Soutenance mémoire
Origines des perturbations des réseaux électriques
Parmi les multiples perturbations qui affecte les réseaux électriques, on peut citez, dysfonctionnement des générateurs et des lignes, perturbations atmosphériques lors du transport, charges défaillantes et la prolifération des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques [10]: redresseurs, onduleurs, gradateurs et variateurs de vitesse. Les défauts les plus courants sont:
Creux de tension
Un creux de tension est défini comme une diminution brusque de l’amplitude de la tension de 10% à 90% de la tension nominale pendant un temps allant de 10 millisecondes à quelques secondes, caractérisée par sa profondeur et sa durée. Les creux de tension sont dus aux courts circuits survenant dans le réseau général ou dans les installations de la clientèle, le démarrage des machines à forte puissance, la saturation des transformateurs,…etc [1,11]. En fonction de la localisation du court circuit et du fonctionnement des organes de protection (les défauts sont normalement éliminés en 0.1 à 0.2s en HT, et 0.2 s à quelques secondes en MT). Les court circuits sont des événements aléatoires : ils peuvent résulter de phénomènes atmosphériques (foudre, givre, tempête…), de défaillances ou d’accidents des appareils électriques. Les creux de tension peuvent êtres monophasés, biphasés ou triphasés. Il y a deux types de phénomènes qui sont à l’origine des creux de tension :
➤ Le fonctionnement d’appareils à charge fluctuante ou la mise en service d’appareils appelant un courant élevé au démarrage (moteurs, transformateurs,…etc.) ;
➤ Les phénomènes aléatoires comme la foudre, les courts circuits accidentels sur les réseaux de distribution ou les défauts dans les réseaux internes des clients (défaut d’isolation, blessure de câble, projection de branches sur les lignes aériennes,…).
Les conséquences d’un creux de tension peuvent être extrêmement coûteuses, le temps de redémarrage se chiffrant en heures ou voire en jours, pertes de données informatiques dégâts aux produits voire aux équipements de production, etc…
Coupure de tension
Une coupure de tension est une diminution brutale de la tension à une valeur supérieure à 90% jusqu’à 100% de la tension nominale. Elle peut être considérée comme une interruption de courte durée ou une disparition complète de la tension d’alimentation durant une période inférieure 10ms à 1mn [9]. Elle est, également, la conséquence d’appel de puissances importantes lors de la mise en service de certaines charges du réseau. On distingue des coupures longues (> 3mn) : problème de continuité (ou de fiabilité) de la tension et des coupures brèves (< 3mn) : problème de qualité de la tension.
Fluctuations de tension
La mise en fonctionnement, l’arrêt des appareils électriques et le fonctionnement de certaines charges à puissance variable provoquent des variations rapide périodique ou aléatoires de la tension telles que les soudeuses, fours à arc, éoliennes,…etc. En général, ces variations ne dépassent pas les ± 10% de la tension nominale donc, elles ne sont pas à risque [9]. Les fluctuations de tension peuvent provoquer un papillotement de l’éclairage (Flikcer), gênant pour la clientèle, même si les variations individuelles ne dépassent pas quelques 10 %. Les autres applications de l’électricité ne sont normalement pas affectées par ces phénomènes, tant que l’amplitude des variations reste inférieure à 10% .
Déséquilibres du système triphasé en courant et en tension
Le déséquilibre du système triphasé s’observe lorsque les trois tensions ne sont pas identiques en amplitude et/ou ne sont pas décalées d’un angle de 120° l’une par rapport aux autres, [14]. Un récepteur triphasé électrique qui n’est pas équilibré et qu’en alimente par un réseau triphasé équilibré conduit à des déséquilibres de tension dus à la circulation de courants non équilibrés dans les impédances du réseau. On parlera de déséquilibres du système triphasé en tension [2]. Un déséquilibre peut avoir comme conséquences un échauffement intoléré des machines asynchrones, l’existence de couple inverse et conduisent à dégradation prématurée des machines.
La conséquence des composantes inverses sur les machines tournantes est la création d’un champ tournant en sens inverse du sens de rotation normal provoque un couple de freinage parasite et des pertes supplémentaires qui provoquent un échauffement de la machine. Concernant, l’effet du déséquilibre homopolaire, il consiste au risque d’échauffement du conducteur neutre dans un réseau BT qui lorsque le conducteur est d’un diamètre trop faible, peut provoquer une rupture du conducteur ou un incendie. Pour les dispositifs triphasés d’électronique de puissance, principalement les ponts redresseurs, le fonctionnement en présence de déséquilibre entraîne l’apparition de composantes harmoniques non caractéristiques, notamment des harmoniques de rang multiple de 3. L’existence des courants harmoniques génère une antirésonance lors du filtrage de l’harmonique de rang 5. Outre les effets classiques des harmoniques, ces fréquences non caractéristiques peuvent conduire, dans certains cas, au blocage de la commande.
Variation de la fréquence
Une variation sensible de la fréquence du réseau peut apparaitre sur les réseaux des utilisateurs non interconnectés ou alimentés par une source thermique autonome au niveau des réseaux de distribution ou de transport. La variation de la fréquence est très rare et n’est présente que lors de circonstances exceptionnelles, comme dans le cas de certains défauts graves sur le réseau [16]. Dans des conditions normales d’exploitation, la valeur moyenne de la fréquence fondamentale doit être comprise dans l’intervalle 50 Hz ±1%.
Perturbations harmoniques
L’utilisation croissante des équipements électriques à base des convertisseurs statiques (redresseurs, hacheurs, gradateurs, onduleurs, variateurs de vitesse…..etc.) a entraîné ces dernières années une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique des réseaux électriques. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, ou parfois à des fréquences quelconques. Le passage de ces courants harmoniques dans les impédances du réseau électrique peut entraîner des tensions harmoniques aux points de raccordement et par conséquent, pollue les consommateurs alimentés par le même réseau électrique [17, 18].
Conséquences des harmoniques
Les courants harmoniques qui se propagent dans les réseaux électriques, déforment l’allure du courant de la source et polluent les consommateurs alimentés par les mêmes réseaux. On peut classer les effets engendrés par les harmoniques en deux types [1].
➤ les effets instantanés ;
➤ les effets à terme.
Effets instantanés des harmoniques
Ils apparaissent immédiatement dans certains appareillages.
➤ Défauts de fonctionnements de certains équipements électriques : en présence d’harmoniques, la tension et le courant peuvent changer plusieurs fois de signe dans une demi-période. Les appareils dont le fonctionnement est basé sur le passage à zéro des grandeurs électriques peuvent être affectés ;
➤ Trouble fonctionnel des micro-ordinateurs : les effets sur ces équipements peuvent se manifester par la dégradation de la qualité de l’image et par des couples pulsatoires des moteurs d’entraînement de disque ;
➤ Les perturbations et la dépollution dans les systèmes électriques : certains appareils de mesure et les compteurs d’énergie à induction présentent des dégradations de mesures et des erreurs de lecture supplémentaires en présence des harmoniques ;
➤ Vibrations et bruits : les courants harmoniques génèrent également des vibrations et des bruits acoustiques, principalement dans les appareils électromagnétiques.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I Etat de l’art : Perturbations des réseaux électriques et leurs principes de compensation
1.1 Introduction
1.2 Qualité de l’énergie électrique
1.3 Origines des perturbations des réseaux électriques
1.3.1 Creux de tension
1.3.2 Coupure de tension
1.3.3 Fluctuations de tension
1.3.4 Bosse de tension (surtension) et surintensité
1.3.5 Déséquilibres du système triphasé en courant et en tension
1.3.6 Variation de la fréquence
1.3.7 Perturbations harmoniques
1.3.7.1 Harmoniques
1.3.7.2 Inter-harmoniques
1.3.7.3 Infra-harmoniques
1.3.7.4 Sources d’harmoniques
1.3.7.5 Conséquences des harmoniques
1.3.7.5.1 Effets instantanés des harmoniques
1.3.7.5.2 Effets à terme des harmoniques
1.3.7.6 Caractérisation des perturbations harmoniques
1.3.7.6.1. Taux de Distorsion Harmonique (THD)
1.3.7.7 Normes et recommandation
1.3.7.7.1 Normes imposées aux harmoniques
1.3.7.7.1.1 Normes CEI 61000
1.3.7.7.1.2 les normes CEI-1000 dont le courant par phase est inférieur à 16A
1.3.7.7.1.3 La norme (CEI-1000-3-4) pour un courant par phase est de16A- 75A
1.3.7.7.1.4 Les normes CEI-1000-2-2 et CEI-1000-2-4
1.3.7.7.1.5 La norme CEI 61000-4-13
1.3.7.7.1.6 La norme IEEE 519 -1992 Standard
1.4 Notions des charges
1.4.1 Charge linéaire
1.4.1. 1 Modèle de la charge linéaire
1.4.1.2 Simulation d’une charge RL linéaire
1.4.2 Charge non linéaire
1.4.2.1 Simulation d’une charge non linéaire (pont redresseur à diodes)
1.5 Solutions de dépollution des réseaux électriques
1.5.1 Solutions traditionnelles
1.5.1.1 Surdimensionnement ou déclassement de l’installation électrique
1.5.1.2 Augmentation de la puissance de court circuit
1.5.1.3 Les transformateurs à couplage passif
1.5.1.4 Agir sur la structure de l’installation
1.5.1.5 Filtrages passifs
1.5.1.5.1 Filtres passifs résonnants
1.5.1.5.2 Filtres passifs amorti (Passe Haut)
1.5.1.5.3 Inconvénients du filtrage passif
1.5.2 Solutions modernes
1.5.2.1 Filtre actif parallèle
1.5.2.2 Filtre actif série
1.5.2.3 Combinaison parallèle série
1.5.2.4 Filtres hybrides
1.5.2.4. 1 filtre actif série avec des filtres passifs parallèles
1.5.2.4. 2 filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèles
1.5.2.4. 3 filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle
1.5.2.4. 5 Comparative et choix du filtre parallèle
1.5.3 Autres solutions modernes de dépollution harmonique
1.5.3.1 Les redresseurs à MLI
1.5.3.2 Redresseurs polyphasés à 6, 12 et 24 pulses
1.5.3.3 Le convertisseur matriciel
1.6 Conclusion
CHAPITRE II Techniques avancées à base des filtres actifs
2.1 Introduction
2.2 Techniques avancées artificielle appliquées à la commande
2.2.1 Algorithmes génétiques
2.2.2 Réseaux de neurones
2.2.3 Logique floue
2.2.3.1 Bases de la logique floue
2.2.3.1.1 Variable linguistique
2.2.3.1.2 Univers de discours
2.2.3.1.3 Ensemble flou
2.2.3.1.4 Fonction d’appartenances
2.2.3.1.4.1 Opérateurs de la logique floue
2.2.3.1.5 Règles d’inférence
2.2.3.2 Réglage par logique floue
2.2.3.2.1 Structure générale d’un régulateur flou
2.2.3.3 Conception d’un régulateur flou
2.2.3.4 Application du régulateur flou
2.2.3.4.1 Commande d’un filtre du 2eme ordre
2.2.3.4.2 Commande d’un filtre du 1eme ordre
2.2.3.4.3 Application du régulateur flou à la commande du filtre actif parallèle
2.2.3.4.3.1 Simulations et interprétations des résultats
2.3 Conclusion
CHAPITRE III Compensation harmoniques à l’aide d’un filtre actif parallèle
3.1 Introduction
3.2 Filtre actif parallèle
3.3 Topologie du filtre actif parallèle
3.3.1 Eude de la partie puissance du FAP
3.3.1.1 Modélisation de l’onduleur de tension à deux niveaux
3.3.1.2 Système de stockage d’énergie
3.3.1.3 Filtre passif de sortie
3.3.2 Partie contrôle-commande d’un FAP
3.3.2.1 Méthodes d’identification des courants de références
3.3.2.1.1 Méthode des puissances active et réactive instantanées (PIRI)
3.3.2.1.1.1 Filtre passe bas (FPB)
3.3.2.1.1.2 Boucles à verrouillage de phase (PLL)
3.3.2.1.1.2.1 Analyse du comportement de la PLL
3.3.2.1.1.2.1.1 Cas d’une source tension non perturbée (cas sein)
3.3.2.1.1.2.1.2 Cas d’une source tension perturbée
3.3.2.1.1.2.1.3 Cas d’alimentation d’une charge polluante
3.3.2.2 Régulation de la tension continue d’un FAP
3.3.2.2.1 Régulateur proportionnel-Intégral (PI)
3.3.2.2.2 Régulateur proportionnel (P)
3.3.2.2.3 Régulateur flou
3.3.2.3 Structure du régulateur de courant de sortie d’un FAP
3.3.2.4 Stratégies de commande du filtre actif parallèle
3.3.2.4.1 Commande à hystérésis
3.3.2.4.2 Commande à modulation de largeur d’impulsion (MLI)
3.4 Résultats de la simulation sous MATLAB/ SIMULINK
3.4 .1 Sans filtre actif parallèle
3.4.2 Avec un FAP doté d’un régulateur PI
3.4.3 Avec un FAP doté d’un régulateur Flou
3.4.4 Comparaison entre le régulateur PI et le régaleur flou
3.5 Description du Banc d’essai expérimental
3.5.1 Résultats expérimentaux
3.6 Conclusion
CHAPITRE IV Compensation des harmoniques
4.1 Introduction
4.2 Redresseurs à MLI
4.3 Types de redresseurs à MLI
4.4 Avantages de l’utilisation d’un redresseur à MLI
4.5 Fonctionnement d’un redresseur MLI de tension
4.5.1 Modélisation d’un redresseur à MLI de tension
4.5.1.1 Représentation du redresseur à MLI dans le repère triphasé (a,b,c)
4.5.1.2 Représentation du redresseur à MLI dans le repère (α, β)
4.5.1.3 Représentation du redresseur MLI dans le repère ( d, q )
4.6 Commande et régulation des courants absorbés d’un redresseur à MLI
4.6.1 Commande à MLI
4.6.2 Commande à Hystérésis
4.6.3 Estimation des courants de références
4.6.4 Régulation de la tension du bus continu d’un redresseur à MLI
4.6.4.1 Régulateur PI
4.6.4.2 Régulateur flou
4.7 Simulation d’un redresseur à MLI de tension
4.7.1.1 Résultats de simulation de la commande à hystérésis avec régulateur PI
4.7.1.1 Résultats de simulation de la commande à hystérésis avec régulateur flou
4.8 Résultats expérimentaux
4.9 Convertisseur matriciel
4.9.1 Modélisation et commande du convertisseur matriciel
4.9.1.1.1 Modélisation d’un convertisseur matriciel
4.9.1.2 Stratégies de commande du convertisseur matriciel
4.9.1.2.1 Commande du CM par MLI (Algorithme de Venturini et Alesina)
4.9.1.2.2 Contrôle du gain de tension ‘’q’’ par logique floue
4.9.1.3 Simulations et interprétation des résultats
4.9.1.3.1 Convertisseur matriciel alimentant une charge linéaire (charge RL)
4.9.1.3.2 Convertisseur matriciel alimentant une charge non linéaire
4.9.1.3.3 Convertisseur matriciel alimentant une machine asynchrone
4.10 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
