Les bases de la qualité de la puissance 1

Qualité de l’énergie

L’équipement électrique est conçu pour fonctionner sur une alimentation électrique qui est à une tension et une fréquence spécifiques et relativement libre de problèmes de qualité, tels que des pointes de tension et des harmoniques. Les problèmes de qualité d’énergie peuvent réduire les performances et raccourcir la durée de vie des équipements électriques et augmenter les coûts d’exploitation de l’entreprise. 

Les problèmes de qualité de l’électricité peuvent être causés par une variété de conditions. Un système de surveillance de l’alimentation bien conçu est essentiel pour identifier les problèmes et les résoudre rapidement avant qu’ils ne deviennent coûteux.

Ce cours vous aidera à mieux comprendre les types de problèmes de qualité de l’alimentation qui surviennent couramment dans divers types d’installations et comment les produits et systèmes de surveillance de l’alimentation peuvent vous aider à minimiser ces problèmes. Premièrement, cependant, il y a quelques concepts de base que nous devons couvrir.

Courant continu (DC)

L’alimentation en courant des appareils électriques peut provenir d’une source de courant continu (cc) ou d’une source de courant alternatif (ca). Comme discuté dans le cours notions de base de l’électricité, les services publics d’électricité produisent et distribuent de l’électricité en courant alternatif. Cependant, il existe de nombreuses sources et utilisations de l’alimentation en courant continu. Les sources de courant continu comprennent une variété de dispositifs tels que les cellules solaires, les batteries, les circuits électroniques qui convertissent le courant alternatif en courant continu et les générateurs de courant continu. 

Dans un circuit à courant continu, les électrons circulent continuellement dans une direction de la source de puissance à travers un conducteur à une charge et à nouveau à la source de puissance. La polarité de tension pour une source de courant continu reste constante. 

Courant alternatif (AC)

Un générateur à courant alternatif fait circuler les électrons d’abord dans une direction puis dans une autre. En fait, un générateur à courant alternatif inverse ses polarités terminales plusieurs fois par seconde, provoquant un changement de direction du courant à chaque inversion.

La tension et le courant alternatifs varient en continu. La représentation graphique de AC est une onde sinusoïdale. Une onde sinusoïdale peut représenter le courant ou la tension. L’illustration ci-jointe montre un cycle d’onde sinusoïdale sur un graphique avec Deux axes. L’axe vertical représente la direction et l’amplitude du courant ou de la tension. L’axe horizontal représente le temps.

Lorsque la forme d’onde est au-dessus de l’axe du temps, le courant coule dans une direction. C’est ce qu’on appelle la direction positive. Lorsque la forme d’onde est inférieure à l’axe du temps, le courant coule dans la direction opposée. C’est ce qu’on appelle la direction négative. 

Une onde sinusoïdale se déplace par une rotation complète de 360 degrés, ce que l’on appelle un cycle. Comme nous le verrons plus loin dans ce cours, une onde sinusoïdale AC typique passe par plusieurs de ces cycles chaque seconde. 

fréquence

Le nombre de cycles par seconde de tension et de courant produit par un générateur ca est désigné comme la fréquence de cette tension et de ce courant. L’unité reconnue pour la fréquence est hertz, abrégé Hz. 1 Hz est égal à 1 cycle par seconde. 

Les compagnies d’électricité produisent et distribuent de l’électricité à très basses fréquences. La fréquence de ligne électrique standard aux États-Unis et dans de nombreux autres pays est de 60 Hz. 50 Hz est l’autre fréquence de ligne électrique commune utilisée dans le monde entier. L’illustration suivante montre 15 cycles en 1/4 de seconde. Cela équivaut à 60 Hz.

Bien que les compagnies d’électricité produisent de l’électricité à basse fréquence fixe, de nombreux circuits électroniques convertissent cette basse fréquence en une fréquence plus élevée ou une fréquence variable pour une utilisation dans un Variété de façons. 

La fréquence est une caractéristique importante du ca parce que de nombreux appareils et circuits répondent différemment aux différentes fréquences.

Amplitude Amplitude

La tension et le courant dans un circuit ca augmentent et diminuent au fil du temps dans un modèle appelé une onde sinusoïdale. Comme précédemment discuté, une onde sinusoïdienne complète est désignée sous le nom de cycle, et le nombre de cycles en une seconde est désigné sous le nom de fréquence. En plus de la fréquence, une onde sinusoïdale AC a également une amplitude, qui est la plage de variation de sa valeur maximale à sa valeur minimale. L’amplitude peut être spécifiée de trois façons: la valeur de crête, la valeur de crête à crête et la valeur effective.

La valeur de crête d’une onde sinusoïdale est la valeur maximale pour chaque moitié de l’onde sinusoïdale.

La valeur de pointe à crête est l’intervalle entre le pic positif et le pic négatif. C’est deux fois la valeur de crête. 

La valeur effective du courant alternatif est définie en termes d’effet de chauffage équivalent par rapport au courant continu. Les Instruments conçus pour mesurer la tension et le courant alternatifs affichent généralement la valeur effective. La valeur effective d’une tension ou d’un courant alternatif est approximativement égale à 0,707 fois la valeur de crête.

La valeur effective est également appelée valeur RMS. Ce nom est dérivé du processus mathématique root-moyen-carré utilisé pour déterminer la valeur effective d’une forme d’onde. 

Valeur instantanée

La valeur instantanée est la valeur en un point quelconque de l’onde sinusoïdale. La forme d’onde de tension produite comme l’armature d’un générateur alternatif à deux pôles de base tourne à travers une rotation complète de 360 degrés est appelée une onde sinusoïdienne parce que la tension instantanée ou le courant est liée à la fonction trigonométrique sinusoïdienne. 

Comme le montre l’illustration ci-jointe, la tension instantanée (E) et le courant (i) en tout point de l’onde sinusoïdale sont égaux à la valeur de crête par le sinus de l’angle. Les valeurs sinusoïdales indiquées sur l’illustration sont obtenues à partir de tableaux trigonométriques. Gardez à l’esprit que chaque point a une valeur instantanée, mais cette illustration ne montre que le sinus de l’angle à des intervalles de 30 degrés.

Puissance triphasée

Jusqu’à présent, nous ne parlions que de courant alternatif monophasé. L’alimentation monophasée est utilisée lorsque les besoins en énergie sont relativement faibles, comme pour une maison typique. 

Cependant, les compagnies d’électricité produisent et distribuent de l’électricité triphasée. La puissance triphasée est utilisée dans les applications commerciales et industrielles où les besoins en énergie sont plus élevés que ceux d’une résidence typique.

La puissance triphasée, comme le montre l’illustration ci-jointe, est une série continue de trois cycles ca se chevauchant. Chaque vague représente un "phase" Et est compensée par 120 degrés électriques de chacune des deux autres phases. Les trois phases sont désignées comme les phases A, B et C.

Rotation de Phase

Comme décrit précédemment, les relations de phase pour la tension AC triphasée typique ou le courant fourni par une compagnie d’électricité peuvent être montrées à l’aide de formes d’onde tracées sur un graphique. Cependant, cette relation peut être décrite plus simplement avec un diagramme montrant des vecteurs triphasés. La longueur de chaque vecteur représente l’amplitude d’une des phases. Chacun de ces vecteurs est séparé des deux autres vecteurs par 120 degrés. 

Lorsque la tension ca triphasée est appliquée au stator d’un moteur triphasé, un champ magnétique en rotation est produit. La flèche sur le diagramme de phase dans cet exemple est utilisée pour montrer le sens de rotation de ce champ magnétique.

Des diagrammes de phaseurs, comme celui montré dans le coin inférieur droit, sont disponibles sur de nombreux compteurs de puissance Siemens. 

Charges linéaires

Les charges d’équipement électrique peuvent être linéaires ou non linéaires. Il est important de comprendre les différences entre ces deux types de charges et comment ces types de charges influent sur la qualité de l’alimentation.  

Une charge linéaire est toute charge dans laquelle la tension et le courant augmentent ou diminuent proportionnellement. La tension et le courant peuvent être déphasés dans une charge linéaire, mais les formes d’onde de chacun sont encore sinusoïdales et proportionnelles. Les moteurs, les éléments chauffants résistifs, les lampes à incandescence et les relais sont des exemples de charges linéaires. Les charges linéaires peuvent causer un problème dans un système de distribution si elles fonctionnent mal ou sont surdimensionnées pour le système de distribution. Cependant, lorsqu’ils sont utilisés selon les spécifications, ils ne provoquent pas de distorsion harmonique, un type de distorsion de forme d’onde qui sera discuté plus loin. 

Les systèmes de surveillance de puissance sont importants pour une utilisation avec tous les types de charges. Par exemple, ils peuvent identifier quand les courants de charge approchent des niveaux qui causent une surcharge et déclenchent les dispositifs de protection contre les surintensités.

Les dispositifs de surveillance de l’alimentation peuvent être utilisés sur les circuits d’alimentation et de branchement ainsi que sur le réseau de distribution. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour surveiller des charges individuelles. La certification LEED, développée par le u.s. Green Building Council, exige même que le CVC et l’éclairage sur une certaine ampérage soient surveillés individuellement pour s’assurer de leur conformité.

Charges non linéaires

Lorsque le courant de charge instantané n’est pas proportionnel à la tension instantanée, la charge est considérée comme une charge non linéaire. Les ordinateurs, les téléviseurs, les PLC, l’éclairage ballasté, les variateurs de vitesse et une variété de dispositifs munis d’alimentations électroniques sont des exemples de charges non linéaires.

Les charges non linéaires peuvent déformer les formes d’onde, mais la quantité exacte et le type de déformation varient en fonction de la charge. La forme d’onde que vous voyez lorsque vous passez la souris sur le rectangle rouge n’est qu’un exemple d’une forme d’onde de courant triphasé déformée. 

Un bon système de surveillance de la qualité de l’énergie est essentiel au maintien d’un système de distribution d’énergie qui fournit une énergie propre. L’application d’une mauvaise solution peut être coûteuse et dangereuse.

harmoniques

De nombreux circuits et dispositifs électroniques produisent des fréquences qui sont des multiples de la fréquence appliquée. Toute fréquence produite qui est un multiple de la fréquence originale s’appelle un harmonique. 

La fréquence originale est appelée la fréquence fondamentale ou de base ou la première harmonique. Chaque multiple de fréquence est désigné par son numéro. Par exemple, la deuxième harmonique est deux fois la fréquence fondamentale, la troisième harmonique est trois fois la fréquence fondamentale, etc.

Les Circuits qui produisent des harmoniques les produisent généralement à des amplitudes réduites de la fréquence fondamentale. De plus, ces circuits ne produisent pas toutes les harmoniques multiples, mais les harmoniques spécifiques produites dépendent du type de circuit et des niveaux de puissance impliqués.

Les effets harmoniques peuvent se manifester sous forme de chaleur dans divers endroits tels que les neutres d’appareils, les transformateurs et les banques de condensateurs. Lorsque la chaleur s’accumule suffisamment, l’équipement est endommagé. Les systèmes de surveillance de l’alimentation peuvent identifier les harmoniques et leurs sources pour permettre des corrections. 

Inductance et inducteurs

La résistance et la tension ne sont pas les seules propriétés du circuit qui influencent le flux de courant. Par exemple, l’inductance est la propriété d’un circuit électrique qui s’oppose à tout changement de courant électrique. La résistance s’oppose au flux de courant, mais l’inductance s’oppose aux changements du flux de courant. L’inductance est désignée par la lettre "L". L’unité de mesure de l’inductance est le henry (h).

Le courant produit un champ magnétique dans un conducteur. La quantité de courant détermine la force du champ magnétique. À mesure que le courant augmente, l’intensité du champ augmente, et à mesure que le courant diminue, l’intensité du champ diminue.

Tout changement de courant entraîne un changement correspondant du champ magnétique entourant le conducteur. Le courant est constant pour une source cc régulée, sauf lorsque le circuit est allumé et éteint, ou lorsqu’il y a un changement de charge. Cependant, le courant alternatif change constamment, et l’inductance s’oppose continuellement au changement. Un changement dans le champ magnétique entourant le conducteur induit une tension dans le conducteur. Cette tension auto-induite, est appelée contre-cem parce qu’elle s’oppose au changement de courant.

Tous les conducteurs ont une inductance, mais les inducteurs sont des bobines de fil enroulé pour une inductance spécifique. Pour certaines applications, les inducteurs sont enroulés autour d’un noyau métallique pour concentrer davantage l’inductance. L’inductance d’une bobine est déterminée par le nombre de tours dans la bobine, le diamètre et la longueur de la bobine, et le matériau du noyau. Un inducteur est habituellement indiqué symboliquement sur un dessin électrique comme une ligne courbée.