contribution à l'étude des stratégies d'identification harmoniques et

BADJI MOKHTAR - ANNABA UNIVERSITY -

UNIVERSITE BADJI MOKHTAR ANNABA Anne 2015

Facult des Sciences de l'IngnioratDpartement d'lectrotechnique

THESE

Prsente pour lobtention du diplme de Doctorat en sciencesElectrotechnique

THEME

OptionRseaux Electriques

Prsente par : BOUKADOUM Aziz

Soutenue publiquement le : 15 / 04 / 2015

Devant le jury compos de :

Directeur de Thse : BAHI Tahar Prof Universit de Annaba

Devant le jury :

Prsident : DEBBACHE Nasr Eddine Prof Universit de Annaba

Examinateurs : BOUKTIR Tarek Prof Universit de Stif

FETHA Cherif Prof Universit de Batna

LABAR Hocine Prof Universit de Annaba

RAHMANI Lazhar Prof Universit de Stif

Contribution ltude des stratgies didentificationharmoniques et de commande bases sur les techniques

avances pour les compensateurs actifs des rseaux lectriques

Ddicaces

Je ddie ce travail :

A ma mre et mon pre

A ma femme et mon fils (Mohmed Abdelrahmane)

A mes surs et frres

A ma grande famille

A mes collgues

A mes tudiants

A ceux qui m'prouvent une vritable amiti.

A Z I Z BOUKADOUM

R E M E R C I E M E N T S

Qu'il me soit d'abord permis de remercier et dexprimer ma gratitude envers le bon

Dieu Alah Azza wa Djella

Je tiens exprimer toute ma reconnaissance et ma gratitude mon Directeur de thse,

Monsieur BAHI Tahar, Professeur lUniversit Badji Mokhtar Annaba, pouravoir dirig le travail de cette thse. Quil soit remerci pour ses qualits humaines et

scientifiques. Je le remercie aussi pour ses encouragements incessants, ses prcieux

conseils et pour avoir su me prodiguer le savoir tout au long de la ralisation de cette

thse.

Je tiens remercier Monsieur DEBBACHE Nasr Eddine, Professeur luniversit dAnnaba, davoir fait lhonneur de prsider mon jury de soutenance.

Jexprime toute ma reconnaissance Monsieur BOUKTIR Tarek, Professeur

luniversit de Stif, davoir accept dexaminer mon travail de thse et dtre

membre de mon jury de soutenance.

Je tiens remercier aussi, Monsieur FETHA Cherif, Professeur luniversit de

Batna, de mavoir fait lhonneur dexaminer mon travail et dtre membre de jury de

ma thse de doctorat.

Jexprime galement ma profonde reconnaissance et mes sincres remerciements

Monsieur LABAR Hocine, Professeur luniversit de Annaba, davoir accept

dexaminer ce travail et participer au jury de soutenance.

Mes remerciements sadressent Monsieur RAHMANI Lazhar, Professeur

luniversit de Stif, pour ses aides et de mavoir donn lopportunit de raliser la

partie exprimentale de ma thse en maccueillant au sein du laboratoire de

llectronique de puissance de luniversit de Stif. Quil soit remerci pour lintrt

quil a manifest, pour sa collaboration et davoir accept de faire partie de mon jury

de thse.

Enfin, mes remerciement sadressent toute personne ayant, de prs ou de loin, aid

laboutissement de ce travail.

.

.

I

Rfrences personnelles

A) Publications internationales

A. Boukadoum, T. Bahi, S. Oudina, Y. Soufi, S. Lekhchine, Fuzzy control adaptive ofmatrix converter for harmonic compensation caused by nonlinear loads,Energy Procedia,vol.18, pp: 715 723, 2012.

A. Boukadoum, T. Bahi, A. Bouguerne, Y. Soufi, S. Oudina, Hysteresis band current andfuzzy logic controlfor active power filter,978-1-4673-5271-0/13/$31.00 2013 IEEEexplore, 2013.

A. Boukadoum, T. Bahi, D. Dib, Fuzzy logic control based matrix converter forimprovement output current waveforms based wind turbine system , International Journalof Renewable Energy Research (IJRER), Vol.3, No.3,2013.

A. Boukadoum, T. Bahi, D. Dib, PWM with three intervals and fuzzy logic controltechnique for matrix converter fed Induction motor , British Journal of Applied Science &Technology (BJAST), vol.4, No.2, pp: 423-439, 2013.

A. Boukadoum, T. Bahi, Fuzzy logic controlled shunt active power filter for harmoniccompensation and power quality improvement , Journal of Engineering Science andTechnology Review, vol.7,No.4, pp: 143-149, 2014.

A. Boukadoum, T. Bahi, Harmonic current suppression by shunt active power filterusing fuzzy logic controller , Journal of Theoretical and Applied Information Technology,Vol.68, No.3, pp 651-656, 2014.

B) Communications Internationales

A. Boukadoum, T. Bahi, Voltage mode control of parallel active filter,InternationalConference on Modeling and Simulation MS07, Algiers july, 02-04, USTHB 2007.

A. Boukadoum, T. Bahi, Modlisation et simulation de la compensation harmonique,Journes Internationales de Physique des Matriaux et Ses Applications, JIPMA'07,Novembre 25-27, universit Annaba 2007, Algrie.

A. Boukadoum, T. Bahi, Une approche didentification des courants harmoniques basesur le principe du courant actif, International Conference on Electrical EngineeringCEE2008, 27-29 October 2008, Batna, Algeria.

A. Boukadoum, T. Bahi,Hysterisis vector control for active filters,The 2ndInternationalConference on Electrical Engineering Design and Technologies (ICEEDT08) Hammamet,Tunisia. 2008.

II

A. Boukadoum, T. Bahi, A. Bouguerne, Y. Soufi, S. Oudina, SVM technique for threephase matrix converter feeding induction motor ,EWRES & ECRES The EuropeanWorkshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, TURKEY, 17-28 Sep.2012.

A. Boukadoum, T. Bahi, A. Bouguerne, Y. Soufi, Advancedcontrol strategy of matrixconverter feeding induction motor drives,International Conference on ElectromechanicalEngineering (ICEE'2012) Skikda, Algeria, 20-22 November 2012.

A. Boukadoum, T. Bahi, A. Bouguerne, Y. Soufi, Fuzzy logic application for matrixconverter under disturbed input voltage ,The 13th International conference on Sciences andTechniques of Automatic control & computer engineering STA2012, December 17-19, 2012 Hammamet, Tunisia.

A. Boukadoum, T. Bahi, A. Bouguerne, Y. Soufi,Analysis of three phase matrixconverter fed inductive load for different output frequency,The 4th InternationalRenewable Energy Congress (IREC) December 20 - 22, 2012, Sousse Tunisia.

A. Boukadoum, T. Bahi, A. Bouguerne, Risques des perturbations lectriqueset leursprincipe dliminations , 2me Confrence Internationale sur la Maintenance et la scuritindustrielle (CIMSI'2013), Skikda, Algeria, 28-29 October 2013.

A. Boukadoum, T. Bahi, A. Bouguerne, Y. Soufi, Logique floue pour la compensationdes harmoniques dun convertisseur AC/AC structure matricielle appliqu aux nergiesrenouvelables , Confrence Internationale des Energies Renouvelables (CIER13) Sousse,Tunisie, 2013.

A. Boukadoum, T. Bahi, Compensation harmonic based on fuzzy logic controller forshunt active power filter to improve power quality , The 2nd International Conference onElectrical Energy and Systems, October 28-30, 2014, Annaba, Algeria.

C) Communications Nationals

A. Boukadoum, T. Bahi, Stratgies de commande de filtre actif srie , JournesNationales sur les Signaux et Systmes JSS'07, Novembre 14-15, Universit Guelma, 2007.

A. Boukadoum, T. Bahi, et Y. Soufi, Application dun rgulateur PI adaptatif pour lerglage dun filtre Actif parallle et compensation harmoniques, Centre Universitaire deSouk-Ahras, 1ere Confrence Nationale sur le llectrotechnique (CNE10), 23-24Novembre, 2010.

Rsum

III

Rsum

Lutilisation des quipements charges non linaire, absorbent des courants non sinusodaux

et consomment de la puissance ractive. Ces quipements contribuent considrablement la

dtrioration de la qualit de lnergie lectrique. Alors, pour remdier cette situation, les

filtres actifs de puissance sont ce jour, les solutions les plus adquates pour la dpollution

tant au niveau de la production que de la distribution. Les filtres actifs ne sont fiables que si

les stratgies didentification des perturbations sont efficaces et que la commande des filtres

soit performante. Ces deux fonctions sont actuellement ralises grce des techniques

classiques. Cependant, selon la bibliographie des travaux de recherche effectus ces derniers

temps rvlent dune avance considrable dans lutilisation des techniques avances dans

diverses applications des compensateurs actifs. A cet effet le travail de recherche propos dans

cette thse, vise sinspirer de ces travaux afin de contribuer dans lamlioration des

performances des compensateurs actifs des rseaux lectriques.

Mots cls: Identification, Harmoniques, Filtres actifs, Commande, logique floue,

Compensation, THD.

Abstract

The use of nonlinear loads such as power electronic equipment, absorb non-sinusoidal

currents and consume reactive power. These equipments contribute significantly to the

deterioration of the electrical energy quality. So, to remedy this situation, the active power

filters are, nowadays, the most appropriate solution for compensation at both production and

distribution of electrical energy. Active power filters are reliable only if the disturbance

identification strategies are effective and the filters control systems are efficient. These two

functions are currently performed by conventional techniques. However, according to the

literature research carried out recently reveal a significant advance in the use of the advanced

techniques in various applications concerning power active filters. For this purpose the

proposed research aims to build on these works to contribute in improving the performance of

active compensators of power grids.

Key words: Identification, Harmonics, active Filters, Control, Fuzzy logic, Compensation, THD.

.

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.

.

. .

.

THD., , ,, ,,:

Notations et Symboles

IV

FPB : filtre passe bas

FAS : Filtre Actif Srie

FAP : Filtre Actif Parallle

CMT : convertisseur matriciel triphas

RL : charge inductive

MAS : Machine asynchrone

THD : Taux de Distorsion Harmonique

VOC : Contrle tension oriente

VFOC : Contrle flux virtuel orient

DPC : Contrle Direct de Puissance

DTC : Contrle Direct de Couple

DPC-SVM : Contrle Direct de Puissance avec modulation vectorielle

Vdc : Tension dalimentions aux bornes du condensateur de londuleur du FAP

V f : tension impose par londuleur du FAP

Ich: Courant de charge redress

Vch: Tension de charge redresse

FLC : Rgulateur de la logique floue

PI : Rgulateur proportionnel intgral

SRF : thorie du rfrentiel li au synchronisme

PIRI : Puissance instantane relle et imaginaire

MLI : Modulation de largeur dimpulsion

vs1, vs2 , vs3 : Tensions de source

is1, is2 , is3 : Courants de source

ic1, ic2 , ic3 : Courants de charge

i*h1, i*h2 , i*h3 : Courants harmoniques identifis

iinj1, iinj2 , iinj3 : Courants harmoniques injects

P ; puissance active

Q ; puissance ractive

S ; puissance apparente

Liste des tableaux

V

LISTE DES TABLEAUX

Tab. 1.1 Consquences des creux de tension 07

Tab. 1.2 Limites des composantes harmoniques en courant 20Tab. 1.3 Limites des missions de courants harmoniques 20Tab. 1.4 Niveaux de compatibilit des harmoniques de tension (CEI-1000-2-2) 21Tab. 1.5 Taux de distorsion (%) des tensions harmoniques acceptables (Norme CEI

61000-2-4)21

Tab. 1.6 Taux des harmoniques en tension imposer pour vrifier limmunit desappareils

22

Tab. 1.7 Limites de distorsion de tension pour les fournisseurs 23Tab. 1.8 Limites de distorsion de courant pour les systmes gnraux de

distribution (120 V 69 000 V)23

Tab. 1.9 Rcapitulatif des solutions de dpollution 36Tab. 2.1 Dsignation standard des ensembles flous 46Tab. 2.2 Rgles floues, contrleur deux entres 52Tab. 3.1 Tensions gnres par londuleur de tension 61Tab. 3.2 Rgles dinfrences floues pour un FAP 77Tab. 3.3 Paramtres de simulation 80Tab. 3.4 Paramtres dessai 89Tab. 4.1 Paramtres du montage tudi 107Tab. 4.2 Rgles de commande 120Tab. 4.3 Paramtres de simulation 121

Liste des figures

VI

LISTE DES FIGURES

Fig. 1.1 Creux de tension 07

Fig. 1.2 Coupure brve de la tension 08Fig. 1.3 Fluctuations de tension 09

Fig. 1.4 Bosses de tension 09Fig. 1.5 Dsquilibre en amplitude et en phase 11Fig. 1.6 Variation de frquence 12Fig. 1.7 Fondamental et harmoniques 13Fig. 1.8 Fondamental et inter-harmoniques 13Fig. 1.9 Reprsentation spectrale des inter et infra harmoniques 14Fig. 1.10 Sources dharmoniques 14Fig. 1.11 Diagramme de Fresnel des puissances 18Fig. 1.12 Montage et Simulation dune charge linaire (charge RL) 25Fig. 1.13 Montage et Simulation dune charge non linaire 27Fig. 1.14 Branchement dun filtre passif rsonnant 29Fig. 1.15 Filtre passif amortie (passe-haut) 30Fig. 1.16 Montage dun filtre actif parallle 32Fig. 1.17 Montage du filtre actif en srie 33Fig. 1.18 Combinaison parallle -srie actif (UPQC) 33Fig. 1.19 Filtre actif srie avec filtre passif parallle 34Fig. 1.20 Filtre actif srie connect en srie avec filtre passif srie 35Fig. 1.21 Filtre actif parallle avec filtre passif parallle 35Fig. 1.22 Schma de principe dun redresseur MLI triphas 37Fig. 1.23 Diffrents types de redresseurs polyphass 37Fig. 1.24. Schma de principe dun Convertisseur Matriciel triphas 38Fig. 2.1 Topologie d'un neurone formel 41Fig. 2.2 Diffrentes formes des fonctionnes dappartenances 43Fig. 2.3 Oprateurs logiques 44Fig. 2.4 Structure dun rgulateur flou 45Fig. 2.5 Structure gnrale dune commande floue 46Fig. 2.6 Defuzzification par centre de gravit 47Fig. 2.7 Defuzzification par moyenne de maximum 48Fig. 2.8 Conception dun contrleur flou 48Fig. 2.9 Rgulateur flou une seule entre compare avec rgulateur PID 49Fig. 2.10 Comparaison dun rgulateur flou une seule entre avec un rgulateur

PID49

Fig. 2.11 Schma bloc dun rgulateur flou deux entres appliqus lacommande du FAP

50

Fig. 2.12 Rponse un chelon du rgulateur flou deux entres 50Fig. 2.13 Principe de commande du filtre actif par un rgulateur flou 51Fig. 2.14 Fonctions dappartenances 53Fig. 2.15 Courant de source avant compensation 53Fig. 2.16 Analyse dharmoniques du courant de source avant compensation 54

Liste des figures

VII

Fig. 2.17 Courant de source aprs compensation 54Fig. 2.18 Analyse dharmoniques du courant de source avant compensation 55Fig. 2.19 Superposions des courants harmoniques identifi et inject 55Fig. 2.20 Tension continue avec un changement sa rfrence linstant t=0.1s 55Fig. 3.1 Principe de branchement dun filtre actif parallle 58Fig. 3.2 Structure gnrale d'un FAP structure tension 59Fig. 3.3 Onduleur de tension trois bras employ comme FAP 60Fig. 3.4 Reprsentation vectorielle des tensions gnres par londuleur de

tension dun FAP62

Fig. 3.5 Schma du FPB pour la sparation des puissances 65Fig. 3.6 Schma fonctionnel didentification des courants de rfrences par la

mthode PIRI66

Fig. 3.7 Structure de la PLL 67Fig. 3.8 Schma synoptique simplifi de la PLL 69Fig. 3.9 Rsultats de simulation de la PLL pour le cas dune source de tension

triphase quilibre sans harmoniques71

Fig. 3.10 Rsultats de simulation de la PLL pour le cas dune source de tensiontriphase perturbe

72

Fig.3.11 Rsultats de simulation de la P.L.L classique pour une source de tensiontriphase alimentant une charge non-linaire

73

Fig. 3.12 Schma fonctionnel de la rgulation de vdc avec le rgulateur PI 74Fig. 3.13 Schma fonctionnel de la rgulation de Vdc avec le rgulateur P 76Fig. 3.14 Schma fonctionnel de rgulation flou 76Fig. 3.15 Fonction dappartenance des variables dentres 77Fig. 3.16 Schma fonctionnel de rgulation flou sous MATLAB/Simulink 77Fig. 3.17 Boucle de la rgulation des courants du FAP 78Fig. 3.18 Schma simplifi de la boucle de rgulation des courants du FAP 78Fig. 3.19 Principe du contrle par hystrsis bande fixe 79Fig. 3.20 Principe du contrle par hystrsis bande fixe sous

MATLAB/Simulink79

Fig. 3.21 Principe de contrle des courants par MLI 80Fig. 3.22 Source de tension dalimentation triphase 81Fig. 3.32 Courant de charge avant compensation 81Fig. 3.24 Spectre harmonique du courant de charge avant compensation 81Fig. 3.25 Source de tension 82Fig. 3.26 Courant de source avant compensation 82Fig. 3.27 Courant de source aprs compensation 83Fig. 3.28 Superposition des courants harmoniques identifis et injects 83Fig. 3.29 Rgulation de la tension continue du FAP laide dun rgulateur PI 83Fig. 3.30 Superposition de la tension et du courant de la source 84Fig. 3.31 Evolution des puissances actives et ractives sans et avec compensation 84Fig. 3.32 Facteur de puissance sans et avec un FAP 84Fig. 3.33 Source de tension 85Fig. 3.34 Courant de source sans compensation 85Fig. 3.35 Courant de source avec compensation base dun rgulateur flou 85Fig. 3.36 Superposition des courants harmoniques identifis et injects base dun

rgulateur flou86

Fig. 3.37 Rgulation de la tension continue du FAP laide dun rgulateur flou 86

Liste des figures

VIII

Fig. 3.38 Superposition de la tension et du courant de source 86Fig. 3.39 Evolution des puissances actives et ractives sans et avec compensation 87Fig. 3.40 Facteur de puissance sans et avec un FAP base dun rgulateur flou 87Fig. 3.41 Tension continue base dun rgulateur PI classique et un rgulateur

flou88

Fig. 3.42 . Banc dessai exprimental 90Fig. 3.43 Rsultats dessai exprimental 92Fig. 4.1 Schma de principe dun redresseur MLI 95Fig. 4.2 Schma reprsentative dun redresseur MLI de courant 95Fig. 4.3 Topologie de base dun redresseur MLI de tension 96Fig. 4.4 Schma simplifi dun redresseur MLI de tension 97Fig. 4.5 Schma fonctionnel dun redresseur MLI 99Fig. 4.6 Schma fonctionnel dun redresseur MLI dans le repre de Park 101Fig. 4.7 Principe de la commande MLI 102Fig. 4.8 Principe de commande par hystrsis 103Fig. 4.9 Principe de contrle par la commande hystrsis 104Fig. 4.10 Schma fonctionnel de calcul des courants de rfrences 105Fig. 4.11 Schma fonctionnel de la boucle de rgulation de la tension du bus

continu106

Fig. 4.12 Structure interne du rgulateur PI 106Fig. 4.13 Structure interne du rgulateur flou 107Fig. 4.14 Rsultats de simulation du redresseur MLI (commande Hystrsis) 109Fig. 4.15 Rsultats de simulation du redresseur MLI (commande Hystrsis

avec rgulateur flou)111

Fig. 4.16 Banc dessai exprimental dun redresseur MLI 112

Fig. 4.17 Rsulta dessai exprimental 113Fig. 4.18 Schma de principe du Convertisseur Matriciel 114Fig. 4.19 Convertisseur matriciel alimente une charge RL 115Fig. 4.20 Calcul les squences de commande du CM 119Fig. 4.21 Squence de commande de MLI des trois phases du CM 119Fig. 4.22 Schma de principe du contrle base dun rgulateur flou 119Fig. 4.23 Fonctions dappartenances des entres et de sortie 121Fig. 4.24 Rsultats de simulations, source quilibre non polluante 124Fig. 4.25 Rsultats de simulations, source perturbe (5me et 7 me Harmoniques) 126Fig. 4.26 Convertisseur matriciel alimente une charge non linaire 127Fig. 4.27 Rsultats de simulations, charge non linaire 129Fig. 4.28 Association convertisseur matriciel machine asynchrone 131Fig. 4.29 Grandeurs dentre du convertisseur, machine asynchrone 132Fig. 4.30 Rsultats de simulations des grandeurs statoriques 133Fig. 4.31 Rsultats de simulations des grandeurs rotoriques 134

Sommaire

IX

TABLE DES MATIERES

Rsum II

Liste des symboles IV

Liste des tableaux V

Liste des figures VI

Introduction gnrale 01

CHAPITRE I Etat de lart : Perturbations des rseaux lectriqueset leurs principes de compensation

1.1 Introduction 05

1.2 Qualit de lnergie lectrique 05

1.3 Origines des perturbations des rseaux lectriques 06

1.3.1 Creux de tension 06

1.3.2 Coupure de tension 08

1.3.3 Fluctuations de tension 08

1.3.4 Bosse de tension (surtension) et surintensit 091.3.5 Dsquilibres du systme triphas en courant et en tension 101.3.6 Variation de la frquence 111.3.7 Perturbations harmoniques 121.3.7.1 Harmoniques 121.3.7.2 Inter-harmoniques 131.3.7.3 Infra-harmoniques 131.3.7.4 Sources dharmoniques 141.3.7.5 Consquences des harmoniques 151.3.7.5.1 Effets instantans des harmoniques 151.3.7.5.2 Effets terme des harmoniques 151.3.7.6 Caractrisation des perturbations harmoniques 161.3.7.6.1. Taux de Distorsion Harmonique (THD) 161.3.7.7 Normes et recommandation 181.3.7.7.1 Normes imposes aux harmoniques 191.3.7.7.1.1 Normes CEI 61000 191.3.7.7.1.2 les normes CEI-1000 dont le courant par phase est infrieur 16A 191.3.7.7.1.3 La norme (CEI-1000-3-4) pour un courant par phase est de16A- 75A 201.3.7.7.1.4 Les normes CEI-1000-2-2 et CEI-1000-2-4 201.3.7.7.1.5 La norme CEI 61000-4-13 221.3.7.7.1.6 La norme IEEE 519 -1992 Standard 221.4 Notions des charges 231.4.1 Charge linaire 231.4.1. 1 Modle de la charge linaire 241.4.1.2 Simulation dune charge RL linaire 241.4.2 Charge non linaire 261.4.2.1 Simulation dune charge non linaire (pont redresseur diodes) 261.5 Solutions de dpollution des rseaux lectriques 271.5.1 Solutions traditionnelles 281.5.1.1 Surdimensionnement ou dclassement de linstallation lectrique 28

Sommaire

X

1.5.1.2 Augmentation de la puissance de court circuit 281.5.1.3 Les transformateurs couplage passif 291.5.1.4 Agir sur la structure de l'installation 291.5.1.5 Filtrages passifs 291.5.1.5.1 Filtres passifs rsonnants 391.5.1.5.2 Filtres passifs amorti (Passe Haut) 301.5.1.5.3 Inconvnients du filtrage passif 301.5.2 Solutions modernes 311.5.2.1 Filtre actif parallle 311.5.2.2 Filtre actif srie 321.5.2.3 Combinaison parallle srie 331.5.2.4 Filtres hybrides 341.5.2.4. 1 filtre actif srie avec des filtres passifs parallles 341.5.2.4. 2 filtre actif srie connect en srie avec des filtres passifs parallles 341.5.2.4. 3 filtre actif parallle avec un filtre passif parallle 351.5.2.4. 5 Comparative et choix du filtre parallle 351.5.3 Autres solutions modernes de dpollution harmonique 361.5.3.1 Les redresseurs MLI 36

1.5.3.2 Redresseurs polyphass 6, 12 et 24 pulses 371.5.3.3 Le convertisseur matriciel 381.6 Conclusion 38

CHAPITRE II Techniques avances base des filtres actifs

2.1 Introduction 402.2 Techniques avances artificielle appliques la commande 402.2.1 Algorithmes gntiques 40

2.2.2 Rseaux de neurones 41

2.2.3 Logique floue 42

2.2.3.1 Bases de la logique floue 42

2.2.3.1.1 Variable linguistique 42

2.2.3.1.2 Univers de discours 42

2.2.3.1.3 Ensemble flou 42

2.2.3.1.4 Fonction d'appartenances 43

2.2.3.1.4.1 Oprateurs de la logique floue 43

2.2.3.1.5 Rgles d'infrence 44

2.2.3.2 Rglage par logique floue 45

2.2.3.2.1 Structure gnrale d'un rgulateur flou 45

2.2.3.3 Conception dun rgulateur flou 482.2.3.4 Application du rgulateur flou 482.2.3.4.1 Commande dun filtre du 2eme ordre 482.2.3.4.2 Commande dun filtre du 1eme ordre 50

2.2.3.4.3 Application du rgulateur flou la commande du filtre actif parallle 50

2.2.3.4.3.1 Simulations et interprtations des rsultats 542.3 Conclusion 56

CHAPITRE III Compensation harmoniques laide dun filtre actif parallle

3.1 Introduction 57

3.2 Filtre actif parallle 58

Sommaire

XI

3.3 Topologie du filtre actif parallle 58

3.3.1 Eude de la partie puissance du FAP 59

3.3.1.1 Modlisation de londuleur de tension deux niveaux 60

3.3.1.2 Systme de stockage dnergie 62

3.3.1.3 Filtre passif de sortie 62

3.3.2 Partie contrle-commande dun FAP 63

3.3.2.1 Mthodes didentification des courants de rfrences 63

3.3.2.1.1 Mthode des puissances active et ractive instantanes (PIRI) 63

3.3.2.1.1.1 Filtre passe bas (FPB) 65

3.3.2.1.1.2 Boucles verrouillage de phase (PLL) 67

3.3.2.1.1.2.1 Analyse du comportement de la PLL 69

3.3.2.1.1.2.1.1 Cas dune source tension non perturbe (cas sein) 69

3.3.2.1.1.2.1.2 Cas dune source tension perturbe 71

3.3.2.1.1.2.1.3 Cas dalimentation dune charge polluante 72

3.3.2.2 Rgulation de la tension continue dun FAP 74

3.3.2.2.1 Rgulateur proportionnel-Intgral (PI) 74

3.3.2.2.2 Rgulateur proportionnel (P) 75

3.3.2.2.3 Rgulateur flou 763.3.2.3 Structure du rgulateur de courant de sortie dun FAP 77

3.3.2.4 Stratgies de commande du filtre actif parallle 78

3.3.2.4.1 Commande hystrsis 78

3.3.2.4.2 Commande modulation de largeur dimpulsion (MLI) 79

3.4 Rsultats de la simulation sous MATLAB/ SIMULINK 80

3.4 .1 Sans filtre actif parallle 81

3.4.2 Avec un FAP dot dun rgulateur PI 82

3.4.3 Avec un FAP dot dun rgulateur Flou 85

3.4.4 Comparaison entre le rgulateur PI et le rgaleur flou 88

3.5 Description du Banc dessai exprimental 88

3.5.1 Rsultats exprimentaux 91

3.6 Conclusion 93

CHAPITRE IV Compensation des harmoniques

4.1 Introduction 944.2 Redresseurs MLI 944.3 Types de redresseurs MLI 954.4 Avantages de lutilisation dun redresseur MLI 964.5 Fonctionnement dun redresseur MLI de tension 964.5.1 Modlisation dun redresseur MLI de tension 974.5.1.1 Reprsentation du redresseur MLI dans le repre triphas (a,b,c) 984.5.1.2 Reprsentation du redresseur MLI dans le repre (, ) 100 4.5.1.3 Reprsentation du redresseur MLI dans le repre ( d, q ) 1004.6 Commande et rgulation des courants absorbs dun redresseur MLI 1014.6.1 Commande MLI 1014.6.2 Commande Hystrsis 1024.6.3 Estimation des courants de rfrences 1034.6.4 Rgulation de la tension du bus continu dun redresseur MLI 1044.6.4.1 Rgulateur PI 1054.6.4.2 Rgulateur flou 106

Sommaire

XII

4.7 Simulation dun redresseur MLI de tension 1074.7.1.1 Rsultats de simulation de la commande hystrsis avec rgulateur PI 1074.7.1.1 Rsultats de simulation de la commande hystrsis avec rgulateur flou 1104.8 Rsultats exprimentaux 1124.9 Convertisseur matriciel 1144.9.1 Modlisation et commande du convertisseur matriciel 1144.9.1.1.1 Modlisation dun convertisseur matriciel 1154.9.1.2 Stratgies de commande du convertisseur matriciel 1164.9.1.2.1 Commande du CM par MLI (Algorithme de Venturini et Alesina) 1164.9.1.2.2 Contrle du gain de tension q par logique floue 1194.9.1.3 Simulations et interprtation des rsultats 1214.9.1.3.1 Convertisseur matriciel alimentant une charge linaire (charge RL) 1214.9.1.3.2 Convertisseur matriciel alimentant une charge non linaire 1264.9.1.3.3 Convertisseur matriciel alimentant une machine asynchrone 1294.10 Conclusion 135

Conclusion gnrale 136

Bibliographie 137

Introduction Gnrale

1

INTRODUCTION GENERALE

Le travail prsent dans cette thse est le fruit de recherche effectue au dpartement

dlectrotechnique de lUniversit Badji Mokhtar Annaba, Algrie.

Les dveloppements croissants des secteurs industriels ainsi que de la population sont les causes

principales pour lesquels la consommation de l'nergie lectrique augmente considrablement.

Alors, il est indispensable aux fournisseurs de l'nergie lectrique de satisfaire leurs clients un

besoin nergtique de qualit acceptable, du moment quune progression considrable en terme

des convertisseurs d'lectronique de puissance est recense sur les rseaux lectriques. Ces

convertisseurs statiques sont considres comme des charges non linaires absorbent des courants

non sinusodaux, mme sils sont aliments par une source de tension sinusodale. Ils posent de

srieux problmes aux distributeurs d'nergie lectrique pour lesquels ils se comportent comme

des gnrateurs de courants harmoniques polluants. En effet, les perturbations provoques par

ces convertisseurs sont bien connues, il sagit dune dgradation du facteur de puissance et dune

gnration de courants alternatifs non sinusodaux riches en harmoniques [1]. Le passage des

courants harmoniques travers limpdance du rseau provoquent des dformations de la

tension dalimentation et par consquent perturbent dautres quipements connects au mme

point de raccordement [2]. La pollution due aux harmoniques a des effets nfastes, tel que la

dformation de la tension dalimentation, augmentation des pertes et rduction de la capacit de

transport de lnergie lectrique.

Parmi les remdes employs la correction des inconvnients des harmoniques, la rpartition

quitables de la charge sur les trois phases afin dliminer les harmoniques paires et impaires

multiples de trois. Une autre solution consiste placer des batteries des condensateurs en

parallle avec le rseau pour relever le facteur de puissance [1]. Cette dernire linconvnient

que la puissance ractive fournie par les condensateurs est constante et quelle ne sadapte pas

lvolution de la charge. Par ailleurs, lamlioration de la qualit du signal et la dpollution du

rseau peut tre effectue on utilisant des filtres passifs savoir le filtre rsonant et le filtre

amorti. Lefficacit des ces derniers est limit terme de compensation. De plus, ils forment avec

limpdance de la source, un circuit rsonnant qui favorise lamplification de tous les

harmoniques ayant une frquence voisine de celle de rsonance.

Les progrs raliss, sur les lments a semi-conducteurs de puissance entirement

commandables ont conduit la conception de nouvelles structures de compensation.

Introduction Gnrale

2

Les redresseurs polyphass (Dodcaphass) sont classs parmi les mthodes traditionnelles les

plus efficaces en matire de restitution de la forme sinusodale du courant avec un taux de

distorsion dharmoniques trs faible. Les redresseurs commands par la modulation de largeur

dimpulsion (MLI) et les convertisseur direct AC-AC topologie matricielle ont permis de

contrler le facteur de puissance et dassurer une absorbation sinusodale du courant en amant de

ces convertisseurs.

Ces dernires annes, plusieurs travaux sur la conception des convertisseurs ont t dvelopps

surtout sur la chaine de conversion AC/DC/AC. En effet, des changements ont t apports sur

les ponts redresseurs traditionnels modifiant leur structure ou leur systme de commande afin de

rduire leur injection de courants harmoniques dans le rseau [3]. Une autre solution qui permet

de remplacer les convertisseurs conventionnels AC/DC/AC par un convertisseur direct AC/AC

plus compact, et qui permet de relier chaque phase dentre chaque phase de sortie par un

commutateur de puissance bidirectionnel sans lintermdiaire dun circuit continu, et nomm

sous le nom dun convertisseur matriciel, ce dernier est capable de contrler le facteur de

puissance et offre lopportunit de fonctionner en quatre quadrants, en assurant une forme

sinusodales des courants lentre et la sortie du convertisseur avec un stockage minimum de

lnergie [4].

Les filtre actifs de puissances sous leurs diffrentes structures savoir le filtre actif parallle,

filtre actif srie, filtre actif parallle- srie, et les filtres hybrides, rpondent mieux aux

contraintes industrielles, et sadapte a lvolution de limpdance du rseau et de la charge.

Le filtre actif parallle est utilis pour compenser les courants harmoniques, courants

dsquilibrs ainsi que de la puissance ractive. Le filtre actif srie peut compenser la fois les

tensions harmoniques et les creux de tension. La combinaison parallle-srie correspond une

solution universelle de compensation pour un ou plusieurs types de perturbations en courant et

de tension que lon observe sur le rseau [1]. La plupart de ces filtres utilisent un onduleur a

deux niveaux source de tension lment de stockage capacitif, soit source de courant

lment de stockage inductif.

Les configurations hybrides utilisent un ou plusieurs convertisseurs source de tension associs

des filtres passifs. Du point de vue technico-conomique, les filtres actifs hybrides sont plus

attrayants en qualit de filtrage et plus particulirement pour les applications de fortes

puissances [5]. Cependant, les nouvelles rglementations internationales imposent aux

consommateurs des normes aux harmoniques engendres par leurs systmes, tant en courant

quen tension [6-8].

Introduction Gnrale

3

Les filtres actifs sont les solutions avances de dpollution le plus adquat tant au niveau de la

production que de la distribution. Dans cette thse, on prsente une tude dtaille sur le concept

de filtrage actif de puissance et son intrt dans lamlioration de la qualit de lnergie

lectrique influence par lutilisation des charges non-linaires. Pour ce faire, on a rparti le

manuscrit en quatre chapitres comme suit.

Le premier chapitre est consacr la description des perturbations en courant et en tension qui

peuvent affecter un rseau lectrique. La distribution harmonique avec ses principales sources

telles que les harmoniques de courants dus aux charges non linaires, les consquences et les

normes inhrentes ces perturbations seront analyses. On prsente, galement les solutions

traditionnelles et modernes de dpollution. Par ailleurs, un rappel, sur les origines et les

consquences des perturbations est abord. On y prsente galement des solutions de

dpollutions traditionnelles et modernes.

Le deuxime chapitre aborde les techniques avances savoir les techniques gntiques,

rseaux de neurones et plus particulirement la logique floue. La conception du rgulateur flou

ainsi que leur principe de commande et de rglage applique au filtre actif parallle sera prsent

et valide par une simulation numrique.

Le troisime chapitre propose une solution moderne base dun filtre actif parallle (FAP) afin

de lutter contre la pollution harmonique provoque par les redresseurs diodes et limiter leur

propagation dans le rseau. Dans ce contexte, une tude thorique dtaille est dveloppe

propos de la structure du filtre actif parallle (FAP) triphas et de son principe de

fonctionnement. En premier lieu, le principe de rglage de la tension du bus continu du FAP

triphas par un rgulateur Proportionnel-Intgral (PI) classique et puis en deuxime lieu un

rgulateur flou sera prsent et discut.

La ncessit d'adaptation d'un tel type de compensation des harmoniques, nous a men insrer

un systme base de verrouillage de phase (PLL) pour une identification exacte des rfrences

de commande des filtres. Ensuite, les problmes poss par la technique de commande par

hystrsis classique sont discuts et ses effets sont illustrs par des rsultats de simulation

numrique. Les bonnes performances de cette technique sont vrifies par simulation numrique

et par aspect pratique laide dune implmentation numrique sur la carte dSPACE 1104 pour

un banc dessai exprimental du laboratoire dlectronique de puissance de luniversit Stif.

Le quatrime chapitre prsente diffrentes structures du redresseur MLI. On sintresse au

redresseur MLI de tension. Ltude prsente est consacre, en premier lieu, une analyse

dtaille de son fonctionnement avec un rglage de la tension du bus continu effectu par

rgulateur PI classique, flou et avec un contrle direct de courant laide de la technique de

Introduction Gnrale

4

commande hystrsis. Les principes de fonctionnement, le modle mathmatique, la

commande et l'identification et compensation harmonique y sont expliqus. Les rsultats de

simulations obtenus sont valids exprimentalement laide dune implmentation numrique

sur la carte dSPACE 1104 sur un banc dessai au laboratoire de llectronique de puissance

de Universit- Stif. En autre, ltude dun convertisseur matriciel associ des charges

linaires et non linaires est prsente. Dans ce contexte, une tude thorique dtaille est

dveloppe propos de la structure du convertisseur matriciel. La commande et le rglage par la

logique floue de ce type de convertisseur est ralis afin dassurer une meilleure qualit

dnergie.

Finalement, une conclusion gnrale et les perspectives sont prsentes.

Chapitre I Etat de lart : Perturbations des rseaux lectriques et leurs principes de compensation

5

CHAPITRE I

ETAT DE LART : PERTURBATIONS DES RESEAUX ELECTRIQUESET LEURS PRINCIPES DE COMPENSATION

1.1 Introduction

Lnergie lectrique est souvent fournie sous la forme des trois tensions triphases. Cette

nergie est produite par diffrentes centrales : nuclaire, thermique, hydraulique, sources

dnergies renouvelables, etc... Les rseaux de distribution assurent le transport de cette

nergie aux rcepteurs, et par consquent aux consommations. La qualit de cette nergie

caractrise par les paramtres suivants [9]:

frquence de 50Hz ou 60Hz, selon le pays ;

lamplitude des trois tensions ;

forme donde devant tre la plus proche possible dune sinusode ;

la symtrie du systme triphas, caractrise par lgalit des modules des trois tensions et

de leur dphasage.

La dtrioration de lune de ces paramtres engendre des perturbations au niveau des rseaux

lectriques et par consquent le dysfonctionnement et la destruction des composants au niveau

des utilisateurs et consommateurs dnergie. cet effet, il est indispensable de connaitre

l'origine des perturbations et de chercher des solutions adquates pour les supprimer ou les

attnuer.

Le prsent chapitre prsente, dans un premier temps, un tat de lart, sur les diffrentes

perturbations affectant les rseaux lectriques ainsi que leurs origines, et leurs consquences.

Le point est mis sur les diffrentes natures des charges lectriques qui peuvent tre

rencontres dans diverses installations, les diffrentes sources dharmoniques et les normes

imposes aux harmoniques. Et la fin, les solutions classiques et modernes mises en uvre

pour dpolluer les rseaux lectriques sont discutes.

1.2 Qualit de lnergie lectrique

La tension dun rseau lectrique constitue un systme sinusodal triphas et quilibr. La

Socit Nationale Algrienne dElectricit et du Gaz (SONELGAZ), en sa qualit de


6

distribution dnergie doit fournir lensemble de ses clients et utilisateurs une nergie de

qualit sous formes de trois tensions sinusodales quilibres :

)3

4cos()(

)3

2cos()(

)cos()(

)(

max

max

max

,,

tvtv

tvtv

tvtv

tv

cn

bn

an

cbai (1.1)

La dgradation ou la dtrioration, la fois, de lun ou de plusieurs paramtres, laisse

supposer la prsence dune anomalie dans le rseau lectrique.

gnralement deux origines distinctes de perturbations :

Perturbations du courant causes par le passage dans les rseaux lectriques, des courants

perturbateurs comme les courants harmoniques, dsquilibrs et ractifs.

Perturbations de tension causes par la prsence des tensions perturbatrices comme les

tensions harmoniques, dsquilibrs et les creux de tension.

1.3 Origines des perturbations des rseaux lectriques

Parmi les multiples perturbations qui affecte les rseaux lectriques, on peut citez,

dysfonctionnement des gnrateurs et des lignes, perturbations atmosphriques lors du

transport, charges dfaillantes et la prolifration des quipements lectriques utilisant des

convertisseurs statiques [10]: redresseurs, onduleurs, gradateurs et variateurs de vitesse. Les

dfauts les plus courants sont:

1.3.1 Creux de tension

Un creux de tension est dfini comme une diminution brusque de lamplitude de la tension de

10% 90% de la tension nominale pendant un temps allant de 10 millisecondes quelques

secondes, caractrise par sa profondeur et sa dure. Les creux de tension sont dus aux courts

circuits survenant dans le rseau gnral ou dans les installations de la clientle, le dmarrage

des machines forte puissance, la saturation des transformateurs,etc [1,11]. En fonction de

la localisation du court circuit et du fonctionnement des organes de protection (les dfauts

sont normalement limins en 0.1 0.2s en HT, et 0.2 s quelques secondes en MT). Les

court circuits sont des vnements alatoires : ils peuvent rsulter de phnomnes

atmosphriques (foudre, givre, tempte), de dfaillances ou daccidents des appareils

lectriques. Les creux de tension peuvent tres monophass, biphass ou triphass. Il y a

deux types de phnomnes qui sont lorigine des creux de tension :


7

Le fonctionnement dappareils charge fluctuante ou la mise en service dappareils

appelant un courant lev au dmarrage (moteurs, transformateurs,etc.) ;

Les phnomnes alatoires comme la foudre, les courts circuits accidentels sur les

rseaux de distribution ou les dfauts dans les rseaux internes des clients (dfaut disolation,

blessure de cble, projection de branches sur les lignes ariennes,). la figure 1.1. montre un

exemple dun creux de tension triphas entre 0.1 0.2 s.

Fig. 1.1 Creux de tension

Les consquences dun creux de tension peuvent tre extrmement coteuses, le temps de

redmarrage se chiffrant en heures ou voire en jours, pertes de donnes informatiques dgts

aux produits voire aux quipements de production, etc

Le tableau 1.1 rsume les consquences nfastes causes par les creux de tension sur quelques

matriels industriels et les principaux lments sensibles [11].

Tab. 1.1. Consquences des creux de tension [1,11]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-500

0

500

van

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-500

0

500

vbn

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-500

0

500

vcn

(V)

Temps (s)

Types dappareils Consquences nfastes

Eclairage Moins de luminosit, extinction et rallumage (lampes arc)

Systmes base EP Arrt du dispositif

Dispositifs de protection Ouverture des contacteurs

Moteurs asynchrones Ralentissements, dcrochage, surintensit au retour de la

tension

Moteurs synchrones Perte de synchronisme, dcrochage et arrt du moteur

Variateurs de vitesse pour un

MCC

En mode onduleur : destruction des protections

En mode redresseur : ralentissement de la machine

Variateurs de vitesse pour un

MAS

Ralentissement, dcrochage, surintensit au retour de la

tension, destruction ventuelle de matriel au niveau du

convertisseur


8

1.3.2 Coupure de tension

Une coupure de tension est une diminution brutale de la tension une valeur suprieure

90% jusqu 100% de la tension nominale. Elle peut tre considre comme une interruption

de courte dure ou une disparition complte de la tension d'alimentation durant une

priode infrieure 10ms 1mn [9]. Elle est, galement, la consquence d'appel de puissances

importantes lors de la mise en service de certaines charges du rseau. On distingue des

coupures longues (> 3mn) : problme de continuit (ou de fiabilit) de la tension et des

coupures brves (< 3mn) : problme de qualit de la tension.

Ce phnomne transitoire (la coupure de tension) est rang dans la mme catgorie que les

creux de tension [12]. La figure 1.2, illustre un exemple dune coupure de tension partir de

linstant 0.1s 0.2s.

Fig. 1.2 Coupure brve de la tension

1.3.3 Fluctuations de tension

La mise en fonctionnement, larrt des appareils lectriques et le fonctionnement de certaines

charges puissance variable provoquent des variations rapide priodique ou alatoires de la

tension telles que les soudeuses, fours arc, oliennes,etc. En gnral, ces variations ne

dpassent pas les 10% de la tension nominale donc, elles ne sont pas risque [9]. La

figure1.4 montre un exemple dune fluctuation de tension.

Les fluctuations de tension peuvent provoquer un papillotement de lclairage (Flikcer),

gnant pour la clientle, mme si les variations individuelles ne dpassent pas quelques 10 %.

Les autres applications de llectricit ne sont normalement pas affectes par ces phnomnes,

tant que lamplitude des variations reste infrieure 10% [12].

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-400

-200

0

200

400

van

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-400

-200

0

200

400

vbn

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-400

-200

0

200

400

vcn

(V)

Temps (s)


9

Fig. 1.3. Fluctuations de tension

1.3.4 Bosse de tension (surtension) et surintensit

Cest une augmentation de lamplitude de la tension de 1,1 en per unit 1,8 per unit (pu). La

figure 1.4 prsente un exemple dune bosse de tension entre linstant 0.1s et 0.2s. Elle peut

causer l'chauffement et la destruction des composants. En cas de court-circuit [13], des

surtensions peuvent galement tre provoques par des phnomnes dorigine atmosphrique

(foudre), par des dclenchements de charges importantes. Ce type de surtensions se

caractrise gnralement par une dure trs brve et sassimile le plus souvent des

transitoires.

Fig. 1.4 Bosses de tension

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-500

0

500

van

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-500

0

500

vbn

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-500

0

500

vcn

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-1000

0

1000

van(V

)

temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-1000

0

1000

vbn(V

)

temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-1000

0

1000

vcn(V

)

temps (s)


10

1.3.5 Dsquilibres du systme triphas en courant et en tension

Le dsquilibre du systme triphas sobserve lorsque les trois tensions ne sont pas identiques

en amplitude et/ou ne sont pas dcales d'un angle de 1200 lune par rapport aux autres, [14].

Un rcepteur triphas lectrique qui nest pas quilibr et quen alimente par un rseau

triphas quilibr conduit des dsquilibres de tension dus la circulation de courants non

quilibrs dans les impdances du rseau. On parlera de dsquilibres du systme triphas en

tension [2]. Un dsquilibre peut avoir comme consquences un chauffement intolr des

machines asynchrones, lexistence de couple inverse et conduisent dgradation prmature

des machines. Dans ce cas, la composante fondamentale est quantifie selon les composantes

symtriques de Fortescue, par ailleurs, ce degr de dsquilibre inverse et un degr de

dsquilibre homopolaire sont dfinies comme suit :

le degr de dsquilibre inverse iu est le rapport entre la composante inverse du

fondamentale de la tension et sa composante directe :

du

iu

iu

1

1 (1.2)

Le degr de dsquilibre homopolaire ou est le rapport entre la composante

homopolaire du fondamentale de la tension et sa composante directe :

du

ou

ou

1

1

(1.3)

La consquence des composantes inverses sur les machines tournantes est la cration dun

champ tournant en sens inverse du sens de rotation normal provoque un couple de freinage

parasite et des pertes supplmentaires qui provoquent un chauffement de la machine.

Concernant, l'effet du dsquilibre homopolaire, il consiste au risque d'chauffement du

conducteur neutre dans un rseau BT qui lorsque le conducteur est d'un diamtre trop faible,

peut provoquer une rupture du conducteur ou un incendie. Pour les dispositifs triphass

dlectronique de puissance, principalement les ponts redresseurs, le fonctionnement en

prsence de dsquilibre entrane l'apparition de composantes harmoniques non

caractristiques, notamment des harmoniques de rang multiple de 3. Lexistence des courants

harmoniques gnre une antirsonance lors du filtrage de lharmonique de rang 5. Outre les

effets classiques des harmoniques, ces frquences non caractristiques peuvent conduire, dans

certains cas, au blocage de la commande. Les deux figures (1.5. a, b) reprsente

respectivement, un exemple de dsquilibres de courants et de tensions dun systme triphas.


11

(a)

(b)

Fig. 1.5 Dsquilibre en amplitude et en phase

Un dsquilibre de tension est caractris par le taux exprim par le rapport des amplitudes

des tensions inverse et directe :

dV

iVv (1.4)

iV : tension inverse ;

dV : tension directe.

Dans les rseaux BT, MT, la norme EN50160 et les normes CEM EN 61000 fixent le taux

admissible du dsquilibre 2 % pendant 95% dune semaine sur les valeurs efficaces

moyennes sur 10 minutes, et jusqu' 3% dans certaines rgions [15].

1.3.6 Variation de la frquence

Une variation sensible de la frquence du rseau peut apparaitre sur les rseaux des

utilisateurs non interconnects ou aliments par une source thermique autonome au niveau des

rseaux de distribution ou de transport. La variation de la frquence est trs rare et n'est

prsente que lors de circonstances exceptionnelles, comme dans le cas de certains dfauts


12

graves sur le rseau [16]. Dans des conditions normales d'exploitation, la valeur moyenne de

la frquence fondamentale doit tre comprise dans l'intervalle 50 Hz 1%. La figure I.6

montre un exemple sur la variation de frquence dun rseau lectrique.

Fig. 1.6 Variation de frquence

1.3.7 Perturbations harmoniques

Lutilisation croissante des quipements lectriques base des convertisseurs statiques

(redresseurs, hacheurs, gradateurs, onduleurs, variateurs de vitesse..etc.) a entran ces

dernires annes une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique des rseaux

lectriques. Ces quipements lectriques sont considrs comme des charges non linaires

mettant des courants harmoniques dont les frquences sont des multiples entiers de la

frquence fondamentale, ou parfois des frquences quelconques. Le passage de ces courants

harmoniques dans les impdances du rseau lectrique peut entraner des tensions

harmoniques aux points de raccordement et par consquent, pollue les consommateurs

aliments par le mme rseau lectrique [17, 18].

1.3.7.1 Harmoniques

Sont dfini comme tant une superposition sur l'onde fondamentale 50 Hz, ayant une

frquence multiple entiers de londe fondamentale. La figure.1.7 montre un exemple des

harmoniques dordre impair superpos sur l'onde fondamentale. Les principales sources

dharmoniques sont : les charges non linaires, et les dispositifs contenant des lments qui

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-500

0

500

van

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-500

0

500

vbn

(V)

Temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

-500

0

500

vcn

(V)

Temps (s)


13

commutent (les convertisseurs statiques, fours arc, inductances satures, transformateurs,

machines tournantes, etc).

Fig.1.7 Fondamental et harmoniques

1.3.7.2 Inter-harmoniques

Ils se superposent l'onde fondamentale mais ne sont pas des multiples entiers de la

frquence du rseau comme montre la figure.1.8. Leurs origines principales sont les

convertisseurs de frquence, les variateurs de vitesse et les quipements de contrle et

commande, etc

Fig. 1.8 Fondamental et inter-harmoniques

1.3.7.3 Infra-harmoniques

Les infra harmoniques sont des signaux de frquence infrieure celle du fondamentale. La

figure.1.9 illustre un exemple danalyse spectrale des harmoniques dun signal priodique

perturb.


14

Fig. 1 .9 Reprsentation spectrale des inters et infra harmoniques

I.3.7.4 Sources dharmoniques

Lalimentation de charges non-linaires gnre des courants harmoniques, circulant dans le

rseau (Figure.1.10). La tension harmonique est due la circulation du courant harmonique

dans les impdances des circuits dalimentation (ensemble transformateur et rseau,).

Limpdance inductive dun conducteur augmente en fonction de la frquence du courant qui

le parcourt. A chaque courant harmonique de rang h correspond donc une impdance de

circuit dalimentation Zh. Le courant harmonique de rang h va crer travers limpdance Zh

une tension harmonique Uh, Cette dformation sera dautant plus consquente que les

impdances du rseau sont importantes, pour un courant harmonique donn, avec :

hi

hz

hu (1.5)

Fig. 1.10 Sources dharmoniques [1]


15

1.3.7.5 Consquences des harmoniques

Les courants harmoniques qui se propagent dans les rseaux lectriques, dforment lallure

du courant de la source et polluent les consommateurs aliments par les mmes rseaux. On

peut classer les effets engendrs par les harmoniques en deux types [1].

les effets instantans ;

les effets terme.

1.3.7.5.1 Effets instantans des harmoniques

Ils apparaissent immdiatement dans certains appareillages.

Dfauts de fonctionnements de certains quipements lectriques : en prsence

dharmoniques, la tension et le courant peuvent changer plusieurs fois de signe dans une

demi-priode. Les appareils dont le fonctionnement est bas sur le passage zro des

grandeurs lectriques peuvent tre affects ;

Trouble fonctionnel des micro-ordinateurs : les effets sur ces quipements peuvent

se manifester par la dgradation de la qualit de limage et par des couples pulsatoires des

moteurs dentranement de disque ;

Les perturbations et la dpollution dans les systmes lectriques : certains appareils de

mesure et les compteurs dnergie induction prsentent des dgradations de mesures et des

erreurs de lecture supplmentaires en prsence des harmoniques ;

Vibrations et bruits : les courants harmoniques gnrent galement des vibrations et des

bruits acoustiques, principalement dans les appareils lectromagntiques.

1.3.7.5.2 Effets terme des harmoniques

Ils se manifestent aprs une exposition plus ou moins longue la perturbation harmonique.

Leffet le plus important est de nature thermique qui se traduit par un chauffement. Il

conduit une fatigue prmature du matriel, des lignes et amnent un dclassement des

quipements.

Echauffement des cbles et des quipements: ces effets peuvent tre moyen terme (de

quelques secondes quelques heures) ou long terme (de quelques heures quelques

annes). Concernent, les cbles qui peuvent tre, dun sur chauffement du neutre et des

lments bobins (transformateurs, moteurs, etc..).

Echauffement des condensateurs : lchauffement est caus par les pertes dues au

phnomne dhystrsis dans le dilectrique. Les condensateurs sont donc sensibles aux


16

surcharges, quelles soient dues une tension fondamentale trop leve ou la prsence

dharmoniques. Ces chauffements peuvent conduire au claquage.

Echauffements des pertes supplmentaires des machines et des transformateurs :

chauffements causs par les pertes dans les stators des machines et principalement dans

leurs circuits rotoriques (cages, amortisseurs, circuits magntisants) cause des

diffrences importantes de vitesse entre les champs tournants inducteurs harmoniques et

le rotor. Les harmoniques gnrent aussi des pertes supplmentaires dans les

transformateurs, par effet joule dans les enroulements, accentues par leffet de peau et

des pertes par hystrsis et courant de Foucault dans les circuits magntiques.

1.3.7.6 Caractrisation des perturbations harmoniques

Diffrentes grandeurs sont dfinies pour caractriser la distorsion en rgime dform. Le taux

global de distorsion harmonique (THD) et le facteur de puissance ( Fp ) sont les plus

employs pour quantifier respectivement la perturbation harmonique et la consommation de

puissance ractive [1, 9].

1.3.7.6.1 Taux de Distorsion Harmonique (THD)

Notre tude se limite au cas o la source est sinusodale et/ou le courant absorb par la charge

est entach de composants harmoniques. Dans ces conditions, le taux global de distorsion

harmonique (THD) est bien adapt pour quantifier le degr de pollution harmonique sur les

rseaux lectriques. Il svalue par rapport la frquence fondamentale et caractrise

linfluence des harmoniques sur londe dforme du courant. Il est donn par lexpression

suivante :

1

2

2

(%)

cI

n

iciI

THD

(1.6)

Avec,

Ic1 : la valeur efficace de la composante fondamentale du courant de charge et Ici les valeurs

exactes des diffrentes composantes harmoniques du courant de charge.

Par analogie, le taux global de distorsion harmoniques des tensions peut scrire :


17

1

2

2

%

cU

n

i ciU

THD

(1.7)

Le facteur de puissance est dfini, dans le cas gnral, par le rapport entre la puissance active

et la puissance apparente.

1 1

22

1

cos

n nnn

nnnn

P

IU

IU

S

PF avec nnn (1.8)

En prsence des harmoniques, la puissance apparente S est compose de trois parties comme

le montre lquation suivante :

222 DQPS (1.9)

Avec,

Q : la puissance ractive associe au courant fondamental ;

D : la puissance dformante due aux harmoniques du courant.

O,

cos.cos...3 1 disc FIUP (1.10)

Avec : Fdis : prsente le facteur de distorsion. Il vaut 1 lorsque le courant est parfaitement

sinusodal, et , il dcrot lorsque la dformation de londe saccentue.

: reprsente le dphasage entre le courant fondamental et la tension entre P et S.

Par ailleurs :

sin...3 1cIUQ (1.11)

et,

50

2

2.3h

hIUD (1.12)

Finalement :

coscoscos 1222

DQP

P

S

PFp (1.13)


18

Fig. 1.11 Diagramme de Fresnel des puissances

Donc, on voit bien que les harmoniques affectent aussi le facteur de puissance.

1.3.7.7 Normes et recommandations

Afin dassurer une bonne qualit dnergie sans la prsence des perturbations harmoniques

dans le rseau lectriques, des normes sont imposes aux fournisseurs et utilisateurs. Le taux

de distorsion harmonique (THD) et le facteur de puissance ( Fp ) sont galement les deux

grandeurs employes pour quantifier respectivement ces perturbations et la consommation de

la puissance ractive. Rappelons que deux taux de distorsion harmonique sont distingus :

le taux de distorsion harmonique en courant, not THDi ;

le taux de distorsion harmonique en tension, not THDv .

cet effet, les fournisseurs et les utilisateurs de lnergie sont amens respecter des normes

et des recommandations imposes qui dfinissent les rgles relatives la compatibilit

lectromagntique (CEM) dfinies comme suit [8,16] :

au niveau international par CEI (Commission Electrotechnique Internationale),

au niveau europen par (CENELEC) (Comit Europen de Normalisation Electrotechnique),

au niveau Franais par :

lUTE (Union Technique de lElectricit) ;

le CEF (Comit Electrotechnique Franais).

au niveau nord Amricain par lIEEE 519-1992 standard.


19

1.3.7.7.1 Normes imposes aux harmoniques

Les principales normes en matire des pollutions harmoniques dans un rseau public basse

tension dont le courant par phase est infrieur 16A sont [16] :

au niveau international les normes CEI 61000 ;

au niveau europen la NF EN 50160 ;

au niveau Franais la NF C15-100.

1.3.7.7.1.1 Normes CEI 61000

Au niveau international par (CEI), les normes CEI 61000 publies dans le domaine de la

compatibilit lectromagntique (CEM) sont divises en six parties, et chaque partie est

divise en plusieurs sous-parties conformment la structure suivante [16] :

Partie 1 : gnralits

Partie 2 : environnement

Partie 3 : limites

Partie 4 : techniques dessai et de mesure

Partie 5 : guide dinstallation et dattnuation

Partie 6 : normes gnriques

Pour les rseaux lectriques, les recommandations dEDF (Electricit de France) pour les

tensions sont :

Pour un harmonique pair : Vh / V10,6 %

Pour un harmonique impair : Vh / V1 1 %,

Pour le taux de distorsion global de tension : THD < 1,6 %.

les normes internationales les plus rcentes concernant les courants et les tensions. Dans celle-

ci il est possible dextraire la partie concernant les niveaux de compatibilit, dmission et

dimmunit.

1.3.7.7.1.2 Les normes (CEI-61000) dont le courant par phase est infrieur 16A

Les normes CEI-61000 dfinissent les niveaux des courants et des tensions harmoniques

respecter. Le tableau. 1.2 ci-dessous prsente la norme CEI-61000-3-2 qui fixe la limitation

des courants injects dans un rseau public basse tension pour des quipements dont le

courant par phase est infrieur 16A [16].


20

Tab. 1.2. Limites des composantes harmoniques en courant

1.3.7.7.1.3 La norme (CEI-61000-3-4) pour un courant par phase de 16A - 75A.

Cette norme spcifie les limites dmissions de courants harmoniques des quipements

individuels d'intensit assigne suprieure 16A et jusqu' 75A. Ces limites s'appliquent aux

rseaux publics de tensions monophases et triphases nominales de. Comme le montre le

tableau 1.3.

Tab. 1.3 Limites des missions de courants harmoniques

1.3.7.7.1.4 Les normes CEI-61000-2-2 et CEI-61000-2-4

La norme CEI-61000-2-2 fixe les limites de compatibilit pour les perturbations conduites

basse frquence et la transmission de signaux sur les rseaux publics dalimentation basse

Harmoniques impairs Harmoniques pairs

Rang Courant harmoniqueadmissible maximal (A)

Rang Courant harmonique admissiblemaximal (A)

Rang Ih / I1 (%) Rang Ih / i1 (%)3 2.30 2 1.085 1.14 4 0.437 0.77 6 0.309 0.40 8 40 0.23*8/h

11 0.3313 0.21

15 39 0.15*15/ h

Rang Courant harmonique en % du fondamentalImpaire Ih / I1 (%)

3 21.65 10.77 7.29 3.811 3.113 2.015 0.717 1.219 1.121 0.6 23 0.925 0.827 0.6 29 0.731 0.7

33 0.6 pair 0.6 ou 8/h


21

tension. Le tableau 1.4 prsente les niveaux de compatibilit pour les tensions harmoniques

sur les rseaux publics basse tension.

La norme CEI 61000-2-4 fixe les limites de compatibilit pour les rseaux industriels et non

publics basse tension et moyenne tension, lexclusion des rseaux de navires, des avions, des

plate formes offshore et des installations ferroviaires (Tableau.1.5).

Harmoniques impairs Harmoniques pairs

non multiple de 3 multiple de 3

Rang Vh/V1 (%) Rang Vh/V1 (%) Rang Vh /V1 (%)

5 6 3 5 2 2

7 5 9 1.5 4 1

11 3.5 15 0.5 6 0.5

13 3 21 0.2 8 0.5

17 2 10 0.5

19, 23 et 25 1.5 12 0.2

25 0.2+0.5*25/h En gnrale le THD global de tension ne dpassant pas 8 %.

Tab. 1.4 Niveaux de compatibilit des harmoniques de tension (CEI-61000-2-2)

Rang harmonique Classe 1 Classe 2 Classe 32 2 2 33 3 5 64 1 1 1.55 3 6 86 0.5 0.5 17 7 5 78 0.5 0.5 19 1.5 1.5 2.5

10 0.5 0.5 111 3 3.5 5

paire 10 0.2 0.2 113 3 3 4.515 0.3 0.3 217 2 2 419 1.5 1.5 421 0.2 0.2 1.75

impaire 21 multiple 3

0.2 0.2 1

23 1.5 1.5 3.525 1.5 1.5 3.5

impaire 21 non multiple 3

0.2+25/2h 0.2+25/2h 5* (11/)

THD 5% 8% 10%

Tableau 1.5 Taux de distorsion (%) des tensions harmoniques acceptables (Norme CEI 61000-2-4).


22

Les classes d'environnement lectromagntique du tableau 1.5 sont dfinies comme suit :

Classe1 (les matriels et les systmes sensibles) cette classe est sapplique seulement aux rseaux

bas tensions protges avec des niveaux de compatibilits plus bas que ceux des rseaux publics.

Classe 2( les rseaux industriels), cette classe est sapplique aux rseaux internes et au point de

livraison du distributeur. Les niveaux sont les mmes que ceux des rseaux publics.

Classe 3 (les rseaux industriels perturbs), cette classe est sapplique seulement aux rseaux

internes et les niveaux sont suprieurs ceux de la classe 2.

1.3.7.7.1.5 La norme CEI 61000-4-13

Cette norme prcise les essais dimmunit basse frquence aux harmoniques et inter-

harmoniques incluant les signaux transmis sur le rseau lectrique. Le tableau 1.6 indique les

taux des harmoniques en tension utiliser pour vrifier limmunit des appareils pour les

matriels et systmes sensibles (classe 1) et les rseaux industriels (classe 2) [16].

Tab. 1.6 Taux des harmoniques en tension imposer pour vrifier limmunit des appareils

1.3.7.7.1.6 La norme IEEE 519 -1992 Standard

LIEEE dfinit les exigences et recommandations pratiques pour contrler le taux de

pollution harmonique prsent sur les rseaux lectriques. Elle spcifie les limites pour les

courants harmoniques qu'un abonn ne doit pas dpasser au point de raccordement du

fournisseur d'lectricit. Il spcifie galement des limites pour la distorsion de tension que

doit garantir le fournisseur d'lectricit [7].

Rangharmonique

Matriels etsystmes sensibles (%)

RseauxIndustriels(%)

3 8 85 8 127 6.5 109 2.5 411 5 713 4.5 615 - 317 3 519 2 521 - 223 2 425 2 427 - 229 1.5 431 1.5 3


23

Tab 1.7 Limites de distorsion de tension pour les fournisseurs [7]

Dans ce Standard, les limites sont donnes par rapport au quotient des courants de court-

circuit ( Isc ) au point de raccordement du rseau et du courant de charge fondamental ( Ich ) .

La norme IEEE 519-1992 recommande notamment une distorsion harmonique totale de

tension infrieure 5% pour les systmes de moins de 69KV et une distorsion harmonique

individuelle de tension infrieure 3% [7].

Distorsion maximale du courant harmonique en pourcentage de Ich

Ordre harmonique individuel (harmoniques impairs)

ISC / Ich 69.001 kV et < 161 kV 1.5 2.5

> 161.001 kV 1.0 1.5


24

. Les relations entre les diffrentes grandeurs qui caractrisent l'volution de cette charge sont

les suivants:

)sin(2)( tutu eff (1.14)

)sin(2)( titi eff (1.15)

O effu et effi sont respectivement la tension et le courant efficaces La puissance active

fournie la charge est :

)cos(effeff iuP (1.16)

La puissance apparente de la charge est :

effeff iuS (1.17)

La puissance ractive fournie la charge est :

)sin(effeff iuQ (1.18)

Le facteur de puissance de la charge est :

)cos(S

PF (1.19)

1.4.1. 1. Modle de la charge linaire

Les relations entre les tensions et les courants triphass dune charge linaire (R-L) sont :

() = . () +

()

() = . () + ()

() = . () + ()

(1.20)

Et, on peut exprimer les courants dentre comme suit :

() =

()

()2+2

sint tan1

R

L

() =()

()2+2

sint 2

3 tan

1

R

L

() = ()

()2+2

sint 4

3 tan

1

R

L

(1.21)

1.4.1.2. Simulation dune charge RL linaire

Il sagit de considrer le cas dune source triphase alimentant une charge RL triphase

comme le montre la figure.1.12.


25

a) Model de la charge linaire

b) Courants de charge RL

c) Analyse spectrale des courants de charge RL

Fig. 1.12 Montage et Simulation dune charge linaire (charge RL)

La figure 1.12 montre, les courants de charge et lanalyse frquentielle pour une charge

linaire (charge RL) alimente par une source triphase sinusodale. Dans ce cas, on remarque

quils sont purement sinusodaux et la prsence, seulement, de la raie de la fondamentale (50

Hz et de rang 1).

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-5

0

5

ian(A)

temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-5

0

5

ibn(A)

temps (s)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-5

0

5

icn(A)

temps (s)


26

1.4.2 Charge non linaire

La charge non linaire peut tre considre comme une ractance saturable, une rsistance

non linaire, un convertisseur base des semi conducteurs de puissance (redresseurs,

hacheurs, gradateurs, onduleurs, variateurs de vitesse..etc.), ou un montage interrupteurs

mcaniques ou lectroniques qui se ferment et souvrent priodiquement. Si on alimente une

charge non linaire (par exemple un pont redresseur triphas non command), par une tension

sinusodale, le courant circulant dans la charge n'est plus sinusodal, il contient donc une

composante fondamentale et des composantes harmoniques. Ces harmoniques de courant

circulent dans la source de tension, en mme temps quils parcourent la charge. En plus, ce

qui concerne le rseau lectrique, ces courants harmoniques vont engendrer une dtrioration

de londe de tension au point de raccordement dautres charges connectes au mme rseau.

1.4.2.1. Simulation dune charge non linaire (pont redresseur diodes)

Il sagit de considrer le cas dune source triphase alimentant un pont de Graetz triphas

comprenant six diodes. Le pont de Graetz triphas de nature charge non linaire alimente une

charge RL. La figure.1.13,a montre le schma de principe du circuit considr.

a) Model de la charge non linaire

b) Courants de charge non linaire


27

c) Analyse spectrale des courants de charge non linaire

Fig. 1.13 Montage et Simulation dune charge non linaire

La figure 1.13.b illustre les courants de charge. Ces derniers sont des formes presque

rectangulaires donc contiennent des harmoniques. Finalement, lanalyse frquentielle illustre

par la figures 1.13.c montre la prsence, en plus de la fondamentale (rang 1), des

harmoniques de rang. 5, 7, 11, 13, 17, 19 etc.

En conclusion, une charge non linaire, constitue par un pont redresseur diodes considr

comme une charge non linaire gnre des harmoniques de courant dordre 6k 1 o k est le

rang de lharmonique ( k = 1,2,3,n). Par consquent, absorbe du rseau une nergie

ractive. Le courant de la charge ich consomm par ce pont redresseur, peut tre dcompos

en srie de Fourier [1, 19].

....................................................19sin19

117sin

17

1

13sin13

111sin

11

1sin

7

1sin

5

1sin

2 1tt

ttttt

itI ch

(1.22)

Avec i1, et le courant fondamental

Nous remarquons que la valeur efficace de chaque courant harmonique ih est inversement

proportionnelle au rang correspondanth

iih

1 .

1.5 Solutions de dpollution des rseaux lectriques

Les perturbations engendres par les charges non linaires peuvent tre attnues soit [1, 9]:

avec un systme auxiliaire de filtrage pour les perturbations harmoniques ;

en limitant la consommation de puissance ractive ;

en modifiant la topologie du convertisseur pour limiter les propagations harmoniques ;


28

en augmentant la puissance de court circuit du rseau par rapport la puissance du

gnrateur..etc.

Alors, selon la littrature, les solutions les plus rpondus pour la dpollution des rseaux

lectriques peuvent tre classes en deux groupes :

Solutions traditionnelles ;

Solutions modernes.

1.5.1 Solutions traditionnelles

Les solutions traditionnelles de dpollution sont essentiellement des solutions passives ou des

modifications structurelles permettant de traiter directement les harmoniques.

1.5.1.1 Surdimensionnement ou dclassement de linstallation lectrique

Lide consiste surdimensionn tous les lments de linstallation susceptible de vhiculer

des courants harmoniques afin dviter les consquences. Par cette approche, les problmes

lis la pollution harmoniques sont rsolus pendant une dure limite. Le dclassement des

quipements de distribution lectrique soumis aux harmoniques est utilis dans le cas des

installations existantes. Cette solution entraine un accroissement important du cot de

linstallation.

1.5.1.2 Augmentation de la puissance de court circuit

La puissance harmonique augmente lorsque la puissance de court circuit diminue, la

diminution de l'impdance totale en amont de la charge non linaire permet de rduire la

tension cre par les harmoniques de courant, et donc de diminuer le taux de distorsion

harmonique en tension au point de raccordement. Cependant, les courants harmoniques ne

sont pas attenus.

Une dmarche thorique simple consiste augmenter la puissance de court-circuit du rseau.

Cette solution est onreuse pour linstallation et lexploitation. De plus, devant

laugmentation du nombre de convertisseurs statiques raccords au rseau, cette solution ne

prsente pas dintrt long terme.

La relation nnn IZU , entre la tension, limpdance et le courant permet de mettre en

vidence le principe de cette mthode. Une dcroissance de Zn produit une diminution des

tensions Un courant In constant.


29

1.5.1.3 Les transformateurs couplage passif

Certain couplage du type triangle-zigzag permettent de supprimer les harmoniques de rang 3

et leurs multiples aux prix de laugmentation de limpdance de ligne, et donc de

laugmentation de la distorsion de la tension [19].

1.5.1.4 Agir sur la structure de l'installation

Il est souhaitable d'alimenter un grand pollueur par un transformateur part, afin de le

sparer d'un rcepteur sensible. Face un pollueur moyen il est prfrable d'effectuer

l'alimentation par des cbles distincts au lieu de les connecter en parallle. Une distribution en

toile permet le dcouplage par les impdances naturelles et/ou additionnelles [9].

1.5.1.5 Filtrages passifs

Elles apportent une solution facile et rapide pour certains cas de perturbations bien localises

et utilisent des composants passifs (inductances, condensateurs, transformateurs) et /ou des

branchements qui modifient le schma de linstallation communment appel filtres passifs.

Le rle de ces filtres est labsorption des harmoniques et la rduction concomitante du THD.

Leur principe consiste placer, en parallle avec le rseau dalimentation, une impdance de

valeur trs faible autour de la frquence filtrer et suffisamment importante la frquence

fondamentale du rseau [1]. Il sagit notamment de mettre en uvre les moyens suivants :

parmi les dispositifs de filtrage les plus rpandus, on distingue le filtre passif rsonnant et le

filtre passif amorti ou passe-haut [20].

1.5.1.5.1 Filtre passif rsonnant

Il est constitu dun circuit RLC en srie accord sur une frquence dtermine. Ce filtre est

trs slectif [21]. La figure 1.15 prsente le schma de branchement du filtre et lvolution

de leur impdance en fonction de la frquence.

Fig. 1.14 Branchement dun filtre passif rsonnant


30

Le filtre une impdance quivalente Zeq donne par :

jC

jRCLCZ eq

21(1.23)

I.5.1.5.2 Filtre passif amorti (Passe Haut)

Ce filtre prsente une faible impdance sur une large bande de frquence. Il est beaucoup

moins slectif et rduise les harmoniques suprieures au voisinage de leurs rangs daccord.

La figure 1.15 reprsente le schma de branchement dun filtre amorti et lvolution de son

impdance en fonction du rang harmonique. Ce filtre prsente des performances moins

bonnes que celles du filtre rsonnant. En revanche, les consquences dune variation de la

capacit ou de la frquence sont trs limites [9].

Fig. 1.15 Filtre passif amorti (passe-haut)

Le filtre une impdance quivalente Zeq donne par [1] :

jCCR

LR

LjLC

Z eq

2

21(1.24)

1.5.1.5.3 Inconvnients du filtrage passif [1]

Une connaissance approfondie de la configuration du rseau lectrique est ncessaire ;

Les variations de limpdance du rseau peuvent dtriorer la performance du filtre ;

Le rseau peut former un systme rsonnant avec un filtre et les frquences voisines de la

frquence de rsonance sont amplifies ;

Equipement volumineux ;

Inadaptabilit et perte defficacit lorsque les caractristiques du rseau lectrique

voluent.


31

1.5.2 Solutions modernes

Deux raisons principales ont conduit concevoir une nouvelle structure de filtrage moderne et

efficace appele filtre actif de puissance.

La premire raison est due aux inconvnients inhrents des solutions traditionnelles de

dpollution qui ne rpondent plus lvolution des charges et des rseaux lectriques. En

effet, les mthodes dites classiques de filtrage ou de dpollution des rseaux lectriques

prsentent un certain nombre dinconvnients. Le plus important dentre eux est sans doute le

fait dtre sensible aux volutions de lenvironnement. Ils voient leur efficacit baisser avec

les variations des perturbations (variation des frquences et des amplitudes des harmoniques).

La seconde raison fait suite lapparition de nouveaux composants commutation

force, comme les transistors bipolaires, les thyristors GTO et les transistors IGBT qui a

permis de raliser de nouvelles structures qui assurent le contrle de la forme donde de la

phase du courant dentre. Le but de ces filtres est de gnrer soit des courants, soit des

tensions harmoniques de manire compenser les perturbations responsables de la

dgradation des performances des quipements et installations lectriques. Ainsi le filtrage

actif tend annuler les courants harmoniques en injectant dans la source perturbatrice des

courants harmoniques damplitudes identiques, mais en opposition de phases laide dun

pont onduleur. A cet effet, une mesure du courant de la charge non linaire permet de

connatre le courant fournir.

Nous citerons trois configurations possibles de filtres actifs :

le filtre actif parallle (FAP) : conu pour compenser toutes les perturbations de courant

comme les harmoniques, les dsquilibres et la puissance ractive ;

le filtre actif srie (FAS) : conu pour compenser toutes les perturbations de tensions

comme les harmoniques, les dsquilibres et les creux de tension ;

la combinaison parallle srie et la combinaison srie parallle (UPQC) : solution

universelle pour compenser toutes les perturbations en courant et en tension.

1.5.2.1 Filtre actif parallle

Le principe de base des filtres actifs parallles a t originalement prsent par H. Sasaki et T.

Machida en 1971 [22], Il est connect en parallle sur le rseau de distribution Comme

montr dans la Fig. 1.16. Il est habituellement command comme un gnrateur de courant.

Son principe est dinjecter dans le rseau lectrique des courants harmoniques gaux ceux

absorbs par la charge non linaire mais en opposition de phase, de telle sorte que le courant

fourni par le rseau soit sinusodal. Ainsi, il empche les courants harmoniques, ractifs et


32

dsquilibrs de circuler travers limpdance du rseau. Par consquent, Il amliore le taux

de distorsion harmonique en courant [1,9, 18].

Fig. 1.16 Montage dun filtre actif parallle (FAP)

1.5.2.2 Filtre actif-srie

Le filtre actif srie est connect en srie sur le rseau comme le montr la figure 17. Il se

comporte comme une source de tension qui engendre des tensions harmoniques dont la

somme avec la tension rseau est une onde sinusodale. Le filtre actif srie est destin

protger les installations qui sont sensibles aux tensions perturbatrices (harmoniques,

creux, dsquilibrs) provenant de la source et galement celles provoques par la

circulation des courants perturbateurs travers limpdance du rseau. Cette structure est

proche, dans le principe, des conditionneurs de rseau. Toutefois, cette topologie prsente

quelques difficults et inconvnients lors de sa mise en uvre. Elle ne permet pas de

compenser les courants harmoniques consomms par la charge [1, 2, 9].


33

Fig. 1.17 Montage du filtre actif en srie (FAS)

1.5.2.3 Combinaison parallle-srie

Cest une solution de compensation universelle base sur le fonctionnement simultan des

filtres actifs parallle et srie figure 1.18. Donc, elle possde les avantages cumuls des filtres

actifs parallles et srie. Cette nouvelle topologie est appele combinaison parallle srie actif

ou en anglais Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Un filtre actif srie plac en

amont du filtre actif parallle, comme il est montr ci-dessous, permet de dpolluer la source

des tensions perturbatrices ; or sil est plac en aval, il permet disoler la charge de la source

perturbe [1, 9].

Fig. 1.18 Combinaison parallle -srie actif (UPQC)


34

I.5.2.4 Filtres hybrides

Il faut noter lexistence de plusieurs autres combinaisons mixtes de filtres actifs avec cette

fois-ci les filtres passifs. Ces combinaisons dites combinaisons hybrides active et passive. Ces

structures sont conues pour rduire le dimensionnement et par consquent le prix des filtres

actifs. Dans ce cas, les filtres passifs qui ont pour rle dliminer les harmoniques

prpondrantes permettent de rduire le dimensionnement des filtres actifs qui ne compensent

que le reste des perturbations. Plusieurs configurations ont t prsentes dans la littrature

dont les plus tudies sont [23, 24].

1.5.2.4.1 Filtre actif srie avec des filtres passifs parallles

Dans ce cas, le rle du filtre actif srie est dempcher les courants harmoniques de circuler

vers les rseaux et de les obliger passer par les filtres passifs raccords leurs frquences

comme le montre la figure suivante figure. 1.29.

Fig. 1.19. Filtre actif srie avec filtre passif parallle

1.5.2.4.2 Filtres actifs sries connect en srie avec des filtres passifs parallles

Le principe de fonctionnement de cette configuration est le mme que le prcdent. Il a

lavantage de rduire encore le dimensionnement du filtre actif srie car le courant qui le

traverse est faible [1, 9], de plus, le filtre actif srie est labri dun ventuel court circuit de

la charge figure. 1.20.


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Fig. 1.20 Filtre actif srie connect en srie avec filtre passif srie

1.5.2.4.3 Filtre actif parallle avec un filtre passif parallle

Dans ce cas, le rle du filtre actif parallle est de compenser les courants harmoniques basses

frquences mis par la charge polluante. Le filtre passif accord sur une frquence leve,

limine les harmoniques hautes frquences y compris ceux cres par le filtre actif parallle

figure 1.22, [1, 9].

Fig.1.21 Filtre actif parallle avec filtre passif parallle

1.5.2.4.5 Comparative et choix du filtre parallle

Le tableau I.10 montre un rcapitulatif des avantages et inconvnients de cinq schmas de

dpollution concernant renforcement de la puissance de court-circuit, le filtrage passif, le

filtrage actif srie, filtrage actif parallle et le filtrage parallle-srie actifs.


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Le filtrage parallle-serie actifs compense toutes les perturbations lies la tension et au

courant. Nanmoins, cette solution dite universelle reste difficilement ralisable en

pratique.

Le filtrage actif parallle gnre des composantes harmoniques aux mmes

frquences et en opposition de phase aux perturbations mesures. Il compense les courants

harmoniques engendrs par une charge non linaire, tout en s'adaptant aux volutions du

rcepteur. Cependant, la compensation des harmoniques de tension n'est toujours pas vidente

avec cette approche. En raison de la lgislation des normes de qualit de l'nergie (plutt

porte sur la compensation des harmoniques de courant) et les bonnes performances obtenues

par le FAP, nous avons retenu cette topologie de compensation pour notre stratgie de

dpollution des perturbations harmoniques.

Principes Avantages InconvnientsRenforcement de lapuissance de court-circuit

Amlioration de la forme de la tension pas d'amlioration de laforme du courant, pastoujours ralisable

filtrage passif amlioration de la forme du courant risque de rsonance, pasd'adaptabilit

filtrage actif srie Amlioration de la forme dela tension, adaptabilit auxvariations de charge et du rseau

pas d'a

contribution à l'étude des stratégies d'identification harmoniques et

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