La génération d'harmoniques, Propagation et techniques de purge de charges non linéaires

Hadeed Ahmed Sher¹, Khaled E. Addoweesh ¹ et Yasin Khan²

^[1] Département de génie électrique, King Saud University, Riyad, Arabie Saoudite

^[2] Département de génie électrique, King Saud University, Riyad, Arabie président Aramco ArabiaSaudi en énergie électrique, Département de génie électrique, King Saud University, Riyad,

1. Introduction

La révolution industrielle a transformé toute la vie avec des améliorations technologiques de pointe. La principale contribution à la révolution industrielle est due à la disponibilité de l'énergie électrique qui est distribué par les services d'électricité à travers le monde. Le concept de qualité de l'énergie dans ce contexte apparaît comme un "droit fondamental" de l'utilisateur pour la sécurité ainsi que pour le fonctionnement ininterrompu de leur équipement. Les utilisateurs de l'électricité domestique ou industrielle, besoin de puissance, sans pépins, distorsions, vaciller, bruit et les pannes. L'utilitaire désire que les utilisateurs utilisent du matériel de bonne qualité, afin qu'ils ne produisent pas de menaces à la qualité de l'alimentation pour le système. L'utilisation de dispositifs à base de puissance électroniques dans le monde industriel a enregistré des primes en terme de carburant et les économies d'énergie, mais d'autre part, a créé des problèmes en raison de la génération d'harmoniques. Les utilisateurs commerciaux et domestiques utilisent les appareils avec commutation basée sur l'électronique de puissance qui attirent courant harmonique. Ce courant est un facteur dominant dans la production des tensions harmoniques pollués. Le "droit fondamental" de l'utilisateur est d'avoir une alimentation propre, alors que la demande d'utilité est d'avoir un bon instrument de qualité / équipement. Cela rend la qualité de l'alimentation un point d'intérêt commun pour les deux utilisateurs, ainsi que l'utilitaire. Harmoniques étant un sujet d'actualité dans le domaine de la qualité de l'alimentation a été un sujet de discussion depuis des décennies et plusieurs normes de conception ont été élaborées et publiées par différentes organisations et institutions internationales pour le maintien d'une alimentation harmonique libre. Dans un scénario plus large, signifie l'environnement harmonique sans que les harmoniques générées par les dispositifs et sa présence dans le système est confiné dans les limites admissibles afin qu'ils ne causent pas de dommages aux composants du système d'alimentation, y compris les transformateurs, isolateurs, les organes de coupure, etc. La déréglementation des systèmes de puissance oblige les services publics à purger les harmoniques à la fin de leur génération avant il s'agit de la ligne de courant principale et devient une cause possible d'un système non-stabilité. Le schéma possible en trois étapes pour le contrôle des harmoniques est

Identification des sources d'harmoniques
Mesure du niveau d'harmoniques
Des techniques de purge possibles

Pour suivre le schéma ci-dessus les compagnies d'électricité ont R&sections D qui sont impliqués dans la recherche continue de maintenir les niveaux de harmoniques dans les limites autorisées. problèmes d'harmoniques de fréquence de l'alimentation qui ont été une zone constante de la recherche sont:

correction du facteur de puissance dans un environnement harmonique polluée
Défaillance du système de coordination isolation
Distorsions du signal
Déclassement du transformateur, câbles, les organes de coupure et du facteur de puissance des condensateurs de correction

Les défis de la recherche mentionnées ci-dessus sont fait face avec l'aide des organismes de réglementation qui sont axés autant sur la conception et la mise en œuvre des normes pour le contrôle des harmoniques. consortiums d'ingénierie comme IEEE, S, et la CEI ont créé des normes qui décrivent les limites permises pour les harmoniques. L'estimation, mesures, techniques d'analyse et de purge des harmoniques sont une importante zone de stress qui a besoin d'une prise ferme d'ingénieurs de qualité de puissance. Aujourd'hui, en dehors des méthodes traditionnelles comme la connexion Y-Δ pour 3^e suppression d'harmoniques, méthodes modernes basées sur des techniques d'intelligence artificielle facilite les ingénieurs des services publics à supprimer et purger les harmoniques dans un meilleur mode. Les approches modernes comprennent:

Filtres d'harmoniques actifs à base de logique floue
Techniques d'ondelettes pour l'analyse des formes d'onde
Techniques PWM sophistiqués pour la commutation des commutateurs électroniques de puissance

L'objectif de ce chapitre est d'expliquer toutes les sources possibles de génération d'harmoniques, identification des harmoniques, leur niveau de mesure ainsi que leurs techniques de purge / suppression. Ce chapitre sera utile à tous les ingénieurs électriques en général et les ingénieurs des services publics, en particulier.

2. Quels sont les harmoniques?

En ingénierie de la puissance électrique harmoniques terme se réfère à une forme d'onde sinusoïdale qui est un multiple de la fréquence du système. Donc, la fréquence qui est trois fois la fondamentale est connu comme troisième harmoniques; cinq fois la fondamentale est le cinquième harmonique; et ainsi de suite. Les harmoniques d'un système peuvent être définis en utilisant généralement l' eq. 1

fh = hfac

Où f_h est l'h^e harmonique et f_ac est la fréquence fondamentale du système.

Les harmoniques suivent une loi inverse en ce sens que plus le niveau d'harmonique d'une fréquence harmonique particulière, la partie inférieure est son amplitude comme le montre la Fig.1. Donc, habituellement dans les harmoniques de lignes électriques harmoniques d'ordre supérieur ne sont pas donné beaucoup d'importance. Les harmoniques vitales et les plus gênants sont donc 3^e, 5^e, 7^e, 9^e, 11^e et 13^e. L'expression générale des formes d'onde harmoniques est donnée dans eq. 2

Vn = Vrnsin (nωt)

Où, En_rn est la tension efficace d'une fréquence particulière (ligne harmonique ou de la puissance).

Les harmoniques sont des multiples impairs de la fréquence fondamentale sont connus comme les harmoniques impaires et celles qui sont des multiples pairs de la fréquence fondamentale sont appelés comme harmoniques Même. Les fréquences qui se situent entre les harmoniques paires et impaires sont appelées inter-harmoniques.

Bien que, la demande idéal pour toute entreprise d'électricité est d'avoir des courants sinusoïdaux et des tensions dans le système AC, ce n'est pas pour tout le temps en promettant, les courants et les tensions avec les formes d'onde complexes se produisent dans la pratique. Ainsi, toute forme d'onde complexe engendré par de tels dispositifs est un mélange de fondamental et les harmoniques. Donc, la tension aux bornes d'un système harmonique pollué peut être exprimée numériquement en eq. 3,

V = Vfpsin(wt φ1)+ V2psin(2wt φ2)+ V3psin(3wt φ3)+ Vnpsin(nωt φn)

Où,

En_fp = Valeur de crête de la fréquence fondamentale

En_np= Valeur de crête de la n^e composante harmonique

φ = angle de la fréquence respecté

Figure 1.

Formes d'onde fondamentales et la fréquence des harmoniques

De même, l'expression pour le courant à travers un circuit donné dans un système harmonique pollué est donnée par l'expression donnée dans eq. 4

I = Ifpsin(wt φ1)+ I2psin(2wt φ2)+ I3psin(3wt φ3) ...... Inpsin(nωt φn)

Les harmoniques sont également qualifiées de positives, négative et homopolaire. Dans ce cas, les harmoniques qui change avec le fondamental sont appelés positif et ceux qui ont phaseur sens inverse avec le fondamental sont appelés composantes négatives de séquence. Les composants zéro ne prennent pas le moindre effet de la fondamentale et est considérée comme neutre dans son comportement. Direction phaseur est à peu près important dans le cas des moteurs. Composante de séquence positive tend à entraîner le moteur dans le sens correct. Considérant que la composante inverse diminue le couple utile. La 7^e, 13^e, 19^e etc. sont des éléments de séquence positive. Les composantes négatives de séquence sont 5^e, 11^e, 17^e et ainsi de suite. Les harmoniques zéro composants sont 3^e, 9^e, 15^e etc. Comme l'amplitude des harmoniques diminue avec l'augmentation de l'ordre d'harmonique donc, dans les systèmes électriques des services publics sont plus préoccupés par les harmoniques jusqu'au 11^e afin que.

3. génération des harmoniques

Dans la plupart des cas, les harmoniques de tension est un produit direct des harmoniques de courant. Donc, Les harmoniques de courant est la cause réelle de la génération d'harmoniques. des harmoniques de la ligne de puissance sont générés lorsqu'une charge tire un courant non linéaire à partir d'une tension sinusoïdale. Aujourd'hui, tous les ordinateurs utilisent Alimentations à découpage (SMPS) qui convertissent la tension utilitaire AC pour réglementer basse tension continu pour l'électronique interne. Ces alimentations ont un rendement plus élevé par rapport aux alimentations linéaires et avoir d'autres avantages trop. Mais étant basé sur le principe de commutation, ces alimentations non-linéaires, le courant présente de courtes impulsions de grande amplitude. Ces impulsions sont riches en harmoniques, et produire la chute de tension aux bornes de l'impédance de système. Ainsi, il crée de nombreuses petites sources de tension en série avec la source de courant alternatif principal comme représenté sur la Fig.2. Ici, dans Fig.2 Je₃ se rapporte à la composante de troisième harmonique du courant absorbé par la charge non-linéaire, Je₅ est la cinquième composante harmonique du courant de charge et ainsi de suite. R indique la résistance répartie de la ligne et les sources de tension sont présentées pour élaborer le facteur expliqué ci-dessus. Donc, ces impulsions de courant courtes créent une distorsion importante dans la forme actuelle et la tension électrique onde. Cette distorsion de forme est désigné comme une distorsion harmonique et sa mesure est effectuée en terme de distorsion harmonique totale (THD). Cette distorsion se déplace de nouveau dans la source d'alimentation et peut perturber les autres appareils connectés à la même source. Tout équipement SMPS installé n'importe où dans le système ont une propriété inhérente à provoquer une distorsion continue de la source d'énergie qui met une charge supplémentaire sur le système de l'utilité et les composants installés dans ce. Les harmoniques sont également produites par des moteurs électriques et des convertisseurs DC-DC installés dans des configurations industrielles. Alimentation sans interruption (UPS) et Compact Fluorescent Lamp (LCF) sont également une source importante d'harmoniques dans un système. Harmoniques impaires généralement élevés résulte d'un convertisseur électronique de puissance. En résumé, les harmoniques sont produites dans un réseau électrique par [2, 16, 26, 42]

Redresseurs
L'utilisation de noyau de fer dans les transformateurs de puissance
L'équipement de soudage
Variateurs de vitesse
Commutation périodique de la tension et des courants
Génératrices à courant alternatif par entrefer non sinusoïdal, flux de distribution ou de la dent d'entraînement
Dispositifs de commutation comme SMPS, UPS et CFL

Il est à noter ici que les harmoniques de tension peuvent apparaître directement d'un générateur de courant alternatif, en raison d'un espace d'air non sinusoïdal, distribution de flux, ou à des dents d'entraînement, qui est causée par l'effet des fentes, qui abritent les enroulements. Dans les grands systèmes d'approvisionnement, le plus grand soin est pris pour assurer une sortie sinusoïdale du générateur, mais même dans ce cas, toute non-linéarité dans le circuit donne lieu à des harmoniques de la forme d'onde de courant. Les harmoniques peuvent aussi être générés en raison des noyaux de fer dans les transformateurs. De tels noyaux de transformateur ont une courbe de BH non linéaire [37].

Figure 2.

Distorsion de la tension linéaire en raison de ne pas avoir de courant

4. Les problèmes associés avec des harmoniques

Système harmonique polluée a de nombreuses menaces pour la stabilité. Elle entrave non seulement la qualité de l'alimentation (PQ) mais quand un courant est riche en harmoniques, est tiré par un dispositif, surchargeant le système. Par exemple troisième courant harmonique possède une propriété que contrairement à d'autres composante harmonique il ajoute dans le fil neutre du système. Il en résulte un déclenchement intempestif du disjoncteur. Il affecte également l'isolation du câble neutre. Surcharge des câbles en raison du courant harmonique polluée augmente les pertes associées aux fils. Il convient également de garder à l'esprit que seul le pouvoir de composante fondamentale est la puissance utile, autres sont tous des pertes. Ces pertes supplémentaires font pauvres du facteur de puissance qui entraîne d'autres pertes d'énergie. Les effets globaux résumés des harmoniques dans le système d'alimentation sont les suivantes [9, 18, 39]

Les harmoniques peuvent causer condition de résonance lorsqu'il est combiné avec le facteur de puissance des condensateurs de correction
L'augmentation des pertes dans les éléments du système, y compris les transformateurs et centrales de production
Le vieillissement de l'isolation
Interruption dans le système de communication
Déclenchements intempestifs de disjoncteurs
Grands courants dans le neutre

Les transformateurs de distribution ont une connexion Δ-Y. Dans le cas d'un très troisième courant harmonique du courant qui est piégée dans le conducteur de neutre crée de la chaleur qui augmente la chaleur à l'intérieur du transformateur. Cela peut conduire à la vie réduite et déclassement du transformateur. Les différents types d'harmoniques ont leur impact sur le système d'alimentation. Par exemple, considérons le 3^e harmonique. Contrairement au système triphasé équilibré, où la somme de toutes les trois phases est égale à zéro dans un réseau à neutre, la troisième harmonique de l'ensemble des trois phases est identique. Donc, il ajoute dans le fil neutre. La même chose est applicable sur triple-n harmoniques (des multiples impairs de 3 fois la fondamentale comme 9^e, 15^e etc). Ces courants harmoniques sont la principale cause de déclenchements intempestifs et l'échec de la terre de protection de relais de défaut. Ils produisent également de la chaleur dans le fil neutre ainsi un système a besoin d'un fil neutre épaisse si elle a troisième pollution harmonique en elle. Si un moteur est alimenté d'une forme d'onde de tension de troisième harmonique contenu dans ce, il ne se développera que des pertes supplémentaires, que la puissance utile ne vient que de la composante fondamentale.

5. Normes harmoniques de surveillance

L'identification des harmoniques comme un problème dans des réseaux d'alimentation en CA, a forcé les services publics et les autorités de réglementation de décider des normes pour les harmoniques suivi et d'évaluation. Les normes de contrôle harmonique répondent donc à la fois les consommateurs et l'utilitaire. Donc, si le client ne respecte pas les règlements et crée une distorsion de tension au point de raccordement de l'utilitaire peut pénaliser lui / elle. Divers instituts d'ingénierie de renom comme IEEE, CEI et IET ont mis au point des lois pour limiter l'injection de contenu harmonique dans la grille. Ces normes sont surtout utiles pour parvenir à un système de qualité de l'énergie conviviale santé. Normes IEEE sont largement citées pour leur capacité à répondre à toutes les régions du monde. Il existe plus de 1000 Normes IEEE sur les champs de génie électrique. Normes IEEE sur la qualité de l'alimentation, cependant, sont notre principale source d'inspiration ici. Norme IEEE sur le contrôle harmonique dans le système d'alimentation électrique a été publié en 1992 et il couvre tous les aspects liés aux harmoniques [7]. Il définit les harmoniques maximum de distortion à 5 % sur les niveaux de tension ≤ 69 kV. Cependant, que les niveaux de tension sont augmentées les limites permises pour les harmoniques dans cette norme sont réduites à 1.5 % sur tous tensions ≥ 161 kV. Il est également à noter que la distorsion de tension individu commence à partir de 3 % et se termine à 1.0 % les niveaux de 69 kV et ≤ ≥ tension 161 kV respectivement. Outre les normes qui sont conçus en gardant en vue les exigences mondiales, autorités régionales élaborent leurs propres normes en fonction de leur profil de charge et les conditions climatiques. La plupart des normes sont fabriqués selon les exigences régionales du pays, alors que peu sont basés sur les besoins et exigences mondiales. En Arabie saoudite, il existe un organisme de réglementation qui définit les limites admissibles et les procédures opérationnelles standard pour la transmission d'électricité, la distribution et la génération. Cet organisme est connu comme l'électricité et l'autorité réglementaire co-génération [38]. En plus de l'élaboration de normes qu'ils suivent aussi des normes définies par les sociétés de distribution d'énergie EAU. Une telle norme définie par l'Arabie Electric Company (SEC) en 2007 et est connu comme "l'Arabie Grid Code". Harmoniques limite fixée par les autorités saoudiennes est presque la même que la norme IEEE mais avec une limite souple de bits 3% THD pour tous les réseaux opérant dans la gamme de 22 kV à 400 kV- [35, 38]. Table 1 compare la norme IEEE, la société de distribution d'Abu Dhabi et la norme SEC pour la limite de harmoniques dans le réseau électrique. Il est intéressant de mentionner que la norme IEEE pour maîtriser les harmoniques est silencieux pour les conditions dans lesquelles un système est pollué par des inter-harmoniques (fréquences non entiers de la fréquence fondamentale). Pour ces services conditions d'alimentation utilisent CEI nombre standard 61000-2-2.Le CEI définit également les catégories pour les différents appareils électroniques dans nombre standard 61000-3-2. Ces dispositifs sont ensuite soumis à différentes limites permises de THD. Par exemple, Une classe a tout l'équipement équilibré triphasé, des outils non-portables, équipement audio, variateurs pour que la lampe à incandescence. La limite de la classe A varie en fonction de l'ordre harmonique. Donc, pour les appareils de classe A, le courant harmonique maximale autorisée est 1.08 A pour 2^e, 2.3A pour 3^e, 0.43A pour 4^e, 1.14A pour 5^e harmoniques. La beauté de cette norme IEC est qu'il répond aussi à un facteur de puissance. Par exemple tous les appareils de la classe C (matériel d'éclairage autre que le variateur de lampe à incandescence) avoir 3^e limite de courant harmonique en fonction du circuit de facteur de puissance.

	SEC standard	Abu Dhabi distribution Entreprise	Limites de l'IEEE
Harmoniques	limite de THD est 5% pour 400 Système de V, et 4% et 3% pour 6.6- 20kV et 22kV-400kV respectivement	limite de THD est 5% pour 400 Système de V, et 4% et 3% pour 6.6- 20kV et 22kV-400kV respectivement	5% pour tous les niveaux de tension ci-dessous 69kV et 3% pour toutes les tensions ci-dessus 161 kV

Table 1.

Comparaison des normes harmoniques [7, 35, 38]

Les systèmes modernes basés sur des techniques d'intelligence artificielle comme la logique floue, ANFIS et des calculs basés CI réduisent la difficulté de l'extraction de données qui aide à la refonte des normes pour les harmoniques de la qualité de l'alimentation [24, 25]. Dans les pays développés comme l'Australie, Canada, USA sociétés de distribution d'électricité sont déjà partiellement décalées de réseau intelligent et ils utilisent des capteurs sophistiqués et les instruments de mesure.

En matière d'environnement de réseau intelligent ces capteurs aideront à atténuer les problèmes en les prédire à l'avance. Smart grid, en prenant des mesures intelligentes et à l'aide d'algorithmes sophistiqués seront en mesure de prévoir les problèmes PQ comme harmoniques, courant de défaut à l'avance. Il est pertinent de mentionner que la surveillance de la qualité de puissance en utilisant les technologies 3G en cours a été mis en œuvre par des chercheurs chinois. Ils ont utilisé le module GPRS qui est capable d'analyser les données en temps réel et de son algorithme permet assez intelligent pour obtenir l'information désirée PQ [22].

5. mesure des harmoniques

Le véritable défi dans un environnement pollué harmonique est de comprendre et de désigner le meilleur point de départ pour mesurer les harmoniques. Aujourd'hui, la révolution de l'électronique a foiré le système AC tellement que presque tous les utilisateurs dans un utilitaire est un contributeur au courant harmonique. En outre, le profil de charge dans une zone domestique varie d'heure en heure dans la journée. Ainsi, afin de faire face à la demande d'énergie et d'améliorer le facteur de puissance, les services publics doivent allumer et éteindre les condensateurs de correction de facteur de puissance. Cette commutation périodique non uniforme et crée également des harmoniques dans le système. L'information de la charge dans une zone bien, fournir des informations de base sur l'ordre de l'actuelle harmonique dans un système. Cette information est très utile car il donne une vue d'oeil d'oiseau de contenu harmonique. Mais, pour l'identification exacte des harmoniques, il est nécessaire de synthétiser la forme d'onde déformée à l'aide de l'analyseur de qualité de l'alimentation en utilisant une partie ou l'oscilloscope numérique pour Fast Fourier Transform (FFT). Par exemple Fig.3 présente une synthèse générale du courant consommé par un redresseur commandé. Une fois identifiées, le niveau et le type d'harmoniques (3^e, 5^e etc) les étapes d'atténuation peuvent être conçues. Il faut garder à l'esprit que la mesure est la clé de la bonne conception de filtres d'harmoniques. Mais le niveau d'harmoniques peut être différente en différents points de mesure dans un système. Donc, les services publics doivent être très précis dans l'identification du point correct pour la mesure harmonique dans un système. Parmi les normes, il est la norme IEEE 519-1992 qui décrit les procédures opérationnelles pour l'exécution des mesures d'harmoniques. Cette norme ne précise cependant pas de restriction quant à la durée d'intégration de l'équipement de mesure avec le système. Elle a toutefois, limite l'utilité de tenir un journal de relevés mensuels de la demande maximale [5]. Divers dispositifs sont utilisés à l'appui avec l'autre pour effectuer les mesures d'harmoniques dans un système. Il s'agit notamment de ce qui suit

Analyseur de qualité d'énergie
transducteurs Transformateurs de mesure sur la base (CT et PT)

Figure 3.

Courant d'un convertisseur contrôlé de ligne typique [26]

Diverses sociétés de renom sont la conception et la production d'excellents analyseurs PQ. Il s'agit notamment de FLUKE, AeMC, HIOKI, DRANETZ et Elspec. Ces entreprises conçoivent monophasé et trois analyseurs PQ de phase qui sont capables de mesurer toutes les fréquences harmoniques dominantes. Le matériel qui est utilisé pour la mesure harmonique est également liée à certaines limites pour la mesure harmonique bon. Cette limitation est de nature technique que pour la mesure précise de tous les courants harmoniques en dessous de la 65^e harmonique, la fréquence d'échantillonnage doit être au moins deux fois la largeur de bande d'entrée souhaitée ou 8k échantillons par seconde dans ce cas, pour couvrir les systèmes de 50Hz et 60Hz [5]. Surtout, les analyseurs de PQ sont fournis avec les sondes basées CT mais en fonction de la tension et de courant un concepteur peut choisir le CT et PT avec une gamme large de fréquences de fonctionnement et une faible distorsion. La distance de l'équipement avec le transducteur est également très important dans la mesure des harmoniques. Si la distance est longue alors le bruit peut affecter la mesure donc correctement les câbles blindés comme câbles de câble ou fibre optique coaxiaux sont fortement recommandés par les experts [5]. En bref, la mesure des harmoniques doit être faite sur le point de couplage commun (PCC) ou à l'endroit où la charge non linéaire est attaché. Cela comprend les sites industriels en particulier, parce qu'ils sont les contributeurs principaux à l'injection de courants harmoniques dans le système.

6. Harmoniques techniques de purge

Des techniques ont été conçus et testés pour s'attaquer à ce problème de qualité de l'énergie, car le problème est identifié par les chercheurs. Il existe plusieurs techniques dans la littérature qui traite de l'atténuation des harmoniques. Toutes ces techniques peuvent être classées sous l'égide de la suite

Filtre harmonique passif
Filtre actif d'harmoniques
Filtre d'harmoniques hybride
Techniques de commutation

6.1. Filtres harmoniques passifs

Techniques de filtrage passif sont parmi les techniques les plus largement utilisés et peut-être la plus ancienne pour filtrer les harmoniques de la ligne de puissance. Outre la réduction des harmoniques filtres passifs peuvent être utilisés pour l'optimisation de la puissance apparente d'un réseau d'alimentation. Ils sont constitués d'éléments passifs tels que des résistances, condensateurs et inductances. L'utilisation de ces filtres a besoin de grands condensateurs et inductances rendant ainsi le filtre global plus lourds et coûteux en coût. Ces filtres sont fixés et une fois installés, ils font partie du réseau et ils ont besoin d'être repensé pour obtenir des fréquences différentes de filtrage. Ils sont considérés comme les meilleurs pour réseau triphasé à quatre fils [18]. Ils sont pour la plupart le filtre passe-bas qui est accordé aux fréquences souhaitées. Giacoletto et le parc ont présenté une analyse sur la réduction des harmoniques de courant de ligne en raison de blocs d'alimentation de l'ordinateur personnel [10]. Leur travail a suggéré que l'utilisation de ces filtres est bonne pour la réduction des harmoniques mais cela va augmenter la composante réactive du courant de ligne. Différents types de techniques de filtrage passifs sont donnés ci-dessous [18, 19].

Série filtres passifs
Shunt filtres passifs
Filtres passe-bas ou des filtres à piéger ligne LC
Déphasage des transformateurs

6.1.1. Série filtres passifs

Série filtres passifs sont des sortes de filtres passifs qui ont un filtre LC parallèle en série avec l'alimentation et la charge. filtre passif de série indiqué dans Fig.4 sont considérés comme bons pour les applications monophasées et spécialement pour atténuer les harmoniques de rang. Cependant, ils peuvent être adaptés à d'autres fréquences aussi. Ils ne produisent pas de résonance et offrent une haute impédance pour les fréquences qu'ils sont accordés à. Ces filtres doivent être conçus de telle sorte qu'ils peuvent transporter le courant à pleine charge. Ces filtres sont sans entretien et peuvent être conçus à des valeurs significativement élevées de puissance jusqu'à MVAR [4]. En comparaison avec les solutions qui utilisent les pièces en rotation comme compensateurs synchrones, ils ont besoin d'entretien moindre.

Figure 4.

Passif Filtre de série [18]

6.1.2. Shunt filtres passifs

Ce type de filtres sont également basés sur des éléments passifs et offrent de bons résultats pour le filtrage des harmoniques impaires en particulier la 3^e, 5^e et 7^e. Certains chercheurs les ont nommé filtres adaptés simples, second ordre filtres amortis et type C filtres amorties [3]. Comme tous ces filtres sont en parallèle avec la ligne, ils tombent sous le couvert de dérivation des filtres passifs, comme représenté sur la Fig.5. L'augmentation de l'ordre des harmoniques rend le filtre plus efficace dans le travail, mais il réduit la facilité dans la conception. Ils offrent une faible impédance aux fréquences qu'ils sont accordés pour. Comme ils sont connectés en shunt par conséquent, ils sont conçus pour transporter le courant ne harmonique [18]. Leur nature de l'être en dérivation eux une charge elle-même du côté de l'offre fait et peut transporter 30-50% courant de charge si elles se nourrissent d'un ensemble de commandes électriques [13]. Les aspects économiques montrent que les filtres de dérivation sont toujours économique que les filtres disposés en série en raison du fait qu'ils doivent être conçues uniquement sur les courants harmoniques. Par conséquent, ils ont besoin comparativement plus petite taille de L et C, réduisant ainsi le coût. En outre, ils ne sont pas conçus par rapport à la tension nominale, rend ainsi les composants moins coûteux que les filtres de la série [33]. Cependant, ces types de filtres peuvent créer des conditions de résonance dans le circuit.

Figure 5.

Différents filtres type d'ordre de dérivation [3]

6.1.3. Filtre passe-bas

Filtres passe-bas sont largement utilisés pour l'atténuation de tout type de fréquences harmoniques dessus de la fréquence de seuil. Ils peuvent être utilisés que sur les charges non linéaires. Ils ne posent pas de menaces pour le système en créant les conditions de résonance. Ils améliorent le facteur de puissance, mais ils doivent être conçus de telle sorte qu'ils sont capables de transporter un courant à pleine charge. Certains chercheurs les ont désigné comme filtres LC ligne de pièges [19]. Ces filtres bloquent les harmoniques indésirables et permettre une certaine plage de fréquences à transmettre. Cependant, très belle conception est nécessaire dans la mesure où la fréquence de coupure est préoccupé.

6.1.4. Déphasage des transformateurs

Les harmoniques désagréables dans le système d'alimentation sont pour la plupart des harmoniques impaires. Une façon de les bloquer est d'utiliser déphasage des transformateurs. Il faut harmoniques de même nature de la part de plusieurs sources dans un réseau et les déplace alternativement à 180 ° degrés, puis les combiner entraînant ainsi l'annulation. Nous les avons classés dans les filtres passifs comme transformateur ressemble à un réseau inductif. L'utilisation de transformateurs à décalage de phase a produit beaucoup de succès dans la suppression des harmoniques dans les convertisseurs hybrides à plusieurs niveaux [34]. S. H. H. Sadeghi et.al. conçu un algorithme qui s'appuie sur le profil harmonique comprend le déphasage des transformateurs de grandes installations industrielles comme la sidérurgie [36].

6.2. Filtres actifs d'harmoniques

Dans un filtre de puissance active (APF) nous utilisons l'électronique de puissance pour introduire des composantes de courant de supprimer les distorsions harmoniques produits par la charge non linéaire. Figure 6 montre le concept de base d'un filtre actif [27]. Ils détectent les composantes harmoniques dans la ligne, puis de produire et injecter un signal d'inversion de l'onde détectée dans le système [27]. Les deux forces motrices dans la recherche de l'APF sont l'algorithme de contrôle pour le courant et charger méthode d'analyse actuelle [23]. Filtres actifs d'harmoniques sont principalement utilisés pour les réseaux basse tension en raison de la limitation posée par la qualification requise sur convertisseur de puissance [21].

Figure 6.

Démonstration conceptuelle de filtre actif [27]

Ils sont utilisés en même système d'alimentation de l'aéronef pour l'élimination d'harmoniques [6]. Même comme des filtres passifs, ils sont classés par rapport à la méthode de connexion et sont donnés ci-dessous [40].

Série filtres actifs
Shunt filtres actifs

Depuis, il utilise l'alimentation des composants électroniques à base donc dans la littérature beaucoup de travail a été fait sur le contrôle des filtres actifs.

6.2.1. Série filtre actif

Le filtre de la série est connectée en série avec le réseau de distribution en courant alternatif comme le montre Fig.7 [33]. Il sert à compenser les distorsions harmoniques causées par la charge, ainsi que celui présent dans le système AC. Ces types de filtres actifs sont connectés en série avec la charge au moyen d'un transformateur d'adaptation. Ils injectent tension en tant que composant et peuvent être considérés comme une source de tension commandée [33]. L'inconvénient est qu'ils répondre uniquement pour les harmoniques de tension et en cas de court-circuit à la charge du transformateur correspondant doit supporter [31].

6.2.2. Shunt filtre actif

Le filtre parallèle est connecté en parallèle avec le réseau de distribution de courant alternatif. Filtres parallèles sont également connus comme filtres de dérivation et de compenser les distorsions harmoniques causées par la charge non linéaire. Ils travaillent sur le même principe de filtres actifs, mais ils sont connectés en parallèle comme indiqué c'est qu'ils agissent comme une source de courant en parallèle avec la charge [21]. Ils utilisent les capacités de calcul élevées pour détecter les harmoniques en ligne.

Figure 7.

Série filtres actifs [33]

La plupart des capteurs à base de microprocesseur ou micro-contrôleur sont utilisées pour estimer les harmoniques et de décider de la logique de commande. Dispositifs semiconducteurs de puissance sont utilisés en particulier l'IGBT. Certains chercheurs affirment que, avant l'avènement de l'IGBT filtres actifs ont été rarement utiliser en raison de dépasser dans le budget [11]. Cependant, malgré leur utilité shunt filtres actifs présentent de nombreux inconvénients. Pratiquement, ils ont besoin d'un grand onduleur MLI classé avec une réponse rapide contre les paramètres du système changements. Si le système est doté de filtres passifs attachés quelque part, comme dans le cas de filtres hybrides alors les courants injectés peuvent circuler dans les [28].

6.3. Filtres harmoniques hybrides

Ces types de filtres combinent les filtres passifs et actifs. Ils contiennent les avantages des filtres actifs et n'ont pas les inconvénients des filtres passifs et actifs. Ils utilisent une grande puissance filtres passifs à faible coût pour réduire le coût des convertisseurs de puissance dans les filtres actifs, c'est pourquoi ils sont maintenant très populaire dans l'industrie. Filtres hybrides sont à l'abri de l'impédance du système, compensation ainsi harmonique se fait d'une manière efficace et qu'ils ne produisent pas la résonance avec une impédance de système [29]. Les techniques de contrôle utilisés pour ces types de filtres sont basés sur un contrôle instantané, sur la théorie p-q et i_d-i_q. K.N.M.Hasan et.al. présenté une étude comparative entre le p-q et i_d-i_q techniques et a conclu que, en cas de tension distorsions i_d-i_q méthode fournit des résultats légèrement meilleurs [12]. Ils sont généralement combinés de la manière suivante [21]

Filtres hybrides série passive de série active
Série Passif filtres hybrides shunt actif
Filtres hybrides dérivation passive de série active
Dérivation passive filtres hybrides shunt actif

6.3.1. Filtres hybrides série passive de série active

Ces types de filtres hybrides ont tous les deux types de filtres connectés en série avec la charge comme représenté sur la Fig.8 et sont considérés comme bons pour des redresseurs alimentant une charge capacitive [32]

6.3.2. Série Passif filtres hybrides shunt actif

Cette race de filtre hybride a une partie passive en série avec la charge et filtre actif en parallèle. AdIlm. Al-Zamil et al. proposé ce type de filtres dans leur papier et utilisé la capacité de puissance élevée. de filtre passif, en les plaçant en série avec la charge. Ils ont utilisé un filtre actif avec l'impulsion de vecteur de l'espace avec modulation (SVPWM) et mis en œuvre sur micro-contrôleur. Ils ont utilisé seulement des capteurs ligne actuelles pour calculer tous les paramètres requis pour la référence génération actuelle. Leur système proposé a travaillé de manière satisfaisante à la 33^e harmonique et les résultats indiqués sont basés sur un système de ligne de réactance 0.13 pu. Dans leur système la bande passante requise pour le filtre actif est relativement moins due au filtre passif qui prend en charge les bords montant et descendant du courant de charge. Ils ont proposé que lors de la conception du système hybride de la ligne filtre L et la capacité C du filtre actif a besoin d'un compromis dans la sélection selon le niveau acceptable de la fréquence de commutation ondulation tension d'ondulation acceptable courant et minimal [1].

6.3.3. Dérivation passive filtres hybrides shunt actif

Ces types de filtres ont à la fois des filtres passifs et actifs connectés en parallèle avec la charge comme représenté sur la Fig.9 [21]. Dans une étude comparative et al J.Turunen. affirmé qu'ils exigent plus petit rapport de transformation du transformateur de couplage par conséquent, ils ont besoin d'une note assez haute puissance pour une faible charge et en cas de charges de forte puissance le problème de courant continu des résultats de contrôle de liaison dans un mauvais filtrage courant [43].

6.3.4. Filtres hybrides dérivation passive de série active

Comme son nom l'indique, il s'agit d'un type de filtre hybride ayant un filtre actif en série et d'un filtre passif en dérivation comme représenté sur la Fig.10. J. Turunen et al. dans une étude comparative a déclaré que cette race de filtre hybride utilise très faible taux de transformation donc pour même note de la charge de leur puissance requise est grande par rapport à la charge [43].

Figure 8.

Filtres hybrides série passive de série active [32]

Figure 9.

Dérivation passive filtres hybrides shunt actif [21]

Figure 10.

Les filtres hybrides série active de dérivation passive [29]

6.4. Techniques de commutation

En plus d'utiliser le procédé de l'installation de filtres, électronique de puissance est si polyvalent que jusqu'à une certaine mesure les harmoniques peuvent être éliminées en utilisant des techniques de commutation. Ces techniques peuvent varier de l'augmentation du nombre d'impulsions pour faire avancer algorithme basé Pulse Width Modulation (PWM). Le triangle PWM sinus le plus largement utilisé a été proposé dans 1964. Plus tard dans 1982 Space Vector PWM (SVPWM) a été proposé [20]. PWM magique est une technique de commutation qui donne des résultats uniques en faisant varier les paramètres associés tels que l'indice de modulation, la fréquence de commutation et le rapport de modulation. La fréquence taux de modulation "m«Si elle est prise impair supprime automatiquement les harmoniques paires [17, 26]. Ici, l'augmentation de la fréquence de découpage permet de réduire les harmoniques du courant, mais cela rend les pertes de commutation trop. En outre, nous ne pouvons pas continuer à augmenter la fréquence de commutation car cela impose les problèmes de CEM [15]. Et al D.G.Holmes. a présenté une analyse de support à base de PWM et a affirmé qu'il est possible d'utiliser des solutions analytiques pour cerner le point de l'annulation harmonique en utilisant différentes techniques de modulation. harmoniques de bande latérale peuvent être éliminés si le concepteur utilise PWM échantillonné régulière naturelle ou asymétrique [14]. La sortie peut être améliorée en jouant sur l'indice de modulation. Un type spécialisé de PWM est appelé élimination sélective des harmoniques (ELLE) PWM ou le système d'élimination harmonique programmée. Cette technique est basée sur l'analyse de Fourier de la phase de tension de masse. Il s'agit essentiellement d'une combinaison de commutation d'onde carrée et le PWM. Voici une sélection appropriée des angles de commutation rend la cible composante harmonique zéro [26, 30]. Dans la technique SHE un minimum de 0.5 indice de modulation est possible [41]. Mais même le meilleur Elle a quitté le système avec des harmoniques non filtrés. J. Pontt et al. présenté une technique de traitement des harmoniques non filtrés en raison de la PWM ELLE. Ils ont déclaré que si nous utilisons SHE PWM pour l'élimination de 11^e et 13^e harmoniques pour 12 configuration d'impulsions puis les harmoniques d'ordre 23^e, 25^e, 35^e et 37^e sont celui qui jouera un rôle essentiel dans la définition des distorsions de la tension. Ils ont proposé l'utilisation de convertisseurs à trois niveaux finaux de front actif. Ils ont suggéré un indice de modulation de 0.8-0.98 pour atténuer les harmoniques d'ordre 23^e, 25^e et 35^e, 37^e [30]. Avec quelques modifications chercheurs ont montré que, ELLE PWM peut être utilisé à très basse fréquence de commutation de 350 Hz. Javier Napoles et al. présenté cette technique et lui donner un nouveau nom de l'atténuation sélective des harmoniques (SHM) PWM. Ils ont utilisé sept états de commutation et les résultats rend les harmoniques sélectifs égal à zéro [8]. C'est excellent puisque dans ELLE PWM la nécessité harmonique sélective de ne pas être égal à zéro. Il suffit en PWM classique à mettre sous la limite permise. Siriroj Sirisukprasert et al. présenté une technique optimale de réduction harmonique en faisant varier la nature de sortie intensifié formes d'onde et varié les indices de modulation. Ils ont testé leur technique proposé sur les inverseurs à multiniveaux qui sont mieux que les onduleurs classiques à deux niveaux. Ils ont exclu les impulsions très étroites et très larges de la forme d'onde de commutation. Contrairement SHE PWM comme indiqué ci-dessus, ils ont assuré la tour minimum et désactiver en changeant leur alimentation se coupe une seule fois un cycle. Contrairement à PWM traditionnelle ELLE, dans ce cas, l'indice de modulation peut varier jusqu'à 0.1. La sortie est une forme d'onde à gradins pour les différentes étapes qu'ils classent la production de l'indice de modulation haute, basse et moyenne et le point d'intérêt réel, c'est que pour ces trois catégories d'indices de modulation de la commutation est une fois par cycle par commutateur [41]. Certains chercheurs ont utilisé la méthode PWM trapézoïdale pour le contrôle harmonique. Ce genre de PWM est basé sur la commutation de PWM unipolaire. Ici, une forme d'onde trapézoïdale est comparée à une forme d'onde triangulaire et le PWM résultante est fournie aux commutateurs de puissance. Comme d'autres techniques d'élimination des harmoniques dans les techniques de base PWM chercheurs ont proposé l'utilisation de techniques basées AI y compris FL et ANN.

7. Conclusion

Ce chapitre résume l'un des principaux problèmes de qualité de l'énergie qui est la raison de nombreuses perturbations du réseau électrique dans un réseau électrique. Les sources possibles d'harmoniques sont discutés avec leurs effets sur les composants du système de distribution, y compris les transformateurs, changer de vitesse et le système de protection. Les normes réglementaires pour la limitation des harmoniques et leurs techniques de mesure sont également présentées ici. Les techniques de purge des harmoniques sont également présentés et différents types de filtres d'harmoniques sont brièvement présentés. Afin de renforcer la base de connaissances, ce chapitre a également évoqué la lutte des harmoniques en utilisant des techniques PWM. En ce chapitre, nous avons tenté de recueillir l'information technique dans ce domaine. Une compréhension approfondie des harmoniques fournira les ingénieurs des services publics un cadre qui est souvent nécessaire dans la solution des travaux de recherche liés aux harmoniques.