Etude théorique des harmoniques

Notion des charges

  Les harmoniques sont crées par des charges raccordées au réseau de distribution électrique. Pour cela il est nécessaire d’avoir une notion sur les charges électrique ou électronique. Tout d’abord les charges électrique ou électronique peuvent être classifiée en deux types :
– Charge linéaire
– Charge non linéaire
Les charges linéaires : Dans le contexte de ce travail, on dit qu’une charge est linéaire quand elle soutire un courant sinusoïdal sur le réseau. Elle ne provoque pas des harmoniques sur le réseau. Par exemple une charge constituée par une résistance pure R, branchée sur le réseau soutire un courant bien sinusoïdal, en phase avec la tension. Un autre exemple, une charge constituée cette fois par une résistance R et une inductance L d’une certaine valeur, est branchée sur le réseau. Le courant qui circule dans la charge est sinusoïdale bien qu’il soit en retard de  phase sur la tension, ce courant correspond aussi à un courant sinusoïdal soutiré sur le réseau.  Que ce soit une charge purement R ou une charge inductive R-L, l’allure du courant est toujours sinusoïdale. Bien que le déphasage existe entre la tension et le courant, pour une charge R-L, le courant garde son allure sinusoïdale. Ainsi ces types de charges sont appelés charges linéaires, parce qu’elles ne génèrent pas des harmoniques de courant. Le déphasage ϕ a seulement rapport avec la puissance active.
Les charges non linéaires : Une charge est dite “non linéaire” si le courant absorbé I n’est pas sinusoïdal lorsqu’elle est alimentée par une tension sinusoïdale U. Ce type de charge est générateur des harmoniques.
Principaux générateurs d’harmoniques:
Dans les domaines industriels, tertiaires, et domestiques, ce sont essentiellement :
Les dispositifs électroniques de puissance: Les convertisseurs de fréquence, les démarreurs électronique des moteurs à courant continu, les variateurs des vitesses électronique des moteurs, l’alimentation à découpage utilisé en informatique (ordinateur) et les autres convertisseurs statiques ;
Les système possèdent les inductance à noyau de fer en régime saturé comme, téléviseur, système d’éclairage possèdent des ballastes magnétique (lampe à décharge, tube fluorescents,…), moteurs au démarrage, mise sous tension de transformateurs.
Les fours à arc, etc …
1ere Exemple :
Un convertisseur de courant, montage en pont triphasé est alimenté par le réseau électrique. Supposons qu’il est branché sur une charge R-L. L’inductance L est considérée suffisante pour fournir un courant continu I
d bien lisse. Il est possible de connecter directement le convertisseur de courant sur le réseau si l’on n’a pas besoin d’adapter la tension d’alimentation,.Ces courants rectangulaires sont dus à la charge inductive branchée aux bornes convertisseur de courant. L’ensemble convertisseur – charge RL, branché sur le réseau forme ce que nous appelons « charge non linéaire ».
2ème Exemple :
Un variateur de courant alternatif triphasé est branché sur le réseau triphasé. Il peut avoir une résistance R ou une inductance L comme charge. Le courant soutiré sur le réseau est toujours plein d’harmoniques que ce soit une charge R ou une charge L. Le variateur de courant alternatif, branché que ce soit sur des récepteurs résistifs ou récepteurs inductifs, est l’une des charges non linéaires la plus polluante pour le réseau électrique.

Filtre actif :

  Les inconvénients inhérents aux filtres passifs (non adaptive aux variations de la charge et du phénomène de résonance, encombrement,…) et l’évolution des nouvelles technologies des semi-conducteurs de puissance (transistors bipolaires, IGBT, MOS, …)puis la maîtrise des nouvelles méthodes de traitement numérique des signaux ont conduit à concevoir une nouvelle structure de filtres appelés « filtre actif ».Les filtres actifs sont des filtres composés des éléments actifs, c’est-à-dire des onduleurs. Le principe du Compensateur actif d’harmoniques est d’utiliser l’électronique de produire des composantes harmoniques qui annulent les composantes .Selon le mode d’emplacement du filtre sur le réseau, il existe trois types de filtres actifs
Filtre actif série Le compensateur ou filtre actif série, est connecté en série au réseau de distribution. Ce filtre n’a aucune influence sur les courants harmoniques qui pourraient circuler dans le réseau.Ce dispositif est destiné à protéger des installations sensibles aux perturbations : surtension, déséquilibre.

Filtre actif parallèle Le filtre actif parallèle où filtre actif shunt est connecté en parallèle sur le réseau de distribution. Il délivre les courants harmoniques demandés par la charge de telle sorte que la source (réseau) ne fournit que le courant fondamental.Il est dimentionné pour la seule puissance harmonique absorbée par les charges non linéaires. La topologie parallèle choisie ne dépend en rien à des caractéristiques du réseau de distribution. Il agit simultané sur plusieurs rangs d’harmonique, son utilisation ne demande pas de surdimensionnement de semi- conducteurs utilisés. Son coût est abordable.

Filtre actif hybride Le compensateur hybride est constitué de l’association d’un filtre actif et d’un filtre passif.L’ensemble peut etre de type série ou du type parrallèle.Dans certain cas seulement, cette solution est économiquement intéressante. Le filtre passif constitué d’éléments passifs LC, effectue le filtrage de base, comme les harmoniques de rang 7 et 5 par exemple. Et le filtre actif, grâce à son action précise et dynamique, couvre les autres harmoniques. Seulement l’encourement et le cout ,sont un grop handicap de ce type de filtre .Cette solution ou type de filtres réduits la puissance de dimensionnement filtre actif.

Géneralité sur l’onduleur

L’onduleur est un convertisseur statique qui permet la converssion de la grandeur (courant ou tension )continu en une grandeur alternatif .La grandeur ainsi obtenue  peut être varier en fréquence et aussi en amplitude par la commande « c » . Par contre la fréquence d’entré ne peut être que nulle .On appelle convertisseur de fréquence  ou «onduleur à pulsation » les onduleurs dont la fréquence et la tension de sortie sont variables. Un onduleur est dit autonome ou non assisté si sa fréquence et tension de sortie est independentes du réseau d’alimention . Dans le cas contraire l’onduleur est nonautonome .Selon le nombre de phase de tension délivrée à la sortie ; l’onduleur peut être monophasé ou triphasé ; L’onduleur monophasé delivre une tension monophasé (une definition analogue pour onduleur triphasé ).Entre ces deux types de l’onduleur; c’est l’onduleur triphasé qui est le plus répendu . Dans ce cadre de travaille c’est l’onduleur triphasé autonome à grandeur de sortie variable en frequence et en amplitude «onduleur triphasé à pulsation » que nous allons adopter.

Conclusion

  L’utilisation des dispositifs électroniques de puissance dans un montage est certainement une des responsables de la pollution de réseau électrique en tant que charge t des harmoniques qui ont la forme d’onde ultiple entière de celle de l’onde fondamentale imposée par le autre charge qui y est branchée. Leurs effets nuisibles sont divers. Citons en particulier : l’échauffement des équipements électriques qui vieillissement en conséquence de façon prématurée, l’augmentation des pertes dans les machines électriques en entraînant la diminution de leur rendement ; l’apparition des bruits dans ces machines qui puissent à la longue agir sur la santé des personnels .La dégradation du facteur de puissance mérite également d’être mentionnée parmi les mauvaises conséquences de l’apparition des harmoniques ; en effet la diminution de ce facteur provoque des pertes aux niveau de producteurs d’énergie électrique ce qui risque d’augmenter le coût de l’énergie produite .Donc ces conséquences ont un impact économique important en coût de matériel, en consommation d’énergie et en production de l’énergie ; elle touchent et les consommateurs et les producteurs .D’où : il est s’avère normale de compenser ou d’éliminer ces harmoniques.Le principe de filtrage est un moyen pour résoudre ce problème soit en absorbant les harmoniques à partir des éléments absorbants formées par éléments passifs, soit en utilisant un système pouvant fournir les harmoniques .Ceci est obtenu en utilisant les éléments actifs comme onduleur. non linéaire. Cette pollution naît sous l’effe sinusoïdale de fréquence m réseau. Ces harmoniques se présentent sous forme d’ondes parasites dans les réseaux électriques. Ils perturbent non seulement ces réseaux eux – mêmes, mais également toute

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Table des matières

Remerciements
Résumé
Mots-clés
Sommaire
Introduction générale
Chapitre 1
1. Etude théorique des harmoniques
1-1 Introduction 
1-2 Notion des charges 
1-2-1 Les charges linéaires
1-2-2 Les charges non linéaires
1-3 Signaux périodiques non sinusoïdaux
1-3-1 Rappel sur les grandeurs périodiques
1-3-1-1 Valeurs d’une grandeur périodique
1-3-1-2 Signal sinusoïdal
1-3-2 Décomposition en série de Fourier
1-3-2-1 Principe
1-3-2-2 Valeur des divers termes
1-3-2-3 Simplification due au certaines symétriques
1-3-3 Exemples de développement en série de Fourier
1-3-4 Spectre des harmoniques
1-3-5 Valeur efficace des Signaux périodiques non sinusoïdaux
1-4 Les harmoniques dans les réseaux
1-4-1 Trajet de propagation de l’harmonique
1-4-1-1 Taux individuel d’harmonique
1-4-2 Evaluation de perturbation
1-4-2-2 Taux de distorsion
1.4 .2. 3 Facteur de puissance
1-4-2-4 Facteur de déphasage
1-4-3 Conséquences des harmoniques
1-4-3-1 Echauffement et baisse de rendement pour les transformateurs et des machines tournantes
1-4-3-2 Vibrations et des bruits
1-4-3-3 Echauffement des condensateurs
1-4-3-4 Echauffement des câbles
1-4-3-5 Les défauts de fonctionnements de certains équipements électriques 

1-4-3-6 Risque d’excitation de résonance
1-4-3-7 Interface avec les réseaux de télécommunication
1-4-3-8 Pertes au niveau de producteur de l’énergie électrique
1-5 Conclusion
Chapitre 2
2. choix de filtre
2.1 Introduction –
2-2 Filtres passifs
2-2-1 Filtre résonnant shunt (filtre passif accordé)
2-3 Filtre actif
2-3-1 Différent types de filtre actif
2-4 Conclusion
Chapitre 3
3.Les onduleurs triphasés à commande PWM
3-1 Introduction 
3-2 Géneralité sur l’onduleur 
3-3 Onduleur triphasé 
3-3-1 Fonctionnement de londuleur triphase
3-3-1-1 Formation des tensions (analyse des tensions)
3-3-1-2 Commande des contacteurs
3-3-1-3 Chronogrammes des tensions
3-4 La commande PWM
3-4-1 Principe
3-4-2 Condition nécessaire à la réalisation de commande PWM
3-5 Onduleur triphasé à commande PWM
3-5-1 Principe
3-5-2 Les expressions des valeurs moyennes des tensions des branches et à la sortie de l’onduleur triphasé à commande (PWM)
3-6 Les contacteurs statiques
3-6-1 Choix de contacteur statique
3-6-2 Transistor MOSFET (MOS)
3-6-2-1 Commande de transistor MOS
3-6-2-2 Le circuit de commande d’un transistor MOS
3-6-2-3 Caractéristique statique
3-6-2-4 Caractéristique dynamique
3-6-2-5 Protection du transistor MOS
3-7 Conclusion1
Chapitre 4
4. Modélisation de l’onduleur
4-1 Introduction 
4-2 Phaseurs spatiaux
4-2-1 Définition
4-2-3 Composante des phraseurs spatiaux
4-2-4 La composante homopolaire
4-2-5 Puissance en phraseurs spatiaux
4-2-6 Transformation de coordonnées
4.3- Application des phraseurs spatiaux à la modélisation d’un onduleur triphasé à commande PWM
4-3-1 Transformation de circuit triphasé en circuit équivalent pour phraseurs spatiaux
4-3-2 Mise en équation par phaseur spatiaux
4.3.3 Diagramme structurel de l’onduleur triphasé
4.3.4 Etude du dispositif de commande
4-4 Conclusion
Chapitre.5
5 .Filtrage par ondules
5-1 Introduction 
5-2 Principe de fonctionnement 
5-2-1 Représentation de filtre actif parallèle
5-2-2 Analyse des courants pour filtre actif parallèle
5.3 Circuit de réglage de l’onduleur fonctionnant comme filtre actif
5-3-1 Elaboration des consignes
5-3-1-1 Généralités
5-3-1-2 Calcul par les puissances
5-3-1-3 Pose des équations nécessaires à la réalisation des consignes de courants
5-3-1-4 Test de la méthode proposée
5-3-2 Régulation de courant de l’onduleur
5-3-2-1 Généralités
5-3-2-2 Réglage du courant triphasé
5-3-2-1 Modélisation du système
5-3-2-2 Synthèse du régulateur de courant
5-3-3 Découplage
5-3-3-1 Synthèse des découpleurs
5-3-4 Présentation du schéma de filtre actif avec le circuit de réglage de courant
5-4 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Annexe
Annexe A : Divers dispositions de filtrage par onduleur
Annexe B : Essaie de filtrage par onduleur
Annexe C : Energie et puissance
Annexe D : Montage redresseur à diode PD
3 et S3
Annexe E : Démonstration de calcul des paramètres des découpleurs
Annexe F : Les paramètres et les schémas de simulation sur MatLab simulink
Glossaire

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