Chapitre VI Qualité d’énergie des convertisseurs statiques
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VI.1. Introduction
L’énergie électrique est généralement distribuée sous la forme de trois tensions constituant
un système sinusoïdal triphasé. Un des paramètres de ce système est la forme d’onde qui doit être
la plus proche possible d’une sinusoïde.
Dans de nombreux cas, le courant consommé par les charges n’a plus une forme purement
sinusoïdale.
Les courants harmoniques sont des courants dont la fréquence est un multiple entier de la
fondamentale (fréquence de l'alimentation électrique). La superposition des courants
harmoniques sur le courant fondamental provoque les formes d'onde non sinusoïdales associées
aux charges non linéaires.
On peut classer les perturbations électriques sur la base de leur durée :
- les perturbations transitoires,
- les perturbations de courte durée,
- les perturbations permanentes.
L’objet de ce cours est d’analyser, dans un premier temps, l’influence des perturbations et
des courants harmoniques dans le réseau électrique surtout celles produites par les redresseurs
classiques à commutation naturelle. Dans un second temps, nous étudierons les différentes
solutions traditionnelles et avancées permettant l’atténuation des effets les plus néfastes.
VI.2. Qualité de l’énergie électrique
Le terme « qualité de l’énergie » fait référence à la qualité d’une alimentation électrique,
ainsi qu’à la qualité d’une onde de tension et à la qualité des courants. Lorsque la tension est
présente, les principaux phénomènes pouvant l’affecter sont d’une part les variations lentes :
creux de tension, surtensions, coupures, déséquilibres et d’autre part des variations rapides :
surtensions transitoires, flicker ainsi que les harmoniques. La qualité des courants reflète par
contre la possibilité des charges à fonctionner sans perturber ni réduire l’efficacité du système de
puissance. C’est pourquoi certains considèrent que la qualité de l’électricité se réduit à la qualité
de la tension.
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La qualité de l’alimentation électrique ou qualité de l’onde fait référence à la mesure du
degré de conformité d’une source d’alimentation électrique par rapport à un certain nombre de
critères ou de normes à caractère quantitatif et absolu. L’énergie électrique est délivrée sous
forme d’un système triphasé de tensions sinusoïdales. Les paramètres caractéristiques de ce
système sont les suivants :
la fréquence,
l’amplitude,
la forme d’onde qui doit être sinusoïdale,
la symétrie du système triphasé, caractérisée par l’égalité des modules des trois tensions
et de leurs déphasages relatifs.
Tout phénomène physique affectant une ou plusieurs de ces caractéristiques peut être
considéré comme perturbation. En pratique, ces perturbations sont classées selon la durée du
phénomène. Ainsi, il est possible de distinguer :
- les altérations de l’onde de tension (harmoniques, déséquilibre, flicker). Ces phénomènes sont
permanents ou durent au minimum plusieurs minutes,
- les creux de tension et coupures brèves d’une durée de l’ordre d’une à quelques secondes,
- les surtensions transitoires, de durée inférieure à une période.
VI.3. Pollution Harmonique due aux convertisseurs statiques
Un convertisseur statique est constitué d’un ensemble d’éléments passifs réactifs qui ne
consomment pas de puissance active (inductances, condensateurs), utilisés comme moyens de
filtrage ou de stockage intermédiaire d’énergie, et de composants semi-conducteurs utilisés
comme interrupteurs de puissance pour gérer le transfert d’énergie. Le fonctionnement en régime
de commutation de ces interrupteurs est la raison pour laquelle les convertisseurs statiques se
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comportent vis-à-vis de la source d’alimentation comme des charges non linéaires. Même si la
topologie du convertisseur est généralement invariable, l’ouverture et la fermeture des
interrupteurs provoquent un comportement à impédance variable par rapport à la source
d’alimentation. Ainsi, les convertisseurs statiques absorbent des courants non sinusoïdaux et
pour la plupart consomment de la puissance réactive ce qui pose de nombreux problèmes aux
réseaux électriques.
Partant de ce fonctionnement en commutation, on peut identifier deux sortes de perturbations
provoquées par les convertisseurs statiques :
la première catégorie comprend les émissions d’ondes électromagnétiques. L’amplitude
du phénomène est directement liée au mode de commutation des interrupteurs, au
câblage, et à la qualité de blindage ;
la seconde catégorie comprend les perturbations électriques (en courant et en tension)
conduites par les lignes d’alimentation dont l’origine se trouve dans le comportement
non linéaire de ces dispositifs. Elles peuvent être classées, suivant la fréquence, en deux
familles :
1. perturbations conduites haute fréquence (supérieure à 2 kHz) qui peuvent être
atténuées par les lignes de distribution ;
2. perturbations conduites basse fréquence (inférieure à 2 kHz) dont les différentes
techniques de contrôle tentent de les minimiser.
VI.3.1. Problématique des harmoniques
La problématique des harmoniques dans le réseau électrique, également appelée
pollution harmonique, n’est pas un phénomène nouveau. Néanmoins, du fait que de plus en plus
de charges non linéaires se connectent au réseau, la problématique des harmoniques est devenue
très répandue. Les charges non linéaires provoquent une distorsion des courants et donc des
tensions, ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement des dispositifs raccordés au réseau.
D’où, l’intérêt d’éliminer ou de repousser les harmoniques vers les fréquences les plus élevées.
Un récepteur d’énergie est considéré par le réseau électrique comme une charge
perturbatrice s’il absorbe des courants non sinusoïdaux ou des courants déséquilibrés ou s’il
consomme de la puissance réactive. Les deux premiers types de perturbations peuvent déformer
ou déséquilibrer les tensions du réseau lorsque l’impédance de celui-ci n’est pas négligeable. Le
troisième réduit la capacité de production ou de transmission de la puissance active des
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générateurs, des transformateurs et des lignes électriques.
Les harmoniques de courant, une fois injectés par des charges non linéaires, se propagent
à travers le réseau électrique en affectant la forme d’onde des tensions aux différents points du
réseau. Cette propagation n’est limitée que par les bifurcations (points de division des courants)
et les impédances du réseau qui dépendent généralement de la fréquence des courants
harmoniques. La présence des harmoniques de courant se révèle essentiellement à travers leurs
effets sur la tension du réseau.
VI. 3.2. Perturbations harmoniques dans le réseau
VI.3.2.1. Origine des harmoniques type courant et tension
Une charge est classée non-linéaire lorsque le courant qu’elle absorbe n’a pas la même
forme que la tension qui l’alimente. Ce courant contient plusieurs composantes harmoniques dont
le spectre sera fonction de la nature de la charge. Ces charges génèrent le chemin de la moindre
impédance.
On appelle harmonique une superposition sur l’onde fondamentale à 50Hz d’onde
également sinusoïdale, mais de fréquence multiple entier de celle de la fondamentale. Parmi les
charges non-linaires on trouve par exemple : les convertisseurs statiques, les variateurs de
vitesses, les alimentations à découpage, poste à souder, etc. Figure VI.1 montre du point de vue
forme d’onde, la différence entre une charge linéaire et non linéaire. Lorsqu’on compare les deux
signaux, on remarque clairement la forme déformante du courant dans le cas de charge non
linéaire. Cette forme non sinusoïdale pourrait être décomposée en multiples harmoniques à l’aide
de la fameuse technique de série de Fourier.
Figure (VI.1) : Formes de courant et de tension pour charge linéaire et non linéaire
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Remarque:
Lorsque le signal possède une composante superposée à l’onde fondamentale 50Hz et qui
n’est pas multiple de la fréquence fondamentale (ex. :175Hz), on parle d’inter-harmonique.
Il s’agit alors des sources génératrices des courants harmoniques qui peuvent être classées en
deux types :
a. Sources harmoniques identifiables
Les équipements dotés de dispositif à base d’électronique de puissance notamment les
redresseurs et les différents types de convertisseurs de puissances importantes, installés sur le
réseau haute et moyenne tension sont typiquement des sources harmoniques identifiables.
Avec ce type de charges non linéaires, le distributeur d’énergie est capable d’identifier le
point d’injection des harmoniques et de quantifier la perturbation provoquée.
Dans ce cas c’est l’utilisateur qui doit se procurer les moyens nécessaires afin de réduire cette
perturbation au-dessous du seuil exigé par le distributeur de l’énergie, sous peine d’être pénalisé.
b. Sources harmoniques non identifiables
Ce type de générateurs de courant harmonique est principalement représenté par les appareils
utilisés dans le domaine électrodomestique ou tertiaire tels que les téléviseurs et les micro-
ordinateurs vue leur très large diffusion. Ces équipements comportant souvent un redresseur
monophasé à diodes avec un condensateur de lissage, prélèvent des courants harmoniques non
négligeables. Dans ce cas il est de la responsabilité du distributeur de l’énergie électrique
d’empêcher la propagation de la perturbation harmonique sur le réseau puisque individuellement
chaque utilisateur génère un faible taux de distorsion harmonique.
A titre d’exemple, la figure VI.2 ci-dessous montre l’allure du courant absorbé par un
ordinateur. Il est de forme impulsionnelle et riche en harmoniques et possède un taux de
distorsion inadmissible.
Figure (VI.2): Forme d’onde du courant absorbé par un ordinateur et spectre associé.
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VI.3.2.2. Conséquences des harmoniques
Les courants harmoniques se propagent dans le réseau électrique, de forme l'allure du
courant de la source et polluent les consommateurs alimentes par ce même réseau. Ils peuvent
occasionner des incidents au niveau de l'appareillage du client et donnent lieu à des surcoûts de
production d'énergie importants. On peut classer les effets engendrés par les harmoniques en
deux type : les effets instantanés et les effets à terme.
VI.3.2.2.1. Effets instantanés
Les effets instantanés apparaissent immédiatement dans certains appareillages.
Défauts de fonctionnement de certains équipements électriques
En présence d'harmoniques, la tension et le courant peuvent changer plusieurs fois de
signe dans une demi-période. Les appareils dont le fonctionnement est basé sur le passage à zéro
des grandeurs électriques peuvent être affectés.
Troubles fonctionnels des micro-ordinateurs
Les effets sur ces équipements peuvent se manifester par la dégradation de la qualité de
l'image et par des couples pulsatoires des moteurs d'entraînement de disque.
Erreurs dans les appareils de mesure
Certains appareils de mesure et les compteurs d'énergie à induction présentent des
dégradations de mesure et des erreurs de lecture supplémentaires en présence d'harmoniques.
Vibrations et bruits
Les courants harmoniques génèrent également des vibrations et des bruits acoustiques,
principalement dans les appareils électromagnétiques (transformateurs, inductances et machines
tournantes).
VI.3.2.2.2. Effets à terme
Ils se manifestent après une exposition plus ou moins longue à la perturbation
harmonique. L'effet à terme le plus important est de nature thermique, il se traduit par
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l'échauffement. Il conduit à une fatigue prématurée du matériel, des lignes et amènent un
déclassement des équipements.
Echauffement des câbles et des équipements
Ces effets peuvent être à moyen terme (de quelques secondes à quelques heures) ou à long
terme (de quelques heures à quelques années) et concernent les câbles qui peuvent être le siège
du sur échauffement du neutre et les matériels bobines comme les transformateurs ou les moteurs.
Echauffement des condensateurs
L'échauffement est causé par les pertes dues au cycle d'hystérésis dans le diélectrique. Les
condensateurs sont aussi sensibles aux surcharges, qu'elles soient dues à une tension
fondamentale trop élevée ou à la présence d'harmoniques. Ces échauffements peuvent conduire
au claquage.
Echauffement dû aux pertes supplémentaires des machines et des transformateurs
Un échauffement est causé par les pertes dans le stator des machines et principalement
dans leurs circuits rotoriques (cages, amortisseurs, Circuits magnétiques) à cause des différences
importantes de vitesse entre les champs tournants inducteurs harmoniques et le rotor. Les
harmoniques génèrent aussi des pertes supplémentaires dans les transformateurs, par effet Joule
dans les enroulements, accentuées par l'effet de peau et des pertes par hystérésis et courants de
Foucault dans les circuits magnétiques.
VI.3.2.3. Grandeurs harmoniques
La variation en fonction du temps, des grandeurs électriques courants et tensions des
réseaux industriels alternatifs, s’éloigne significativement de la sinusoïde pure Figure VI.3.
La variation est en fait composée d’un certain nombre de sinusoïdes de fréquences
différentes, comprenant entre autres, une sinusoïde à fréquence industrielle dite sinusoïde
fondamentale ou plus simplement : le fondamental.
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1. L’amplitude
C’est une des composantes sinusoïdales de la variation de la grandeur physique possédant
une fréquence multiple de celle de la composante fondamentale. L’amplitude de l’harmonique est
généralement de quelques pour cent de celle du fondamental.
2. Rang d’harmoniques
C’est le rapport de sa fréquence f
n
à celle du fondamental (généralement la fréquence
industrielle, 50 ou 60 Hz) :
f
f
n
n
Pour n=1 par principe, le fondamental f
1
a le rang 1.
Les harmoniques se distinguent par leur rang, de type pair ou impair. Les harmoniques de
rang pair (2, 4, 6,8…), très souvent négligeables en milieu industriel, s’annulent en raison de la
symétrie du signal. Ils n’existent qu’en présence d’une composante continue. Par contre, les
harmoniques de rang impair (3, 5, 7,9…) sont fréquemment rencontrés sur le réseau électrique.
Figure (VI.3): Image d’une Onde déformée
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3. Spectre de fréquences
C'est la représentation graphique de l'amplitude des harmoniques en fonction de leur rang.
En général, la valeur de chaque harmonique est exprimée par son taux individuel (en pourcentage
du fondamental).
Figure (VI.4): Représentation spectrale
L’amplitude des raies harmoniques décroît en fonction de leur rang.
VI.3.2.4. Caractérisation des perturbations harmoniques
VI.3.2.4.1. Taux d’harmonique
1. Taux individuel d’harmonique
Il donne une mesure de l’importance de chaque harmonique par rapport au fondamental
.Le taux individuel est le rapport de la valeur efficace de l’amplitude de l’harmonique de rang n à
celle du fondamental.
Le taux de I
n
en % = 100
1
I
I
n
1
I
: Valeur efficace du courant fondamental
2. Taux global de distorsion, THD (Total Harmonic Distorsion)
Il donne une mesure de l’influence thermique de l’ensemble des harmoniques : c’est le
rapport de la valeur efficace des harmoniques à la valeur efficace du fondamental seul.
Ce paramètre, appelé encore distorsion harmonique ou facteur de distorsion, représente le
rapport de la valeur efficace des harmoniques à la valeur efficace du fondamental. [2], [3], [10]
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10
1
2
2
I
I
THD
n
n
VI.3.2.4.2.Facteur de puissance et Facteur de déphasage
a. Facteur de puissance : c’est le rapport de la puissance active P à la puissance apparente S.
S
P
FP
b. Le facteur de déphasage cosφ
1
: il représente le cosinus de l’angle entre les variables
fondamentales de la tension et du courant.
1
1
1
cos
S
P
P
1
: Puissance active de la composante fondamentale
S
1
: Puissance apparente de la composante fondamentale.
Donc:
1
cos
FP
: Sur une charge linéaire
1
cos
FP
: Sur une charge non linéaire
Le facteur de déformation FD représente le lien entre FP et cosφ
1
tel que:
1
cos
FP
FD
Donc :
FDFP .cos
1
VI.4. Perturbations produites par les redresseurs à commutation naturelle
Avant l’apparition des convertisseurs statiques de l’électronique de puissance, les courants
de magnétisation des transformateurs, des machines électriques et des ballasts constituaient
l’essentiel des charges non linéaires présentes sur le réseau électrique. Mais aujourd’hui, avec le
développement de l’électronique de puissance, les convertisseurs statiques deviennent les
sources d’harmoniques les plus répandues sur le réseau. Les redresseurs non contrôlés à diodes et
contrôlés à thyristors, fonctionnant en commutation naturelle, représentent la charge non
linéaire la plus usitée. Ces convertisseurs sont présents dans de nombreux équipements
industriels et domestiques ainsi que dans les dispositifs de conversion de l’énergie électrique.
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Nous citons ci-dessous les applications les plus courantes :
-
variateurs de vitesse pour moteurs alternatifs et à courant continu ;
-
circuit d’excitation des alternateurs ;
-
chargeurs de batterie ;
-
alimentation des systèmes informatiques et audio visuels ;
-
dispositifs d’éclairage de nouvelle génération.
Nous distinguons deux structures de redresseurs :
1. ponts de diodes : constitue l’étage de conversion d’énergie AC/DC (alimentation du bus
continu des onduleurs pour les variateurs de vitesse des machines à courant alternatif par
exemple) ;
2. ponts de thyristors : même rôle que le pont à diodes avec la possibilité de contrôler le
niveau de tension continue en sortie et l’ajout de la réversibilité du flux d’énergie.
La figure VI.5 représente le montage du pont redresseur triphasé à diodes. Celui du pont à
thyristors est obtenu par substitution des diodes par des thyristors. Une inductance de couplage
est souvent placée à l’entrée du redresseur pour limiter les courants de courts-circuits entre
phases pendant les commutations des semi-conducteurs dus aux phénomènes d’empiétement.
Avec :
e
a
, e
b
, e
c
: tensions du réseau, i
a
, i
b
, i
c
: courants absorbés par le pont ;
v
dc
, I
dc
: tension et courant du bus continu ;
L
s
, r
s
: inductance et résistance de la ligne ;
C : capacité de sortie permettant de filtrer la tension continue de sortie.
Figure (VI.5): Pont redresseur triphasé à diodes.
La figure VI.6.a illustre les formes d’ondes des courants non sinusoïdaux absorbés par le pont
redresseur triphasé à diodes, obtenues par simulation, avec insertion d’une inductance de
couplage (L=19.5 mH). La figure VI.6.b représente le spectre associé où apparaît la
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prédominance des harmoniques de rang 5, 7, 11 et 13 et l’importance de la distorsion
harmonique en courant (THD
i
= 20.26%).
Figure (VI.6): Courants absorbés par le pont redresseur à diodes et spectre associé.
- Le tableau ci dessous montre les principaux convertisseurs statiques qui provoquent la pollution
harmonique des réseaux électriques.
Schéma
Forme du courant
Harmoniques
Remarque
Gradateur de lumière ou de chauffage.
I
T/2
T
t
I
3,5,7,9,11,13…
Ce type de
charge génère
des courants
harmoniques
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I1
I2
I3
T/6
T/2
T
I1
t
5,7,11,13….
de rangs
impairs sur
une large
bande. Le
redresseur
triphasé
diffère du
redresseur
monophasé
uniquement
par l'absence
d'harmonique
s de rang 3 et
multiples de 3
I
T/2
T
t
I
3,5,7,9,11,13…
La présence
d'inductances
de filtrage
côté alternatif
permet
d'atténuer la
raideur des
fronts de
montée de
courant et par
conséquent de
réduire
l'amplitude
des
harmoniques
de rang élevé.
Le spectre
harmonique
de ce type de
redressement
dépend de la
valeur des
inductances.
I1
I2
I3
T/6
T/2
T
I1
t
5,7,11,13….
I
t
I
3,5,7,9,11,13…
Ce type de
redresseur est
relativement
répandu dans
de nombreux
appareils
industriels
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(Variation de
vitesse des
moteurs
asynchrones)
et
domestiques
car il est très
économique,
mais très
pollueur pour
le réseau
d'énergie.
I1
I2
I3
I1
t
5,7,11,13….
VI.5. Etude des harmoniques dans les onduleurs
La tension délivrée par un onduleur est découpée par principe, elle possède donc un contenu
harmonique qu’il convient de bien connaître en fonction des contraintes de qualité de l’onde
imposées à la charge. En effet, selon les applications, le taux de distorsion de l’onde de tension de
sortie doit être compatible avec des normes plus ou moins sévères. Ceci justifie fréquemment
l’usage de filtres et le choix de stratégies de commandes de l’onduleur qui permettent de
minimiser le contenu harmonique.
VI.5.1. Commande par signaux carrés (Commande adjacente) :
La commande la plus simple pour obtenir une tension alternative, consiste à générer deux
signaux carrés complémentaires et de rapport cyclique égale à un demi pour commander d’une
les deux paires d’interrupteurs ( K
1
, K
3
) et (K
2
, K
4
) montés en pont.
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Pour une charge résistive la tension de sortie est périodique et définie par :
2
0
)(
tsiU
tsiU
tV
Avec:
EU
Ainsi la forme de l’onde (tension de sortie) est antisymétrique d’où la décomposition en série
de Fourrier est uniquement en terme de sin ωt.
).sin(.)(
0
tnbtV
n
n
avec
0
0
a
et
0
n
a
tdtVtn
T
b
T
n
)(.).(sin
2
0
: Pulsation fondamentale
T
2
tdUtntdUtnb
n
).().(sin.).(sin
1
2
0
2
0
).cos().cos( tn
n
U
tn
n
U
b
n
).cos(1
2
).cos(22
n
n
U
n
n
U
b
n
On a :
pairnsiU
pairnsi
n
:
:1
)cos(
Figure (VI.6): Onduleur en pont monophasé
Charge R, L
i
ch
E
T
4
T
1
T
3
D
1
D
4
D
2
D
3
u
c
T
2
i
+
-
K
4
K
3
K
1
K
2
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n: impair
n
U
b
n
.4
).sin(.2.).sin(.
4
)(
00
tnVtn
n
U
tV
n
n
n
Avec:
n
U
V
n
.2.2
U
n
U
V
V
n
.2.2
.2.2
1
V
n
: L’amplitude de l’harmonique d’ordre n
V
1
: L’amplitude de l’harmonique fondamental
Cette expression nous montre que le spectre de fréquence de la tension de sortie contient tous
les harmoniques d’ordre impair, l’amplitude de ces derniers varie suivant l’ordre de l’harmonique
considéré.
- Taux d’harmonique :
Il est défini comme étant le rapport de la valeur du terme d’ordre (h) à celle du signal
eff
heff
V
V
THD
.
heff
V
.
: la valeur efficace du terme d'ordre h.
222
1.. effeffheff
VVV
22
UV
eff
2
2
.4
1.
U
V
eff
,
2
2
2
2
2
.
8
1
.2
.16
U
U
UV
heff
Le taux d’harmonique THD = 0.434
Cette technique ne permet pas d’agir sur l’amplitude du terme fondamental de la tension de
sortie.
La présence des harmoniques d’ordre inférieur (3,5,9,11, …) qui influe sur la forme de la
tension de sortie de l’onduleur pose un problème sérieux de filtrage de ces harmoniques , ce
filtrage des harmoniques indésirables nécessite des circuits complexes encombrants et couteux.
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VI.6. Solutions possibles pour réduire les harmoniques et d’améliorer la qualité de l’énergie
Afin de diminuer les perturbations en tension ou en courant, il est possible d’agir à deux
niveaux :
1. du côté de la source en filtrant la tension du réseau ou en améliorant le réseau de
transport et celui de distribution ;
2. du côté du client en rendant le courant de ligne le plus sinusoïdal possible.
Plusieurs solutions ont été envisagées pour limiter la propagation des harmoniques et améliorer
la qualité et la gestion de l’énergie électrique. Elles peuvent être classées en deux catégories,
traditionnelles et modernes (à base de l’électronique de puissance).
VI.6.1. Solutions traditionnelles de dépollution
Les moyens de dépollution traditionnels sont nombreux et se résument dans les points
suivants :
- inductance anti-harmonique de protection des condensateurs ;
- inductance de lissage des courants ;
- confinement des harmoniques ;
- l’utilisation de transformateurs à couplage approprié permettant de limiter la circulation
des courants harmoniques;
- augmentation de l’indice de modulation ;
- filtres passifs utilisant des éléments réactifs en l’occurrence des inductances et des
condensateurs.
Vue leur importance pratique, nous nous limiterons dans ce qui suit à détailler uniquement les
filtres passifs.
Filtrage passif
Il s’agit des premiers dispositifs utilisés pour l’élimination d’harmoniques. Ils sont composés
par des éléments passifs comme des inductances, des capacités et des résistances. En général, les
filtres d’harmoniques sont connectés en parallèle avec les charges injectant des courants
harmoniques (les redresseurs à diodes ou à thyristors, etc.). L’association d’éléments capacitifs et
inductifs en parallèle avec la charge polluante permet d’obtenir une résonance série accordée sur
les rangs harmoniques à éliminer. Différents types possibles de filtres passifs destinés à
compenser les courants harmoniques sont représentés sur la figure VI.6 .
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Figure (VI.6): Différents types de filtres harmoniques passifs.
Le filtre harmonique passe-bande illustré sur la figure VI.6 (a) est le plus simple et est largement
appliqué. Son avantage est l’impédance presque nulle à la fréquence d’accord, conduisant à un
filtre presque parfait à cette fréquence. Un inconvénient est la possibilité d’occasionner une
résonance avec l’impédance du réseau pour les fréquences en dessous de sa fréquence de
coupure et en d’autres termes d’amplifier d’autres composantes harmoniques.
La figure VI.6 (b) montre le filtre harmonique passe-haut qui peut être un compromis entre filtrer
une fréquence bien ciblée et atténuer les harmoniques des fréquences supérieures. Ce filtre est
généralement ajusté aux 7
ème
ou 11
ème
rangs harmoniques.
Le filtre harmonique de type C, illustré sur la figure VI.6 (c), a des caractéristiques similaires au
filtre harmonique passe-haut, avec l’avantage que la résistance ne consomme pas de puissance à
la fréquence fondamentale du réseau. Il est souvent employé dans les applications de four à arc
où il existe des inters harmoniques.
La figure VI.6 (d) illustre le filtre harmonique de type Pi qui est essentiellement composé de
deux filtres passe-bande avec une résistance connectée au point médian. L’intérêt principal de ce
filtre est sa bonne caractéristique de filtrage aux deux fréquences de résonance.
Le choix le plus commun pour le redresseur à thyristors de haute puissance consiste à utiliser
une combinaison de plusieurs filtres réglés sur une seule fréquence (sur les harmoniques 5, 7, 11
et 13) et un filtre passe-haut du deuxième ordre réglé autour de la fréquence de l’harmonique 17
comme illustré sur la figure VI.7.
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Figure (VI.7): Combinaison de filtres passifs pour redresseur à
thyristors.
Malgré l’efficacité, le pouvoir de corriger le facteur de puissance, la simplicité et le coût, cette
configuration de filtres passifs pose tout de même certains problèmes :
- le dimensionnement dépend du spectre harmonique de la charge et de l’impédance de la source,
cette
dernière est d’ailleurs susceptible d’engendrer des résonances ;
- le filtre passif peut absorber les courants harmoniques d’autres charges non linéaires présentent
sur le
même réseau et entraîner dans cette hypothèse une surcharge ;
- toute modification du réseau (restructurations, nouveaux clients, …), par changement de la
fréquence d’accord, peut rendre le filtre passif inadapté et perturbateur (phénomène de résonance)
;
- les filtres passifs sont encombrants et présentent des risques de dérive de la fréquence au fur et à
mesure que les composants vieillissent.
Cette solution est donc d’une efficacité moyenne, elle offre très peu de flexibilité et quasiment
aucune évolutivité. Pour toutes ces limitations une attention particulière a été portée aux solutions
basées sur l’électronique de puissance.
VI.6.2. Solutions modernes à base d’électronique de puissance
Les progrès remarquables réalisés d’une part dans le domaine des composants semi-
conducteurs, comme les IGBT, IGCT, GTO et MOSFET, ainsi que la maîtrise de leur mise en
œuvre et d’autre part l’existence de nouvelles méthodes de traitement analogique et numérique
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du signal, ont permis l’émergence de moyens modernes et efficaces pour faire face aux
différentes perturbations (harmoniques, puissance réactive, fluctuations, creux de tension)
affectant les systèmes électriques. Parmi ces moyens modernes, nous pouvons citer :
les filtres actifs: parallèles, séries, hybrides et combinaisons des structures ;
les alimentations sans interruption ;
les dispositifs FACTS ;
les convertisseurs à prélèvement sinusoïdal.
VI.6.2.1. Filtres actifs
Les principes de base des filtres actifs (compensation active) pour les harmoniques
perturbateurs ont été proposés autour de la décennie de 1970. Depuis, beaucoup de recherches
ont été développées sur ces systèmes et leurs applications pratiques. Un filtre actif de puissance
se compose d’un onduleur commandé par modulation de largeur d’impulsion (MLI/PWM),
connecté au réseau par l’intermédiaire d’un filtre passif, et d’un bus continu.
Ce convertisseur PWM constituant le filtre actif peut avoir deux structures différentes en fonction
de l’élément de stockage du bus continu. Le convertisseur de type tension (onduleur de tension)
ou VSC (Voltage Source Converter) utilise un condensateur pour stocker l’énergie au niveau du
bus DC et imposer ainsi la nature source de tension à l’entrée de l’onduleur. Le condensateur
peut être remplacé par une inductance, qui joue alors le rôle d’une source de courant continu.
Dans ce cas, ce type de convertisseur prend la dénomination d’onduleur de courant.
La structure utilisant l’onduleur de tension est préférée pour les facilités qu’elle apporte en
termes de circuits de commande et de fiabilité. En plus, cette structure reste relativement moins
coûteuse, les pertes sont inférieures et elle peut être utilisée aisément dans des structures
multiniveaux ou multicellulaires. Cette topologie est assimilable à une source de courant au point
de raccordement ; lorsqu’elle est connectée en parallèle elle élimine directement les perturbations
en courants harmoniques en injectant sur le réseau des courants en opposition de phase et de
même amplitude par rapport aux perturbations existantes. En plus, ce type de filtre actif est en
mesure de compenser non seulement la pollution harmonique en courant mais aussi la puissance
réactive et les déséquilibres en tension et en courant.
Le filtre actif offre de nombreux avantages par rapport aux filtres passifs :
il s’adapte automatiquement à l’évolution des charges et du réseau ;
il peut réaliser une compensation globale ou sélective des composantes harmoniques dans la
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limite de sa bande passante ;
il n’y a aucun risque de surcharge lorsque le niveau de pollution harmonique à compenser
dépasse le dimensionnement du filtre actif. Le filtre fonctionne au maximum de ses
capacités et tout risque de destruction est écarté ;
le risque de résonance entre filtre actif et impédance du réseau est atténué (contrairement au
filtrage passif) ;
la compensation simultanée de la pollution harmonique et de la puissance réactive ou des
déséquilibres sont envisageables ;
le volume physique du filtre est plus réduit. Pourtant, ils possèdent aussi quelques inconvénients :
leur coût élevé a limité leur implantation dans l’industrie ;
l’absence de réglementation spécifique n’incite pas leur intégration ;
les pertes sont légèrement plus élevées.
En fonction de leur mode de connexion au réseau, les filtres actifs sont dissociés en deux
familles : les filtres actifs parallèle et série.
a. Filtre actif parallèle-FAP
Le filtre actif parallèle, appelé aussi compensateur shunt, présenté sur la figure VI.8 permet,
avec une commande appropriée, de neutraliser les courants harmoniques des charges polluantes
et de compenser les déséquilibres et les courants réactifs.
Généralement, une analyse préalable de la charge permet d’identifier les perturbations et de les
compenser au niveau du réseau via le filtre actif parallèle. Le courant résultant côté réseau est de
forme sinusoïdale, voire en phase avec la tension au point de raccordement dans le cas d’une
compensation d’harmoniques et du fondamental réactif.
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Figure (VI.8): Topologie du filtre actif parallèle de puissance.
b. Filtre actif série-FAS
Le filtre actif série se comporte comme une source de tension qui s’oppose aux tensions
perturbatrices (creux, déséquilibre, harmoniques) venant de la source et également à celles
provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance de réseau. Il
empêche les courants harmoniques consommés par la charge non linéaire de remonter vers la
source. Dans ce cas, il se comporte comme une impédance élevée aux fréquences harmoniques et
comme une impédance nulle à la fréquence fondamentale. Ainsi, la tension aux bornes de la
charge à protéger est purement sinusoïdale. Les perturbations de tension dans le système sont
atténuées en injectant la différence entre la tension désirée et la tension réelle comme le montre la
figure VI.9. L’élément de stockage de l’énergie d’un filtre actif série est conçu pour répondre aux
exigences de compensation les plus sévères, notamment dans le cas de creux de tension de longue
durée.
Figure (VI.9): Topologie du filtre actif série de puissance.
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c. Filtres actifs hybrides
Les filtres actifs hybrides se scindent en deux grandes familles qui résultent de combinaisons
soit de filtres actifs soit d’associations de filtres actifs et passifs. Dans le premier cas, c’est
l’association des filtres actifs types, à savoir parallèle et série. Ainsi, l’objectif visé est le non
pollution d’un réseau par une charge perturbatrice et simultanément le bon fonctionnement d’une
charge ou d’un réseau sensible dans un environnement pollué. Le traitement s’effectue donc à
deux niveaux par rapport à un point considéré ; dépollution par un filtre actif parallèle en aval et
par un filtre actif série en amont. La deuxième famille combine la mise en œuvre simultanée de
filtres passifs accordés et actifs. Les filtres passifs éliminent généralement les harmoniques en
basses fréquences et peuvent fournir aussi de l’énergie réactive, cette solution entraîne une
réduction du dimensionnement du filtre actif qui n’est affecté qu’au traitement des autres
perturbations. De plus, ces topologies améliorent l’efficacité des filtres passifs. Les combinaisons
de ces structures hybrides sont nombreuses, nous pouvons citer les associations les plus usitées :
1-mise en parallèle d’un filtre actif shunt et d’un (de) filtre(s) passif(s) connecté(s) en dérivation
avec la (les) charge(s) polluante(s) ;
2- filtre actif série avec un (des) filtre(s) passif(s) en parallèle(s) ;
3- filtres passifs résonnants en série avec un filtre actif (Fig. VI.10) qui constitue les
configurations les plus récentes. Pour le cas numéro 1, le plus souvent le filtre passif est formé
par deux filtres réglés aux fréquences des harmoniques 5 et 7 et un filtre passe-haut accordé
autour de la fréquence de l’harmonique 11. Le filtre actif permet dans ce cas d’éviter des
résonances entre les éléments passifs et le réseau. Depuis 1990, de nombreux travaux de
recherches ont été conduits sur les filtres actifs hybrides. La raison essentielle réside dans
l’attractivité de ces associations par la réduction du coût du filtre actif mais aussi par la faisabilité
pour des applications de fortes puissances
Figure (VI.10): Topologie du filtre actif hybride.
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VI.6.2.2. Prélèvement sinusoïdal
L’accroissement des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques de
type redresseur a connu un essor important aussi bien sur le plan industriel que domestique. C’est
ainsi que le réseau de distribution BT est le siège de perturbations importantes que le distributeur
a du mal à enrayer. Sans précautions particulières ces convertisseurs sont polluants et absorbent
des courants harmoniques qui ne sont pas sans effets sur l’onde de tension délivrée. Devant ce
constat, il apparaît important de développer sur le plan industriel des dispositifs de filtrage actif
au niveau curatif et une démarche préventive afin de concevoir des alimentations non polluantes,
c’est-à-dire dotées d’une structure et d’un dispositif de commande rendant le courant prélevé le
plus sinusoïdal possible.
Le prélèvement d’un courant sinusoïdal engendre une nouvelle structure de conversion AC/DC,
différente de la version classique, où le courant peut être contrôlé. Dans ce contexte, trois
structures ont été développées et présentées dans la littérature, dont deux structures incluent une
inductance pour pouvoir contrôler le courant absorbé :
la première utilise un hacheur élévateur de type BOOST en cascade avec un redresseur
monophasé à diodes, reconnue par l’acronyme PFC (Power Factor Correction) ;
la deuxième structure fait appel à un onduleur à MLI fonctionnant en redresseur, désigné
sous le nom redresseur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) ;
la troisième structure est basée sur l’injection de courant dans le réseau. Elle est constituée
d’un redresseur triphasé à diodes et de deux circuits auxiliaires, de modulation et de
distribution.
a. Correction du facteur de puissance (PFC)
La structure de base du convertisseur AC/DC avec correction du facteur de puissance ainsi que
son principe de commande sont illustrés sur la figure VI.11. Il s’agit d’un redresseur en pont à
diodes connecté au réseau et doté d’un étage de correction placé entre la sortie du pont et la
charge. Cet étage de correction du facteur de puissance basé sur une structure d’hacheur élévateur
comprend une inductance, un interrupteur de puissance à double commande (TB, IGBT,
MOSFET) et une diode de puissance. Cet ensemble est mis en parallèle avec le condensateur du
bus continu. Le convertisseur AC/DC ainsi obtenu constitue une structure élévatrice et non
réversible, mettant en jeu un seul interrupteur commandable.
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Figure (VI.11): Structure et principe de commande d’un convertisseur AC/DC avec PFC.
Diverses stratégies de commande ayant toutes un objectif commun : la mise en forme des
courants prélevés sur le réseau, ont été proposées pour cette structure. Le principe de prélèvement
sinusoïdal consiste à forcer le courant circulant dans l’inductance à suivre une référence
sinusoïdale redressée, en contrôlant la fermeture et l’ouverture de l’interrupteur commandé de
puissance. L’amplitude de cette référence est fournie par la boucle d’asservissement de la tension
du bus continu, tandis que la forme sinusoïdale est obtenue par l’intermédiaire d’une PLL
synchronisée avec le réseau d’alimentation. Cette solution garantit l’obtention d’un facteur de
puissance unitaire pour le terme fondamental au niveau du réseau.
Il convient aussi de noter que cette structure est réalisée à partir d’un pont redresseur
monophasé.
Dans le cas d’un réseau triphasé, un seul interrupteur doit contrôler les trois courants
absorbés. Ceci rend la commande très complexe et beaucoup moins performante. Pour cette
configuration, on privilégie plutôt l’utilisation du redresseur à injection de courant ou
redresseur à MLI.
b. Redresseurs à injection de courant
Les redresseurs triphasés à injection de courant sont apparus au début des années 1990, suite à
des tentatives d’améliorer les performances des convertisseurs AC/DC déjà présents. Le schéma
synoptique de cette structure est représenté sur la figure VI.12. Un circuit de modulation crée, par
le procédé de mise en forme des courants à la sortie du pont à diodes, un courant qui est injecté
au réseau d’alimentation à l’aide d’un circuit de distribution. L’injection d’un tel courant permet
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de compenser les paliers à zéro des courants de ligne, inhérents au fonctionnement normal du
pont à diodes. Plusieurs variantes de ce type de convertisseur existent actuellement ; elles se
distinguent par la nature des circuits de modulation et de distribution qui peuvent être soit passifs,
soit actifs.
Figure (VI.12): Schéma synoptique d’un redresseur triphasé à injection de courant.
c. Redresseurs à MLI
Les redresseurs à MLI sont des onduleurs exploitant leurs réversibilités en courant dans le
deuxième mode de fonctionnement. Grâce à la commande MLI, ces convertisseurs peuvent
prélever des courants sinusoïdaux sur le réseau alternatif et assurer aussi un facteur de puissance
unitaire. Selon le type d’onduleur utilisé, nous distinguons deux structures de redresseurs à MLI :
Redresseur à MLI de courant ;
Redresseur à MLI de tension.
1. Redresseur à MLI de courant
La topologie du redresseur à MLI de courant est illustrée sur la figure VI.13. Il assure la
conversion d’énergie entre une source de tension alternative et un récepteur de courant continu.
Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant mais bidirectionnels en tension. L’utilisation
des techniques MLI conduit à un courant coté alternatif ayant une pollution harmonique
contrôlée. Cette structure est souvent dotée d’un filtre de second ordre LC du côté alternatif.
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Figure (VI.13): Topologie d’un redresseur à MLI triphasé de courant.
2. Redresseur à MLI de tension :
Le redresseur à MLI de tension est basé sur une structure d’onduleur de tension représenté sur
la figure VI.14. Chaque interrupteur est constitué d’un IGBT (composant commandé à
l’amorçage et au blocage) et d’une diode en antiparallèle. Cet interrupteur est unidirectionnel en
tension et bidirectionnel en courant. Ainsi, ce convertisseur, de part sa structure, est réversible en
courant. Il peut donc contrôler de façon instantanée la forme d’onde des courants prélevés sur le
réseau. Il alimente alors une charge (active ou passive) en continu à partir d’un réseau alternatif,
le courant absorbé étant sinusoïdal et, éventuellement, en phase avec la tension réseau
correspondante. Ce redresseur à MLI permet d’atteindre un facteur de puissance très proche de
l’unité et régler, via la commande, la direction du flux de l’énergie réactive : absorbée ou fournie.
Figure (VI.14): Topologie d’un redresseur à MLI triphasé de tension.
