Brevet FR2765725A1 — publié le 19990108

Description. L'invention concerne un filtre homopolaire permettant de réduire considérablement l'amplitude des courants homopolaires sur les lignes de distribution électriques. A l'heure actuelle, les réseaux d'alimentation en énergie électrique sont confrontés à une augmentation importante de charges non linéaires telles que l'alimentation à découpage d'ordinateurs, variateurs de vitesses électroniques pour moteurs asynchrones, redresseurs électroniques de puissance, éclairages par tube fluorescents, fours à induction et charges déséquilibrées. Ces charges non linéaires génèrent des courants harmoniques de grande amplitude, parmi lesquels les harmoniques homopolaires (H3, H9. H(6K + 3)) tiennent une place particulière. En effet, dans les alimentations triphasées à neutres distribués, les harmoniques homopolaires s'additionnent dans le conducteur de neutre lequel est alors traversé par des courants importants à fréquences élevées. Il n'est pas exceptionnel de trouver des installations o le courant circulant dans le neutre est plus de deux fois supérieur au courant de phase. Cette situation a pour conséquence que les pertes de distribution augmentent considérablement et que la puissance de distribution est limitée. En effet, ces courants traversent le conducteur de neutre qui n'est pas prévu pour de tels courants élévés et dont - 2 l'effet thermique est encore aggravé par l'effet pelliculaire. De plus, ces courants traversent également le transformateur de ligne dans lequel des pertes supplémentaires importantes sont générées. Par ailleurs, en cas de charge fortement déséquilibrée, par exemple une seule phase chargée à 100%, le courant dans le conducteur atteint également une valeur égale au courant de phase. La puissance de distribution est tributaire du courant maximum toléré par le neutre distribué ou par le courant maximum que peut supporter le conducteur de neutre interne au transformateur de ligne, par l'alternateur ou par l'alimentation sans interruption. Des filtres homopolaires existent sur le marché mais ces filtres connus présentent l'inconvénient d'entraîner une déformation importante de l'onde de tension des charges perturbatrices. On connait des systèmes qui utilisent un transformateur avec connexion étoile-triangle. Ces systèmes permettent de court-circuiter les harmoniques dans l'enroulement triangle. La totalité de l'énergie passe cependant au travers du transformateur en accroissant les pertes joules et en augmentant les impédances offertes aux harmoniques élevées de courant. Ces augmentations d'impédances entraînent alors une déformation de l'onde de tension de sortie du transformateur. D'autres systèmes utilisent un transformateur placé en parrallèle pour constituer une faible impédance homopolaire. Cependant, en cas de creux de tension sur une - 3 - phase du réseau d'alimentation, le courant dans le neutre peut atteindre des valeurs exagérées. La présente invention a pour but de pallier ces désavantages et de fournir un filtre homopolaire permettant de réduire drastiquement les courants homopolaires dans les phases et dans le neutre d'une installation électrique sans entraîner une détérioration de la forme d'onde de tension des charges perturbatrices et en restant indépendant de la puissance de court-circuit du réseau en amont ce filtre étant en plus relativement bon marché. Ce but est atteint, conformément à l'invention, par un filtre homopolaire, comprenant, d'une part, un générateur homopolaire placé en dérivation entre les phases et le neutre de la ligne, le neutre du générateur étant connecté au neutre de la ligne, ce, générateur étant formé par des bobinages zig-zag sur un noyau de transformateur à trois colonnes, les bobinages sur chaque colonne étant imbriquées et d'autre part, une inductance ou self formée par un noyau monophasé sur lequel sont bobinés trois bobinages correspondant aux trois phases de manière à ce que leurs flux soient concordants. De préférence, le générateur homopolaire présente vis-à-vis des systèmes de tensions indirectes et inverses une impédance de magnétisation élevée de telle sorte qu'il ne génère pas lui-même des harmoniques de courant de magnétisation, et qu'il présente vis- à-vis des systèmes de tensions homopolaires une impédance aussi faible que possible. L'inductance est de préférence réalisée de telle sorte qu'elle présente vis-à-vis des systèmes de courants directs -- 4 -- et inverses une impédance aussi faible que possible et vis-à-vis des systèmes de courants homopolaires une impédance correspondant à une fraction de l'impédance unitaire de la charge que l'on souhaite filtrer. De préférence les bobinages de l'inductance sont imbriquées. Pour plus de clarté, un exemple de réalisation d'un filtre homopolaire selon l'invention est décrit ci-après à titre illustratif et non restrictif, référence étant faite aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un schéma d'un réseau d'alimentation triphasé, dans lequel sont montés deux filtres homopolaires selon l'invention; la figure 2 représente schématiquement un filtre homopolaire selon l'invention de la figure 1; la figure 3 représente très schématiquement un générateur homopolaire du filtre selon la figure 2; la figure 4 représente une coupe d'une partie du générateur de la figure 3 montrant en détail les bobinages sur une colonne du noyau; la figure 5 représente une coupe similaire à celle de la figure 4 mais se rapportant à une autre forme de réalisation du générateur; la figure 6 représente une coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5; la figure 7 représente schématiquement l'inductance du filtre selon la figure 2; la figure 8 représente à échelle agrandie une coupe de l'inductance de la figure 7 montrant en détail les bobinages sur le noyau; les figures 9 et 10 représentent une coupe similaire à celle de la figure 8, mais se rapportant à d'autre formes de réalisation de l'inductance; - 5 - les figures 11 et 12 sont des représentations schématiques analogues à celle de la figure 7, mais se rapportant à d'autres formes de réalisation de l'inductance; la figure 13 est une vue en perspective d'encore une autre forme de réalisation de l'inductance du filtre homopolaire selon l'invention; la figure 14 est le schéma électrique d'une phase pour les composants homopolaires; la figure 15 est une partie du schéma de la figure 14 mais détaillé pour les trois phases. La figure 1 représente un réseau d'alimentation triphasé à neutre distribué et constitué de sa source 1, par exemple un transformateur ou un alternateur, une alimentation sans interruption, trois conducteurs de phase 2 et le neutre 3 liant la source 1 au tableau de dérivation 4 et de charges déformantes 5. Dans le tableau de dérivation 4 est monté devant chaque charge 5 un filtre homopolaire 6 constitué essentiellement d'un générateur homopolaire particulier 7 monté en dérivation et d'une inductance particulière 8 tel que représenté schématiquement à la figure 2. Comme représenté à la figure 3, le générateur homopolaire 7 est constitué de bobinages zig-zag 9 placés en dérivation et montés sur un noyau 10 à trois colonnes. En plus, chaque colonne comporte deux bobinages 9 imbriquées. Les bobinages 9 sur chaque colonne peuvent être imbriqués de plusieures façons. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 4, les bobinages 9 sont composés de fil et leurs spires sont - 6 - bobinées en couches successives isolées entre elles, une couche d'un bobinage 9 alternant avec une couche de l'autre bobinage 9. Aux figures 3 et 4 l'entrée et la sortie de chacun des bobinages 9 imbriqués sont désignées par El et Si, respectivement E'l et S'1 pour la premier colonne, E2 et S2 respectivement E'2 et S'2 pour la deuxième colonne et E3 et S2 respectivement E'3 et S'3 pour la troisième colonne. Les entrées E'l, E'2 et E'3 sont respectivement connectées au trois conducteurs de phase 2, tandis que les entrées El,E2 et E3 sont connectées au neutre 3. Dans la forme de réalisation représenté aux figures 5 et 6, chaque bobinage est constitué d'une seule spire de feuillard et les couches de fils sont donc remplacés par des couches de feuillard. Les couches successives des deux bobinages 9 sur une colonne appartiennent alternativement aux deux bobinages 9. Cette dernière forme de réalisation est préférée pour les filtres 6. de grande puissance, lorsque le courant du neutre 3 peut être supérieur à 300 A. Outre le fait que les ampère-tours homopolaire totaux d'une colonne du noyau 10 sont nuls, comme dans tout bobinage zig-zag, le fait d'imbriquer les bobinages 9 réduit de manière très significative le flux de dispersion des courants homopolaires. L'induction maximale est volontairement réduite afin d'éviter la génération de courants harmoniques. - 7 Cette particularité permet également la réduction du courant d'appel à l'enclenchement et une réduction des pertes magnétiques. Le générateur 7 est donc réalisé de telle sorte qu'il présente vis-à- vis des systèmes de tensions directes et inverses une impédance de magnétisation élevée afin qu'il ne génère pas lui-même des harmoniques de courant de magnétisation et qu'il présente vis-à-vis des systèmes de tension homopolaire une impédance aussi faible que possible. L'inductance particulière 8 est constituée d'un noyau monophasé 11 et de trois bobinages 12 sur celui-ci pour les trois phases comme représenté à la figure 7. Les trois bobinages 12 sont bobinés de manière à ce que leurs flux soient concordants. A la figure 7 l'entrée et la sortie des trois bobinages 12 ont été indiquées par E1 et Sl pour la première phase, E2 et S2 pour la deuxième phase et E3 et S3 pour la troisième phase. Ces bobinages 12 sont réalisés de telle sorte que l'inductance 8 présente vis-à-vis des systèmes de courants- directs et inverses une impédance aussi faible que possible et vis-à-vis des systèmes de courants homopolaires une impédance correspondant à une fraction, par exemple 10% de l'impédance unitaire de la charge que l'on souhaite filtrer. A cet effet, les trois bobinages 12 sont imbriqués par exemple comme représenté en détail aux figures 8 à 11. Particulièrement pour les filtres de faible puissance dans lesquels le courant dans le neutre 3 est inférieur à 300 A, les bobinages 12 peuvent s'imbriquer par exemple comme représenté à la figure 8 o les bobinages autour de la - 8 - colonne monophasée sont constitués par des fils. Les fils des trois bobinages 12 sont enroulés l'un à côté de l'autre et ensemble. L'appartenance de fils au trois bobinages respectives a été indiquée par A, B et C. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 9, chaque bobinage comprend une seule spire formée par un feuillard ou méplat. En fait trois méplats superposés, une pour chaque phase, sont enroulés en même temps. L'appartenance au trois bobinages 12 des feuillards a également été désignée à la figure 9 par A, B et C. Cette forme de réalisation est préférée pour des filtres de grande puissance. Dans une variante les bobinages 12 peuvent être formés par un câble avec trois filss, un pour chaque phase. En bobinant le câble on bobine en même temps les fils et ons crée donc trois bobinages imbriquées tel que représenté à la figure 10. L'entrefer 13, si un noyau 11 ferromagnétique est utilisé, est calculé pour éviter toute saturation lors d'appels de courant monophasés importants. L'inductance 8 peut comprendre deux colonnes comme représenté aux figures 11 et 12. Les bobinages 12 peuvent entourer seule une des collones comme représenté à la figure 11 ou être dédoublé et comprendre une partie 12a et 12b sur chaque colonne comme représenté à la figure 12. 9 - Dans le cas de courants importants supérieurs à 1000lA dans le neutre, une seule spire peut suffire. Cette spire unique peut même être formée par un jeu de trois barres A,B, C qui traverse le noyau tel que représenté à la figure 13. Le filtre homopolaire 6 décrit ci-devant fonctionne comme suit. Les systèmes de courants peuvent être décomposés en leurs composantes directes(Id), inverses (Ii) et homopolaires (IO). Les courants direct Id et inverse Ii traverseront l'impédance ou la self 8 sans provoquer des chutes de tension aux bornes de celle-ci, puisque la somme des ampère-tours est nulle et l'impédance est négligeable en raison du faible flux de dispersion. Le générateur homopolaire 7 ne sera pas influencé par l'effet de ces courants et gardera une très grande impédance (impédance de magnétisation). Les courants homopolaires quant à eux, rencontreront une impédance non négligeable v.w. Lo, o Lo est l'inductance homopolaire d'une phase de l'inductance 8, w est la pulsation fondamentale et v est le nombre de l'harmonique monopolaire, les ampère-tours homopolaires s'additionnant en effet et selon l'invention dans l'impédance. L'impédance homopolaire de la source est considérée comme négligeable. - 10 - Le schéma d'une phase pour les composantes homopolaires peut se réduire à la figure 10. La charge d'une phase pour les composantes homopolaires se verra partager le courant qu'elle génère entre l'impédance v.w. Lo et l'impédance du générateur homopolaire v.w. Lzo (Lzo est l'inductance du générateur monopolaire 7). Vu de la charge c'est-à-dire du générateur homopolaire 7, l'impédance homopolaire Zo de l'amont est égale pour la première phase à: Zo=(v.w. Lo.v.w.Lzo)/(v.w.Lo + v.w.Lzo) Zo=v.w.Lo.Lzo.(Lo+Lzo) Ucov=(v.w.Lo. Lzo/(Lo+Lzo)).Icov (o Uco est la tension sur la charge 5 et Ico est le courant à travers cette charge 5) et Izo.v=Uco.v/v.w.Lzo (Izo est le courant à travers l'inductance 8). donc Izo.v=((Lo//Lzo)/((Lo/Lzo)+l)).Ico.v Le filtre homopolaire 6 sera d'autant plus efficace que le rapport Lo/Lzo sera important. Si Lo/Lzo=5, le courant homopolaire circulant dans le neutre 3 initialement égal à 3.Icov sera réduit par six. Ces valeurs sont approximatives, car elles négligent les arguments des impédances. Par ailleurs l'efficacité du filtre sera augmentée si l'inductance homopolaire de la source n'est pas négligeable devant Lo. - il - Le raisonnement tenu ci-dessus pour les courants harmoniques peut bien évidemment être transposé aux courants déséquilibrés à fréquence fondamentale (v=l), lesquels peuvent également être décomposés en leurs composantes directes, inverses, et homopolaires Id, Ii, Io. Ainsi une charge monophasée (Ph, neutre) de courant nominal In entraînera dans le conducteur neutre un courant égal à In (le courant nominal). L'application du filtre 6 réduira le courant harmonique homopolaire résultant de la charge monophasée (Io=In/3). Si par exemple qu'une seule charge monophasée est appliquée à la phase 1 (indiqué sur la fig. 15) et en négligeant les résistances du filtre, les équations suivantes: les différentes tensions ci courants et impédances L sont indiquées à la figure 15 et sont les valeurs instantanées. U1-Llld/dt il-L12d/dt i2-L 13d/dt i3-UC =0 U2-L21d/dt il-L22d/dt i2L23d/dt i3-UC2=0 U3-L31 d/dt il-L32d/dt i2-L33d/dt i3-UC3=0 Selon l'invention, l'inductance L globale de l'impédance 8 est parfaitement couplée, il en résulte que: Lll=L 12=L 13 L22. =L Par ailleurs, dans l'inductance de neutre à trois colonnes, Zo bobiné en zig-zag, la somme des flux des trois colonnes est nulle. Donc, uc1 + uc2 + uc3 = 0 à tout instant. Si les tensions d'entrée sont équilibrées: - 12 - u1 + u2 + u3 =0 En réalisant la somme des 3 équations, le système se réduit à 0 + 3L d/dt (i1 + i2 + i3) + 0 = 0 donc i + i + i = 0 car il n'y a pas de composante 1 2 3 continue. Or, i1 + iz1 = ic1 i2 + iz2 = O i3 + iz3 = 0 et donc, ic1 = iz1 + iz2 + iz3 puisque iz=iz1 + iz2 + iz3 etici = iz + iN iN = ic1 - ici = 0 (A) Par ailleurs, l'équation (1) devient U1- L d/dt (i1 + i2 + i3) - ucl = 0 ul = ucl donc, de la même façon --->u2 = uc2 (B) u3 = uc3 On obtient le résultat remarquable que le courant dans le neutre est nul en amont du filtre et que les tensions à l'entrée du filtre sont identiques à celle de la sortie (il n'y a pas de chute de tension dans L) Ceci est vrai pour toute configuration de courants déséquilibrés et quelque soit la fréquence de ces courants. Il ressort de ce qui précède qu'en raison de la construction de l'impédance ZO, seule les composantes homopolaires la traverseront, en raison de la symétrie iz1 = iz2 = iz 12 3 - 13 - donc iz = icl/3 = iz = iz i 2 3 Les courants en amont du filtre seront dans le cas d'un déséquilibre de 100% égaux à i = 2/3 ic i 1 i2 = -1/3 ic2 i3 = -1/3 ic3 Dans ce cas la puissance absorbée sur une phase se répartit sensiblement sur l'ensemble des phases de la source. Supposant qu'à un instant donné, une des phases de la source i soit le siège d'un creux de tension transitoire de !0 par exemple 30%, les tensions Vl, V2 et V3 dans les phases sont: Vl=0,7.V ln, V2=V2n, V3=V3n Vd=(Vl+aV2+a2V3)/3 Vi=(Vl+a2V2+aV3)/3 Vo=(Vl+V2+V3)/3 Vo=0,1.Vln Comme indiqué précédemment, les composantes directes et inverses de tension n'auront pas d'influence sur le filtre. La tension homopolaire provoquera la circulation d'un courant homopolaire transitoire dont l'amplitude dans chaque phase peut être estimée à +/- 0,1.V1/w.(Lo+Lzo). Ce courant aura pour effet de répartir la chute de tension de 30% d'une phase à +/- 10% sur l'ensemble des phases. - 14 - Cet exemple montre également l'intérêt et la nécessité de l'introduction de l'impédance ou de la self 8 selon l'invention. En effet, dans le cas d'une source 1 de Pcc infinie, le courant homopolaire ne serait limité que par l'impédance w.Lo qui selon l'invention est réduite à une valeur extrêmement faible. Le courant de court-circuit monophasé sera partiellement réparti en amont du filtre sur les trois phases. Cette propriété permettra le fonctionnement rapide des protections individuelles de la charge en court-circuit en facilitant ainsi la sélectivité des protections. Comme le filtre 6 est transparent aux harmoniques non homopolaires pour lesquelles son impédance est pratiquement négligeable, il n'affectera en rien les filtres accordés sur les harmoniques H5, H7, Hll, H13 éventuellement présents sur le réseau qu'ils soient situés en amont ou en aval du filtre 6. Le filtre homopolaire 6 décrit ci-dessus peut réduire drastiquement les courants homopolaires dans les phases 2 et dans le neutre 3 d'une installation électrique sans entrainer une détérioration de la forme d'onde de tension des charges perturbatrices 5. Le filtre 6 permet également de réduire pour la charge 5 l'amplitude des creux de tensions transitoires monophasées survenant sur le réseau d'alimentation et permet de rééquilibrer sur les trois phases les courants d'une charge fortement déséquilibrée. - 15 - Le filtre 6 permet de faciliter considérablement la sélectivité en cas de court-circuit sur une des charges monophasées situées en aval du filtre 6 et permet de réduire l'ensemble des pertes joules de l'installation. I1 permet également de réduire le rayonnement électromagnétique à haute fréquence de cet ensemble. Le ou les filtres 6 selon l'invention peuvent être placés en n'importe quel point perturbateur sans se préoccuper des impédances de la source 1. Plusieurs filtres 6 peuvent être placés en parallèle devant une même charge 5 permettant ainsi un évolution des filtres 6 en fonction d'une croissance de la charge déformante 5. il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples susdécrits, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. - 16 - Revendications. 1.- Filtre homopolaire permettant de réduire considérablement l'amplitude des courants homopolaires sur les lignes de distribution électriques, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, un générateur homopolaire (7) placé en dérivation entre les phases et le neutre de la ligne, le neutre du générateur (7) étant connecté au neutre (3) de la ligne, ce générateur (7) étant formé par des bobinages zig-zag (9) sur un noyau (10) de transformateur à trois colonnes, les bobinages (9) sur chaque colonne étant imbriqués et d'autre part, une inductance ou self (8) formée par un noyau monophasé (11) sur lequel sont bobinées trois bobinages (12) correspondant aux trois phases de manière à ce que leur flux soient concordants. 2.- Filtre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le générateur homopolaire (7) présente vis-à-vis des systèmes de tensions indirectes et inverses une impédance de magnétisation élevée de telle sorte qu'il ne génère pas lui-même des harmoniques de courant de magnétisation, et qu'il présente vis-à-vis des systèmes de tensions homopolaires une impédance aussi faible que possible. 3.- Filtre selon l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inductance (8) est de préférence réalisée de telle sorte qu'elle présente vis-à-vis des systèmes de courants directs et inverses une impédance aussi faible que possible et vis-à-vis des systèmes de courants homopolaires une impédance - 17 - correspondant à une fraction de l'impédance unitaire de la charge que l'on souhaite filtrer. 4.- Filtre selon l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bobinages (12) de l'inductance (8) s'imbriquent. 5.- Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bobinages (12) de l'inductance (8) sont formée par un jeu de barres (A,B,C) qui traverse un noyau.