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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS
Maroc
___________________
ENM112
Information et communication pour
l'ingénieur en énergétique
SPECIALITE : Electrotechnique
OPTION : Energétique
par
Tariq YAMOUL
___________________
Réduction du « flicker » sur les réseaux électriques industriels :
Enjeux - solutions technologiques
Juin 2011
~ 1 ~
Avant-propos :
L'énergie électrique est fournie aux clients sous la forme d'un système triphasé d’une tension
sinusoïdal. Les paramètres caractérisant de cette tension sont :
1. Fréquence – Déviations
2. Amplitude
3. Forme d’onde
4. Symétrie - Déséquilibre
La définition de la Commission Electrotechnique Internationale de la qualité de la puissance,
dans le CEI 61000-4-30, est comme suit : « Caractéristiques de l'électricité à un point donné
sur un système électrique, évaluées contre un ensemble de paramètres techniques de
référence. » [1], et selon l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (I.E.E.E.) : on
appelle « Power Quality Problem » toute variation dans l’alimentation en puissance
électrique, ayant pour conséquence le dysfonctionnement ou l’avarie d’équipements des
utilisateurs (creux de tension, surtension, transitoire, harmoniques, déséquilibre, …). Mais
avec l’utilisation croissante de l’électronique de puissance dans les applications quotidiennes
ainsi que l’augmentation des appareils hautement sensibles dans les installations industrielles,
la qualité de l’énergie devient un sujet consistant.
La qualité de l'énergie électrique dépend évidemment de la tension au point de livraison.
Toutefois, elle peut être modifiée de quatre manières différentes, en fonction des
caractéristiques du système de tensions touchées par la panne. On distingue quatre types de
défauts:
les fluctuations de fréquence, qui sont rares et correspondent généralement à des incidents
majeurs sur l'interconnexion du réseau.
les modifications de la forme de l'onde de tension.
les dissymétries entre les trois phases, qui a pour conséquence le déséquilibre.
les variations d'amplitude de la tension, pouvant être lentes ou rapides mais de faibles
valeurs, sont responsables du phénomène de Flicker.
~ 2 ~
TABLE DES MATIERES
Introduction……………………………………………………….............................................3
1. Définition du Flicker………………………………………………………..........................4
2. Origine des fluctuations de la tension ou Flicker………………...........................................5
3. Effets du Flicker……………………………………………………….................................8
4. Quantification et mesure du Flicker………………………….............................................10
4.1. Facteurs de fluctuations de tension…………………………………….......................10
4.2. Mesure du Flicker………………………………………………………......................11
5. Normes des fluctuations de tension……………………………..........................................15
6. Réduire les effets du Flicker…………………………………………….............................18
6.1. Alimentation sans interruption (ASI)……………………………………………........18
6.2. Choix du mode d'éclairage……………………………………………........................19
6.3. Ajout d’un volant d’inertie………………………………………………....................19
6.4. Modification du réseau…………………………………………………………..........19
6.5. Conditionneurs dynamiques de tension……………………………………….............20
6.5.1. Machines synchrones…………………………………………………….............20
6.5.2. La capacité série……………………………………………………………….....21
6.5.3. La réactance série………………………………………………………………...21
6.5.4. La réactance shunt saturée……………………………………………………….22
6.5.5. La réactance de découplage……………………………………………………...23
6.5.6. Le convertisseur de phase……………………………………………………......23
6.5.7. Le compensateur statique (SVC)…………………………………………….......24
6.5.8. STATCOM……………………………………………………………….............26
Conclusion……………………………………………………………....................................28
Bibliographie……………………………………………………………….............................29
Annexes
~ 3 ~
Introduction :
L'amplitude de la tension est une composante très importante de la qualité de l'électricité, elle
est généralement le premier engagement contractuel du distributeur d'énergie. En
combinaison avec la gestion des contingences de la transmission et la distribution, l'amplitude
de tension peut subir des fluctuations et des anomalies, et qui peut même chuter à un niveau
proche de zéro.
Il existe différents types de phénomènes à l'origine de ces variations de tension. Côté
producteur tel que la foudre ou les courts-circuits accidentels, défauts d’isolation, blessure de
câble, projection de branches sur les lignes aériennes. Côté utilisateur, les causes proviennent
essentiellement de l’installation elle-même, suivant le type de la charge alimentée.
Pour caractériser ces événements, on utilise couramment deux paramètres (amplitude et durée
de la variation de la tension). Plusieurs types de défauts sont alors définis : les surtensions, les
creux de tension, les coupures, les à-coups de tension, les surtensions transitoires, les
harmoniques, les inter-harmoniques et les fluctuations rapides de la tension ou flicker.
La plage de variation nominale de la tension du réseau (plage dans laquelle toute variation de
la tension n’est pas considérée comme “anormale”) est fixée par le distributeur d’énergie en
général à ±10% de la tension composée.
Exemple de perturbations réseau basse tension
~ 4 ~
1 Définition du Flicker
Les changements dans l'amplitude d'une tension sur une période plus longue que la période de
tension nominale est décrite comme une fluctuation de tension, les fluctuations de tension
peuvent survenir une fois, à plusieurs reprises, hasardeusement ou régulièrement. La
fluctuation rapide de la tension est une diminution de la valeur efficace effective d’une marge
de10%. La tension est modulée en amplitude par une enveloppe dont la fréquence est
comprise entre 0,5 et 25 Hz [2].
Il existe plusieurs types de fluctuations de tension. Ils sont nommé comme suit dans la
publication CEI 61000-3-3 [3] :
Type a Type b
Type c Type d
Figure 1 : fluctuation de tension
Type a : à-coups de tension rectangulaires et périodiques d’amplitude constante
Type b : série d’à-coups de tension irréguliers.
Type c : variations de tension clairement séparées qui ne sont pas toutes des à-coups.
Type d : série de fluctuations aléatoires ou continues de tension.
Le principal effet des fluctuations de tension est le malaise produit par le scintillement de la
lumière ou la variation de la luminosité des lampes. Le malaise physiologique dépend de
l'amplitude, la fréquence de répétition et la durée des fluctuations de tension, d’ou vient la
définition du Flicker.
~ 5 ~
Le Flicker « un terme anglicisme » est défini comme l'impression visuelle d'un scintillement
de la lumière due aux variations de l'intensité lumineuse ou de la distribution spectrale de
l'éclairement où l’effet de scintillement des sources lumineuses est cause par fluctuations de
tension dues aux perturbations introduites dans le réseau au cours de la production, le
transport ou la distribution de l'électricité, mais surtout dérivés de l'utilisation des charges
fluctuantes [4] .
La perception de l’œil humain des fluctuations des sources lumineuses évolue en fonction de
la fréquence et présente un maximum de sensibilité entre 8 et 10 Hz, Il existe une limite de
perception à environ 35 Hz.
Figure 2 : exemple de fluctuation de tension de type sinusoïdale
2 Origine des fluctuations de la tension ou du flicker
Vue les distances entre les centrales de production et les lieux d’utilisation de l’énergie
électrique, un réseau électrique s’avère nécessaire. Ce dernier est constitué d’un réseau de
transport un deuxième de répartition et un troisième de distribution [4].
Figure 3 : Structure d’un réseau de distribution
~ 6 ~
La tension au point de raccordement de la charge est différente de celle au point de la source
d’alimentation, à cause des impédances de ligne et des transformateurs. D’où la présence
d’une chute de tension plus ou moins importante suivant les caractéristiques des composants
du réseau.
Pour mettre en évidence la chute de tension due aux transits de courant dans le réseau, on
utilise le schéma équivalent monophasé, avec une charge supposée inductive [5] :
Figure 4 : Schéma d’un réseau alimentant une charge donnée et la représentation
De celui-là en diagramme de Fresnel
Si on considère que l'angle entre VS et VR est faible, le calcul de la chute de tension nous
mène à :
ΔV = VS - VR = R.IS. Cosϕ + X.IS. Sinϕ
Et on peut écrire :
P = VR.IS. Cosϕ et Q = VR.IS. Sinϕ
Avec : VR = tension nominale du réseau
VS = tension à vide du réseau
ΔV = chute de tension (= VS – VR)
P = puissance active de la charge sous la tension nominale VR.
Q = puissance réactive de la charge sous la tension nominale VR
Cosϕ = facteur de puissance de la charge
IS = courant nominal de la charge
Scc = puissance de court-circuit du réseau amont
R = résistance totale du réseau amont
X = réactance totale du réseau amont
~ 7 ~
Ce qui donne:
ΔV= (R.P + X.Q) / VR
Et en valeur relative :
ΔV/ VR = (R.P + X.Q)/ VR2
En HT, la résistance R est négligeable vis à vis de l'impédance X, l'équation se transforme en :
ΔV/ VR = X.Q / VR2 = Q/ Scc
C'est la variation de la puissance réactive Q qui est prédominante et doit donc être contrôlée
[4] [5], plus la puissance de court-circuit est grande, moins les perturbations dégradant la
qualité de la tension électrique seront perceptibles. Par contre en basse tension, la résistance
R n’est pas négligeable, alors il faut agir sur les puissances active et réactive.
Ainsi les variations de tension « fluctuation de tension ou flicker » dans le réseau électrique
dépendent des déplacements des puissances actives et réactives, et surtout par le changement
de la puissance réactive de la charge au cours du temps [1] [3] [4] [5] [6]. Le flicker est
souvent associé à des charges de forte puissance telle que :
Dans la basse tension des charges de forte puissance comme, appareils à rayons X
(radiologues), lasers, grosses photocopieuses ou tireuses de plan (architectes),
Accélérateurs de particules, Chaudières électriques de grande capacité, moteurs pour
pompes à chaleur ou pour les groupes frigorifiques de chambres froides.
Dans la haute tension des charges fluctuantes comme :
- Les fours à arc
- Les laminoirs
- Les enrouleurs
- Les machines à souder point par point ou par résistance
- Les processus industriels accumulant les démarrages de moteurs
- Régulateurs de puissance à thyristors
Certains types de charges peuvent créer des inter-harmoniques, Il s’agit des tensions et des
courants sinusoïdaux ayant une fréquence qui n’est pas multiple de celle du réseau électrique.
Les Inter-harmoniques sont souvent produites par des convertisseurs de fréquence statiques,
des cyclo-convertisseurs, des moteurs asynchrones, et des dispositifs à arc électrique, la
~ 8 ~
présence de ces inter-harmoniques dans la tension d’alimentation génère des fluctuations
assimilables au Flicker [7].
On a dénombré avant quelques types de charge qui peuvent causer le flicker, mais aussi il y a
certains types de centrales de production qui peuvent en être la cause par exemple, un site
d’éoliennes peut créer des fluctuations de tension, les fluctuations de la vitesse du vent sont
capable de se répercuter sur la puissance injectée par l’installation sur le réseau électrique et
ainsi produire des fluctuations de tension.
3 Effets du Flicker
La baisse de la qualité de l'énergie peut conduire à des temps d'arrêt imprévus des processus
industriels ou des défauts dans les installations de production et des pertes matérielles. Les
fabricants de dispositifs semi-conducteurs sont parmi les industriels les plus sensibles et
peuvent être perturbé en raison de chutes de tension momentanée causée par les fluctuations
de tension dans le réseau.
Aussi lors de l'apparition d'un creux de tension, le couple moteur proportionnel au carré de la
tension, subit une diminution brutale qui provoque le ralentissement du moteur. Ce
ralentissement est fonction de l'amplitude et de la durée du creux, et dépend essentiellement
du moment d'inertie des masses tournantes et du couple résistant. Et lors de la réapparition de
la tension du réseau, chaque moteur absorbe un courant d'autant plus proche de son courant de
démarrage sous pleine tension que le glissement atteint en fin de perturbation est élevé. Cette
phase de ré accélération n'entraîne pas a priori de conséquences graves sauf si les moteurs
représentent une grande partie de la puissance d'une installation. Dans ce cas, l’appel du
courant du moteur peut provoquer le déclenchement des protections.
Ces surintensités peuvent également conduire à des chutes de tension dans les impédances
amont (en particulier celles des transformateurs) telles que le retour au fonctionnement
nominal soit difficile et contraignant (faible différence entre les couples moteur et résistant,
provoquant une reprise avec sur-échauffement) ou même impossible (le couple moteur ayant
fortement diminué et devenant inférieur au couple résistant). Les fortes fluctuations dans
certains cas peuvent gêner le démarrage en raison de la réduction de l'alimentation en tension.
En outre, les moteurs à induction qui fonctionnent à un couple maximal peuvent décrocher si
les fluctuations de tension sont d'une ampleur significative [8].
Les phénomènes de perturbation de cette sorte peuvent nuire aux équipements. Les
fluctuations de tension peuvent également provoquer des déclenchements intempestifs des
relais; et interférer avec les équipements de communication.
~ 9 ~
Les fluctuations de tension produites sur un réseau à moyenne tension (HTA) ou sur un
réseau à haute tension (HTB), peuvent s’ajouter aussi bien qu’affecter les réseaux voisins
parmi lesquels certains peuvent être à basse tension [3].
On définit T FHM le coefficient de transfert de Flicker entre un réseau à haute tension (HT) et
un réseau à moyenne tension (MT) qui lui est associé. Sa valeur dépend des caractéristiques
du réseau et des charges ; en moyenne, elle est voisine de 0,8.
On définit T FML le coefficient de transfert de Flicker entre un réseau à moyenne tension
(MT) et un réseau à basse tension (BT) qui lui est associé. Sa valeur dépend des
caractéristiques du réseau et des charges ; en moyenne, elle est voisine de 0,95.
On considère que le coefficient de transfert de Flicker est nul en remontant vers la source de
puissance : T FLM = 0 , T FMH = 0
En d’autres termes, des fluctuations de tension sur un réseau BT n’affectent par le réseau MT
dont ils sont issus, et des fluctuations de tension sur un réseau MT n’affectent pas le ou les
réseaux HT dont ils sont issus. Plusieurs raisons permettent d’expliquer ces résultats. Il y a
bien sûr l’augmentation notable de la puissance de court-circuit lorsqu’on se rapproche de la
source et, en particulier, le maillage des réseaux HT, mais il y a aussi les régulations de
tension appliquées à l’exploitation des réseaux et le foisonnement des charges [7].
L’une des principales conséquences du Flicker est la variation de l’intensité lumineuse des
éclairages qui peut entrainer chez l’homme une gêne physiologique. Même si les variations de
tension sont (assez) espacées dans le temps, elles sont parfois perçues comme gênantes par les
utilisateurs.
Figure 5 : Variation de l’intensité lumineuse due à une fluctuation de tension
~ 10 ~
En effet, les dispositifs d’éclairage sont non linéaires. Leur efficacité d’éclairage est fonction
du carré de la tension figure 5. Les fluctuations de tension produisent des fluctuations
d’éclairage, nommées scintillement ou papillotement ou Flicker, dues à des composantes dont
les fréquences sont des fréquences de battement. Celles-ci peuvent être mises en évidence
dans le spectre du carré de la tension, tous les types d’éclairage ne réagissent pas de la même
manière au Flicker, les lampes à incandescence sont les plus gravement touchées, ensuite Les
éclairages fluorescents sont moins sensibles, et enfin Les lampes à vapeur de mercure ou de
sodium sont les moins sensibles au Flicker [1] [3] [4].
4 Quantification et mesure du Flicker
Le Flicker est un problème de qualité de puissance avant même que le terme de la qualité de
puissance n a été établi. Toutefois, il a fallu de nombreuses années pour développer un moyen
adéquat afin de quantifier les niveaux de Flicker. Seules des mesures de fluctuations de
tension, permettent de déterminer le niveau d’émission en comparaison avec les limites de
charge définis dans la compatibilité électromagnétique (CEM).
La quantification et la mesure du phénomène de Flicker est assez complexe, car ils couvrent
en même temps des facteurs techniques, physiologiques et psychologiques, et aussi parce que
ses effets sont principalement qualitatives: il s'agit d'une déficience visuelle qui peut être
perçu différemment par de nombreuses personnes.
4.1 Facteurs de fluctuations de tension
L'évaluation du clignotement est basée sur la perception humaine des fluctuations de tension
avec certaines formes extérieures et divers fréquences ou taux de répétition. L'évaluation
suppose l’utilisation d'une lampe à incandescence de 60 W - 230 V à filament bi-spiralé
comme lampe de référence. Des essais personnels ont été employés pour différents taux de
répétition et fluctuations de tension pour déterminer si une fluctuation dans la lumière pourrait
être classifiée du `non évident' par le `très évident' au `insupportable'.
La «Dose de Flicker», premier paramètre de quantification de Flicker, utilisé en France, a été
établie à partir d'expérimentations [5] :
la sensation de gêne est proportionnelle au carré de l’amplitude des fluctuations de la
tension et à sa durée.
la sensibilité moyenne des personnes aux papillotements de lumière est maximum pour
une fréquence de 8,8 Hz.
~ 11 ~
Le paramètre de quantification de la gêne « dose de Flicker » ou G est perçue pour une
période d’observation T donnée (normalement une minute) selon l’équation :
G=
Avec :
a8.8= gf .af est l’amplitude équivalente à 8.8 Hz, due à une fluctuation de tension af à une
fréquence f multiplier par le coefficient gf qui ne dépend que de la fréquence de cette
fluctuation
La dose de Flicker évalue la quantité de la gêne pendant une certaine période. Ce paramètre
est très fluctuant pour une charge perturbatrice avec un cycle de fonctionnement plus long que
la période d'intégration. Il exprime mal le malaise total perçu. L’utilisation de la Dose de
Flicker n’est plus d’actualité en France, d’autres grandeurs (Pst-Plt) sont maintenant
employées pour exprimer la sévérité du Flicker.
4.2 Mesure du Flicker
La mesure conduit à quantifier le phénomène du Flicker, et ainsi définir les conditions
optimales de l’exploitation d’un réseau électrique. L’optimisation concerne la satisfaction des
utilisateurs avec ses deux pôles, difficiles quelque fois à mettre en œuvre :
absence de gêne sur les dispositifs susceptibles d’être perturbés;
correction minimale (au moindre coût) des dispositifs perturbateurs.
Il y a deux index importants utilisés dans l'évaluation du clignotement dans les systèmes
d'alimentation, l'index à court terme de clignotement, Pst, et l'index à long terme de
clignotement, Plt.
Figure 6 : courbe limite de gêne du Flicker
~ 12 ~
L’index Pst représente la perceptibilité de scintillement fondée sur un critère que les niveaux
de Flicker créés par les fluctuations de tension va ennuyer 50% de la population. Cet index est
calculé sur une base de 10 minutes pour évaluer les niveaux à court terme de clignotement.
Pour une fluctuation rectangulaire périodique de tension, cet index, normalisé à une valeur de
1.0, est illustré sur la figure 6 comme la courbe de clignotement. Ce diagramme représente le
seuil conventionnel de l'irritabilité
La compensation du papillotement n’est pas possible de manière parfaite. Elle se définit par
un taux d’atténuation de papillotement, défini comme le rapport du Flicker avant installation
du dispositif compensateur sur le Flicker après installation du dispositif, de manière à ramener
le papillotement à une valeur admissible. D’où la nécessite de faire des mesures dans une
installation avant même de proposer une solution pour remédier au problème du Flicker.
La méthode de mesure doit permettre de quantifier la gêne ressentie et prendre en compte les
mécanismes de la vision. Pour cela, le Flicker doit être évalué sur une période de temps
suffisamment longue. De plus, en raison de sa nature aléatoire (le papillotement est provoqué
uniquement par certaines charges), le niveau instantané de Flicker peut varier
considérablement et de façon imprévisible pendant cette période. Un intervalle de 10 minutes
a été jugé comme étant un bon compromis pour évaluer ce qui est appelé le Flicker courte
durée ou Pst « probability short term ». Il est assez long pour éviter d’accorder trop
d’importance à des variations isolées de tensions. Il est également assez long pour permettre à
une personne non avertie de remarquer la perturbation et sa persistance. La période de 10
minutes sur laquelle a été basée l’évaluation de la sévérité du Flicker de courte durée est
valable pour l’estimation des perturbations causées par des sources individuelles telles que les
laminoirs, pompes à chaleur ou appareils électrodomestiques. Dans le cas où l’effet combiné
de plusieurs charges perturbatrices fonctionnant de manière aléatoire (par exemple des postes
de soudure ou des moteurs) ou quand il s’agit de sources de Flicker à cycle de
fonctionnement long ou variable (four électrique à arc), il est nécessaire d’évaluer la
perturbation ainsi créée sur une plus longue durée. La durée de mesure est alors définie à 2
heures, durée considérée comme appropriée au cycle de fonctionnement de la charge ou durée
pendant laquelle un observateur peut être sensible au Flicker longue durée ou Plt « probability
long term ».
Le calcul des valeurs de Pst est exécuté par un Flickermeter dont les spécifications de
conception et la fonctionnalité sont décrites dans la norme CEI 61000-4-15. La figure 7
montre le schéma fonctionnel d'un Flickermeter selon la norme. Les trois premiers blocs de la
conception effectuent l'opération de traitement de signal sur la forme d'onde mesurée de
~ 13 ~
tension v (t). Plus spécifiquement ces blocs représentent comment les fluctuations de tension
sont transformées pour allumer des fluctuations, déterminent la perceptibilité à l'œil humain et
puis simulent la réponse de cerveau (ennui) au clignotement de lampe. Ce processus désigné
souvent sous le nom de la réponse de "lampe-œil-cerveau". Le bloc final exécute l'analyse
statistique exigée pour calculer Pst et Plt.
Dispositif de simulation de la perception humaine signal image de la gêne
(Flicker instantané)
bloc 1 bloc 2 bloc 3 bloc 4 bloc 5 convertisseur
transformateur adaptateur démodulateur filtres de élévateur analogique/numérique d'éntrée d' entrée quadratique pondération au carré + programmateur des
+ +filtre périodes d'observation
générateur passe-bas +
d'un signal (lissage) interfaces de sortie
de contrôle
sortie n° 1 2 3 ■ sélection des 6 gammes
■ Tension efficace de ■ niveau 4 ■ intégration sur une ■ présentation
chaque alternance de fluctuation minute (dose de Flicker) des données
5 ■ enregistrement (Pst, Plt)
■ enregistrement
Le filtrage (lissage) et la pondération dans les trois premiers blocs du Flickermeter ajustent les
composants de fréquence de fluctuation selon l'ennui humain perçu.
Le signal de niveau instantané scintillement de la sortie du 3ème bloc du Flickermètre, est
échantillonné et divisé en 64 classifications différentes de temps. Cela permet l’établissement
d’une évaluation statistique des niveaux Flicker. La mesure de la gravité du court terme
scintillement, la Pst, est ensuite calculée toutes les 10 minutes en utilisant les valeurs
pondérées de probabilité cumulée des niveaux de scintillement dépassant 0,1, 1, 3, 10 et 50%
du temps moyennant l'équation :
Pst3 =
Les pourcentages P0,1 , P1, P3, P10 et P50 sont les niveaux de Flicker dépassés de 0,1; 1; 3;
10 et 50 % du temps pendant la période d’observation. Ces valeurs sont prises de la courbe de
«Fonction de Probabilité Cumulée» -FPC, établie à partir des valeurs de Flicker
instantanées, soit a8.82(t), qui peut aussi être considéré comme la valeur «différentielle
instantanée de la Dose de Flicker».
La tolérance des gens au scintillement des sources lumineuses sur de longues périodes est
moindre que pour le court terme. Pour cette raison le second index est introduit par les
Figure 7 : diagramme fonctionnel du Flickermètre (selon CEI 61000-4-15).
~ 14 ~
normes, l'index à long terme de clignotement, Plt correspond à une estimation statistique de la
probabilité de gêne visuelle sur une durée de 2 heures, le Plt est une moyenne de valeurs de
Pst évaluées en utilisant une loi cubique comme défini dans l'équation :
Plt =
Où Psti (i = 1, 2, 3, ...) sont des lectures consécutives de la sévérité à court terme Pst.
Lorsque l’index Plt est utilisé, il devrait être calculé en utilisant toutes les dix minutes
d'intervalle coulissant au cours des deux dernières heures figure 8.
L'avantage de cet index est d’offrir une plus grande vision de stabilité pour le Flicker que le
Pst ne le fait pas. Surtout quand on suit le protocole CEI pour une session de mesure d'une
semaine pour le scintillement, la lecture d'une parcelle de Plt est beaucoup plus facile que
celle de Pst
Le Flickermètre permet de déterminer les différents indices de la sévérité du Flicker à partir
du Pst et du Plt :
· PstM : valeur maximale du Pst sur une journée
· Pst99% : valeur maximale du Pst sur toute la session de mesure ayant une probabilité de 1%
d’être dépassée.
Figure 8 : mesure du Plt en fonction de Pst.
~ 15 ~
· Pst95% : valeur maximale du Pst sur toute la session de mesure ayant une probabilité de 5%
d’être dépassée.
· PltM : valeur maximale du Plt sur une journée
· Plt99% : valeur maximale du Plt sur toute la session de mesure ayant une probabilité de 1%
d’être dépassée.
· Plt95% : valeur maximale du Pst sur toute la session de mesure ayant une probabilité de 5%
d’être dépassée
Enfin les utilisateurs doivent s'assurer que les niveaux de Flicker, surgissant de leurs
installation en raison des fluctuations de tension, demeurent en-dessous de 1.0 pour le Pst. Et
pour le Plt les valeurs devraient être maintenues encore tout inférieures que le clignotement à
long terme est généralement plus ennuyant.
5 Normes des fluctuations de tension
On parle d’une énergie de qualité supérieure lorsque les caractéristiques physiques de
l’alimentation des processus industriels sous les conditions normales sont telles que ni
perturbations ni interruptions ne sont provoquées. De plus en plus, des normes sont adoptées
pour définir le niveau toléré des différents types de perturbations dans le réseau
La norme CEI 61000 intitulée Compatibilité électromagnétique (CEM), l'une des publications
volumineuses de la CEI « Wikipédia », a pour objet de donner une description et une
interprétation de divers termes jugés fondamentaux pour les concepts et l'application pratique
dans le domaine de la conception et de l'évaluation des systèmes électro-magnétiquement
compatibles. De plus, le présent rapport attire l'attention sur la distinction qu'il convient de
faire entre les essais de compatibilité électromagnétique fait dans une installation d'essai
normalisée et ceux faits sur le site sur lequel un dispositif (appareil ou système) est installé
(mesures in situ) « CEI 61000-1-1 ». Cette norme est constituée de :
o Partie 1 : Généralités
o Partie 2 : Environnement
o Partie 3 : Limites
o Partie 4 : Techniques d'essai et de mesure
o Partie 5 : Guides d’installation et d’atténuation
o Partie 6 : Normes génériques
~ 16 ~
Depuis une dizaine d'années la CEI a fait de grands efforts pour standardiser la mesure et
l'évaluation du Flicker, les sections de la norme CEI 61000 développant le Flicker sont :
CEI 61000.3.3 :
La CEI 6 1000.3.3 spécifie les limites d'émission pour l'équipement de basse tension évalué
inférieur ou égal à 16A pour s'assurer que des fluctuations excessives de tension ne sont pas
provoquées par leur opération normale. La norme décrit les conditions d'essai sur
l'équipement (matériel d'éclairage, machines à laver, réfrigérateurs, machines à photocopier,
imprimantes à laser, aspirateurs, perceuses, sèche-cheveux, électronique grand public,
chauffe-eau …).
Afin de mesurer les fluctuations de tension causée par l'exploitation des charges spécifique,
l'ampleur du changement dans la tension efficace est considérée de la moitié de chaque cycle
(10 ms) de la fréquence du réseau pour toutes les valeurs efficaces de la tension sur chaque
intervalle de 10 minutes. La caractéristique de tension ΔV (t) de la figure 9 est ensuite
déterminée pour des périodes entre le moment où la tension a été dans l'état stable pendant au
moins une seconde. Une référence impédance du système est spécifiée pour être utilisée
pendant les essais de ce type.
Temps, t
CEI 61000.3.5 :
La CEI 61000.3.5 couvre les caractéristiques décrites dans la CEI 61000.3.3 pour
l'équipement de basse tension avec un courant assigné supérieure à 16A. Cette norme diffère
cependant parce qu'elle emploie le point réel de raccordement pour exécuter les sondages de
conformité plutôt qu'une impédance de référence. Ainsi pour exécuter l'évaluation de cet
équipement, le consommateur et le fournisseur de l'électricité doivent coopérer et fournir les
données nécessaires pour permettre une évaluation d'avoir lieu. De telles données peuvent
inclure des détails de charge, l'impédance de système, le niveau existant de la perturbation, et
le coût d'améliorations d'alimentation d'énergie.
Figure 9 : Évaluation d'histogramme du ΔV (t).
~ 17 ~
CEI 61000.3.7 :
Ce rapport du CEI est un rapport technique. Cette norme est exigée pour s'assurer que
l'interaction de toutes les charges reliées au système d'alimentation ne cause pas des
fluctuations excessives de tension.
Le premier objectif de cette norme est de fournir des conseils pour des pratiques en matière de
technologie. Les directives données sont fondées sur certaines hypothèses de simplification et
par conséquent des approches recommandées doivent être employées avec la flexibilité et le
jugement. La décision finale pour le raccordement de la charge d'intensité variable d'un client
dépendra toujours du fournisseur de l'électricité.
Des niveaux de compatibilité pour des fluctuations de tension sont placés suivant les
indications du tableau pour les index à court terme et à long terme de clignotement. Les
utilités devraient essayer de s'assurer que les index de clignotement ne dépassent pas les
niveaux de compatibilité recommandés par les normes appropriées. Pour cette raison les
utilisateurs devraient assigner des niveaux de planification au-dessous des niveaux de
compatibilité. Les niveaux de planification pour des systèmes de système MT et de HT
recommandés dans la norme sont indiqués dans le tableau.
limites niveaux de
acceptables compatibilité pour
de flicker plannification
BT HTA HTB
Pst 1,00 1,00 0,79
Plt 0,74 0,74 0,58
La procédure générale pour évaluer les charges d'intensité variable selon la norme CEI
61000.3.7 est remplie par étapes. L'étape 1 est une évaluation simplifiée d'émission de
perturbation. Si la charge d'intensité variable ou la demande maximum de clients est petite
comparée à la capacité de court-circuit au moment où le raccordement commun, aucune
évaluation détaillée n'est nécessaire. L'étape 2 calcule les limites d'émission proportionnelles à
une demande maximum. L'équipement est évalué contre le pouvoir absorbant du système qui
est assigné à différents clients selon leur demande. Le pouvoir absorbant est dérivé des
niveaux de planification. Dans l'attribution à différents clients aux niveaux de système MT,
des perturbations dérivées des niveaux de HT devraient être considérées. L'étape finale est
l’acceptation des niveaux d'émission plus élevée sur une base exceptionnelle et périlleuse où
l'utilisateur et le consommateur peuvent convenir sur le raccordement dans des conditions
spéciales.
~ 18 ~
CEI 61000.3.11 :
Cette norme couvre le raccordement conditionnel des charges qui relèvent des caractéristiques
décrites dans CEI 61000.3.5 mais ne rencontre pas la conformité.
CEI 61000-4-15 :
Cette norme spécifie l’ensemble des caractéristiques auxquelles doit répondre un appareil
destiné à mesurer le niveau correct du Flicker, pour toutes les formes d’ondes de fluctuation
de la tension rencontrées dans la pratique. Les normes en vigueur définissent une fourchette
admissible pour ces variations de tension : période < 1 heure, faibles amplitudes (< 10 %) de
la tension d’alimentation.
6 Réduire les effets du Flicker
Il existe deux possibilités pour l’amélioration de la qualité de l’énergie électrique. L’une est
appelée conditionnement de la charge qui consiste à rendre les équipements du processus
industriel moins sensibles aux problèmes de la qualité de l’énergie, en leur permettant ainsi de
les surmonter. L’autre possibilité réside dans l’installation d’un dispositif de conditionnement
capable de supprimer ou contrecarrer les perturbations provenant du réseau.
Pour la première possibilité on peut noter :
6.1 alimentation sans interruption (ASI)
Lorsque les nuisances causées par le Flicker sont limitée à un site bien défini d'utilisation, il
est possible de nettoyer le départ de ce site en installant une alimentation sans interruption.
Comme son nom l’indique, la fonction principale d’une alimentation sans
interruption « ASI », figure 10, est la continuité de service. Mais une ASI peut remplir
également d’autres fonctions, dans notre cas réduire le Flicker, et ainsi améliorer la qualité de
la tension à l’utilisation [5] [8].
Figure 10 : schéma de principe d’une ASI double conversion « Wikipédia ».
~ 19 ~
L'investissement d'un tel dispositif peut être relativement faible, mais cette solution reste un
remède local aux effets du Flicker.
6.2 choix du mode d'éclairage
Les types de lampes n’ont pas une sensibilité identiques aux
variations rapides de la tension, il existe des sources
lumineuses plus ou moins sensibles au Flicker. Les lampes
fluorescentes sont sensibles aux variations de tension de deux
à trois fois plus faible que les ampoules à incandescences, les
« fluo-compactes » sont encore moins sensible, Ils sont donc
le meilleur choix de l’éclairage pour remédier au problème
du Flicker. Mais cette solution reste seulement un remède
pour l’éclairage, et pas pour les autres utilisations perturbées [1] [5] [8].
6.3 Ajout d’un volant d’inertie
Dans certains cas particuliers, de charges tournantes, comme un moteur avec charge variable
ou un alternateur dont la puissance de la machine d'entraînement est variable peuvent
provoquer des fluctuations de tension. Ces fluctuations peuvent être réduites en ajoutant un
volant d'inertie sur l'arbre du moteur ou de l’alternateur, et ainsi réduire les fluctuations de la
charge induisant le Flicker [5] [8].
6.4 modification du réseau
Suivant la relation « ΔV/ VR = Q/ Scc », pour remédier au Flicker il sera plus efficace
d’augmenter la puissance de court-circuit du réseau en diminuant son impédance. Compte
tenu du point de raccordement de la charge. Bien entendu, si cette décision est efficace, il est
souvent difficile à mettre en œuvre. Pour cela, différentes solutions sont possibles [5] [8] [4] :
Raccordement des circuits d'éclairage au plus près du point de livraison ou la séparation
galvanique (transformateur d’isolement) des charges fluctuantes et des charges stables
Augmentation de la puissance du transformateur commun (à Ucc constant) alimentant
les charges fluctuantes
Diminution de la tension de court-circuit (Ucc %) du transformateur commun (à
puissance constante)
Mise en parallèle de transformateurs supplémentaires
En BT, renforcement de la section des conducteurs situés en amont de la charge
perturbatrice
~ 20 ~
Raccordement de la charge perturbatrice à un réseau de tension plus élevée
6.5 Conditionneurs dynamiques de tension
On a vu que les charges induisant le Flicker sont ceux que leur demande d’énergie réactive est
fluctuante, les conditionneurs dynamiques de tension sont des dispositifs couplés avec la
charge pour fournir le complément de tension due à la chute de tension causé par la demande
d’énergie réactive, ainsi en contrôlant le flux demandé par ces charges on peut réduire, même
annuler les fluctuations responsables du Flicker [8] [4].
Les dispositifs commercialisés destinés à réduire les problèmes liés à la qualité de puissance
sont susceptibles de protéger contre des groupes de problèmes. Ces dispositifs sont de
différentes grandeurs et peuvent être installés aux différents niveaux de tension (HT, MT, BT)
du réseau. Le dispositif et son emplacement, sont choisis selon des critères de faisabilité
économique et de la fiabilité recherchée.
Les conditionneurs dynamiques de tension sont soit tournant comme la machine synchrone,
soit statique utilisant des convertisseurs statiques. Les solutions basées sur l'électronique de
puissance « convertisseur statique » sont souvent utilisés quand une réponse rapide à la
suppression ou de contrecarrer les problèmes de qualité de l'alimentation. Pour les
applications à charge unique la sélection du dispositif approprié est assez simple, tandis que
pour les systèmes complexes avec de multiples charges, tous les éléments du réseau doivent
être soigneusement considérer, et lorsqu’il s’agit de grands systèmes, il faut aussi savoir quels
sont les exigences des charges sensibles
6.5.1. Machines synchrones
L’utilisation de la machine synchrone ou le compensateur synchrone, comme il est nommé
quelque fois figure 11, dans ces quadrants moteur ou générateur permet, tout en bénéficiant
de la force mécanique sur l'arbre, la production de puissance réactive (inductive ou capacitive)
à la fréquence fondamentale.
Figure 11 : compensateur ou machines synchrones.
compensateur
synchrone
générateur réseau
de Flicker sensible au
Flicker
~ 21 ~
Cette solution conduit à une réduction des fluctuations de 2 à 10 % et jusqu'à 30 % avec des
systèmes modernes de contrôle électroniques [5] [8].
L'utilisation de la machine synchrone sans vérifier le courant d'excitation n'atteint pas les
niveaux limites normatives de la variation de tension. En effet, il serait nécessaire pour cela,
que la puissance nominale de la machine synchrone soit plusieurs fois supérieure à la
puissance de la charge à stabiliser, sinon contrôler la machine synchrone en boucle fermée en
régulation de tension avec un contrôle du courant d’excitation rapide. Une telle solution
permet un contrôle rapide du courant réactif appelé par la machine.
6.5.2. La capacité série
L'introduction d'un condensateur en série dans le réseau, en amont du point de connexion de
la charge perturbatrice et des circuits sensibles aux vibrations, figure 12, peut réduire de
moitié les fluctuations de tension. Cette solution présente un avantage supplémentaire car elle
permet la production d'énergie réactive en plus de réduire les fluctuations. Par contre, il faut
protéger les condensateurs contre les courts circuits en aval [5] [8].
6.5.3. la réactance série
Utilisé pour les fours à arc, la solution peut réduire de 30% le taux de scintillement. La
réactance est insérée en série avec l'alimentation HT du four en aval du terminal figure 13.
Elle peut être incorporée dans le transformateur du four. Elle comprend souvent un ajustement
de l'appareil (prises boulonnées) et une possibilité de court-circuit.
Le principal effet "positif" sur les variations de tension, est que le courant consommé par le
four baisse. De plus, il stabilise le four à arc, ainsi les fluctuations de tension sont moins
brusques et le fonctionnement aléatoire du four à l'arc est réduit.
Figure 12 : Capacité en série dans le réseau.
capacité série
Générateur réseau sensible
de Flicker au Flicker
~ 22 ~
L'inconvénient est que la réactance est traversée par le courant de charge du four, et donc elle
consomme de la puissance réactive [5] [8].
6.5.4. la réactance shunt saturée
La réactance shunt saturée raccordée au plus près de la source de Flicker peut réduire d'un
facteur de 10% les fluctuations supérieures à la tension nominale, figure 14, mais elle est
inefficace pour les fluctuations inférieures parce que l'inductance ne sature pas [5] [8].
Ces réactances présentent des inconvénients :
Elles consomment du courant réactif
Elles produisent des harmoniques
Leur prix est plutôt élevé.
Figure 13 : la réactance série.
Figure 14 : la réactance shunt saturée.
réactance
série
générateur réseau sensible
de Flicker au Flicker
~ 23 ~
6.5.5. la réactance de découplage
Cette méthode est très efficace, car les fluctuations peuvent être réduites par un facteur de 10.
Mais il faut une configuration appropriée du réseau figure 15.
Une impédance est placée dans l'alimentation de la charge origine de perturbations. Et grâce à
un auto- transformateur spécial connecté à cette impédance, la tension opposée est ajoutée
à la perturbation au niveau du réseau sensible au Flicker. Il n'y a pas d'atténuation du Flicker
en amont du dispositif [8].
6.5.6. le convertisseur de phase
La tension produite par la fluctuation des charges monophasées sont considérablement réduits
par les convertisseurs de phase, groupes tournants, transformateurs à couplages spéciaux ou
pont de Steinmetz illustré dans la figure 16.
Figure 15 : la réactance de découplage.
Figure 16 : montage en pont de Steinmetz pour la compensation d'une charge
monophasée alimentée entre deux phases (schéma de principe).
réactance de
Générateur découplage réseau
de Flicker (auto - transfo sensible au Flicker
spécial)
~ 24 ~
Le pont de Steinmetz permet le rééquilibrage d'une charge résistive monophasée. Ainsi, une
charge monophasée (Sm = Pm + jQm) peut être compensée par une charge (-jQ) sur la même
phase. Il en résulte une charge monophasée purement résistive Pm qui peut être compensée en
ajoutant des admittances selfiques et capacitives sur les deux autres branches. Ce montage
équivaut à une charge triphasée équilibrée purement résistive de (Pm / 3).
Quand la charge monophasée Sm est fortement fluctuante, un dispositif d'électronique de
puissance peut permettre une compensation dynamique, pratiquement en temps réel. Idem en
triphasé déséquilibré. Dans ce cas, le Pont de Steinmetz devient un «compensateur statique»
[5] [8].
6.5.7. le compensateur statique (SVC)
Le stato-compensateur ou le compensateur statique SVC « Static Var Compensator », figure
17, est un dispositif destiné à compenser en temps réel la puissance réactive. Le
fonctionnement du stato-compensateur se base sur le principe de l'interruption commandé au
cours de la période sur des composants statiques du réseau (inductance et capacité) Son
utilisation permet également de réduire le Flicker de 25% à 50% [3] [7] [5] [8] [4].
Il existe plusieurs configurations de ce type de dispositif « TCR TSC MSR… », Il est
composé :
D'un banc de condensateurs, fixe ou commutable de façon discrète, fournissant du
réactif. Ce banc prend souvent la forme d'un filtre anti-harmonique.
D'un gradateur triphasé à thyristors faisant varier de façon continue le courant dans des
inductances, qui consomme l'excès de réactif.
Figure 17 : schéma d'installation d’un compensateur statique.
compensateur
statique générateur réseau
de Flicker sensible
au Flicker
~ 25 ~
Dans l’exemple de la Figure 18, le SVC comporte des inductances de compensation, une
batterie fixe de condensateurs shunts montés en filtre, et un dispositif électronique à base de
thyristors ou à IGBT.
Le dispositif électronique a pour rôle de varier la consommation d'énergie réactive des
inductances pour maintenir pratiquement constante la puissance réactive absorbée par
l'ensemble générateur de Flicker, batterie fixe de condensateurs, et inductances de
compensation.
Une formule donne une valeur estimative du coefficient de réduction du Flicker réalisé avec
un SVC [5] :
RSVC ≈ 1+ 0,75. SSVC/SF
Avec :
RSVC = facteur de réduction de Pst.
Figure 18 : schéma simplifié d’un compensateur statique SVC.
~ 26 ~
SSVC = puissance du compensateur (en VAR).
SF = puissance du four (en VA).
Les compensateurs statiques sont considérés comme la meilleure solution, économique et
technique, pour améliorer la qualité de la puissance.
6.5.8. STATCOM
En raison de l'opération avec commutation à fréquence fondamentale, les SVC classiques ont
des inconvénients tels que le temps de réponse relativement long et la possibilité de ne
compenser que la fréquence fondamentale du courant réactif de la charge. Cela limite les
possibilités de réduire le Flicker avec un SVC. En outre, un SVC introduit également
harmoniques, et par conséquent il doit être combiné avec un banc passive de filtres [8] [4].
Le STATCOM (STATic synchronous COMpensator), figure 19, est un convertisseur à
source de tension connecté en parallèle à un réseau alternatif en général par le biais d’un
transformateur abaisseur, son fonctionnement permet de fournir ou absorber des quantités de
puissance réactive.
Les STATCOM appartiennent à une nouvelle génération de compensateur statiques utilisant
des éléments semi-conducteurs à commutation forcée comme les IGBT. Et malgré le cout et
les pertes importantes des IGBT, leur contrôle rapide et précis fait du STATCOM un
équipement intéressant,
Figure 19 : Structure de base d'un STATCOM.
C
Va
Vb
Vc Ish-b
Ish-c
V1- a
Ish-a
Transformateur Shunt
Vsh-a
Vsh-b Vsh-c
~ 27 ~
Par rapport au compensateur statique de puissance réactive conventionnel de type SVC, le
STATCOM présente les avantages suivants:
l'espace nécessaire pour l'installation est réduit en raison de l'absence de bobines
d'inductance et de condensateur;
le recours aux filtres d'harmoniques n'est pas nécessaire;
les performances en régime dynamique sont meilleures.
L'avantage de ce dispositif est de pouvoir échanger de l'énergie de nature inductive ou
capacitive uniquement à l'aide d'une inductance. Contrairement au SVC, il n'y a pas d'élément
capacitif qui puisse provoquer des résonances avec les éléments inductifs du réseau. Il remplit
toutes les fonctions d’un SVC mais sur une plage de variation de tension plus large. Alors que
le SVC fournit une puissance réactive fonction de la tension du réseau, le STATCOM peut
fournir le maximum de sa puissance réactive pour des tensions réseaux très faible. De plus la
rapidité naturelle du temps de réponse du STATCOM lui donne avantage important pour la
réduction du Flicker. Enfin un STATCOM est moins encombrant et moins bruyant qu’un
SVC [8].
~ 28 ~
Conclusion
Les fluctuations de tension connues en anglais par "Flicker" sont des variations systématiques
de l'enveloppe ou une série de changements aléatoires dans l’amplitude de tension, il est
dérivé de l’impact visible du papillotement des lampes. La gêne produite conduit à une fatigue
visuelle et nerveuse des utilisateurs de source d’éclairage perturbée. Plusieurs types de
charges donnent naissance au Flicker, mais ce sont surtout les charges avec une grande et
fluctuante demande d’énergie réactive qui sont les causes.
Afin de permettre à l'équipement connecté au système d'alimentation de fonctionner
correctement, des normes internationales décrivent le phénomène du Flicker, ces normes
fixent les limites d’émission des charges perturbatrices, ainsi que la méthodologie de mesure,
cz qui oblige les fournisseurs et leurs clients à s'assurer que les fluctuations de la tension de
fonctionnement du système ne dépassent pas ces limites.
La réduction des variations de puissance réactive permet une diminution importante de l’effet
de Flicker, pour cela une multitude de solution se présentent, et celles utilisant les nouvelle
technologies de l’électronique de puissance restent les plus adéquates et les mieux adaptées
pour l’industrie.
~ 29 ~
Bibliographie
[1] Math H. J. Bollen Irene Yu-Hua Gu, 2006. Signal Processing of Power Quality
Disturbances. John Wiley & Sons Inc, Canada 880p.
[2] J. Schlabbach D. Blume T. Stephanblome, 2001. Voltage Quality in Electrical Power
Systems. The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom 250p.
[3] Roger OTT. Qualité de la tension - Fluctuations et flicker. Techniques de l’Ingénieur. 10
nov. 2002, Référence D4263.
[4] Zbigniew Hanzelka, Andrzej Bien. Perturbation en tension - Section 5.1.4 Flicker
(papillotement). leonardo-energy. Octobre 2008.
[5] René Wierda. Flicker ou scintillement des sources lumineuses. Cahier Technique Merlin
Gerin, n° 176 décembre.
[6] Patrick Bastard. Le flicker sur les réseaux d'énergie électrique. La Revue 3EI. numéro 31,
13, 2002.
[7] Jacques COURAULT, Guillaume de PREVILLE, Jean-Louis SANHET. Fluctuations de
tension et flicker. Évaluation et atténuation (partie 1) (partie 2). Techniques de l’Ingénieur.
10 nov. 2001, Référence D4315 et D 4 316.
[8] Christophe PRÉVÉ, Robert JEANNOT. Guide de conception des réseaux électriques
industriels. Schneider Electric. Février 1997.
~ 30 ~
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AMSC SVC Solution
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Assets are highly portable, modular, and can be field-modified, reducing the costs normally associated with
upgrades. We routinely solve problems caused by starting large motors, metal shredders and crushers, operating
sawmills, pump or pipeline stations, shipyards, coal mines, feed plants or kindred processes. We can also cure
arc furnace flicker and stabilize transmission lines.
AMSC SVC Installation.
SVC Solution Attributes:
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Static (solid state) valves can switch once per cycle – eliminating flicker
ZVD switching eliminates ringing transients and re-strike
High speed control system: integral sensing, actuating and system diagnostics
No moving parts, operates as needed (> 100k operations/ day)
Interior of SVC installation
