Qualité d'énergie électrique — Un aperçu technique
Écarts de tension, distorsion de la forme d'onde, et continuité d'approvisionnement: le spectre complet des phénomènes PQ expliqués du point de vue de l'ingénierie des services publics.
01 Qu'est-ce que la qualité de l'énergie?
Le terme qualité de l'alimentation (PQ) est, à proprement parler, un terme inapproprié. Ce que la discipline décrit en réalité, c'est le qualité de la tension livré à un chargement — pas de puissance au sens thermodynamique. La puissance active est simplement le taux de transfert d'énergie; le courant consommé par une charge est largement déterminé par la propre impédance de la charge et échappe donc au contrôle direct du service public. La tension, par contre, c'est ce que le système d'approvisionnement fournit, et c'est la tension que les normes CEI et IEEE mesurent et régulent. Comme Dugan et al.. note, c'est la qualité de la tension — plutôt que de la puissance ou du courant électrique — que le terme qualité de l'énergie décrit en réalité. [1]
Une définition pratique vient de la CEI 61000-4-30, qui définit PQ comme un ensemble de paramètres de tension mesurables — ampleur, fréquence, forme d'onde, et symétrie triphasée — évalué par rapport à des limites spécifiées à un point de mesure défini. [2] EN 50160 adopte une approche complémentaire: il caractérise la tension aux bornes d’alimentation du client dans des conditions normales de fonctionnement et indique les limites statistiques dans lesquelles ces caractéristiques sont censées rester. [3] Les deux cadres reflètent la même réalité technique sous-jacente: la qualité est définie par rapport à une spécification, pas dans l'abstrait.
L'alimentation idéale est une sinusoïde pure à la fréquence nominale, avec une impédance de source nulle à toutes les fréquences et une symétrie triphasée parfaite. En pratique, aucune de ces conditions n'est pleinement remplie. La discipline de l'ingénierie de la qualité de l'énergie est l'étude systématique des écarts par rapport à cet idéal et de leurs conséquences sur les équipements et les processus industriels..
02 Les phénomènes de qualité de l’énergie
Les perturbations PQ sont classiquement classées selon leur échelle de temps, leur contenu spectral, et s'ils sont continus (état stable) ou événementiel. L'IEEE Std 1159 cadre [4] et la CEI 61000-2-5 classification de l'environnement électromagnétique [5] organiser les phénomènes selon ces axes. Les fiches ci-dessous donnent une carte d'orientation avant que chaque phénomène ne soit examiné en détail.
Harmoniques
Multiples entiers du fondamental injecté par des charges non linéaires. Provoquer une surchauffe, résonance, et erreurs de comptage. Caractérisé par le THD et les ordres harmoniques individuels h = 2, 3, 5, 7…
Creux de tension & Gonfle
Réductions de courte durée (s'affaisser) ou augmente (grossir) en tension efficace. Les affaissements sont l'événement PQ le plus fréquent et le plus significatif sur le plan économique pour les processus industriels..
Vaciller
Fluctuations de tension répétitives provoquant une variation perceptible de la luminance de la lampe. Quantifié par la gravité à court terme Per et à long terme Pcom indices selon CEI 61000-4-15.
Transitoires & Impulsions
Pointes de tension de sous-cycle causées par la foudre, opérations de commutation, ou excitation du condensateur. Les amplitudes de crête peuvent atteindre plusieurs fois la tension de crête nominale.
Déséquilibre de tension
Inégalité des grandeurs ou des angles de tension triphasée. Une 2% un déséquilibre inverse peut produire 8% ou plus d'augmentation supplémentaire de la température des enroulements dans les moteurs à induction.
Déviation de fréquence
Départ du nominal 50 ou 60 Hz. Rare sur les grands réseaux interconnectés; de plus en plus pertinent avec une forte pénétration des énergies renouvelables et dans les micro-réseaux insulaires à faible inertie.
Interruptions
Perte totale de tension, classé comme momentané (<3 s), temporaire (3 s–1 procès-verbal), ou soutenu (>1 procès-verbal) par la norme IEEE 1159. Provoquer des arrêts de processus et des problèmes de redémarrage des équipements.
Supraharmoniques
Perturbations dans le 2–150 Plage de kHz émise par les convertisseurs électroniques de puissance à haute fréquence de commutation. Une préoccupation émergente dans le cadre de l'IEC TR 63227 et normes CISPR.
Les sections qui suivent traitent chaque catégorie en détail: origine physique, principales limites de la norme, et conséquences pratiques pour les équipements et les processus.
03 Harmoniques
Une distorsion harmonique se produit chaque fois qu'une charge tire un courant non sinusoïdal d'une alimentation sinusoïdale. Par le théorème de Fourier, toute forme d'onde périodique peut être décomposée en un composant fondamental à la fréquence du système plus des multiples entiers — harmoniques — à 2f, 3fa, 4fa, et ainsi de suite. [6] Dans les systèmes triphasés, harmoniques Triplen (3e, 9e, 15e…) circuler en séquence zéro et ajouter arithmétiquement dans le conducteur neutre; le 5ème et le 7ème dominent le négatif- et spectres séquence positive respectivement et sont la principale préoccupation de la plupart des réseaux industriels.
Sources
Les sources dominantes sur les réseaux de distribution actuels sont les convertisseurs électroniques de puissance.: redresseurs à six impulsions dans les variateurs de fréquence (VFD) et alimentations sans interruption, alimentations à découpage dans les équipements informatiques, fours à arc, et éclairage fluorescent avec ballasts électroniques. Un redresseur classique à six impulsions génère des harmoniques de courant caractéristiques aux ordres 6k ± 1 (5e, 7e, 11e, 13e…) avec des amplitudes qui chutent approximativement à 1/h pour une charge de source de courant idéale. [7] Interharmoniques — à des multiples non entiers du fondamental — sont produits par des cycloconvertisseurs, équipement de chauffage par induction, et fours à arc pendant la phase de fusion chaotique.
Conséquences pour les équipements
Les courants harmoniques circulant à travers les impédances du réseau produisent des chutes de tension harmoniques qui déforment la tension d'alimentation de tous les équipements connectés.. Les batteries de condensateurs présentent une faible impédance aux fréquences harmoniques et sont vulnérables aux surcharges et aux pannes.; en combinaison avec l'inductance de ligne, ils peuvent former des circuits résonants parallèles qui amplifient une harmonique particulière d'un facteur de 10 ou plus à la fréquence de résonance. Les moteurs à induction subissent des pertes supplémentaires de fer et de cuivre proportionnelles au carré du courant harmonique. Les transformateurs peuvent nécessiter un déclassement lorsqu'ils alimentent des charges non linéaires — le système de notation du facteur K (ANSI/IEEE C57.110) fournit une base quantitative pour cette évaluation. [8] Les compteurs d'énergie électroniques qui utilisent des algorithmes de croisement de tension peuvent enregistrer des erreurs de mesure importantes dans des conditions de tension déformées..
Limites et normes
IEEE Std 519-2022 fixe les limites de courant harmonique au point de couplage commun (PCC) en fonction du taux de court-circuit ISC/JeL. Un client avec un raccordement d'alimentation faible (faible rapport) fait face à des limites plus strictes car leur injection d'harmoniques produit une distorsion de tension proportionnellement plus importante sur le réseau partagé. [9] EN 50160 limite les harmoniques de tension individuelles à 5–6% pour les composants de faible ordre et définit un THD globalEn plafond de 8% aux bornes d'alimentation BT dans les conditions normales de fonctionnement. [3] La CEI 61000-4-7 la norme spécifie la méthode de mesure basée sur la DFT, y compris les règles de regroupement et d'agrégation, que les instruments doivent mettre en œuvre pour produire des résultats comparables. [10]
04 Creux de tension, Gonfle, et interruptions
Un creux de tension (CEI: creux de tension) est une réduction de courte durée de la tension efficace entre 10% et 90% de la valeur nominale, d'une durée d'un demi-cycle à une minute. [4] Les creux de tension constituent la perturbation PQ la plus significative sur le plan économique pour les industries manufacturières et de transformation.. Une étude réalisée par l'EPRI et le CEIDS a estimé le coût annuel des perturbations de la qualité de l'électricité pour l'industrie américaine à entre $119 et $188 milliard, les chutes de tension étant responsables de la plus grande part. [11]
Origines des chutes de tension
La majorité des chutes de tension proviennent de défauts de court-circuit sur le réseau de distribution ou de transport.. Un seul défaut ligne-terre abaisse la tension de phase sur tous les jeux de barres électriquement proches du défaut. — y compris les clients alimentés par des départs adjacents dans la même sous-station. La tension retenue vue par un client donné dépend du rapport d'impédance entre l'emplacement du défaut et le point de mesure: clients électriquement proches d'un jeu de barres solide (grand court-circuit MVA) voir les affaissements moins profonds pour les défauts sur les alimentations connectées. Les démarrages importants de moteurs et la mise sous tension du transformateur produisent également des creux, bien que généralement de moindre ampleur et de plus courte durée.
Caractérisation et tolérance des équipements
Un affaissement est caractérisé par sa tension retenue (en pourcentage de la valeur nominale) et sa durée. La courbe ITIC (anciennement CBEMA), développé par le Conseil de l’industrie des technologies de l’information, et la norme SEMI F47 définissent les enveloppes de tolérance de tension des équipements: tensions minimales retenues en fonction de la durée que l'équipement doit supporter sans interruption du processus. [12] Les affaissements triphasés sont en outre classés par type — Type A à Type G dans la classification Bollen [13] — en fonction de la façon dont le défaut se propage à travers les connexions du transformateur et des phases affectées au point de mesure. Un affaissement de type A (les trois phases sont également déprimées) résulte d'un défaut triphasé ou d'un défaut monophasé vu à travers un enroulement triangle; de nombreux autres types n'affectent qu'une ou deux phases.
Gonfle
Une augmentation de tension est une augmentation de courte durée de la tension efficace au-dessus 110% de la valeur nominale. Des gonflements se produisent sur les phases sans défaut lors de défauts monophasés sur des systèmes à haute impédance ou avec des neutres non mis à la terre., où la dépression de phase en défaut s'accompagne d'un déplacement du neutre qui élève les phases sonores. Sur des systèmes solidement mis à la terre, L'augmentation de la tension phase-terre lors de défauts monophasés est limitée par le réseau homopolaire et est rarement significative pour les équipements connectés ligne-neutre..
Interruptions
Une perte totale de tension est classée comme une interruption. IEEE Std 1159 distingue instantané (<0.5 Cycle), momentané (0.5 le cycle d' 3 s), temporaire (3 s à 1 procès-verbal), et soutenu (>1 procès-verbal) interruptions. Les interruptions momentanées résultent généralement des opérations de réenclenchement automatique des départs de distribution.; dans la plupart des cas, le défaut d'arc disparaît au premier réenclenchement et l'alimentation est rétablie dans les 0.5 à 1.5 s. Les interruptions prolongées nécessitent une opération de commutation ou la restauration de l'équipage et sont suivies grâce aux indices de fiabilité des services publics. (LE SITE, SÛR, CAIDI).
05 Fluctuations de tension et flicker
Les fluctuations de tension sont rapides, variations répétitives de la tension efficace qui — lorsqu'ils modulent le flux lumineux des lampes à incandescence — produire un phénomène perceptible et physiologiquement irritant appelé vaciller. Le système visuel humain est plus sensible aux variations de luminance à environ 8.8 Hz; une fluctuation de tension sinusoïdale de seulement 0.3% à cette fréquence est suffisante pour provoquer un scintillement perceptible sur un standard 60 Lampe à incandescence W dans des conditions de laboratoire. [14]
Sources
Les fours à arc sont la source de scintillement industriel classique. Pendant la phase de fusion, l'impédance de l'arc fluctue de manière aléatoire et rapide à mesure que la position de l'électrode varie, dessiner des salves de courant réactif qui produisent des dépressions de tension correspondantes au PCC. La nature aléatoire du comportement de l'arc signifie que le spectre de fluctuation de tension résultant est à large bande plutôt que concentré sur une seule fréquence., ce qui le rend particulièrement efficace pour stimuler la gamme de fréquences sensibles du système visuel. D'autres sources incluent les démarrages de moteurs importants, soudeurs à l'arc, laminoirs avec demande de couple fluctuante, et — sur les départs de distribution — éoliennes à vitesse fixe où l'ombre de la tour et le vent turbulent produisent une fluctuation périodique de la fréquence de passage des pales.
Mesure: Per et Pcom
La norme CEI flickermètre (CEI 61000-4-15) définit une chaîne de traitement du signal qui modélise la lampe–œil–fonction de transfert cérébral et délivre deux indices. [14] La sévérité du scintillement à court terme Per est évalué sur une fenêtre d’observation de 10 minutes; la gravité à long terme Pcom est dérivé de douze P consécutifser valeurs utilisant la moyenne cubique, donner une évaluation de 2 heures. EN 50160 ensembles Per ≤ 1.0 et Pcom ≤ 0.8 comme limites normales aux bornes d'alimentation. [3] UN Per de 1.0 est défini comme le seuil de perceptibilité de 50% d’observateurs dans les conditions de référence de la norme.
06 Transitoires et impulsions
Les surtensions transitoires sont des perturbations de tension de sous-cycle dont l'amplitude peut dépasser largement la tension de crête nominale.. Contrairement aux phénomènes d’état stationnaire et de courte durée évoqués ci-dessus, les transitoires ne sont pas utilement caractérisés par des valeurs efficaces: leur énergie est concentrée sur des durées allant de la microseconde à quelques millisecondes, et c'est l'amplitude maximale et le taux de montée (dV/dt) qui déterminent le stress de l'équipement et le potentiel de dommages. [4]
Transitoires impulsifs — foudre
Les coups de foudre directs ou indirects couplent l'énergie impulsionnelle aux lignes de distribution, soit par fixation directe, soit par induction électromagnétique provenant de coups à proximité.. La forme d'onde standard d'impulsion de foudre utilisée dans la coordination de l'isolation — défini dans la CEI 60060 comme le 1.2/50 µonde de tension s — représente l'enveloppe des transitoires typiques induits par la foudre. Parafoudres de distribution (type de varistance à oxyde métallique) sont appliqués pour limiter la tension transitoire de crête aux bornes de l’équipement au niveau de protection du parafoudre, qui sur un 25 Le système kV est généralement de l'ordre de 75–95 kV, ou environ 2–3 fois la tension de crête du système.
Transitoires oscillatoires — commutation de condensateur
La mise sous tension d'une batterie de condensateurs shunt produit une tension transitoire oscillatoire dont la fréquence est fixée par la capacité de la batterie et l'inductance de Thevenin au point de commutation.: faosc = 1 / (2π √LC). Sur les systèmes de distribution, cela se situe généralement dans la plage 300–1000 Hz. Dans un scénario de commutation consécutive — alimenter une banque avec une autre banque déjà sur le même bus — le pic initial peut atteindre 2.0 p.u. de la tension de crête nominale car les condensateurs déjà chargés fournissent un chemin de décharge à impédance proche de zéro. [15] Les variateurs de vitesse dotés de gros condensateurs de bus CC sont particulièrement sensibles, car le transitoire oscillatoire peut déclencher la protection contre les surtensions du bus CC du variateur et provoquer des déclenchements intempestifs même lorsque le transitoire est trop court pour endommager l'isolation..
07 Déséquilibre de tension
Dans un système triphasé idéal, les trois phaseurs de tension d'alimentation sont de même amplitude et séparés d'exactement 120°. Le déséquilibre de tension décrit tout écart par rapport à cette symétrie. La définition technique standard utilise la méthode des composants symétriques: la tension inverse V2 exprimé en pourcentage de la tension directe V1 donne le facteur de déséquilibre de tension (VUF). [2] Une approximation simplifiée — fréquemment utilisé sur le terrain car il ne nécessite que des magnitudes de phaseur — est la définition NEMA: l'écart maximal de toute tension de phase par rapport à la moyenne triphasée, divisé par la moyenne, exprimée en pourcentage. Les deux définitions donnent des résultats numériques similaires pour les petits déséquilibres mais divergent pour l'asymétrie d'angle de phase..
Sources
Les charges monophasées inégalement réparties sur les trois phases sont la première source de déséquilibre sur les réseaux de distribution BT et MT.: charge résidentielle sur les départs ruraux, chargeurs de véhicules électriques, et soudeuses à arc monophasé. Sur les systèmes de transmission, les sous-stations de traction monophasées sont une source de déséquilibre inverse depuis longtemps.
Les réseaux de distribution introduisent plusieurs mécanismes supplémentaires moins souvent évoqués. Les longues lignes de distribution non transposées accumulent des impédances mutuelles inégales entre les phases, produisant un déséquilibre qui augmente avec la longueur de la ligne. Les lignes de transport sont généralement bien transposées par conception, mais les lignes de sous-transmission et de distribution non transposées sont courantes. Un fusible grillé sur une phase d'une batterie de condensateurs shunt laisse les deux phases restantes avec une compensation réactive excessive, créant à la fois un déséquilibre local et un risque de résonance. Dans les régions du monde où les conduites latérales monophasées sont exploitées à partir de lignes principales triphasées, le déséquilibre peut être acceptable au niveau du bus de la sous-station mais sévère le long des sections de ligne individuelles où la charge monophasée est concentrée. De même, les transformateurs de distribution monophasés qui ne sont pas répartis uniformément entre les trois phases le long d'une ligne d'alimentation produisent un déséquilibre qui varie en fonction de l'emplacement et du profil de charge de chaque client..
Effets sur les machines tournantes
La tension inverse entraîne un champ magnétique tournant à l'encontre du rotor. Depuis le référentiel du rotor, le feuillet pour le champ de séquence négative est:
NEMA MG-1 exprime la conséquence pratique: un 2% le déséquilibre de tension produit environ 8% augmentation supplémentaire de la température des enroulements. [16] EN 50160 limite le facteur de déséquilibre inverse à 2% aux bornes d'alimentation BT dans les conditions normales de fonctionnement; valeurs jusqu'à 3% sont autorisés dans certaines zones peu peuplées. [3]
08 Déviation de fréquence
La fréquence du système reflète l'équilibre instantané entre la production totale et la charge totale sur l'interconnexion synchrone. Dans les grands systèmes interconnectés — L'Europe continentale à 50 Hz, les interconnexions est et ouest de l’Amérique du Nord à 60 Hz — l'inertie de rotation combinée de tous les générateurs synchrones limite les excursions de fréquence bien en dessous 1 Hz dans des conditions normales de fonctionnement. EN 50160 quantifie cela: la fréquence doit rester dans les limites 50 ± 1 Hz pour 99.5% de l'année sur les réseaux européens interconnectés, et à l'intérieur 50 ± 4 Hz à tout moment. [3]
Effets sur l'équipement
Les moteurs synchrones et asynchrones fonctionnent à des vitesses proportionnelles à la fréquence d'alimentation; un écart de fréquence soutenu produit une erreur de vitesse proportionnelle dans toute machine de traitement sans contrôle de vitesse en boucle fermée. Une 1% la chute de fréquence se traduit par une 1% réduction de vitesse — conséquent pour l'usinage de précision, usines de papier, ou tout processus où la tension de la bande dépend de la vitesse synchronisée. Les transformateurs fonctionnant nettement en dessous de la fréquence nominale connaissent une densité de flux de noyau plus élevée; si le noyau fonctionne déjà près du genou de saturation, même une réduction modeste de la fréquence peut entraîner une augmentation significative du courant magnétisant et des pertes à vide. Relais de protection sensibles à la fréquence (81Éléments O/U) doit être coordonné avec la plage de fréquence normale attendue pour éviter les déclenchements lors des oscillations de fréquence légitimes du système.
Fréquence dans les réseaux dominés par les onduleurs
La part croissante de la production interfacée par convertisseur — éoliennes, installations photovoltaïques, et stockage de la batterie — réduit l'inertie synchrone du réseau. Dans les micro-réseaux îlotés ou après séparation du système sur un grand réseau, la fréquence peut changer à des taux de plusieurs Hz par seconde (taux de changement de fréquence, RoCoF) — beaucoup plus rapide que la réponse en fréquence conventionnelle basée sur l'inertie. Il s'agit d'un domaine actif de développement de normes et de codes de réseau.. IEEE Std 2030.8 aborde les tests des contrôleurs de micro-réseaux; Les exigences émergentes d'ENTSO-E exigent que les grandes installations basées sur des onduleurs fournissent une inertie synthétique pour compenser partiellement la perte d'inertie physique.. [17]
09 Le paysage des normes
La qualité de l'énergie est régie par un ensemble de normes interdépendantes de la CEI, IEEE, CENELEC, et organismes nationaux. Les principaux cadres sont résumés ci-dessous. Un ingénieur en activité doit au minimum comprendre la distinction entre les niveaux de compatibilité (CEI 61000-2 série), limites d'émission (CEI 61000-3 série), exigences en matière d'immunité (CEI 61000-4 série), et caractéristiques de la tension d'alimentation (EN 50160).
| Standard | Portée | Contenu clé |
|---|---|---|
| CEI 61000 Série — Commission électrotechnique internationale | ||
| CEI 61000-2-2 | Réseaux publics BT | Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites basse fréquence (harmoniques, vaciller, déséquilibrer, creux de tension) |
| CEI 61000-2-4 | Environnements industriels | Niveaux de compatibilité pour la classe 2 et classe 3 sites industriels; généralement moins strictes que les limites des réseaux publics |
| CEI 61000-3-2 | Matériel BT ≤ 16 Phase A | Limites d'émission de courants harmoniques pour les équipements raccordés aux réseaux publics BT |
| CEI 61000-3-3 | Matériel BT ≤ 16 Phase A | Limites de fluctuation de tension et d’émission de flicker pour les équipements connectés aux réseaux publics BT |
| CEI 61000-4-7 | Mesure | Méthode de mesure harmonique et interharmonique: Fenêtre TFD, regroupement, 10/12-cycle et agrégation de 150/180 cycles |
| CEI 61000-4-15 | Mesure | Spécification du scintillement: lampe–œil–chaîne de traitement du signal cérébral, Per et Pcom calcul |
| CEI 61000-4-30 | Mesure | Méthodes de mesure du QP: Classe A (contraignant/contractuel) et classe S (enquête) exigences relatives aux instruments, intervalles d'agrégation, signalement |
| CENELEC — Comité européen de normalisation électrotechnique | ||
| EN 50160 | Caractéristiques de la tension d'alimentation | Limites statistiques des paramètres de tension aux terminaux clients BT et MT sur les réseaux publics européens dans des conditions normales d'exploitation |
| IEEE — Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens | ||
| IEEE Std 519-2022 | Harmoniques (Amérique du Nord) | Limites de courant harmonique au PCC en fonction du taux de court-circuit; limites de distorsion de tension au niveau du transport et de la distribution |
| IEEE Std 1159-2019 | Surveillance | Classification et caractérisation des phénomènes PQ; pratique de surveillance recommandée |
| IEEE Std 1250 | Matériel sensible | Guide d'entretien des équipements sensibles aux perturbations momentanées de tension; méthodologie d'évaluation de la compatibilité |
| Normes nationales canadiennes (Groupe CSA) | ||
| CSA C235:19 | Tension d'alimentation — Canada | Plages de fonctionnement en tension stable au point de connexion pour les systèmes AC jusqu'à 50 kV au Canada; couvre les conditions de fonctionnement normales et extrêmes. L’homologue canadien d’EN 50160; référencé par Hydro-Québec, Hydro-Ottawa, et la plupart des services publics canadiens dans leurs conditions de service. |
| CAN/CSA-C61000-2-2 | Niveaux de compatibilité BT — Canada | Adoption canadienne (avec des écarts) de la CEI 61000-2-2: niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites basse fréquence sur les réseaux publics BT. Harmoniques, vaciller, déséquilibrer, et niveaux de creux de tension applicables aux réseaux de distribution canadiens. |
| CAN/CSA-C61000-3-7 | Charges fluctuantes — Canada | Adoption canadienne de la CEI 61000-3-7: évaluation des limites d'émission de flicker et de fluctuation de tension pour le raccordement d'installations fluctuantes à la MT, HT, et systèmes THT. Utilisé par les services publics canadiens pour évaluer les connexions des fours à arc et des éoliennes. |
| CSA C22.3 Non. 9:20 | Ressources distribuées — Canada | Interconnexion des ressources énergétiques distribuées et des systèmes de distribution jusqu'à 50 kV. Comprend les exigences PQ au PCC — harmoniques, fluctuation de tension, et limites de scintillement pour les connexions DER basées sur un onduleur et un générateur. |
10 Mesure et surveillance
Une mesure significative du PQ ne consiste pas simplement à connecter un instrument et à collecter des données.. Le lieu de mesure, la classe d'instruments, la durée de l'enquête, la méthodologie d'agrégation, et le traitement statistique des résultats déterminent tous si les données soutiennent des conclusions techniques valides.. CEI 61000-4-30 fournit le cadre faisant autorité pour ces choix. [2]
Le point de mesure
Les résultats dépendent essentiellement de l'endroit où l'instrument est connecté. La point de couplage commun (PCC) — le point du réseau public le plus proche du client où d'autres utilisateurs sont ou pourraient être connectés — est la référence standard pour les évaluations d’émissions et de conformité. Mesures aux terminaux des équipements, au jeu de barres secondaire d'un transformateur industriel, ou en aval d'un UPS produira des résultats différents et servira à des fins d'ingénierie différentes: dépannage de l'équipement versus évaluation de la conformité des services publics versus caractérisation du réseau. La confusion entre ces points de mesure est une source fréquente de litiges techniques et de rapports mal interprétés..
Durée de l'enquête et statistiques
EN 50160 et CEI 61000-4-30 préciser que les évaluations de conformité pour la plupart des paramètres de tension nécessitent une semaine de mesure continue, avec un critère du 95ème percentile: le paramètre doit rester dans les limites spécifiées pendant 95% des intervalles de mesure de 10 minutes pendant la période d’observation. Les chutes de tension et les interruptions ne sont pas soumises à cette règle centile — ils sont signalés sous forme de nombre d'événements classés par gravité à l'aide des classes de gravité UNIPEDE DISDIP ou des indices SARFI.. Une enquête d'une semaine capture un échantillon représentatif des conditions d'exploitation du réseau mais peut manquer les effets saisonniers; La surveillance de la qualité de l'énergie sur plusieurs semaines ou en permanence est appropriée pour les installations critiques et pour les programmes de caractérisation à l'échelle du réseau..
Figure: L'EN 50160 / CEI 61000-4-30 95critère de conformité du ème percentile. Une semaine de mesure continue donne environ 1008 intervalles de dix minutes. La valeur du paramètre est calculée pour chaque intervalle et classée. La conformité exige que la valeur du 95e centile – le seuil en dessous duquel 95% des intervalles diminuent — ne dépasse pas la limite spécifiée. La queue orange (5% d'intervalles) est autorisé à dépasser la limite sans constituer un non-respect.
Cours d'instruments
CEI 61000-4-30 définit deux classes d'instruments principales. La classe A spécifie la précision de mesure la plus élevée et est requise pour les applications contraignantes: vérification de la conformité contractuelle, soumissions réglementaires, et mesures d'experts techniques utilisées dans le règlement des litiges. La classe S est spécifiée pour les instruments d'enquête statistique où une précision légèrement inférieure est acceptable.. La conformité de classe A nécessite une incertitude de mesure démontrée dans les limites des budgets définis pour chaque paramètre., étalonnage traçable aux étalons nationaux, et mise en œuvre correcte de toutes les exigences d’agrégation et de signalement. [2] Un instrument étiqueté simplement comme un « analyseur de qualité d’énergie »” sans certification explicite de classe A, on ne peut pas supposer qu'il répond à ces exigences.
11 Aperçu de l’atténuation
L’atténuation PQ peut être appliquée à trois points de la chaîne d’approvisionnement: à l'origine du dérangement (réduction des émissions), dans le réseau entre la source et la victime (atténuation ou découplage), ou à la charge sensible (amélioration de l'immunité). La stratégie optimale dépend de la nature et de la localisation de la perturbation, la faisabilité technique de chaque option, et les coûts relatifs — qui varient considérablement selon la taille de l'installation et les caractéristiques du réseau. Les techniques répertoriées dans les tableaux suivants représentent les solutions les plus pratiques et éprouvées sur le terrain disponibles aujourd'hui pour les ingénieurs et les services publics.. Ils ne sont pas exhaustifs — des approches au stade de la recherche et hautement spécifiques aux applications existent au-delà de ce cadre — mais ils couvrent les solutions qu'un praticien est le plus susceptible de rencontrer et de préciser sur des projets réels.
Atténuation harmonique
Les solutions d'atténuation des harmoniques vont des simples éléments d'impédance passive coûtant quelques dollars par kilowatt aux systèmes actifs entièrement adaptatifs d'un ordre de grandeur plus coûteux.. Le bon choix dépend de la réduction THD requise, la stabilité de la charge, l'impédance du réseau, et si IEEE 519 ou FR 50160 la conformité doit être démontrée au PCC. Le tableau ci-dessous reprend les principales techniques par ordre croissant de coût et de performance..
| Technique | DHT de sortieJe | Avantages | Inconvénients | Convient pour | Coût (USD$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Réactance de ligne AC (3–5%) | 35–40% | Très faible coût; protection transitoire; prolonge la durée de vie du condensateur d'entraînement | Réduction limitée 5ème/7ème; chute de tension sous charge | Disques simples, rénovation, sites à budget limité | $10–25/kW |
| Self de liaison CC | 32–35% | Légèrement meilleur 5ème/7ème que le réacteur AC; pas de chute de tension; compact | Nécessite une disposition de montage de disque interne; moins de protection transitoire que le réacteur AC | Entraînements avec starter interne | $8–20/kW |
| Réacteur AC + Inductance CC combinée | ~28 à 32 % | Meilleur résultat passif à faible coût; 6% impédance combinée; protection transitoire conservée | Deux composants; légère chute de tension supplémentaire | Disques là où les meilleures performances passives sont nécessaires sans coût de filtre | $15–35/kW |
| Filtre shunt passif (LC réglé) | 70–85% | Faible coût à grande échelle; améliore simultanément le PF; pas de composants actifs | Réglage fixe; risque de résonance si le réseau change; étude d'ingénierie requise | Au niveau de l'usine, 100 kW+, mélange de charge stable | $30–80/kVA filtré |
| 12-redresseur d'impulsions (auto-transformateur) | ~85 % contre 6 impulsions; DHT 10-15 % | Élimine le 5ème et le 7ème à la source; robuste; pas de risque de résonance | Transformateur déphaseur requis; 11il reste les ème et 13ème; sensible au déséquilibre de l’offre | Nouvelles installations, 75 kW+, processus critiques | $50–120/kW |
| 18-redresseur d'impulsions (auto-transformateur) | DHT 5 à 8 % | Élimine du 5ème au 13ème; courant d'entrée quasi sinusoïdal | Transformateur plus volumineux; coût plus élevé; plus sensible au déséquilibre de tension que le système à 12 impulsions | Grands disques, IEEE 519 conformité au PCC requise | $80–160/kW |
| Filtre hybride (passif + actif) | THD < 5% | Coût inférieur à celui de l’AHF pur; poignées passives d'ordre inférieur, poignées actives d'ordre élevé et dynamiques | Deux systèmes à entretenir; complexité technique; risque d'interaction | Industriel de grande puissance, 500 kW+, Applications MT | $80–180/kVA |
| Filtre actif d'harmoniques (AHF) | THD < 5% | Entièrement adaptatif; pas de risque de résonance; une unité dessert plusieurs charges sur un bus partagé; Correction PF combinée | Coût d’investissement élevé; pertes continues ~ 1 à 2 %; entretien; moins rentable à très haute puissance | Bus à charge mixte, charges variables, où une correction PF est également nécessaire | $150–300/kVA |
| Frontal actif (AFE) entraînement | THD < 3% | Presque sinusoïdal; régénérateur (4-quadrant); unité PF; meilleure distorsion de sa catégorie | Coût de la prime; complexe; nécessite un nettoyage, tension d'alimentation stable | Disques haute puissance, applications régénératives (grues, ascenseurs, bancs d'essais) | $200–400/kW |
| Transformateur classé K | Protège uniquement le transformateur — ne réduit pas la distorsion du réseau | Simple; protège les actifs existants; pas de composants actifs; remplacement immédiat | Ne réduit pas l’injection d’harmoniques dans le réseau; seulement une mesure d'atténuation thermique | Protection de transformateur existante où les charges harmoniques ne peuvent pas être modifiées | $20–60/kVA premium par rapport à la norme |
| Transformateur en zigzag | Annule le triplen (homopolaire) harmoniques au neutre | Élimine le 3ème, 9e, 15e du neutre; simple; pas de composants actifs | Ne traite que les harmoniques homopolaires; ne réduit pas le 5ème, 7e; ajoute un point de mise à la terre neutre | Systèmes triphasés avec de grandes charges de commutation monophasées (IT, éclairage) | $25–70/kVA |
Atténuation des chutes de tension
L'atténuation des chutes de tension peut être appliquée au niveau du réseau (réduisant la fréquence et la profondeur des affaissements pour tous les clients) ou au niveau de charge individuel (passage pour le processus sensible spécifique). Les mesures au niveau du réseau profitent à de nombreux clients mais ne peuvent pas éliminer les creux causés par des défauts sur le même bus.; les mesures au niveau de la charge sont plus ciblées mais doivent être dimensionnées et maintenues à chaque installation.
| Technique | Profondeur / durée de couverture | Avantages | Inconvénients | Convient pour | Coût (USD$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Amélioration continue (contrôles) | Affaissements peu profonds, <0.5 s | Coût minime; pas de matériel au niveau de la puissance; immédiat | Profondeur et durée limitées; ingénierie spécifique à la charge requise | Contacteurs moteur, alimentations de commande de variateur, Automates, bobines de relais | $1–10/kW (contrôles uniquement) |
| Ferrorésonant (CVT) transformer | ~50 % de tension retenue; régulation continue | Simple; pas d'électronique de puissance; régulation de tension continue; longue vie | Pertes continues élevées; doit être surdimensionné pour une protection complète; monophasé <15 kVA uniquement | Petites charges sensibles monophasées: contrôles, Automates, instruments médicaux | $20–80/kVA |
| Commutateur de transfert statique (STS) | Dépend de la qualité alternative du chargeur | Transfert rapide (<¼ cycle); faibles pertes; profite à tous les chargements du bus | Nécessite une mangeoire alternative saine – un affaissement simultané sur les deux mangeoires ne donne aucun avantage | Parcs industriels, campus, centres de données avec double alimentation utilitaire | $100–250/kVA |
| Dynamic Voltage Restorer (DVR) | Jusqu'à ~ 25 à 50 % de tension retenue; seconde | Réponse rapide (1–2 cycles); faibles pertes en fonctionnement normal; rentable par rapport à UPS pour les affaissements uniquement | Impossible de gérer des interruptions complètes; stockage d'énergie limité; profondeur et durée de l'affaissement limitées par le stockage | Fabriques de semi-conducteurs, transformation des aliments, usines de papier, industrie de processus continu | $150–350/kVA |
| Stockage d'énergie par supercondensateur (avec convertisseur de puissance) | N'importe quelle profondeur; 1–10 s | Réponse rapide; très longue durée de vie; pas de dégradation de la batterie; comble proprement les affaissements courts | Densité énergétique limitée; durée limitée par la taille du groupe de supercondensateurs; coût élevé du kWh stocké | Puissance de pont pour les creux courts; hybride avec DVR ou UPS pour prolonger la durée | $300–600/kW stocké |
| Groupe moteur-générateur + volant | ~80 % de tension retenue; 10–30 s de passage | Robuste; longue vie; pas de piles; isolation électrique complète; inertie inhérente | Lourd; grande empreinte; pertes de rotation continues; démarrage lent après le voyage | Utilitaires, traitement de l'eau, pétrochimique, défense | $200–400/kVA |
| UPS (double conversion) | 100% profondeur; minutes à heures selon la batterie | Protection complète, y compris les interruptions prolongées; sortie isolée et propre; norme industrielle pour les charges critiques | 5–10% de pertes continues; entretien et remplacement de la batterie; durée limitée sans batterie étendue | Centres de données, médical, télécom, contrôles de processus critiques | $200–500/kVA |
| Automatisation du chargeur / sectionnement rapide | Réduit la durée des interruptions; ne réduit pas la profondeur de l'affaissement | Avantage au niveau du réseau pour tous les clients; pas de matériel côté client | Impossible d'empêcher l'affaissement initial; investissement en capital dans les services publics; long délai de mise en œuvre | Réseaux de distribution de services publics, mangeoires rurales, programmes d'amélioration de la fiabilité | Investissements dans les services publics – varie |
Atténuation du scintillement
L'atténuation du scintillement va des modifications opérationnelles sans coût aux installations d'électronique de puissance à grande échelle.. La solution appropriée dépend du type de source, le taux de répétition de la fluctuation de charge, le P requiser réduction, et si une compensation harmonique est également nécessaire simultanément.
| Technique | Per réduction | Avantages | Inconvénients | Convient pour | Coût (USD$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Planification des charges / fonctionnement hors pointe | Changements Pcom fardeau | Coût d'investissement nul; immédiat; pas de matériel | Nécessite une flexibilité de processus; pas une solution de conformité pour Per limites | Fours à arc et grandes soudeuses dans les parcs industriels partagés | $0 — opérationnel |
| Soudeur de grille/maille — courant réduit, temps d'arc prolongé | 15–25% | Coût d'investissement nul; immédiat; pas de matériel; impact marginal sur la productivité | P limitéer réduction; pas efficace pour les sources de scintillement graves | Postes à souder à grille par résistance avec tige de plus petit diamètre | $0 — opérationnel |
| Soudeuse de grilles/mailles — soudage séquentiel | ~50% (facteur de ~2) | Réduction importante du scintillement sans coût d’investissement. Une grille de N tiges est soudée en deux passes séquentielles (e.g. 7 alors 8 de 15) — la demande réactive par tir est réduite de moitié, réduire de moitié l'amplitude de l'impulsion de tension | Réduit le débit de 15 à 20 % sur les exécutions concernées; nécessite une reprogrammation du processus. Nécessaire uniquement pour les tiges de grand diamètre : une production plus légère qui ne provoque pas de scintillement ne nécessite aucun changement | Postes à souder à grille de résistance avec tige de grand diamètre où le courant de soudage individuel provoque un scintillement important | $0 — opérationnel |
| Amélioration du contrôle des électrodes (AEP) | 20–40% | Réduit les fluctuations réactives à la source sans matériel externe; contrôleurs numériques modernes disponibles | Dépend du processus; portée limitée; nécessite la participation du fournisseur de four à arc | Projets de modernisation des fours à arc électrique | Inclus dans les commandes de la fournaise |
| Condensateur série sur départ de distribution | 60–80% | Passif; pas de composants actifs; faible coût; prestation permanente; réduit l'impédance de la source vue par la charge fluctuante | Efficace uniquement sur les mangeoires longues avec des charges en retard; étude de conception détaillée requise; coordination de la protection nécessaire | Doseurs ruraux à charges fluctuantes (égreneuses à coton, puits d'eau, scieries) | $15–40/gauche |
| Filtre shunt passif / condensateur fixe au PCC | Partiel — dépendant de la charge | Bénéfice simultané de puissance harmonique et réactive; faible coût; pas de composants actifs | Rémunération fixe; peut interagir avec l'impédance du réseau; réponse dynamique limitée | EAF ou soudeurs déjà équipés de batteries de condensateurs fixes | $20–50/gauche |
| Batterie de condensateurs commutés (TSC) | 30–50% | Plus rapide qu’une rémunération fixe; coût inférieur à celui du SVC complet; améliore le PF par étapes | Rémunération par changement progressif uniquement – non continue; moins efficace pour les fluctuations à haute fréquence | Soudeurs de moyenne envergure, le moteur démarre, sources de scintillement modérées et prévisibles | $30–80/gauche |
| SVC (RCT + condensateurs fixes) | 50–70% | Une technologie mature; évolutif jusqu'à des centaines de Mvar; coût modéré; longue base installée | ½ à 1 délai de réponse du cycle; affaissement résiduel au bord d'attaque et gonflement au bord arrière de chaque impulsion compensée; nécessite des filtres d'harmoniques. Voir remarque ci-dessous. | fours à arc, soudeurs à grande résistance, Réseaux MT/HT | $80–200/gauche |
| SVC hybride + filtre passif | 65–80% | Coût optimisé pour les grands EAF; gère les harmoniques et le scintillement simultanément; éprouvé à ultra-haute puissance | Etude d'ingénierie complexe requise; deux systèmes pour coordonner et maintenir | EAF ultra-haute puissance (>100 MW) | $60-150/chacun combiné |
| STATCOM (Basé sur VSC) | 60–80% | Réponse ~ 2 à 5 ms — évite en grande partie la limitation de l'affaissement du bord d'attaque et du gonflement du bord de fuite du SVC; empreinte réduite; peut fournir des fluctuations de puissance réelle et réactive à partir d'un condensateur CC | Coût au mètre carré plus élevé que celui du SVC à grande échelle; électronique de puissance plus complexe | Soudeurs à haute répétition et EAF où le retard des thyristors SVC est une limitation démontrable | $120–300/gauche |
Ingénierie de la qualité de l'énergie, vu du côté du réseau, est finalement la gestion d’infrastructures partagées. Chaque charge connectée est à la fois une victime potentielle de perturbations d'alimentation et une source potentielle de perturbations pour ses voisins.. Comprendre cette relation bilatérale — quantitativement, et en référence aux normes applicables — est le fondement d’une bonne pratique de QP.
Série d'articles techniques IPQDF
Les articles suivants traitent des sujets individuels de cet aperçu dans toute leur profondeur technique. — avec des exemples numériques travaillés, modèles de circuits, calculs par unité, et résultats calibrés sur le terrain.
6-Harmoniques du VFD à impulsions: Spectre, Limites, et impact sur le réseau
Spectre de courant harmonique complet de l'avant du redresseur à six impulsions. Décomposition de Fourier, grandeurs par unité, IEEE 519-2022 évaluation de la conformité au PCC, et distorsion de la tension du réseau.
Lire l'article →Condensateurs harmoniques et facteur de puissance: Le risque de résonance
Comment les courants harmoniques des VFD interagissent avec les batteries de condensateurs shunt pour former des circuits résonants parallèles. Fréquence de résonance, facteur d'amplification Q, et atténuation avec des réacteurs de désaccord.
Lire l'article →Effets harmoniques sur les moteurs à induction: Pollution du réseau, Contrainte VFD, et atténuation
Traitement en deux parties: harmoniques injectées par les moteurs dans le réseau d'alimentation, et les harmoniques reçues par les moteurs à partir d'une alimentation déformée — y compris les moteurs sans VFD propre.
Lire l'article →Le redresseur à 6 impulsions comme victime: Distorsion de l’approvisionnement et fiabilité des entraînements
Le paradoxe de la conformité examiné en détail: un lecteur conforme à la norme IEEE 519 les limites d'émission peuvent encore subir des dommages internes lorsque la tension d'alimentation est elle-même déformée. Quantifié pour les scénarios de réseau faible et fort.
À venirRéférences
- Dugan, R.C., McGranaghan, M.F., Santoso, S., Beaty, H.W.. Electrical Power Quality Systems, 33ème édition. McGraw-Hill, 2012. ISBN 978-0-07-176155-0.
- CEI 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique (EMC) — Partie 4-30: Techniques d'essai et de mesure — méthodes de mesure de la qualité de l'alimentation. CEI, Genève.
- EN 50160:2010+A3:2019. Caractéristiques de tension de l'électricité fournie par les réseaux publics d'électricité. CENELEC, Bruxelles.
- IEEE Std 1159-2019. Pratique recommandée par l'IEEE pour la surveillance de la qualité de l'énergie électrique. IEEE, New York.
- CEI 61000-2-5:2017. Compatibilité électromagnétique (EMC) — Partie 2-5: Environnement — Classification des environnements électromagnétiques. CEI, Genève.
- Arrillaga, J., Watson, N.R. Harmoniques Power System, 2éd. John Wiley & Sons, 2003. ISBN 978-0-470-85129-6.
- Mohan, N., Undeland, T.M., Robbins, W.P.. Power Electronics: Convertisseurs, Applications, et conception, 33ème édition. John Wiley & Sons, 2002. ISBN 978-0-471-22693-2.
- ANSI/IEEE C57.110-2018. Pratique recommandée par l'IEEE pour établir la capacité d'un transformateur de puissance et de distribution rempli de liquide et de type sec lors de la fourniture de courants de charge non sinusoïdaux. IEEE, New York.
- IEEE Std 519-2022. Norme IEEE pour le contrôle des harmoniques dans les systèmes d'alimentation électrique. IEEE, New York.
- CEI 61000-4-7:2009+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique (EMC) — Partie 4-7: Techniques d'essai et de mesure — Guide général relatif aux harmoniques et inter mesures et instrumentation. CEI, Genève.
- EPRI / CEIDS. Le coût des perturbations de courant pour les entreprises de l’économie industrielle et numérique. EPRI, Palo Alto, Californie, 2001. Numéro de rapport. 1006274.
- CCI (Information Technology Industry Council). Note d’application de la courbe ITIC — Limite de tolérance de tension. Washington, DC, 2000.
- La balle, M.H.J.. Problèmes de qualité d'énergie Comprendre: Creux de tension et interruptions. IEEE Press / Wiley-Interscience, 2000. ISBN 0-7803-4713-7.
- CEI 61000-4-15:2010+AMD1:2012. Compatibilité électromagnétique (EMC) — Partie 4-15: Techniques d'essai et de mesure — Flickermètre — Spécifications fonctionnelles et de conception. CEI, Genève.
- IEEE Std 1036-2010. Guide IEEE pour l'application des condensateurs shunt de puissance. IEEE, New York.
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- IEEE Std 2030.8-2018. Norme IEEE pour les tests des contrôleurs de micro-réseaux. IEEE, New York.
- CSA C235:19. Niveaux de tension préférés pour les systèmes CA jusqu'à 50 000 En. Groupe CSA, Toronto, 2019. Norme nationale du Canada.
- CAN/CSA-C61000-2-2:04 (R2023). Compatibilité électromagnétique (EMC) — Partie 2-2: Environnement — Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites basse fréquence et la signalisation dans les systèmes publics d'alimentation électrique basse tension. Groupe CSA, Toronto. Adoption canadienne de la CEI 61000-2-2.
- CAN/CSA-C61000-3-7:04. Compatibilité électromagnétique (EMC) — Partie 3-7: Limites — Évaluation des limites d'émission pour le raccordement des installations fluctuantes à la MT, Systèmes électriques HT et THT. Groupe CSA, Toronto. Adoption canadienne de la CEI 61000-3-7.
- CSA C22.3 Non. 9:20. Interconnexion des ressources énergétiques distribuées et des systèmes d'approvisionnement en électricité. Groupe CSA, Toronto, 2020. Norme nationale du Canada.