Chapitre IV..Moyens Classiques contre la pollution harmonique
1. Introduction
La qualité de l’énergie électrique est un indicateur de la santé des équipements électriques branchés sur le réseau. La santé des équipements (bon fonctionnement, défaillance, durée de vie, etc.) est affectée directement par la qualité du réseau à l’intérieur du bâtiment et surtout de la tension disponible sur chacune des prises électriques. Cependant, garder une bonne qualité de l’énergie c’est équivalent à protéger ces équipements contre l’environnement des pollutions.
Plusieurs techniques sont actuellement disponibles pour aider à améliorer la qualité de l’énergie. Si les équipements sont déjà installés, comment améliorer la qualité et éviter les problèmes? Ajouter le critère qualité de l’énergie au départ, et ceci avant d’arrêter le choix et par la suite l’acquisition de l’équipement. Il ne faut pas oublier que la meilleure technique de protection est à la source.
2. Remèdes théoriques et pratiques pour améliorer le facteur de puissance
2.1 Compensation de la puissance réactive
Améliorer le facteur de puissance d'une installation consiste à installer une batterie de condensateurs qui agit en tant que source d'énergie réactive. Cette disposition s'appelle la compensation de l'énergie réactive de l'installation.
Une charge inductive avec un facteur de puissance de faible valeur nécessite que le réseau en amont, les génératrices et le réseau de transport, lui fournissent un courant réactif inductif (en retard de 90° par rapport au système de tensions) ce qui génère, des pertes en ligne et des chutes de tension importantes.
Si une batterie de condensateurs est installée en parallèle sur la charge, son courant réactif (capacitif) suivra le même chemin que le courant réactif (inductif) de la charge dans le réseau en amont : les 2 courants s'additionnent dans le réseau amont. Le courant capacitif Ic (qui est en avance de 90° par rapport au système de tensions) de la batterie de condensateurs est en opposition de phase avec le courant inductif IL (qui est en retard de 90° par rapport au système de tension) et, par suite, les 2 courants s'additionnant dans le réseau amont l'intensité du courant réactif amont résultant sera fortement réduit voir annulé si les courants Ic et IL sont égaux (Ic = IL). Les figures [a] et [b] indiquent la circulation des composantes réactives des courants dont :
- R représente la somme des composantes actives des charges,
- L représente la somme des composantes réactives (inductives) des charges,
- C représente la composante réactive (capacitive) de la batterie de condensateurs de compensation.
Comme l'indique le schéma [b] de la figure 4.1, la batterie de condensateurs semble fournir toute l'énergie réactive à la charge. Dans le schéma [c] de la figure 4.1, la composante active du courant a été ajoutée et montre une charge entièrement compensée ayant un facteur de puissance égal à 1. En général il n'est pas économique de compenser entièrement une installation.
Figure 4.1 : Modifications des courants consécutives à l’amélioration du facteur de puissance
La figure 4.1 reprend le diagramme de la figure L2 pour illustrer le principe de compensation partielle par réduction de la puissance réactive importante Q d'une installation à une valeur plus faible Q' au moyen d'une batterie de condensateurs de puissance réactive Qc. Par suite, la valeur de la puissance apparente de l'installation S a été réduite à la valeur S'.
Figure 4.2 : Schéma de principe de la compensation : Qc = P (tan φ - tan φ’)
Exemple :
Un moteur consomme 100 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (c'est-à-dire tan φ = 0,88). Pour augmenter le facteur de puissance à 0,93 (c'est-à-dire tan φ = 0,4), la puissance réactive de la batterie de condensateurs doit être :
Qc = 100 (0,88 - 0,4) = 48 kvar.
Le niveau de compensation à choisir et le dimensionnement de la batterie de condensateurs dépendent des particularités de l'installation.
3. Filtrage passif contre la pollution harmonique
De nombreuses solutions ont été développées pour désensibiliser les installations industrielles et le réseau vis-à-vis de la pollution harmonique. La solution la plus fréquemment mise en œuvre est le filtrage passif des harmoniques. Le principe d'un filtre passif est de modifier localement l'impédance du réseau, de façon à dériver les courants harmoniques et à éliminer les tensions harmoniques y afférentes. Des éléments capacitifs et inductifs sont, en effet, associés de manière à obtenir une résonance série accordée sur une fréquence choisie. Une connaissance précise des rangs harmoniques devant être filtrés et des atténuations requises est nécessaire à la réalisation d’un filtre.
Dans ce sens, on s’intéresse à l'étude de filtres passifs de type shunt (ou filtres parallèles) dont les différents types pouvant être rencontrés sont:
1. L’inductance anti-harmonique
2. Le filtre résonant
3. Le filtre amorti.
3.1. Inductance anti-harmonique
Cette première solution consiste à installer une inductance en série avec les condensateurs de compensation sur chaque branche monophasée comme est montrée dans la figure 4.3.
Figure 4.3: Raccordement d'une inductance anti-harmonique
Ce type de filtre a pour objectif essentiel de protéger les batteries de condensateurs d'une surintensité due aux harmoniques. Il a en outre pour effet de réduire les tensions harmoniques aux bornes de ces condensateurs. Il permet souvent de réduire les valeurs d’impédance harmonique du réseau, vues du point d’injection au voisinage de la fréquence d' accord et donc les tensions harmoniques sur le réseau.
Pour éviter que ce filtre présente une résonance parallèle (anti-résonance) avec l'inductance du réseau sur lequel ils sont raccordés, on les accorde sur une fréquence inférieure à celle de la première injection de courant harmonique.
A noter aussi que l'installation d'inductances anti-harmoniques accroît la tension permanente à la fréquence fondamentale aux bornes des condensateurs qui doivent donc être dimensionnés en conséquence.
3.2 Filtre résonant
Un filtre résonant a pour objet de présenter une impédance très faible au passage d'un courant harmonique à un rang déterminé. Le facteur de qualité d'un filtre résonant est élevé; l'accord du filtre est donc très pointu. Plusieurs filtres résonants correspondant aux différents rangs harmoniques à filtrer, sont souvent installés, en parallèle (Figure 4.4).
Figure 4.4: Installations de filtres résonants
La puissance réactive nécessaire pour l'installation est répartie entre condensateurs des différents filtres. Ceci nécessite une étude fine du profil de charge de l'installation. Les filtres résonants présentent l'inconvénient d'être sensibles aux variations de l'inductance (dues à la qualité de réalisation) ou de la capacité (dues au vieillissement ou à la température), ce qui entraîne un désaccord de l'ensemble. Cette dérive est plus marquée pour les filtres utilisant des condensateurs de faible capacité. Afin d'ajuster la fréquence du filtre à la mise en service, l'inductance doit être munie de prises de réglage.
3.3Filtre amorti
On distingue trois types de filtres amortis tels qu'illustrés en figure 4.5 :
a. un filtre amorti de premier ordre,
b. un filtre amorti de second ordre,
c. un filtre de troisième ordre.
Figure 4.5 : Filtres amortis passe-haut
Le filtre de premier ordre exige une grande capacité et présente une perte de puissance excessive à la fréquence fondamentale. Les filtres de second ordre et d'ordre 3 sont couramment utilisés. Tous les deux sont en général conçus avec un faible facteur de qualité Fq compris entre 0,7 et 1,4.
Un filtre amorti de second ordre se compose d’une capacité en série avec un ensemble constitué de la mise en parallèle d'une inductance et d'une résistance (figure4.5.b) appelée résistance d'amortissement. Il est utilisé lorsque les performances demandées ne sont pas élevées pour filtrer simultanément les plus hautes fréquences du spectre; c’est un filtre passe-haut de deuxième ordre.
Figure 4.6 : Installation d'un filtre amorti
En pratique, il est courant de mettre en œuvre :
1. des filtres résonants accordés sur les premiers rangs harmoniques (rangs 5 et 7) où les injections de courant sont importantes.
2. Un filtre amorti pour limiter l’impédance harmonique sur le reste du spectre (rangs> Il).
3. L'anti-résonance des filtres provoque une amplification des rangs harmoniques inférieurs à la fréquence d' accord. Le premier filtre est alors accordé sur la première fréquence d’injection de façon à ne pas faire coïncider la fréquence d'anti-résonance avec une injection de courant.
Il est important de prévoir une inductance ajustable afin d'accorder correctement le filtre; ce, en raison des tolérances sur les valeurs des condensateurs et de l'inductance dont l'effet peut être très important sur l’efficacité du filtre.
4. Avantages des filtres passifs
Le filtrage passif a déjà largement fait ses preuves dans le milieu industriel grâce à son coût faible, son efficacité et son adaptation pour des réseaux de forte puissance. Il présente cependant les inconvénients suivants:
Ø La présence sur un même réseau de deux filtres passifs accordés sur un rang théoriquement égal, mais en pratique légèrement différent, provoque entre eux la circulation de courants harmoniques très importants qui provoque rapidement leur destruction. Ce cas se rencontre facilement en raison du fait que la fréquence d'accord varie lentement avec le vieillissement des éléments du filtre. Il faut absolument éviter de raccorder des filtres harmoniques de même rang sur un même réseau.
Ø La mise en parallèle d'un filtre anti-harmonique et d'une batterie de condensateurs provoque une contrainte pouvant amener la destruction des condensateurs.
Ø Lorsqu'il y a plusieurs rangs harmoniques à filtrer, il est nécessaire de mettre autant de filtres accordés sur les rangs correspondants. Ce problème peut être résolu en adoptant un filtre à large bande qui atténue plusieurs rangs harmoniques; ce avec un facteur d’atténuation moindre.
Ø L’implantation de filtres passifs sur un réseau nécessite une étude poussée et précise. En outre, il n'est pas toujours possible de connaître tous les paramètres du réseau, nécessaire à l’étude, lorsqu'il est de grande dimension.
Ø Finalement, l'amortissement de la résonance dans les systèmes de puissance par les filtres passifs peut introduire des résonances additionnelles indésirables pouvant conduire à la destruction de ces filtres. L'amortissement utilisant la commande et l'électronique de puissance se présente comme solution pour améliorer efficacement le mode opératoire du réseau.
5. Inconvénients du filtrage passif
• Compensation fixe,
• Volumineux,
• Risque de résonance à tout moment.