Chapitre V :….. Technique de Compensation par Filtrage Actifs
Cours N#1
1. Introduction
La technologie de compensation par filtrage actifs est utilisée pour éliminer les harmoniques présélectionnés et initialement identifiés, pour réguler la tension, par élimination de papillotement de la tension, ainsi éliminer le déséquilibre de la tension. Ce plus grand nombre d’objectifs sont atteints soit individuellement ou bien en combinaison dépendamment du besoin du client (le choix de la stratégie de contrôle, la topologie, le nombre de conducteurs, etc.).
En 1990, le filtre actif (a MLI) a connu un regain d’intérêt. Ses performances de compensation harmonique sont supérieures à celles du filtre passif le classique. Les filtres actifs sont des convertisseurs de puissance, agissant comme source de courants ou de tensions harmoniques, qui injectent en série ou en parallèle sur les réseaux des courants ou des tensions harmoniques en opposition par rapport aux perturbations harmoniques existantes.
2. Principe de base des filtres actifs
Les convertisseurs de puissance totalement commandables utilisent un GTO, IGBT ou un MOFSET comme organe de réglage en vue d’asservir l’évolution de certaines grandeurs relatives au générateur ou au récepteur. Ces interrupteurs sont à amorçage et blocage commandés. L'utilisation de réseaux de commutation avec les thyristors classiques limite la fréquence de l’onduleur à environ 100 Hz. Les thyristors interruptibles par la gâchette étendent la fréquence jusqu' à environ 2 kHz, le transistor bipolaire à 10 kHz et le transistor MOS de puissance à 25 kHz.
La principale raison de l’utilisation de dispositifs de commutation rapides est de pouvoir commander l'onduleur par modulation de largeur d’impulsions MLI. Plus on effectue des commutations par période, plus on élimine les harmoniques de rangs supérieurs.
Figure 1 : Principe de mise en œuvre du compensateur actif
Figure 2 : Un exemple d’un filtre actif de 60 Ampères
3. La qualité de l`énergie électrique sur le réseau monophasé
Les charges monophasés comme: éclairage, fours, Écrans - TVs, Ordinateurs, imprimantes, photocopieuses, climatisation, agissent comme des charges non linéaires et absorbent un courant non sinusoïdal ce qui détériore la qualité de l énergie. Cependant, une installation dédiée pour les ordinatrices, et autres charges monophasées polluantes doit être:
• Compensée en termes de tension (Vmin et Vmax)
• Protéger contre les variations de la ligne (surtension, creux, etc.)
• Découplée et isolée des autres charges et pour minimiser l’interaction via la tension d’alimentation
• Isolateur galvaniquement avec écran électrostatique
• Bien mise à la terre
Les nouveaux semi-conducteurs de puissance tels que :
•Thyristors, BJTs et power MOSFETs on
•Later, SITs and GTOs ont tout début été utilisés.
Avec l’arrivé du composant IGBTs le problème du filtre est réglé pour les applications à moyenne puissance avec de hautes fréquences de commutation. Ainsi, la qualité des capteurs développés à base de (Integrated électronics) à améliorer ses performances.
4. Les différentes structures des filtres actifs
La structure des filtres actifs se compose essentiellement de deux parties, soit d'une partie puissance et d'une partie commande (figure 3 et 4). La partie puissance se compose d'un onduleur, d'un filtre de couplage et d'un élément passif lui servant de source d'énergie. La partie commande, sert au contrôle de la commutation des éléments semi-conducteurs formant l'onduleur de la partie puissance. Au moyen de stratégies de contrôle appropriées, il est possible de générer des signaux harmoniques à la sortie de l'onduleur servant à compenser ceux présents sur le réseau électrique.
a) Elément de stockage
La sélection de l'élément de stockage (C ou L) servant de source d'alimentation de l'onduleur en tension ou en courant est désigné de façon que le filtre actif soit capable de suivre sa référence. La source d'énergie doit être dimensionnée de manière à ce que la tension ou le courant qu'elle génère contienne une fluctuation acceptable.
b) Type de semi-conducteurs utilisés
Les semi-conducteurs utilisés par l'onduleur sont caractérisés par leur aptitude à supporter une tension et un courant maximal. Le dimensionnement de ces grandeurs dépend des circuits des deux côtés de l'onduleur (continu et alternatif), car ces derniers imposent les tensions et les courants des interrupteurs.
Il est à noter que les thyristors classiques avec le circuit auxiliaire d'extinction ne sont plus très utilisés, on leur préfère ceux que l'on peut commander en ouverture et en fermeture comme les MOSFET, les IGBT et les GTO.
Dépendamment de l'utilisation requise, le MOSFET est utilisé pour les faibles puissances, le transistor bipolaire ou IGBT, pour les courants moyens et le thyristor GTO pour les grandes puissances.
§ L’onduleur de courant utilise des semi-conducteurs réversibles en tension et unipolaires en courant.
§ L'onduleur de tension utilise des semi-conducteurs réversibles en courant et unipolaires en tension.
§ La tension que doivent supporter les semi-conducteurs composant l'onduleur de tension est limitée par la valeur ce de la tension Vc.
§ L'intensité du courant qu'ils doivent supporter est imposée par le courant maximal généré par le filtre actif. Ils doivent être capables de supporter la valeur maximale du courant harmonique à compenser.
Figure 3 : Modèle d'un convertisseur à source de tension
Figure 4 : Modèle d'un convertisseur à source de courant
5. Principales combinaisons des filtres actifs
Différentes topologies de filtres actifs sont proposées dans la. Pour chaque variante interviennent des problèmes de caractéristiques nominales requises des composants semi-conducteurs, et de méthode de détermination des caractéristiques du compensateur pour les charges à compenser.
Cette technique de dépollution harmoniques, Permet d’effectuer plusieurs fonctions à la fois telles que :
– Compensation de la puissance réactive
– Élimination de certaines harmoniques
– Stabiliser la tension et éviter la résonance
– Disponible pour les installations sous différentes topologies :
a. Deux fils (système monophasé),
b. Trois files sans neutre (système triphasé),
c. Quatre fils (3-phases avec le neutre)
6. Filtrage actif parallèle (shunt) FAP
Le filtre actif connecté en parallèle sur le réseau, comme le montre la figure 5, est le plus souvent commandé comme une source de courant. Il injecte dans le réseau des courants perturbateurs égaux à ceux absorbés par la charge polluante, mais en opposition de phase avec ceux-ci. Le courant côté réseau est alors sinusoïdal. Ainsi l’objectif du filtre actif parallèle (FAP) consiste à empêcher les courants harmoniques produits par des charges polluantes, de circuler à travers l’impédance du réseau, située en amont du point de connexion du filtre actif. Il est placé en parallèle avec la charge. On parle alors de filtre shunt ou parallèle. Il existe deux types de fonctionnement pour un filtre actif parallèle :
a. Compensation de tensions harmoniques :
Le filtre actif parallèle compensateur de tension a pour rôle de maintenir sinusoïdale la tension à ses bornes, c'est-à-dire du côté de la charge. Le filtre actif injecte un courant harmonique au travers de l'impédance du réseau de façon à créer à ses bornes une chute de tension harmonique qui permet de régler la tension harmonique aux bornes de la charge.
Compensation de courants harmoniques :
Le filtre actif parallèle compensateur de courant injecte un courant qui s'oppose au courant harmonique émis par la charge. L’ensemble charge/filtre se présente sur le réseau comme une charge qui absorbe un courant sinusoïdal. Le dimensionnement du filtre actif dépend du courant harmonique à fournir.
Figure5 : Structure de filtre actif parallèle (shunt) ; Compensation de courants harmoniques.
7. Filtrage actif série FAS
Le filtre actif série se comporte comme une source de tension qui s’oppose aux tensions perturbatrices (creux, déséquilibre, harmonique), comme le montre la figure 6, venant de la source et également à celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance du réseau [7]. Ainsi la tension aux bornes de la charge à protéger est purement sinusoïdale
Cependant, le filtre actif fonctionnant en compensateur de tension fournit une tension qui s’oppose à la tension harmonique du côté de la source et à la chute de tension harmonique due à la charge non-linéaire. Il permet de limiter la tension harmonique aux bornes de la charge.
Figure6: structure de filtre actif série ; Compensation de tensions harmoniques
Cette technique de dépollution harmoniques, Permet d’effectuer plusieurs fonctions à la fois telles que :
– Compensation de la puissance réactive
– Élimination de certaines harmoniques
– Stabiliser la tension et éviter la résonance
– Disponible pour les installations sous différentes topologies :
§ Deux fils (système monophasé),
§ Trois files sans neutre (système triphasé),
§ Quatre fils (3-phases avec le neutre)