Capacité de Compensation Ballast électronique Secteur 230 V AC C R Charge (tube fluo) Charge (tube fluo) Capacité de découpage  ATTENTION AUX PIÈGES EN MAINTENANCE "CURATIVE"… Attention au risque de surcompensation

22. QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER CES HARMONIQUES ?

23. Courant mesuré Appareil RMS Même mesure : I = 16 A Appareil NON RMS Mesure : I = 12 A  FORMULES  Les appareils numériques dit R.M.S réalisent la mesure efficace d’un signal ALTERNATIF quelque soit sa forme, sinusoïdal ou déformé Valeur RMS

24. 2  Charge linéaire : soit 1,414Absence d'harmonique  Matériel informatique : 2 à 3 Présence d'harmoniques  Variateur de vitesse : environ 2 Présence d'harmoniques  Facteur de Crête  Dans le cas d’une charge linéaire

25. % A ou V % A ou V  Le taux distorsion harmonique global  Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale Le facteur de distorsion global  Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du signal

26. 100 % n 1 3 5 7 9  Le taux distorsion harmonique rang par rang  Détermination de la valeur efficace du rang d’harmonique considéré ainsi que de son pourcentage par rapport à la fondamentale Exemple pour l’harmonique 3 :

27.  Les différentes perturbations selon la EN 50160 Coupures Creux de tension, surtensions Fluctuations lentes Fluctuations rapides Déséquilibres Fréquence Harmoniques

28. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Coupures brèves, longues et creux de tensions Ici, la norme donne des valeurs indicatives Coupures brèves de tension : En utilisation normale, il se produit de brèves coupures avec une fréquence variant de 10 à 100 événements par an. La durée reste en général inférieure à 1 seconde. Coupures longues de tension : De durée supérieure à 3 min, ces événements sont considérés hors du domaine de validité de la norme et pour lesquelles il n’est pas possible de donner de valeurs indicatives. Origine : - Effets imprévisibles des intempéries et causes externes. Creux de tension : Diminution de la tension en dessous de 90 % de Un. Le nombre de creux peut varier de 10 à 10000 durant une année. La plupart ont une durée inférieure à 1 seconde et un niveau le plus bas de 60 % de Un. Origine : - Appel de courant important sur le réseau, démarrage de récepteur forte puissance, défaut sur le réseau : court-circuit, défaut de terre, commutation de charge.

29. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Les Surtensions Origine : Foudre, fusion de fusible, enclenchement de condensateur, coupure de contacteur… Surtensions temporaires : En Basse Tension : - la surtension peut atteindre la valeur de tension entre phase, à cause du déplacement du point de neutre du réseau triphasé. Surtensions transitoires Entre Phase et Terre : - Les surtensions ne dépassent généralement pas 6 kV. - Le temps de montée peut varier de quelques microsecondes à plusieurs millisecondes En Moyenne Tension : - réseau neutre à la terre, raccordés directement ou avec impédance, la surtension ne devra pas dépasser 1.7 Uc - réseau à neutre isolé ou résonant, elle ne devra pas dépasser 2.0 Uc

30. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Variations lentes Origine :  Élévation ou baisse de la valeur efficace de la tension (V) en raison d’une variation de charge sur le réseau EN 50160 :  95 % des valeurs efficaces moyennées sur 10 minutes doivent se situer dans la plage définie de tension nominale Un +/- 10 %

31. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Variations rapides "Flicker" EN 50160 : Variation rapide de tension, ne dépasse généralement pas 5% de Un. EN 60868 : Sévérité du papillotement ou Flicker Pour chaque période d’une semaine, le niveau de sévérité de longue durée du papillotement lié aux fluctuations de la tension, le Plt doit être inférieur ou égal à 1 pendant 95 % du temps. Origine : Fonctionnement de certains appareils à charge fluctuante (soudeuse, four à arc), Mise en service de gros moteur avec courant d’appel élevé, Variations de charge dans les installations des clients ou de manœuvre sur le réseau. Plt = Perturbation pendant un temps long - Pst = Perturbation pendant un temps court

32. Flicker, quelques explications : Pour prendre en considération les mécanismes de la vision et établir une méthode représentative de la gêne, le Flicker doit être évalué sur une période de temps suffisamment représentative. De plus, en raison de la nature aléatoire du Flicker provoqué par certaines charges, il faut admettre que pendant cette période le niveau instantanée de Flicker peut varier considérablement et de façon imprévisible. Un intervalle de 10 Min a été jugé comme étant un bon compromis. Il est assez long pour éviter d’accorder trop d’importance à des variations isolées de tensions. Il est aussi assez long pour permettre à une personne non avertie de remarquer la perturbation et sa persistance, mais il est en même temps assez court pour permettre de caractériser de façon fine un matériel perturbateur avec un long cycle de fonctionnement. Les gênes sont détectées à partir d’un Pst égal à 1. La période 10 min sur laquelle a été basée l’évaluation de la sévérité du Flicker de courte durée est valable pour l’estimation des perturbations causées par des sources individuelles telles que les laminoirs, pompes à chaleurs ou appareils électrodomestiques. Dans les cas ou l’effet combiné de plusieurs charges perturbantes fonctionnant de manière aléatoires (par exemple postes de soudure, moteurs) doit être pris en compte, ou quand il s’agit de sources de Flicker à cycle de fonctionnement long ou variable ( four électrique à arc ), il est nécessaire d’utiliser un critère pour évaluer la perturbation ainsi créée sur une longue durée. La sévérité du Flicker pendant un temps long, Plt, sera déduite des valeurs de la sévérité du Flicker pendant des temps courts, Pst, sur une durée appropriée liée au cycle de fonctionnement de la charge ou sur une période pendant laquelle un observateur peut être sensible au Flicker, par exemple quelques heures. Dans le C.A 8350, le temps est fixé à 120 min.

33. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Variation de fréquence EN 50160 : La valeur moyenne de la fréquence fondamentale mesurée pendant 10 secondes sur des réseaux de distribution doit être compris dans l’intervalle : 50 Hz ±1 % pendant 95 % d’une semaine.  Déséquilibre EN 50160 : Le déséquilibre est définit par l’écart de symétrie du système triphasé, caractérisé par l’égalité des modules de tension en valeur efficace et leurs déphasages relatifs. Pour chaque période d’une semaine, 95% des valeurs efficaces calculées sur 10 min de la composante inverse de la tension d’alimentation doit se situer entre 0 et 2% de la composante directe.

34. Les différentes perturbations selon EN 50160 (suite)  Les harmoniques et les inter-harmoniques Origine: présence de charges non linéaires sur le réseau EN 50160 : la valeur moyenne sur 10 min de la valeur efficace des harmoniques ne doit pas dépasser la valeur limite définie, pour chaque rang, en pourcentage de la tension nominale Un pendant 95% d’une semaine. Exemple : H3:5%, H5:6%, H7:5%, H9:1.5%, H11:3.5%….) Le taux global d’harmoniques (THD) ne doit pas excéder 8% de l’amplitude de la fondamentale.

35. COMMENT MESURER ? Il existe 4 groupes de produits dans le domaine de l’analyse d’énergie : Groupe 1 : Appareils de diagnostic en monophasé • Groupe 2 : Appareils simplifiés de terrain pour l’analyse de • 1er niveau en mono ou triphasé équilibré • Groupe 3 : Appareils de terrain d’enregistrement et d’analyse • en T3FNE Groupe 4 : Appareils complexes d’analyse de haut niveau

36. MX 240 MX 2040  LES PINCES DE PUISSANCES LES ACCESSOIRES OPTIONNELS ADP 1 Sortie analogique Courant ADP 2 Sortie analogique Courant Tension Puissance Résistance SX-DCOM Le logiciel de traitement de données ADP 3 Sortie RS 232 Tout paramètres

37. HX 0013 Logiciel de traitement de données Liaison RS 232 optique PX 110 Monophasé PX 120 Monophasé et Triphasé HX 0011 Commutateur de Wattmètre HX 0012 Transfo Multirapport  LES PUISSANCEMÈTRES

38.  LES PINCES PUISSANCES ET HARMONIQUES La pince Wattmétrique F 27

40.  L’ANALYSEUR DE PUISSANCES & D'HARMONIQUES QUALISTAR C.A 8334

41. PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES Principales grandeurs mesurées - Tension RMS AC : Tensions simples, jusqu'à 480 V - Tensions composées, jusqu'à 830 V - Courant RMS AC : Jusqu'à 240 A (Pinces MN) et jusqu'à 3000 A (AmpFlex) - Tensions et Courants PEAK - Fréquences : de 40 à 70 Hz (fondamentale) - Puissances : Actives, réactives, Apparentes. Par phase et cumulées - Énergies : Actives, Réactives, Apparentes - Harmoniques : en Tension, Courant ou Puissance. Jusqu'au rang 50 Principales valeurs calculées - Courant de Neutre - Facteurs : de crête (courants et tensions), K pour les courants (adaptation rapport de transformation) pour les transformateurs de courant), de puissance, de déplacement et de la tangente. - Effet "Flicker"pour les tensions - Déséquilibres entre phases(tensions et les courants) - Taux de distorsion harmonique - Valeur moyennede n'importe quelle valeur calculée Fonctions complémentaires - Traitement graphique, Alarmes, Enregistrement, Datationet caractéristiques des perturbations (surtensions, creux et coupures…), Stockage - Impression immédiate de l'écran sur l'imprimante, Mémorisation d'écran - Communication numérique à liaison optique

42. Ecran Oscilloscope Ecran Fresnel Ecran FFT Ecran Puissance Trois modes d'affichage Phase "observation" Mode forme d'onde : Graphique, Tableau, Vectoriel. Mode transitoires : Le mode transitoires, capture d'événements sur la tension et le courant avec déclenchements sur seuils. Phase "diagnostique" Mode harmoniques : Fonction harmonique en VA et mode "EXPERT" . Ce dernier permet d'analyser l'influence des harmoniques sur l'échauffement du neutre ou sur les machines tournantes. Phase "surveillance" Mode enregistrement : Lors d'un enregistrement, tous les paramètres désirés sont sauvegardés avec visualisation graphique de ces paramètres. Un bargraph permet d'apprécier la durée totale d'enregistrement. Mode puissance/énergie : Affiche toutes les valeurs relatives à la puissance et à l'énergie. Les touches "Start" et "Stop" permettent, respectivement, de déclencher et d'arrêter les cumuls des énergies. Mode alarme : Les alarmes étant définies lors de la configuration de l'appareil, le mode alarme permet d'éditer tous les dépassements ayant eu lieu pendant la prise de mesure. Configuration La configuration intuitive, des représentations graphiques sont privilégiées. Photographie d'écran En appuyant sur une touche, l'appareil effectue une copie de l'écran. La mise en mémoire de l'écran visualisé est automatique avec horodatage. Aide La touche Aide explique les fonctions se rapportant à l'écran visualisé. Notices commerciale et de fonctionnement interactives sur CD ROM (Notions fondamentales, Modules pédagogiques, T.P, Référentiels,…)

43. MISE EN SITUATION DE QUELQUES APPAREILS DE MESURAGE EN MILIEU INDUSTRIEL

44. L A M E S U R E I N D U S T R I E L L E MN 93: 3 xPinces jusqu'à 240 A Fournisseur d'énergie L3 L2 L1 N F27 :Pince de puissances (T3FE) et harmoniques PE C.A 6525 Isolement entre conducteurs actifs (installation hors tension et récepteurs débranchés) C 37 Pince courant de fuite MX 2040 :Pince de puissances Triphasé équilibré F05 : PinceMultimètre et de puissance / Facteur de puissance Terre du Neutre PE + QualiStar - C.A 8334-MN Mesure de la qualité du réseau "harmoniques, puissance T4FNE, énergies, transitoires, FFT, Fresnel, variations de tension,..." - Le QualiStar et ses accessoires - Pince MN 93 - 240 A - Pince C 193 - 1000 A - Pince PAC 93 - 1400 A - Ampflex A 193 - 3000 A (installation hors tension) Qualistar - Exemples d'écrans Moteur C.A 6541 / 43 / 45 / 47 Terre des Masses (d'utilisation) Pince de terre C.A 6415 pour mesurer chaque mise à la terre

45. MERCI DE VOTRE ATTENTION