Filtrage des harmoniques via un poste à souder
Raouf BELRECHID1 Atelier Soudo-mécanique
Welding and NDT Research Center (CSC) BP.64, Cheraga – ALGERIA
raoufent@yahoo.fr
Mouloud AISSANI2
Mechanical and Metallurgical Division Welding and NDT Research Center (CSC)
BP.64, Cheraga – ALGERIA m.aissani@csc.dz Résumé— Le présent travail consiste à présenter une
étude de modification d’un poste à souder afin de dépolluer simultanément un réseau électrique des harmoniques (causés par la présence de ce poste) et d’une charge non-linéaire quelconque. On propose l’addition d’un onduleur (filtre) qui produit les composantes de courant nécessaires que nous devons injecter pour compenser le taux de perturbation en amant des charges polluantes. Par ce travail aussi, on simule le comportement du courant et en vérifiant l’efficacité de ce filtre étudie.
Mots clés— Filtrage actif, onduleur, harmoniques, poste à souder, méthode des puissances, FAP.
I. INTRODUCTION
L’utilisation importante de charges non linéaires, telles que des redresseurs à diodes ou thyristors, des alimentations à découpage etc., ont pour résultat de déformer le courant dans les réseaux électriques de distribution. En effet, ces charges non-linéaires génèrent des harmoniques de courant et consomment de la puissance réactive [1]. Delà, il y a quelques standards (normes) ont recommandés des restrictions d’harmoniques pour limiter ces harmoniques de courant injectés dans le réseau par les charges non-linéaires.
Les filtres passifs tels que les filtres LC (ont une bobine L et un Condensateur C), souvent appelés filtres piégeurs d’harmoniques, ont été utilisés pour éliminer les harmoniques de courants et améliorer le facteur de puissance. Ces solutions sont très simples, à bas prix, et de grandes efficacités, mais ne fonctionnent plus lorsque les caractéristiques de la charge évoluent [2]. C’est pourquoi durant cette dernière décennie, la solution des filtres actifs de puissance s’est largement développée. Ils compensent, en temps réel, les perturbations dues à une charge non-linéaire. Néanmoins, à signaler que la commande des filtres actifs est délicate. On va s’intéresser dans ce travail, à une application dans le domaine de soudage et à la commande d’un filtre actif parallèle en utilisant la méthode des puissances réelle [1] et imaginaire instantanées.
II. ÉTAT DE L’ART A. Convertisseurs statiques
De nos jours, les convertisseurs statiques tels que les redresseurs, gradateurs etc., sont incontournables. Les
équipements industriels, aussi bien domestiques (post à souder, alimentations des ordinateurs, variateurs de vitesse des moteurs…), possèdent pour la plupart des convertisseurs statiques. Bien que, l’utilisation de ces convertisseurs ait beaucoup d’avantages, mais ces convertisseurs ont aussi un défaut considérable : ils détériorent les courants et tensions des réseaux de distribution. Ces systèmes sont des charges non- linéaires, c.à.d. elles absorbent un courant non sinusoïdal lorsqu’elles sont soumises à une tension sinusoïdale [2]. Ce type de charges est générateur d’harmoniques de courants.
Parmi les charges non-linéaires existantes, il y a des charges telles que les appareils comportant [3] : soit des redresseurs, soit un arc électrique (tels que fours à arc, éclairage fluorescent, soudeuses, …), où ces derniers nous intéressent.
On peut voir, ci-dessous sur la figure (1), des exemples de convertisseurs statiques alimentés par une source sinusoïdale ainsi que l’allure du courant consommé.
On présente aussi par la figure (2) l’allure d’un signal de la tension sinusoïdale et du courant en amont (perturbé) d’un poste à souder.
Fig. 1. Quelques convertisseurs statiques et l’allure des courants engendrés.
Fig. 2. Allure d’un signal de la tension et du courant en amont d’un poste à souder.
B. Critères de quantification des perturbations
Afin de quantifier le niveau de perturbation du courant, différents critères sont disponibles. Les plus utilisés sont :
Le taux de distorsion d’harmoniques de courant que l’on notera THD (Total Harmonic Distortion) [4], qui sert à quantifier les perturbations harmoniques du courant.
Le facteur de puissance qui sert à quantifier la puissance réactive consommée.
Ce taux de distorsion d’harmoniques de courant est défini par :
(1)
Avec : Ic1 la valeur efficace du courant fondamental et Ick la valeur efficace du courant d’harmonique de rang k.
Le facteur de puissance est défini par : le facteur de puissance en régime sinusoïdale introduit comme étant le déphasage entre la tension et le courant et il est donné par l’expression :
𝐹𝑝 =𝑃
𝑆= 𝑃
𝑃2+ 𝑄2= cos(𝜑) Où :
: Facteur de puissance : Puissance active : Puissance réactive
: Déphasage entre la tension et le courant.
En régime pollué, la puissance apparente S n’est plus donnée uniquement en fonction de la puissance active et réactive, mais il y a introduction d’une nouvelle puissance dite déformante induite de la présence des harmoniques [4], ainsi on aura :
Avec : : Puissance déformante.
Alors, le facteur de puissance sera donné par :
(3)
III. LES FILTRES
Afin de limiter les effets harmoniques et réactifs d’un courant perturbé, il a été développé différents systèmes de filtrage. On va ainsi présenter rapidement les différents types de filtres où en détaillant les Filtres Actifs Parallèles et l’on notera FAP. Ce dernier sera utilisé dans notre simulation du comportement du courant des postes à souder, en tirant le meilleur profit.
A. Filtrage passif
Les filtres passifs, constitués d’une inductance (bobine) L et d’un condensateur C, ont été utilisés traditionnellement pour absorber les harmoniques générés par des charges industrielles non-linéaires. Ceci étant dû à leur faible coût et à leur grande efficacité.
Le principe consiste à insérer en amont de la charge un ou plusieurs circuits de composants passifs accordés sur les harmoniques à rejeter. Ainsi, pour filtrer un courant à une fréquence particulière, un filtre résonant série est placé en parallèle sur le réseau [3].
Cependant, il possède un certain nombre de défauts qui sont cités ci-dessous :
L’impédance de la source influence fortement les caractéristiques de compensation du filtre passif.
L’impédance de la source dépend de l’impédance du réseau électrique et est habituellement non connue. De plus, les filtres passifs sont aussi sensibles aux tolérances de l’inductance L et du condensateur C.
La conception d’un filtre passif nécessite d’effectuer des études poussées du système à filtrer et de considérables efforts d’ingénierie. Développer un filtre passif n’est pas quelque chose qui peut se généraliser à tout système. Pour chaque système à filtrer, il faut développer son propre filtre.
Le filtre passif peut provoquer une résonance parallèle avec la source causant l’amplification d’harmoniques de courants du côté de la source à des fréquences spécifiques.
Le filtre passif possède un ensemble de résonances avec la source soulevant la possibilité d’exciter cette résonance sous certaines conditions.
Les filtres passifs accordés sur une fréquence dominante de la charge ont tendance à attirer les harmoniques de courants des charges ambiantes.
Les filtres passifs se chargent et lissent les transitoires de découpage.
Les défauts mentionnés ci-dessus peuvent aussi causer une surcharge des filtres passifs. Par conséquent, les filtres passifs sont toujours accordés sur une fréquence juste en dessous de la fréquence de l’harmonique dominant de la charge.
Les filtres passifs ne constituent pas un moyen viable et efficace pour la compensation d’harmoniques de charges industrielles et en général, les charges telles que les systèmes de distribution. En revanche, ils sont parfaitement adaptés pour les systèmes de transmission de hautes tensions pour (2)
lesquelles les études de systèmes détaillés sont faites une fois pour toutes et dont l’effort d’ingénierie est seulement une petite fraction du coût total du système.
B. Filtrage actif
Les problèmes liés aux filtres passifs (non adaptabilité aux variations de la charge et du réseau, phénomène de résonance) ont conduit à la conception d’une nouvelle structure de filtres appelée filtres actifs. Ces filtres ont pour but d’injecter sur le réseau soit :
Des harmoniques de courant dans le cas d’un filtre actif parallèle.
Des harmoniques de tension dans le cas d’un filtre actif série.
Soit les deux dans le cas de filtres hybrides.
On peut voir, sur la Figure 3 ci-dessous, les différents types de filtres actifs [4].
Fig. 3. Différents types de filtres actifs.
1) Filtre Actif Parallèle (FAP) :
Cette classe de filtre constitue la configuration la plus largement répandue dans les procédés industriels. Le filtre est connecté au circuit principal de puissance comme montré dans la Figure 4, [5].
Fig. 4. Principe des filtres actifs parallèles [5].
Le filtre actif parallèle injecte dans le réseau les harmoniques de courant consommés par la charge de telle sorte que le
réseau ne fournisse plus que le courant fondamental, comme on peut le voir sur la Figure 5, [3].
Fig. 5. Visualisation des courants mis en jeu.
Le but de ce type de filtre est d’annuler les harmoniques de courant que la charge fournit à la source. Il peut également contribuer à la compensation de la puissance réactive et équilibrer les 3 phases du courant. Les filtres actifs parallèles ont l’avantage d’apporter seulement le courant de compensation et un peu du fondamental du courant fournit pour compenser les pertes du système. Il est aussi possible de connecter plusieurs filtres en parallèle pour approvisionner des courants importants, ce qui rend ce type de circuit adapté pour une large gamme de puissance.
Les filtres actifs parallèles de puissance se répartissent en 4 catégories distinctes de circuit :
Les filtres actifs parallèles avec onduleur de courant ou de tension FAP.
Les filtres actifs parallèles avec capacités à commutation.
Les filtres actifs parallèles avec structure Lattice.
Les filtres actifs parallèles avec régulateur de tension.
Remarque :
Dans notre étude, on retient la première catégorie des filtres FAP (filtres actifs parallèles avec onduleur de courant ou de tension); car il répond principalement à la problématique des harmoniques de courant qui est la plus cruciale actuellement, tout en restant simple à mettre en œuvre. Aussi, car il offre de très bonnes performances, selon la bibliographie [5].
En effet, le FAP est au centre des préoccupations des recherches durant ces deux dernières décennies. Les références traitant de FAP sont extrêmement nombreuses. Il est également évolutif et permet d’implémenter de nouvelles stratégies à partir de la même structure matérielle.
IV. MODÉLISATION ET SCHÉMATISATION DU SYSTÈMEÉTUDIE
A. Schématisation de l’installation
L’installation à étudier est alimentée par une source triphasée sinusoïdale, qui contient à la fois des charges polluantes (qui consomme un courant non sinusoïdale) et des charges linéaires consommant un courant sinusoïdale. On considère, pour notre simulation, la charge non-linéaire est un poste à souder. Le schéma de l’installation sera donné par la figure 6.
Fig. 6. schéma du système étudié.
B. Détermination des références harmoniques
Le filtrage actif par l’onduleur se base sur la connaissance des courants harmoniques de référence que doit générer l’onduleur lui-même [2]. L’identification des perturbations consiste à extraire l’information d’un signal donné, et ce, par séparation de la partie souhaitée (perturbation) du signal global. On peut regrouper les différentes méthodes d’identification de courant harmoniques en deux familles :
La première utilise la transformée de Fourier rapide dans le domaine fréquentiel, pour extraire les harmoniques du courant.
Cette méthode est bien adaptée aux charges où le contenu harmonique varie lentement. Ainsi, elle donne l’avantage de sélectionner les harmoniques individuellement et de ne choisir de compenser que les plus prépondérants. Cette méthode nécessite une grande puissance de calcul afin de réaliser, en temps réel, toutes les transformations nécessaires pour extraire les harmoniques [4].
La deuxième famille est basée sur le calcul des puissances instantanées dans le domaine temporel.
Certaines de ces méthodes se basent sur le calcul des puissances harmoniques de la charge non-linéaire [3]. D’autres peuvent être utilisées pour compenser à la fois les courants harmoniques et la puissance réactive, en se basant sur la soustraction de la partie fondamentale active du courant total.
La méthode d’identification la plus utilisée est celle appelée méthode des puissances réelles et imaginaires instantanées.
Cette méthode offre l’avantage de choisir la perturbation à compenser avec précision, rapidité et facilité d’implantation.
La stratégie de commande se base sur la détection des courants perturbateurs dans le domaine temporel. Trois possibilités d’identification des courants perturbateurs ont été proposées [5].
Identification à partir de la détection du courant de la charge polluante;
Identification à partir de la détection du courant de la source;
Identification à partir de la détection de la tension de la source.
V. APPLICATION DE LA MÉTHODE DES PUISSANCES RÉELLE ET IMAGINAIRE INSTANTANÉES
A. Principe de la méthode
L’identification des courants harmoniques, par cette méthode, est réalisée sur les puissances réelle et imaginaire instantanées par transformation des grandeurs électriques (tension, courant) dans un repère fixe par la transformée de Concordia.
Cependant, il y a lieu de signaler que cette méthode n’est pas une méthode d’identification directe des composantes harmoniques du courant mais identifie plutôt les composantes harmoniques qui ne servent pas à véhiculer de la puissance active.
Les courants harmoniques donc, sont donnés dans un repère fixe ( par [5] :
, Étant les courants de ligne du système triphasé. Pour les tensions, on a :
, , : Étant les tensions simples du système triphasé.
La puissance réelle instantanée et la puissance réactive instantanée peuvent être exprimées de façon équivalente en système biphasé par :
Donc :
En séparant le courant dans le repère ( en trois termes : actif, réactif (à la fréquence fondamentale) et la somme des harmoniques, on obtient :
Avec :
= et
et : représentent les puissances continues instantanées active et réactive respectivement, liée à la composante fondamentale du courant.
et : représentent les puissances alternatives instantanées active et réactive liées à la somme des composantes harmoniques du courant.
Les courants triphasés de référence sont obtenus par la transformation inverse de Concordia :
B. Identification avec compensation de l’énergie réactive La compensation de l’énergie réactive consiste à rendre le déphasage entre le courant et la tension du réseau nul, c.à.d. un facteur de puissance unitaire. Pour cela, on identifie le courant de charge pour avoir la valeur du courant du filtre qu’il faut ajouter pour que le courant délivré par la source soit sinusoïdal et en phase avec la tension [3].
: Courant d’entrée de la charge polluante.
: Courant de réseau.
Le courant généré par le filtre doit être égal à la somme d’une composante harmonique (servant à dépolluer le réseau, autrement dit à éliminer les harmoniques), et une composante fondamentale réactive (qui va servir à compenser l’énergie réactive, c.à.d. rendre le facteur de puissance unitaire). Donc, il faut déterminer le courant réactif que le filtre actif doit générer pour compenser l’énergie réactive à partir du courant de référence , tel que :
: Courant de référence que doit générer le filtre actif.
C. Détermination du courant réactif :
On utilise la même démarche d’identification pour déterminer le courant réactif :
Par l’application de la transformation inverse de Concordia, on a :
Pour neutraliser cette puissance réactive, on somme le courant harmonique généré par la charge avec le courant réactif désigné par , pour permettre d’avoir le courant de référence que doit générer le filtre actif. Cela est afin d’obtenir un courant de source sinusoïdal et en phase avec sa tension.
Donc : Avec:
: Courant réactif.
Courant harmonique généré par la charge.
On résume dans la suite, les démarches d’identification des harmoniques par un organigramme illustré dans la figure suivante (7). On présente par la suite nos résultats de simulation pour les cas avant et après le filtrage du courant.
Fig. 7. Organigramme d’identification des harmoniques [1].
VI. RÉSULTAT DES SIMULATIONS A. Simulation avant filtrage
a) Allures des ondes de courant et de tension
Après connexion d’une charge non linéaire (pour notre simulation c’est un poste à souder) au réseau triphasé, on voit que les ondes électriques respectivement celle de la tension et celle du courant se trouvent déformées (Figures 8 et 9). Elles ne sont plus sinusoïdales. Ceci est dû au faite que la charge consomme un courant non sinusoïdal, ainsi il y a création d’harmoniques de courant.
L’interaction de ces dernières avec les impédances de la source et celle des lignes électriques crée à son tour une déformation de l’onde de tension (Figures 10 et 11).
On montre, par la Figure 12, le spectre harmonique avant filtrage, qui est dense pour les premiers valeurs du Rang (k : de 0 à 5) avec une amplitude importante (ordre de 36 l’unité).
Puis, ces amplitudes diminuent et deviennent proche de plus ou moins à la valeur 5.
Fig. 8. Allure du courant Ia (une phase)
Fig. 9. Allure de l’ensemble des courants (Ia, Ib, Ic).
Fig. 10. Allure de la tension Va.
Fig. 11. Allure des tensions Va, Vb, Vc.
Fig. 12. Spectre harmonique avant filtrage
b) Calcul du Fp :
Pour le calcul du facteur de puissance, on effectue un bilan de puissances, qui nous donne :
Puis, on retrouve ce facteur :
Ainsi ; ce qui montre que le facteur de puissance est dégradé.
Remarque : Nous devons donc, procéder simultanément à améliorer la qualité de l’onde et à relever le facteur de puissance, ceci en utilisant le filtrage d’harmoniques électriques pour les empêcher à la propagation.
B. Solution adoptée pour dépolluer le réseau
On adopte un schéma spécifique de fonctionnement du système de filtrage (figure14), qui montre l’onduleur (filtre actif) et la position de la charge polluante. Ainsi que, le principe du contrôle en compensation d’harmoniques est illustré à travers la figure 15, adopté pour notre solution.
Rappelant qu’un filtre actif se compose essentiellement de deux parties :
Une partie d’électronique de puissance qui comporte un onduleur, et la source d’énergie qui va alimenter l’onduleur.
Une partie commande qui sert à contrôler la commutation des éléments semi-conducteurs qui constitué l’onduleur.
Suivant la nature de la commande utilisé, il y aura génération de signaux harmoniques a la sortie de l’onduleur pour compenser les distorsions existant sur l’installation.
Fig. 13. Schéma du système de filtrage.
Fig. 14. Principe du contrôle en compensation d’harmoniques
C. Simulations après filtrage
a) Allures des ondes de courant et de tension
L‘identification des courants harmoniques par la méthode des puissances réelle et imaginaire instantanées (méthode directe), nous a permis de simuler le comportement des courants avant et après le filtrage (filtrage par l’onduleur) du courant, avec une bonne précision.
Donc, après application du filtrage actif par l’onduleur à une charge non-linéaire (constituant un post à souder - Figure 13), on voit que l’onduleur (coté réseau) génère un courant qui sera analysé par le filtre sélectif pour extraire les courants harmoniques.
On constate aussi que les courants harmoniques du filtre suivent bien leurs références et dis que le filtrage est en fonctionnement, la forme du courant devient sinusoïdale (Figures 15 et 16).
Alors l’insertion du filtre permet des ondes électriques améliorées qui prennent une forme sinusoïdale.
À titre indicatif, on montre par la figure 17 l’allure de la tension du bus continu (déjà illustré sur la figure 14), ceci pendant un laps du temps (0 à 0.2 s). Cette figure montre donc une augmentation très rapide de la tension vers une valeur d’environ de 860±0.5V, puis elle se stabilise à cette valeur pour ce temps.
Fig. 15. Allure des courants Ia, Ib, Ic
Fig. 16. Allure des courants Ia.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
858 858.5 859 859.5 860 860.5 861
Uc=f(t)
Uc(V)
t(s)
Fig. 17. Allure de la tension du bus continu Poste à souder
Comme le cas précédent de la simulation avant filtrage, on montre pour ce cas, par la Figure 18, le spectre harmonique après filtrage. Le spectre se présente moins dense pour les premiers valeurs du Rang (de 0 à 5) avec une amplitude toujours importante (ordre de 36 l’unité). Puis, ces amplitudes diminuent rapidement et deviennent moins de la valeur 5 en fonction des valeur du Rang (de 5 à 20).
Fig. 18. Spectre harmoniques après filtrage
b) Calcul de Fp :
Le calcul du facteur de puissance nous donne :
.
Donc, on constate que le facteur est nettement amélioré (par apport au cas précédent), et la problématique est bien résolue.
CONCLUSION
La pollution harmonique est l’un des problèmes majeurs qui dégrade la qualité d’énergie électrique dans les réseaux. La circulation des courants harmoniques dans les lignes et entre les charges est difficile à prédire et à contrôler.
Les filtres actifs, avec un comportement plus autonome, peuvent réagir directement sur le courant ou sur la tension harmonique dans le réseau, en temps réel. Cependant, l'utilisation des dispositifs actifs comme les filtres actifs pour le contrôle de la propagation des harmoniques n'a été abordée que récemment par un nombre limité de chercheurs. Plus d'études de cas sont indispensables afin de développer des solutions efficaces et viables économiquement.
Dans ce cas, on analysera le phénomène d'amplification harmonique dans les réseaux de distribution industrielle et on développera une stratégie de commande du filtre satisfaisant le plus possible aux caractéristiques demandées.
RÉFÉRENCES
[1] Stefan L. CAPITANEANU, "Optimisation de la fonction MLI d’un onduleur de tension deux-niveaux", thèse de l’INPT Toulouse, option Génie Electrique, Toulouse - France, 2002.
[2] F. Defaÿ, " Commande Prédictive Directe d’un Convertisseur Multicellulaire Triphasé Pour Une Application de Filtrage Actif", thèse de l’Institut National Polytechnique de Toulouse - France, déc. 2012.
[3] R. BOUFASSA et O. MEKARNIA, "modélisation et commande d’une UPFC utilisé en filtrage des courants harmoniques d’un réseau électrique", PFE, Ecole Nationale Polytechnique - Alger, juin 2011.
[4] M. Alaa-Eddin ALALI, " Contribution à l’Etude des Compensateurs Actifs des Réseaux Electriques Basse Tension", Thèse de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I, Sept. 2008.
[5] V. IGNATOVA, " Méthodes d’analyse de la qualité de l’énergie électrique, application aux creux de tension et à la pollution harmonique", thèse de l’université JOSEPH FOURIER, Octobre 2008.
