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L’Efficacité Énergétique commence par le

choix de transformateurs appropriés

Stéphane BrouilletteConcepteur et Spécialiste d’Applications non linéaires

Le Groupe Delta xfo1-800-663-3582

IntroductionIntroduction

Transformateur

Harmoniques

Simulation

Conclusion

Objectif de la présentation

Démontrer la réduction possible des coûts énergétiques reliés à une installation électrique

• Transformateur

• Harmoniques

• Simulation

• Conclusion

Introduction

TransformateurTransformateur

Harmoniques

Simulation

Conclusion

La théorie

Le transformateur : unité statique

• Nécessaire à la transformation des niveaux de tension

• Généralement pour abaisser la tension

• Tension et courant y sont inversement proportionnel

• Transformation :– Phénomène électromagnétique– Engendre des pertes causées par:

• la magnétisation dans le noyau• la charge dans les conducteurs

– Pertes supplémentaires• les parasites: courants de Foucault

Introduction


Harmoniques

Simulation

Conclusion

La construction

Triphasé

Acier Magnétique enduit d’isolant

Enroulement Secondaire

• Conducteur et isolant

Enroulement Primaire

Conducteur et isolant

Xo X1 X2 X3

H1 H2 H3

Construction d’un transformateur

Introduction


Harmoniques

Simulation

Conclusion

Enroulements et matériaux

Aluminium (Al)• Coût d’achat

moins élevé

Cuivre (Cu)• Conductivité plus élevée• Plus compact et efficace• Rendement: ROI

Type de conducteurs

KVA À En Pertesvide charge totales

Al 150 575 6556 7131 Diff. à 75% Diff. à 100 %

Cu 150 540 5000 5540 910.2W 27.15% 1591W 28.72%

0.910 kW * 0.07$ * 24 Heures * 365 jours = $558.13 / année

Introduction


Harmoniques

Simulation

Conclusion

Type de transformateurs

Cuivre Aluminium1. Application général X X2. Facteur K X3. Mitigation d’harmonique X4. Mitigation avec déphasage X

réglable

Disponible selon le nouveau standard d’EfficacitéÉnergétique : CSA C802.2-00

Introduction


Harmoniques

Simulation

Conclusion

L’Office de l’Efficacité Énergétiqueet le standard CSA C802.2-00

• Réglementation par : Ressources NaturellesCanada

• Selon Protocole de Kyoto• Basé sur la norme NEMA TP1• Efficacité minimale à respecter• Selon une consommation pré-établie

– 35 % (distribution)– 50 % (puissance)

• Orienté sur les pertes à vide• Réglementation frontalière• Version finale en cours d’écriture

Introduction


Harmoniques

Simulation

Conclusion

Tableau d’efficacité du standard CSA C802.2-00 actuel

98.9098.90208Y/120100098.8098.80208Y/12075098.7098.70208Y/12050098.5098.60208Y/12030098.4098.50208Y/12022598.2098.30208Y/12015098.1098.20208Y/120112.597.9098.00208Y/1207597.6097.70208Y/1204597.3097.50208Y/1203096.8097.00208Y/12015

BIL 20-150 kV efficacité, %, à 0.50 du kVA de l’unité

Classe 1.2 kV efficacité, % à 0.35 du kVA de l’unité

Tension minimum

PuissancekVA

PuissanceDistribution

Introduction


Harmoniques

Simulation

Conclusion

Office de l’Efficacité Energétique

Tiré du site : http://oee.nrcan.gc.ca

Introduction


Harmoniques

Simulation

Conclusion

Efficacité et niveau de charge

* Coûts annuel : $0.07 * kWh * 24 heures * 365 jours

936.971.53574.800.94316.100.52210.560.3475 C802 de 35%-100%

1724.322.811026.801.67528.580.86325.300.5375 C802 à 35%

2068.323.371287.112.10729.091.19501.430.8275 standard en cuivre

$kW$kW$kW$kW

100%75%50%35%Type de transformateur

Pertes et coûts selon niveau de charge

98.00%98.36%98.64%98.71%135017875 C802 de 35%-100%

96.39%97.11%97.75%98.02%260021275 C802 à 35%

95.70%96.40%96.93%96.98%291246175 standard en cuivre

WattsWatts

100%75%50%35%En

chargeÀ videType de transformateur

EfficacitéPertes

Introduction

Transformateur

HarmoniquesHarmoniques

Simulation

Conclusion

Réalité de l’évolution des charges:

Historique: linéaire

– Éclairage incandescent

– Moteur– Chauffage– Contrôle et

automatisation par relais

Réalité: non linéaire

– Éclairage: HID, Hallogène, Ballast électronique

– Moteur: variateur de vitesse

– Chauffage: thermostat électronique

– Contrôle et automatisation: automate programmable, ordinateur

– Équipements de bureau: ordinateur, photocopieur, équipement électronique de laboratoire

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Linéaire vs Non linéaire

Amps

S

Linéaire: Charge à impédance constante, indépendamment du niveau de tension appliquée

Non linéaire: Charge dont l’impédance varie selon le niveau de tension appliquée

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Composition de l’onde

Fréquence60 Hz180 Hz300 Hz

Fréquence60 Hz180 Hz300 Hz

Harmoniques1ère

3ième

5ième

Harmoniques1ère

3ième

5ième

Définition• Composantes d’une onde périodique dont les

fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Déformation = Distorsion

Les nouvelles technologies (électronique de puissance)

influencent grandement la qualité de l’onde

Déformation de l’onde de courant

Profil non linéaire

Résultat

Tension sans distorsion

Tension avec distorsion

Harmoniques de tension

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Problèmes engendrés

Phénomènes familiers

– Distorsion de la tension et du courant– Problèmes de régulation– Opérations inopinées des équipements– Bris d’équipements– Vieillissement prématuré des équipements– Bas facteur de puissance – Utilisation inefficace de l’énergie

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Spectre typique d’une charge monophasée

Amps

Time mS

Séries de Fourier f(t) = Ao + A1sin(wt + θ1) + A2sin(2wt + θ2) + A3sin(3wt + θ3) ...

Bloc d’alimentation d’ordinateur

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Spectre typique d’une charge triphasée

Distorted Waveform

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Fundamental 60 Hz

-1.5-1

-0.50

0.51

1.5

5th Harmonic - 300 Hz

-1.5-1

-0.50

0.51

1.5

7th Harmonic - 420 Hz

-1.5-1

-0.50

0.51

1.5

Frequency Spectrum

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13harmonic

% fu

ndam

enta

l

=

Variateur de vitesse triphasé

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Facteur de puissance et harmoniques

kVAR(Puissanceréactive)

kW (Puissance réel)

kVA (Puissance Apparente)

φ

φcos==kVA

kWpf

kVA kW kVAR= +2 2

kVAR(Puissanceréactive) kW (Puissance réel)

kVA (Puissance Apparente)

kVA kW kVAR kVARH= + +2 2 2

pf kWkVA

= ≠ cosφ

kVAH(Puissance

de distorsion)

φ

Avec charges linéaires

fP total = fP de déplacement + fP de distorsion

Avec charges non linéaires

Impact des charges harmoniques sur le facteur de puissance

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Features and Benefits Functional Upgradability - Metering "Soft Switches" provide non-hardware means for

incorporating Time of Use, Reactive Measurements, Power Factor, Q-hour, Apparent Power and numerous other enhancements for advanced meter measurement and monitoring

Automatic On-Site Monitoring - Site Genie automated service diagnostics, present in every meter, identifies wiring changes before billing problems occur

Power Quality Monitoring - Power Guard identifies load power quality problems before they become complaints

Standardization - Adopts Utility-driven communication standard (ANSI C12.18 and C12.19) providing a standard way to read and program meters

Rational Power Measurements - Measures IEEE defined "3D" vector quantitiesConsolidated forms with wide voltage range (120V to 480V) - Reduced Inventory

More Measurement choices - Ability to Select "2D" Phasor Power or "3D" Vector ApparentPower. Measure fundamental only or Fundamental plus harmonics

Revenue Guard option board - Improves metering reliability at critical multi-phase installations. Prevents shut down when a single phase voltage is lost. More Billed Energy!

Harmoniques et appareil de mesure

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Harmonique et facteur K

Rms :

13579

111315171921

Ih (%)

1.000.860.630.370.170.030.040.040.020.020.01

I pu

0.660.570.410.240.110.020.020.030.010.010.01

Ipu^2

0.430.320.170.060.010.000.000.000.000.000.00

h2

19

254981

121169225289361441

% of k-factor

25%36%25%8%0%1%1%1%1%0%

Somme2 : Facteur K :

K

0.42.94.22.91.00.10.10.20.10.10.011.7

I^2

1.000.740.390.140.030.000.000.000.000.000.002.311.52

Note:La troisième est responsable de 25% de l ’effet thermique harmonique

Les harmoniques 5 et 7 sont, quant à elles, responsables de plus de 50%

Ih= unité de courant rms d ’harmonique h, en rapport avec le courant total en rms

Temps

Am

ps

k-factor: 11.72

1

2max

hIKhh

hh •= ∑

=

=

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Bénéfice de l’atténuation

100.12I rms123.98I rms151.90I rms

021021121

019219219

017217217

015015415

413413413

311311311

0909179

07377377

05635635

0303863

100110011001

amp.Rangamp.Rangamp.Rang

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Atténuation des harmoniques

X0X3 X2 X1

H1 H3

H2

X1

X2

X3

X0

• Atténuation des courants d’harmonique de rang triple au secondaire par opposition de flux

• Enroulements multiples au secondaire• Atténuation sera parfaite si les charges sont

balancées

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Déphasage

300

5ième

Harmonique

5 x 30 =1500

7ième

Harmonique

7 x 30 = 2100

Xfo

B

Xfo

BXfo

A

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Déphasage

5ième

Harmonique

5 x 30 =1500

7ième

Harmonique

7 x 30 = 2100

Xfo

B

Xfo

A

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Déphasage150

11ième

Harmonique

11 x 15 =1650

13ième

Harmonique

13 x 15 = 1950

Xfo

B

Xfo

BXfo

A

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Déphasage

11ième

Harmonique

11 x 15 =1650

13ième

Harmonique

13 x 15 = 1950

Xfo

B

Xfo

A

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Série Mitigator:sortie simple

Atténuation des rangs 5, 7, 17, 19 sur l’alimentation

commune

0 °

-3O °

Atténuation des Homopolaires au secondaire à très basse impédance

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Série Mitigator:sortie double

Atténuation des homopolaires ainsi que des 5, 7, 17 et 19ième harmoniques à très basse impédance, au secondaire

Amélioration du facteur de puissance

Élimination des 11, 13, 23 et 25ième harmoniques sur l’alimentation commune lorsque l’on combine 0°/-30° et -15°/-45°

0 / -30

-15 / -45

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Déphasage réglable au site

Déplacement angulaire-15° / 0° / +15 °

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Déphasage réglable au site




Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Avantage de l’atténuation

* Coûts annuel : $0.07 * kWh * 24 heures * 365 jours

1194.511.95734.961.20406.700.66272.780.4475 double C802

1330.642.17807.511.32433.840.71281.380.4675 simple C802

1680.782.741003.391.64519.530.85322.120.5375 C802

$kW$kW$kW$kWIsolation facteur k13

100%75%50%35%Type de transformateur

Pertes et coûts selon niveau de charge

97.47%97.91%98.26%98.33%171323575 double C802

97.19%97.71%98.15%98.28%195022075 simple C802

96.47%97.17%97.79%98.04%252521675 C802

WattsWattsIsolation facteur k13

100%75%50%35%En

chargeÀ videType de transformateur

EfficacitéPertes

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Bénéfice de l’atténuation

100.12I rms123.98I rms151.90I rms

021021121

019219219

017217217

015015415

413413413

311311311

0909179

07377377

05635635

0303863

100110011001

amp.Rangamp.Rangamp.Rang

Introduction

Transformateur


Simulation

Conclusion

Avantage de l’atténuation

Amélioration globale

– Distorsion de la tension et du courant– De la régulation– Opérations inopinées des équipements $$– Bris d’équipements $$– Vieillissement prématuré des équipements $$– Meilleur facteur de puissance $$ – Utilisation efficace de l’énergie $$

Introduction

Transformateur

Harmoniques

SimulationSimulation

Conclusion

Types et profil de charge

• Charge informatique avec profil d’harmonique équivalent à K=13

• Charge auxiliaire avec profil d’harmonique équivalent de K=4 à K=13

• Charge d’éclairage de type HID avec profil d’harmonique équivalent à K=4

• Climatisation et chauffage sans variateur de vitesse K=1 avec variateur de vitesse K=9

Introduction

Transformateur

Harmoniques


Conclusion

Connaître la répartition des groupes de charge

• Climatisation et chauffage 35%• Charge informatique 25 %• Éclairage HID 20%• Charges auxiliaires 20%

Introduction

Transformateur

Harmoniques


Conclusion

Connaître le niveau de charge journalier

• Durée et niveau de la charge maximale

• Durée et niveau de la charge minimale

Introduction

Transformateur

Harmoniques


Conclusion

Réseau typique

Introduction

Transformateur

Harmoniques

Simulation

ConclusionConclusion

Efficacité et Mitigation

Réduction globale des coût reliés à votre installation électrique

– Distorsion de la tension et du courant– De la régulation– Opérations inopinées des équipements $$– Bris d’équipements $$– Vieillissement prématuré des équipements $$– Meilleur facteur de puissance $$ – Utilisation efficace de l’énergie $$

Merci!

Questions ?Questions ?

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