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Distorsion harmonique dans Lecteurs

À fréquence variable dur- (VFD-) harmoniques générés est largement perçus, plutôt que réel, question. En 27 années d'application des EFV en CVC et d'autres applications, cet auteur a connu seulement une poignée de réels problèmes d'harmoniques, avec tous, mais l'un émanant des niveaux élevés de distorsion de la tension, pas la distorsion de courant qui a été faire beaucoup d'attention ces derniers temps.

La plupart des problèmes VFD-interférence cet auteur a rencontrés ont été le résultat d'une mauvaise installation - en particulier, pauvres câblage et mise à la terre. Dans la majorité des cas,, interférences des fréquences radioélectriques (RFI) ou les interférences électromagnétiques (EMI), non harmoniques, était le coupable. Questions RFI / EMI proviennent de bruit dans la plage de 50 kHz à faible mégahertz, pas le 300 Hz cinquième ou 420 Hz septième gamme harmonique.

HISTOIRE

En 1981, Norme ANSI / IEEE 519, Guide IEEE pour le contrôle harmonique et réactive Rémunération des convertisseurs de puissance statique, a été publiée. Il comprenait total maximum harmonique tension-déformation (THDEn) recommandations.

Dans l'extrême, distorsion de la tension peut provoquer plat-garniture de réseau d'alimentation tension des formes d'onde (Figure 1), qui peut causer des processeurs électroniques sensibles de devenir confus et dysfonctionnement.

En 1992, Norme ANSI / IEEE 519 a été révisé. Rebaptisé Pratiques et les exigences pour le contrôle harmonique IEEE recommandés en systèmes électriques de puissance, il se concentre désormais davantage sur le taux de distorsion harmonique de courant (THD1) de distorsion de la tension.

THD1 peut se propager à travers les transformateurs utilitaire de step-down/step-up et faire son chemin d'un établissement à l'autre. Par exemple, il ya plusieurs années, un fabricant de VFD créait de grandes quantités de distorsion du courant lors de son opération de test burn-in. La distorsion du courant parcouru les transformateurs d'électricité à l'usine du fabricant de VFD à l'alimentation de service dans une usine d'impression voisin, corrompre les circuits logiques dans les contrôles et à courant continu (DC) lecteurs fonctionnant imprimerie de l'imprimerie et provoquant l'enregistrement imprimerie dysfonctionnement.

THD1 résultats dans la chaleur supplémentaire dans les transformateurs de distribution habituellement fournis par les services publics, ainsi que les câbles d'alimentation-alimentation de l'équipement dont il est issu. Fondamentalement, THD1 est courant qu'un utilitaire doit générer et la source à une installation, mais qui apporte aucun revenu à l'utilitaire. Bien qu'il soit un vrai problème pour les services publics, THDI est en grande partie un problème perçu du point de vue d'un directeur d'établissement.

Norme ANSI / IEEE 519-1992 traite de la nature du système de question THD1 par l'introduction d'une distorsion de la demande totale (ATS), qui peut être calculé comme suit:

où:

Jeil = Courant harmonique totale mesurée par le système

Jehc = Courant harmonique totale contribué par EFV

JeL = Courant maximum la demande de charge (composante de fréquence fondamentale) (15- ou de la demande de 30 min) au point de couplage commun d'utilité (PCC) tel que mesuré dans le système

JeC = Composante de fréquence fondamentale apportée par EFV (inclus seulement si EFV sont un complément aux charges existantes)

(Toutes les quantités sont en ampères moyenne quadratique.)

Norme ANSI / IEEE 519-1992 Etats, «Dans une installation industrielle, le PCC est le point de rencontre entre la charge non linéaire et d'autres charges. "Beaucoup d'ingénieurs-conseils ont interprété cela signifie que THD1 doit être mesurée au niveau des connexions entrée-puissance VFD (PCC2, au lieu de PCC1, la figure 2). Cette mauvaise application de la norme ANSI / IEEE 519-1992 a contribué à la surexploitation des lecteurs MULTIPULSE dans l'industrie du CVC. Plusieurs millions de dollars centre-équipement ont été gaspillées par la spécification et l'installation de 12- et les lecteurs à 18 impulsions dans les bâtiments de bureaux et autres environnements dans lesquels un lecteur de six impulsion standard auraient fait le même travail pour un coût sensiblement moins d'avance.

Aussi regrettable est le fait norme ANSI / IEEE 519-1992 dispose de cinq niveaux différents de maximum acceptable TDD, qui dépend du rapport de courant maximum de court-circuit (JeSC) à maximum que jeL à un PCC. ISC-de I-L ratios du tableau 1 sont des fonctions de la force de l'alimentation d'un service public vers une installation et de la taille du transformateur de sous-station.

SITUATION ACTUELLE

De nombreuses spécifications indiquent simplement, «EFV doivent satisfaire norme ANSI / IEEE 519." Une telle déclaration n'a pas de sens sans les informations nécessaires pour effectuer des calculs harmoniques:

  • Transformer kilovoltampères et impédance pour cent.
  • Linéaire total ampérage de la charge connectée ou total prévu linéaire relié ampérage.
  • Le nombre et la taille des EFV.
  • Utilitaire jeSC disponible.

Les calculs sont encore plus précis lorsque les fabricants ont des informations supplémentaires, tels que le courant installation totale, contenu harmonique existant, et les tailles de fils et de longueurs.

Certains ingénieurs ont eu à rédiger des spécifications matérielles basées sur les exigences de taille de chevaux. Par exemple: "Tous les variateurs de vitesse 100 CV et vous sera conceptions à 18 impulsions. "A 100 CV, un disque à 18 impulsions peut facilement coûter quatre fois plus que d'un lecteur de six impulsion sans amélioration des économies d'énergie.

Cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas de demandes pour lesquelles une 12- ou en voiture à 18 impulsions est approprié. Prendre, par exemple, une station de pompage en parpaing dans un quartier résidentiel. Cet auteur a observé une dans laquelle il y avait trois VFD 300 ch, plafonnier fluorescent, et un contrôleur logique programmable murale (PLC). La station de pompage est alimenté par un transformateur 480-v dédié. Pratiquement la totalité de la charge sur le transformateur était non-linéaire. La charge non-linéaire VFD représentait environ 1,100 Ampère. Les charges PLC et de lumière fluorescente ont totalisé quelques ampères. C'est une application idéale pour 18 impulsions ou une autre technologie VFD ultra-harmonique.

Dans un immeuble de bureaux, si EFV sont installés sur chaque ventilateur et de la pompe, ils utilisent généralement moins de 20 pour cent de la charge électrique de la demande. Dans presque tous ces cas,, standards lecteurs six impulsions sont un bon choix.

Contrairement à la croyance populaire, Norme ANSI / IEEE 519 n'est pas une loi ou d'un règlement du gouvernement / utilitaire; il est une «pratique recommandée». Elle affirme que le strict respect de ses limites harmoniques recommandées "ne sera pas toujours éviter des problèmes." Le contraire est également vrai: Une installation peut avoir des harmoniques au-delà des limites maximales recommandées de la norme et pas éprouver des difficultés.

TECHNOLOGIES

La méthode la plus simple et la moins coûteuse d'atténuer les harmoniques VFD généré ajoute impédance à un VFD. Ceci peut être réalisé avec un réacteur de ligne d'entrée (Figure 3) ou un réacteur de liaison à courant continu (bus starter) (Figure 4). Dans un système à 1 pour cent-source-impédance, un réacteur de la ligne 3 pour cent peut réduire la teneur en harmoniques de courant à l'entrée d'un VFD à environ 40 pour cent à la production à pleine charge.

La prochaine plus commun type de technologie harmonique d'atténuation est le VFD à 12 impulsions (Figure 5). A 12 impulsions VFD réduit contenu harmonique de courant à environ 10 pour cent.

Aussi commun sont à large bande et des filtres passifs (Figure 6). Ces filtres hybrides réduisent le contenu harmonique de courant à environ 7 pour cent.

La technologie de la prochaine plus efficace est le lecteur à 18 impulsions (Figure 7), qui présente généralement environ 5 pour cent de distorsion du courant aux entrées VFD. Par rapport à un VFD sans impédance, réduction harmonique totale est dans la plage de 93 pour cent.

Relativement nouvelles technologies sont le filtre actif d'harmoniques (Figure 8) et l'écran VFD actif frontal (Figure 9). Un filtre actif unique peut filtrer les harmoniques de plusieurs variateurs de fréquence ou une installation complète. En attendant, le contenu de THDI d'un VFD avec un Active Front End - mesurée à l'entrée de VFD - est généralement inférieure à 4 pour cent, tandis que la réduction totale-harmoniques de courant contenu est 95 pour cent.

Table 2 énumère la distorsion actuelle devrait, pour cent de réduction de courant distorsion, et le coût relatif des diverses technologies de réduction des harmoniques. Les estimations sont basées sur un système de 1 pour cent de source impédance et une source de tension parfaitement équilibrée.

Tous matérielle, méthodes de réduction des harmoniques de «force brute» sont négativement affectées par la mise sous tension du système d'entrée tension déséquilibres. La plupart des fabricants ont VFD programmes informatiques qui peuvent être utilisés pour estimer la distorsion harmonique de VFD.

Plus la charge de base sur un transformateur de sous-station, la moindre distorsion de courant à une PCC. Étant donné que la distorsion harmonique de courant provoque un échauffement du transformateur supplémentaire, services publics souvent surdimensionnés transformateurs de postes par rapport à la charge prévue d'un établissement. En conséquence, ayant la charge du transformateur maximale correcte (estimé ou mesuré) est vital. Autrement, maximale transformateur jeL doit être assumée.

L'Dirty Little Secret

La plupart des programmes d'analyse harmonique supposent puissance disponible est une tension équilibrée - par exemple, 480 v chacun sur la phase A, Phase B, et la phase C. Dans le monde réel, cependant, peu importe comment bien conçu un système de distribution du bâtiment est, équilibre parfait est impossible à obtenir. Le mieux qu'on puisse espérer un léger déséquilibre, comme 478:480:482 dans. La plupart des utilitaires permettent déséquilibres puissance-tension jusqu'à 3 pour cent.

Il ya plusieurs années, dans une grande université dans le Midwest, Les ACV prévues dans un projet de rénovation d'économie d'énergie ont été blâmés pour les bâtiments dépassant les niveaux de distorsion recommandées dans la norme ANSI / IEEE 519. Analyse harmonique montre le contenu du troisième harmonique importante. Dans un monde parfait, EFV ne créent pas de troisième harmonique, comme tiers et d'autres harmoniques Triplen annuler en raison de la nature en trois phases de VFD. Si, cependant, la relation de tension entre les phases A, B, et C est déséquilibrée, annulation ne peut se produire complètement, et EFV peuvent créer des harmoniques Triplen. Dans ce cas,, Phase A était d'environ 450 dans, tandis que les phases B et C étaient près de 480 dans. Il a été demandé à l'université de déplacer des charges pour obtenir la tension d'entrée à un état plus équilibré. Une fois que cela a été fait, Les ACV arrêté causant des niveaux élevés de distorsion harmonique.

Au milieu des années 1990, le Centre d'applications d'électronique de puissance, une filiale de l'Electric Power Research Institute, testé les lecteurs de 17 manufacturers.1 Une tension déséquilibre de 0,2 pour cent à des pattes d'entrée d'un VFD sans inductance de ligne d'entrée ou DC-bus starter a été trouvé pour causer à un déséquilibre de courant de 17 pour cent.

Avec un système d'entrée-puissance déséquilibrée, toutes les technologies d'atténuation des harmoniques basées sur le matériel sont soumis à des effets harmoniques d'annulation néfastes. Par exemple, un transformateur déphaseur 12 impulsions comporte trois conducteurs d'entrée et de six fils de sortie et les deux composants: un delta / enroulement delta ensemble et un ensemble d'enroulement en delta-étoile (Figure 10). Cette configuration provoque une 30 degrés électriques à décalage de phase de la puissance d'être introduit dans l'un des deux ponts de diodes du variateur, provoquant, dans un monde parfait, harmoniques cinquième et septième à être annulées. Si la puissance d'entrée est déséquilibrée, cependant, annulation ne se produira pas complètement.

Certains fabricants fournissent VFD disques 18 impulsions avec un réacteur de 5 pour cent de l'impédance supplémentaire en face de l'autotransformateur. Cela permet d'équilibrer la consommation de courant en trois ensembles d'enroulements transformateur de l'automobile et contribue à minimiser les effets de tension déséquilibrée et source alimente.

SO CE N'EST PAS UN MONDE PARFAIT - QU'EST-CE QUE L'ENTREPRISE?

Le moyen le plus efficace d'obtenir des harmoniques ultra-basse sur les entrées VFD est un filtre actif ou un Active Front End. Un filtre actif fonctionne comme un casque actif de réduction de bruit. Si, par exemple, il détecte une cinquième harmonique de 30 ampères dans la phase A d'un bloc d'alimentation, il injecte de 30 ampères cinquième harmonique 180 degrés hors de phase avec l'harmonique VFD-créé, créant un effet d'annulation. Cette technologie est moins sensible aux déséquilibres entrant tension car il mesure et injecte le contenu harmonique de correction automatique.

Quelques fabricants font technologies VFD ultra-harmoniques. Un VFD ultra-harmonique a six transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), plutôt que des composants passifs à pont de diodes, dans sa section du convertisseur (Figure 11). Ces IGBT contrôlent le courant harmonique tirée par un VFD. En l'absence de courant harmonique dessinée, aucune annulation est requise. Technologie ultra-harmonique réduit typiquement entrée courants harmoniques de 4 pour cent ou moins à une entrée de VFD (Table 2).

Dans un essai, une tension déséquilibre 3 pour cent sur l'entrée d'un transformateur 18 impulsions / entraînement a provoqué une augmentation de 1,5 pour cent-par unité de distorsion de courant. Ainsi, si l'ordinateur harmonique analyse estimation avait été 4 pour cent, THDI réelle aurait été 5.5 pour cent.

Avec un système ultra-harmonique ou actif-filtre, une tension déséquilibre 3 pour cent de la distorsion augmente de courant harmonique de moins de 0.5 pour cent par unité.

CONCLUSION

Une analyse harmonique doit être effectuée avant une conception est finalisée. L'analyse devrait être effectuée au PCC pour déterminer la distorsion actuelle au service de l'utilité entrée principale d'un bâtiment. Spécifications basées sur le matériel dictent que les lecteurs sur une certaine puissance doit être une certaine technologie ne doivent pas être utilisés.

RÉFÉRENCE

1) Mansoor, A., Phipps, K., & Fer, R. (1996). la recherche de la compatibilité du système: Cinq chevaux PWM des variateurs de vitesse. Knoxville, TN: Applications Power Electronics Center.

Pour passé ACVL génie articles de fond, visite www.hpac.com.

Le gestionnaire d'applications de CVC pour ABB Inc. Puissance & Contrôle des ventes, Michael R. Olson a une vaste expérience dans le CVC, eau / eaux usées traitement, et les industries chimiques. Il a écrit de nombreux articles des revues professionnelles discuter de l'application de variateurs de vitesse et a été collaborateur à la rédaction de plusieurs livres sur le sujet. Il a un baccalauréat en génie électrique de l'Université de l'Illinois et d'un diplôme de maîtrise en gestion de l'ingénierie de l'École du génie de Milwaukee. Il est membre de l'American Society of Heating, Réfrigération et climatisation Ingénieurs et BACnet international. Il peut être contacté à mike.olson @ us.abb.com.

Problèmes d'alimentation de qualité et de nouvelles solutions (Papier ICREPQ)

Auteur: Une. Almeida, L. Moreira. J. Mince

ISR - Département de génie électrique et de génie informatique Université de Coimbra, Polo II 3030-290 Coimbra (Portugal) téléphone: +351 239 796 218, fax: +351 239 406 672 email: adealmeida@isr.uc.pt, licinio@isr.uc.pt, Jdelgado@elect.estv.ipv.pt.

Résumé: Dans cet article,, la puissance principale qualité (PQ) problèmes sont présentés avec leurs causes et les conséquences associés. Les impacts économiques associés à PQ sont caractérisés. Enfin, des solutions pour atténuer les problèmes PQ sont présentés.

Mots-clés

Power Quality, Les problèmes en qualité de l'onde, Coûts Power Quality, Des solutions de qualité de puissance.

1. Introduction

Power Quality (PQ) questions connexes sont les plus préoccupants aujourd'hui. L'utilisation généralisée des équipements électroniques, tels que les équipements de technologie de l'information, électronique de puissance tels que les variateurs de vitesse réglable (ASD), contrôleurs logiques programmables (PLC), éclairage éconergétique, conduit à un changement complet de charges électriques nature. Ces charges sont à la fois les grands causers et les principales victimes de problèmes de qualité de l'énergie. En raison de leur non-linéarité, toutes ces charges provoquent des perturbations dans la forme d'onde de tension.

Avec la technologie avance, l'organisation de l'économie mondiale a évolué vers la mondialisation et les marges de nombreuses activités à but lucratif ont tendance à diminuer. La sensibilité accrue de la grande majorité des procédés (industriel, services et même résidentiel) PQ problèmes tourne la disponibilité de l'énergie électrique avec une qualité un facteur crucial pour la compétitivité dans tous les secteurs d'activité. Les zones les plus critiques sont l'industrie de process continu et les services de technologie de l'information. En cas de dysfonctionnement, d'énormes pertes financières peuvent se, avec la perte de productivité et de compétitivité.

Bien que de nombreux efforts ont été prises par les services publics, certains consommateurs exigent un niveau de PQ plus élevé que celui offert par les réseaux électriques modernes. Cela implique que certaines mesures doivent être prises afin d'atteindre des niveaux plus élevés de qualité de l'énergie.

2. Types de problèmes de qualité d'énergie

Les types les plus communs de problèmes de qualité d'alimentation sont présentés dans le tableau I.

3. Caractérisation Power Quality

Même les systèmes de transmission et de distribution les plus avancées ne sont pas en mesure de fournir de l'énergie électrique avec le niveau de fiabilité souhaité pour le bon fonctionnement des charges de la société moderne. Modern T&D (la transmission et la distribution) systèmes sont prévus pour 99,9 à 99,99% disponibilité. Cette valeur est très dépendante de niveau du réseau de redondance, qui est différent en fonction de la localisation géographique et le niveau de tension (est supérieure à la disponibilité du réseau de HV). Dans certains sites distants, disponibilité de T&systèmes de D peuvent être aussi faible que 99%. Même avec un 99,99% niveau, il ya un temps d'interruption équivalent de 52 minutes par an.

Les processus les plus exigeants dans l'économie numérique moderne a besoin d'énergie électrique avec 99.9999999% disponibilité (9-nines fiabilité) pour fonctionner correctement.

Entre 1992 et 1997, EPRI a réalisé une étude aux États-Unis pour caractériser la durée moyenne des perturbations. Le résultat pour un site typique, au cours de la période de 6 ans est présenté ci-dessous.

Power Quality Problems and New Solutions_img_0Figue. 1 - Distribution typique des perturbations PQ par sa durée pour une installation typique 6 ans (1992-97) aux États-Unis [2].

Problèmes d'alimentation les plus communs de qualité - Tableau I [ 1], [4]

1. Chute de tension (ou immersion) Description: Une diminution du niveau de tension normal entre 10 et 90% rms de la tension nominale à la fréquence du réseau, pour des durées de 0,5 le cycle d' 1 minute.Causes: Défauts sur le réseau de transport ou de distribution (la plupart du temps sur les dispositifs d'alimentation en parallèle). Défauts dans l'installation du consommateur. Raccordement de charges lourdes et le démarrage de gros moteurs.Conséquences: Dysfonctionnement de l'équipement de technologie de l'information, les systèmes de contrôle à savoir à base de microprocesseurs (PC, Automates, TSA, etc) qui peut conduire à un arrêt de processus. Déclenchement de contacteurs et des relais électromécaniques. Déconnexion et une perte d'efficacité dans les machines électriques tournantes.

2. Interruptions très courtes

 

Description: Interruption totale de l'alimentation électrique pour une durée de quelques millisecondes à une ou deux secondes.Causes: Principalement en raison de l'ouverture et la refermeture automatique des dispositifs de protection de déclasser une partie défectueuse du réseau. Les principales causes de défaut sont un défaut d'isolation, foudre et isolant embrasement.Conséquences: Déclenchement des dispositifs de protection, perte d'information et un dysfonctionnement de l'équipement de traitement de données. Arrêt des équipements sensibles, tels que les TSA, PC, Automates, s'ils ne sont pas préparés à faire face à cette situation.
3. Interruptions longues Description: Interruption totale de l'alimentation électrique pour une durée supérieure à 1 à 2 secondeCauses: Les pannes d'équipement dans le réseau du système d'alimentation, les tempêtes et les objets (arbres, voitures, etc) lignes ou des poteaux en grève, feu, l'erreur humaine, mauvaise coordination ou l'échec des dispositifs de protection.Conséquences: Arrêt de tous les équipements.

4. Pointe de tension

 

Description: Variation très rapide de la valeur de tension pour des durées allant de un plusieurs microsecondes à quelques millisecondes. Ces variations peuvent atteindre des milliers de volts, même en basse tension.Causes: Foudre, commutation de lignes ou de facteur de puissance des condensateurs de correction, déconnexion de charges lourdes.Conséquences: La destruction des composants (composants électroniques particulièrement) et des matériaux d'isolation, les erreurs de traitement de données ou la perte de données, interférences électromagnétiques.

5. houle de tension

 

Description: Augmentation momentanée de la tension, à la fréquence d'alimentation, en dehors des tolérances normales, avec une durée de plus d'un cycle et typiquement inférieure à quelques secondes,.Causes: Start / stop de charges lourdes, des sources d'alimentation mal dimensionnés, transformateurs mal réglementés (principalement pendant les heures creuses).Conséquences: La perte de données, scintillement de la lumière et des écrans, arrêt ou détérioration de matériel sensible, si les valeurs de tension sont trop élevés.

6. Distorsion harmonique

 

Description: Tension ou de courant des signaux supposent forme non sinusoïdale. La forme d'onde correspond à la somme des différentes ondes sinusoïdales avec une amplitude et une phase différente, ayant des fréquences qui sont des multiples de la fréquence des réseaux électriques.Causes: Sources classiques: machines électriques de travail au-dessus du genou de la courbe de magnétisation (saturation magnétique), fours à arc, machines de soudage, redresseurs, et moteurs à courant continu de pinceau. Sources modernes: toutes les charges non-linéaires, tels que les équipements d'électronique de puissance comprenant TSA, commutation alimentations de mode, équipement de traitement de données, éclairage à haute efficacité.Conséquences: Probabilité accrue de survenance de résonance, surcharge neutre dans les systèmes à 3 phases, surchauffe de tous les câbles et le matériel, perte d'efficacité dans les machines électriques, l'interférence électromagnétique avec les systèmes de communication, erreurs dans les mesures lors de l'utilisation moyenne mètres de lecture, déclenchements intempestifs des protections thermiques.

7. Les fluctuations de tension

 

Description: Oscillation de la valeur de tension, modulée en amplitude par un signal avec une fréquence de 0 à 30 Hz.Causes: fours à arc, début fréquent / arrêt des moteurs électriques (pour les ascenseurs de l'instance), charges oscillantes.Conséquences: La plupart des conséquences sont communs à sous-tensions. La conséquence la plus perceptible est le scintillement de la lumière et des écrans, donnant l'impression d'instabilité de la perception visuelle.

8. Bruit

 

Description: La superposition des signaux à haute fréquence sur la forme d'onde de la fréquence de l'alimentation système.Causes: Interférences électromagnétiques provoquées par les ondes hertziennes telles que les micro-ondes, diffusion de télévision, et le rayonnement provenant des machines de soudage, fours à arc, équipements électriques et électroniques. Mise à la terre incorrecte peut aussi être une cause.Conséquences: Perturbations sur les équipements électroniques sensibles, habituellement non destructive. Peut causer une perte de données et les erreurs de traitement de données.

9. Déséquilibre de tension

 

Description: Une variation de la tension dans un réseau triphasé, dans lequel les trois amplitudes de tension ou les différences d'angle de phase entre eux ne sont pas égaux.Causes: Les grandes charges monophasées (Les fours à induction, des charges de traction), mauvaise répartition de toutes les charges monophasées par les trois phases du système (ce peut être aussi dû à un défaut).Conséquences: Systèmes asymétriques impliquent l'existence d'une séquence négative qui est nocif pour les trois charges de phase. Les charges les plus touchées sont les machines à induction triphasés.

Comme on peut le voir sur la figure. 1., la grande majorité des perturbations enregistrées (sur 87%) duré moins de 1 secondes seulement et 12 avoir une durée supérieure à 1 minute. Il est clair que tous ces perturbations provoquent l'équipement défectueux, mais de nombreux types d'équipements sensibles peuvent être affectées.

Une autre étude de l'EPRI a été entrepris, entre 1993 et 1999, afin de caractériser le PQ sur la basse tension (LV) les réseaux de distribution. Cette étude a conclu que 92% des perturbations dans PQ étaient creux de tension avec amplitude chute à 50% et la durée ci-dessous 2 seconde. Figue. 2 montre la répartition typique des creux sous 0.5 secondes et les micro-coupures.

Power Quality Problems and New Solutions_img_1Figue. 2 - Distribution de l'affaissement et de micro-interruption des réseaux de BT aux États-Unis [3].

La situation dans les pays développés de l'Europe est très similaire à celui observé aux États-Unis. Figue. 3 montre la caractérisation de PQ dans une zone industrielle du centre du Portugal par la surveillance de l'alimentation dans la période Février 2002-Janvier 2003.

Power Quality Problems and New Solutions_img_2Figue. 3 - Caractérisation des perturbations de l'offre d'énergie électrique dans une installation industrielle au Portugal.

4. Coûts des problèmes de qualité d'alimentation

Les coûts des problèmes PQ sont fortement tributaires de plusieurs facteurs, principalement le quartier d'affaires de l'activité. D'autres facteurs, comme la sensibilité de l'équipement utilisé
dans les installations et les conditions du marché, entre autres,, influencent également les coûts des problèmes PQ.

Une. Les coûts d'alimentation de qualité de l'évaluation

Les coûts liés à une perturbation PQ peuvent être divisés en:

  1. Les coûts directs. Les coûts qui peuvent être directement attribuables à la perturbation. Ces coûts comprennent les dommages à l'équipement, perte de production, perte de la matière première, les coûts salariaux pendant la période non productive et les coûts de redémarrage. Parfois, au cours de la période non productive des économies sont réalisées, tels que les économies d'énergie, qui doit être soustraite aux coûts. Quelques perturbations n'impliquent pas l'arrêt de la production, mais peut avoir d'autres coûts associés, tels que la réduction de l'efficacité et de la réduction de l'équipement vie équipements.
  2. Les coûts indirects. Ces coûts sont très difficiles à évaluer. En raison de certains troubles et des périodes non productives, une entreprise peut ne pas être en mesure d'accomplir les délais de certaines livraisons et les commandes futures en vrac. Investissements pour prévenir les problèmes de qualité de l'énergie peuvent être considérées comme un coût indirect.
  3. Inconvénient moral. Certains inconvénients en raison de la puissance des perturbations ne peuvent pas être exprimés en argent, comme de ne pas écouter la radio ou regarder la télévision. La seule façon de rendre compte de ces inconvénients est d'établir une somme d'argent que le consommateur est prêt à payer pour éviter cet inconvénient [4], [5].
B. Les estimations sur les coûts d'énergie de qualité

Plusieurs études ont été réalisées pour évaluer les coûts des problèmes PQ pour les consommateurs. L'évaluation de la valeur exacte est presque impossible; si toutes ces études sont basées sur des estimations. Certaines de ces études sont présentés ci-dessous.

  1. Business Week (1991). Les coûts ont été estimés sur PQ 26,000 en millions de dollars par an aux États-Unis.
  2. EPRI (1994). Cette étude a fait 400,000 millions USD par an pour les frais de PQ aux États-Unis.
  3. US Department of Energy (1995). Les coûts ont été estimés sur PQ 150,000 millions USD par an pour les Etats-Unis.
  4. Fortune Magazine (1998). Ont déclaré que les coûts PQ étaient autour de 10,000 en millions de dollars par an des États-Unis.
  5. E Source (2001). Une étude comprenant les industries des procédés continus, les services financiers et la transformation des aliments aux États-Unis, estimé les coûts annuels moyens de problèmes PQ sur 60,000 à 80,000 USD par installation.
  6. Coûts PQ dans l'UE (2001). Coûts globaux PQ dans l'industrie et le commerce, dans l'Union européenne, sont estimés en 10,000 millions d'euros par an [6].

Les estimations des différentes études diffèrent beaucoup, mais tous les points d'un facteur commun: les coûts sont énormes PQ.

C. Coûts de Momentary interruptions

Une interruption est le problème de PQ avec l'impact le plus perceptible sur les installations. Le tableau II résume les coûts typiques d'interruptions momentanées (1 minute) pour différents types de consommateurs. The costs presented are without major investments in technologies to achieve ride-through capabilities to cope with the interruption. Ces valeurs sont basées sur les services publiés et Electrotek Concepts expériences avec les études individuelles [5].

Tableau II - Les coûts habituels du interruptions momentanées (1 minute, de la demande $ / kW, pour différents types d'installations industrielles et de services.

Coût d'une interruption momentanée ($/demande kW)
Maximum Minimum
Industriel
Construction automobile 5.0 7.5
Caoutchouc et des plastiques 3.0 4.5
Textile 2.0 4.0
Papier 1.5 2.5
Impression (journaux) 1.0 2.0
Pétrochimique 3.0 5.0
Fabrication de produits métalliques 2.0 4.0
Verre 4.0 6.0
Exploitation minière 2.0 4.0
La transformation des aliments 3.0 5.0
Pharmaceutique 5.0 50.0
Électronique 8.0 12.0
Fabrication de semiconducteurs 20.0 60.0
Services
Communication, traitement d'informations 1.0 10.0
Hôpitaux, banques, services civils 2.0 3.0
Restaurants, barres, hôtels 0.5 1.0
Magasins commerciaux 0.1 0.5

Comme on peut le voir, le secteur industriel est le plus touché par les interruptions, en particulier l'industrie de processus continu. Dans le secteur des services, communication et traitement de l'information est la zone la plus touchée de l'entreprise.

Les coûts d'interruptions sont également fonction de sa durée. Figue. 4 dépeint les coûts d'interruption contre sa durée.

Power Quality Problems and New Solutions_img_3Figue. 4 - Les coûts des interruptions que la fonction de sa durée [5].

5. Solutions pour problèmes PQ

L'atténuation des problèmes PQ peut avoir lieu à différents niveaux: transmission, la distribution et l'équipement d'utilisation finale. Comme on le voit sur la figure. 5, plusieurs mesures peuvent être prises à ces niveaux.

Power Quality Problems and New Solutions_img_4Figue. 5 - Solutions pour la puissance numérique [7]

6. Grille adéquation

De nombreux problèmes ont PQ origine dans le réseau de transport ou de distribution. Ainsi, un réseau de transport et de distribution appropriée, la planification et l'entretien adéquat, est essentielle pour minimiser l'apparition de problèmes PQ.

7. Ressources distribuées - Systèmes de stockage d'énergie

Intérêt dans l'utilisation des ressources énergétiques distribuées (L') a considérablement augmenté au cours des dernières années en raison de leur potentiel pour fournir une fiabilité accrue. Ces ressources comprennent les systèmes de production distribuée et de stockage de l'énergie.

Les systèmes de stockage d'énergie, aussi connu comme la restauration de technologies, sont utilisés pour fournir les charges électriques avec une capacité de ride-through dans un environnement pauvre PQ.

Power Quality Problems and New Solutions_img_5Figue. 6 - Principe de technologies Restauration [1].

Les récentes avancées technologiques dans l'électronique de puissance et les technologies de stockage se tournent la restauration technologies l'une des solutions haut de gamme pour atténuer les problèmes PQ.

Power Quality Problems and New Solutions_img_6Figue. 7 - Principe de travail d'un système de stockage d'énergie.

La première technologie de stockage d'énergie utilisé dans le domaine de la PQ, encore le plus utilisé aujourd'hui, Batterie électrochimique est. Bien que les nouvelles technologies, tels que des volants, supercondensateurs et de stockage d'énergie magnétique supraconducteur (PME) présenter de nombreux avantages, piles électrochimiques règle encore en raison de leur faible prix et de technologie mature.

Une. Volants

Un volant d'inertie est un dispositif électromécanique qui couple une machine électrique tournante (Moteur / générateur) avec une masse en rotation pour stocker l'énergie pour de courtes durées. Le moteur / générateur est alimenté par la grille prévue pour maintenir le rotor de filage à volant d'inertie. Au cours d'une perturbation de puissance, l'énergie cinétique stockée dans le rotor est transformée en énergie électrique à courant continu par le générateur, et l'énergie est délivrée à une fréquence et une tension constante par un système de commande de l'onduleur et. Figue. 8 décrit le schéma d'un volant, où les principaux avantages de ce système sont expliquées.

Power Quality Problems and New Solutions_img_7Figue. 8 - Volant [http://www.beaconpower.com]

Rotors classiques de volant d'inertie sont habituellement construits en acier et sont limités à une vitesse de quelques milliers de tours par minute de spin (RPM). Volants avancée construits à partir de matériaux en fibre de carbone et les paliers magnétiques peuvent tourner dans le vide à des vitesses allant jusqu'à 40,000 à 60,000 RPM. L'énergie emmagasinée est proportionnelle au moment d'inertie et au carré de la vitesse de rotation. Volants à grande vitesse peuvent stocker beaucoup plus d'énergie que les volants classiques.

Le volant offre une puissance au cours d'une période comprise entre la perte de puissance utilitaire fourni et soit le retour de l'alimentation secteur ou le début d'un système d'alimentation de secours (c'est à dire, générateur diesel). Volants fournissent généralement 1-100 secondes de temps ride-through, générateurs et de back-up sont en mesure d'obtenir en ligne dans 5-20 seconde.

B. Supercondensateurs

Supercondensateurs (également connu sous le nom supercondensateurs) sont des sources d'énergie à courant continu et doit être relié au réseau électrique avec un conditionneur de puissance statique, fournir une sortie d'énergie à la fréquence du réseau. Un supercondensateur fournit de l'énergie pendant les interruptions de courte durée ou des creux de tension.

Supercondensateurs de taille moyenne (1 MJoule) sont disponibles dans le commerce pour mettre en œuvre la capacité de ride-through du petit équipement électronique, mais les grandes supercondensateurs sont toujours en développement, mais pourrait bientôt devenir un élément viable du champ de stockage d'énergie.

Power Quality Problems and New Solutions_img_8Figue. 9 - Électrique double couche supercondensateur [http://www.esmacap.com]

La capacité est très grande, car la distance entre les plaques est très faible (plusieurs angströms), et parce que la zone de surface du conducteur (par exemple du charbon actif,) atteint 1500-2000 m2/sol (16000-21500 ft2/sol). Ainsi, l'énergie emmagasinée par ces condensateurs peut atteindre 50-60 J / g [8].

C. PME

Un champ magnétique est créé par un courant continu circulant dans une bobine de fermeture du fil supraconducteur. Le chemin du courant de la bobine de circulation peut être ouvert avec un commutateur à l'état solide, qui est modulé sur et en dehors. En raison de la haute inductance de la bobine, lorsque l'interrupteur est éteint (ouvert), la bobine magnétique se comporte comme une source de courant et la force du courant dans le convertisseur de puissance qui va charger jusqu'à un certain niveau de tension. Modulation proprement dit de l'interrupteur à semi-conducteur peut maintenir la tension dans la plage de fonctionnement correct de l'onduleur, qui convertit la tension en courant continu en courant alternatif.

Power Quality Problems and New Solutions_img_9Figue. 10 - Système PME [9].

PME à basse température refroidis par de l'hélium liquide est disponible dans le commerce. PME à haute température refroidis par azote liquide est encore au stade de développement et peuvent devenir une source de stockage d'énergie commerciale viable dans l'avenir en raison de ses coûts potentiellement plus bas.

Systèmes PME sont grandes et généralement utilisé pour de courtes durées, telles que des événements de commutation de services publics.

D. Comparaison des systèmes de stockage

Figue. 11 montre une comparaison de la technologie de stockage différent en termes de puissance spécifique et l'énergie spécifique.

Power Quality Problems and New Solutions_img_10Figue. 11 - Puissance spécifique par rapport à des gammes d'énergie spécifiques pour les technologies de stockage [9].

Power Quality Problems and New Solutions_img_11Figue. 12 - les coûts spécifiques de dispositifs de stockage d'énergie [10].

Le volant à grande vitesse est à peu près la même gamme de prix que les PME et les supercapacités et sur 5 fois plus cher qu'un volant à basse vitesse en raison de sa conception plus complexe et la puissance limitée. Batterie électrochimique a un haut degré de maturité et une conception simple. En dessous d'un temps de stockage de 25 secondes le volant à basse vitesse peuvent être plus rentable que la batterie.

8. Production décentralisée - ressources distribuées

Production décentralisée (DG) unités peuvent être utilisés pour fournir de l'énergie propre pour les charges critiques, les isolant de perturbations dont l'origine de la grille. Unités DG peuvent également être utilisés comme générateurs de secours pour assurer l'approvisionnement en énergie à des charges critiques lors de pannes prolongées. En outre unités DG peuvent être utilisés pour la gestion de la charge se proposait de réduire la demande de pointe.

Maintenant, moteur alternatif est la technologie répandue dans la DG marché, mais avec les progrès de la technologie, d'autres technologies sont de plus en plus attrayante, comme microturbines ou des piles à combustible (Tableau III).

Tableau III - Evolution de la DG technologies.

Moteurs alternatifs Microturbines Piles à combustible
Timing • En cours • émergents maintenant • De les 200 de
Marché • l'utilisation de veille / back up • Pic-rasage et PQ • pouvoir Premier et PQ
Économie • 300 un 600 $/kW • 33-45% • efficace <5% utilisation • 15-30 cents / kWh • 750 $/kW • 20-30% • ~ 20% l'utilisation efficace • 10-15 cents / kWh • 1000* un 4000 $/kW • 45-60% • efficace >80% utilisation • 5* cents / kWh * prédit

Si les unités DG doivent être utilisés en tant que la génération de sauvegarde, une unité de stockage doit être utilisé pour fournir de l'énergie à la charge au cours de la période comprise entre l'origine de la perturbation et de la mise en marche du générateur de secours.

La solution la plus courante est la combinaison de batteries électrochimiques UPS et un groupe électrogène diesel. Maintenant, l'intégration d'un volant et d'un groupe électrogène diesel en une seule unité est également en train de devenir une solution populaire, offerte par de nombreux fabricants.

Power Quality Problems and New Solutions_img_12Figue. 13 - Le schéma d'un système de puissance continue, à l'aide d'un volant et d'un groupe électrogène diesel [www.geindustrialsystems.com].

Power Quality Problems and New Solutions_img_13Figue. 14 - Dynamic UPS, par Hitec protection de l'alimentation, bv. [http://www.hitec-ups.com].

9. Périphériques d'interface utilisateur améliorées

Outre les systèmes de stockage d'énergie et DG, d'autres dispositifs peuvent être utilisés pour résoudre des problèmes PQ.

Utilisation de périphériques d'interface appropriées, on peut isoler les charges de perturbations découlant de la grille.

Une. Dynamic Voltage Restorer

Un restaurateur de tension dynamique (DVR) agit comme une source de tension connectée en série avec la charge. Le principe de fonctionnement de DVR les plus courantes est similaire à la figure. 7. La tension de sortie de la DVR est maintenue à peu près constante la tension aux bornes de la charge à l'aide d'un transformateur élévateur de tension et / ou de l'énergie stockée pour injecter de la puissance active et réactive dans la goulotte d'alimentation de sortie d'un convertisseur de tension.

B. Transient Voltage Surge suppressors (SST)

Transient suppresseurs de surtension sont utilisés comme interface entre la source d'alimentation et les charges sensibles, de sorte que la tension transitoire est serrée par la SST avant qu'il n'atteigne la charge. TVSSs contiennent généralement un composant avec une résistance non linéaire (une varistance d'oxyde métallique ou une diode zener) qui limite la tension de ligne excessive et mener une énergie d'impulsion excès à la terre.

C. Transformateurs de tension constante

Transformateurs de tension constante (CVT) étaient l'une des premières solutions PQ utilisées pour atténuer les effets de creux de tension et transitoires. Pour maintenir constante la tension, ils utilisent deux principes qui sont normalement évitées: résonance et le noyau saturation.

Power Quality Problems and New Solutions_img_14Figue. 15 - Transformateur de tension constante.

Lorsque la résonance se produit, le courant augmente à un point qui provoque la saturation du noyau magnétique du transformateur. Si le noyau magnétique est saturé, alors le flux magnétique restera à peu près constante et le transformateur va produire une tension de sortie à peu près constante.

S'il n'est pas correctement utilisé, une CVT proviendra plus de problèmes PQ que ceux atténués. Il peut produire des transitoires, harmoniques (onde de tension clipsé sur le dessus et les côtés) et il est inefficace (sur 80% à pleine charge). Son application est de plus en plus rare en raison des progrès technologiques dans d'autres domaines.

D. Filtres antiparasites

filtres de bruit sont utilisés pour éviter des signaux de courant de fréquence ou de tension indésirables (bruit) d'atteindre les équipements sensibles. Ceci peut être accompli en utilisant une combinaison de condensateurs et d'inductances qui crée un chemin de faible impédance à la fréquence fondamentale et une impédance élevée à des fréquences plus élevées, à savoir, un filtre passe-bas. Ils doivent être utilisés lorsque le bruit à une fréquence dans la plage des kHz est considérable.

Il. Transformateurs d'isolement

transformateurs d'isolement sont utilisées pour isoler les charges sensibles contre les transitoires et le bruit provenant du secteur. Dans certains cas, (Connexion Delta-Wye) transformateurs d'isolement gardent courants harmoniques générés par la charge d'entrer en amont du transformateur.

La particularité de transformateurs d'isolement est un blindage mis à la terre faite d'une feuille non magnétique situé entre le primaire et le secondaire. Tout bruit transitoire ou qui proviennent de la source transmise à travers dans la capacité entre le primaire et le bouclier et sur le sol et de ne pas atteindre la charge.

Figue. 16 - Transformateur d'isolement.

Fa. Compensateurs statiques

Compensateurs statiques (SVR) utiliser une combinaison de condensateurs et des réacteurs à réguler la tension rapidement. Les commutateurs à semi-conducteurs de contrôle de l'insertion des condensateurs et des réacteurs de la grandeur droite pour empêcher la tension de fluctuation. L'application principale de SVR est la régulation de la tension en haute tension et l'élimination de scintillement causé par des charges importantes (tels que des fours à induction).

Sol. Filtres harmoniques

Filtres harmoniques sont utilisés pour réduire les harmoniques indésirables. Ils peuvent être divisés en deux groupes: filtres passifs et des filtres actifs.

Power Quality Problems and New Solutions_img_16Figue. 17 - filtres harmoniques [11].

Les filtres passifs (Figue. 17 gauche) consister en un chemin de faible impédance pour les fréquences des harmoniques d'être atténués en utilisant des composants passifs (inductances, des condensateurs et des résistances). Plusieurs filtres passifs connectés en parallèle peut être nécessaire d'éliminer plusieurs composantes harmoniques. Si le système varie (changement de composantes harmoniques), filtres passifs peuvent devenir inefficaces résonance et la cause.

Les filtres actifs (Figue. 17 droit) analyser le courant consommé par la charge et à créer un courant qui annule le courant harmonique générée par les charges. Les filtres actifs sont chères dans le passé, mais ils sont maintenant de plus en coût de compensation efficace des harmoniques inconnus ou changeants.

10. Élaborer des codes et des normes

Certaines mesures ont été prises pour réguler le niveau PQ minimum que les services publics doivent fournir aux consommateurs et le niveau d'immunité que l'équipement ne devrait avoir à fonctionner correctement si la puissance fournie est dans les normes.

Un pas important dans cette direction a été franchi avec la courbe CBEMA (Figue 18), créé par l'Association de l'ordinateur et d'affaires Equipment Manufacturer. Cette norme spécifie la capacité de résister minimum de matériel informatique à creux de tension, micro-coupures et les surtensions.

Power Quality Problems and New Solutions_img_17Figue. 18 - Courbe de CBEMA.

 

Figue. 19 - Courbe ITIC

Cette courbe, bien substitué récemment par ITIC (Information Technology Industry Council) courbe (Figue. 19), est toujours une référence dans le domaine de PQ. Quand la tension est dans les limites déterminées par la zone ombrée, l'équipement doit fonctionner normalement. Lorsque la tension est comprise dans la zone en dessous de la zone autorisée, les équipements susceptibles de mal fonctionner ou arrêter. Lorsque la tension est comprise dans la zone supérieure interdit, plus de dysfonctionnement de l'équipement, dommages sur l'équipement peut se produire.

D'autres organisations de normalisation (CEI, CENELEC, IEEE, etc) ont mis au point un ensemble de normes pour les mêmes raisons. En Europe, les normes les plus pertinentes dans le PQ sont FR 50160 (par le CENELEC) et CEI 61000.

Tableau IV – Paramètres les plus importants définis par la norme européenne 50160:2001.

Limites
Fréquence Doit rester entre 49.5 (-1%) et 50.5 (+1%) Hz.
Tension La tension doit être comprise entre 90% et 110% de la tension nominale.
Déséquilibre de tension La séquence négative ne peut pas assumer grandeur plus élevé que 2% de la séquence directe.
Tension harmonique THD < 8 % V3 < 5.0% V5 < 6.0% V7 < 5.0%

11. Assurez utilisation finale périphériques les moins sensibles

Conception de l'équipement d'être moins sensible aux perturbations est généralement la mesure la plus rentable de prévenir les problèmes PQ. Certains fabricants de fin d'utilisation des équipements sont maintenant conscients de ce problème, mais le marché concurrentiel signifie que les fabricants devraient réduire les coûts et seulement répondre aux exigences des clients. L'exception est le marché ASD, où les fabricants font activement la promotion des produits avec des capacités améliorées tour-par.

Ajout d'un condensateur avec une plus grande capacité d'alimentations, en utilisant des câbles avec des conducteurs neutres grandes, déclassement des transformateurs et de réglage des relais de sous-tension, sont des mesures qui pourraient être prises par les fabricants pour réduire la sensibilité de l'équipement de PQ problèmes.

12. Conclusions

La disponibilité de l'énergie électrique de haute qualité est crucial pour le fonctionnement de la société moderne. Si certains secteurs sont satisfaits de la qualité de l'énergie fournie par les services publics, d'autres sont plus exigeants.

Pour éviter les énormes pertes liées à des problèmes PQ, consommateurs les plus exigeants doivent prendre des mesures pour prévenir les problèmes. Parmi les différentes mesures, sélection de l'équipement moins sensible peut jouer un rôle important. Quand même l'équipement le plus robuste est affectée, puis d'autres mesures doivent être prises, tels que l'installation de la restauration technologies, production distribuée ou un dispositif d'interface pour éviter les problèmes PQ.

Références

[1] J. Mince, "Total Quality Management appliquée à l'alimentation de secteur de l'énergie électrique", Thèse soumise à la satisfaction des exigences pour le diplôme de doctorat. en ingénierie électronique, Coimbra, Septembre 2002.

[2] “Le problème Deux secondes”, American Superconductor et de la recherche EPRI, Mars 1998.

[3] EPRI Power Group livraison, "L'avenir de l'énergie dans la livraison 21er Siècle ", 1999.

[4] M. La balle, "Problèmes Comprendre Power Quality - creux de tension et interruptions", IEEE Press série sur Power Engineering - John Wiley and Sons, Piscataway, USA (2000).

[5] M. McGranaghan, «Coûts des interruptions", dans les procédures de la qualité de l'énergie 2002 Conférence, Rosemont, Illinois, pp 1-8, Octobre 2002..

[6] D. Chapman, "Les coûts de la mauvaise qualité de l'énergie", Guide d'application Power Quality - Copper Development Association, Mars 2001.

[7] EPRI, «Création de l'infrastructure de l'électricité pour une société numérique", Conférence IUE-2000, Lisbonne, 13, Novembre 2000.

[8] http://www.esma-cap.com

[9] P. Ruisseau, B. Johnson, M. Corneille, Une. Arsoy, Et. Liu, «Systèmes de stockage d'énergie pour les applications électriques avancée", Proceedings of the IEEE, vol 89, pas. 12, Décembre 2001.

[10] H. Darrelmann, «Comparaison des systèmes alternatifs de stockage de brève durée", Piller, Ltd, Osterode, Allemagne.

[11] P. Ferracci, "Power Quality", Schneider Electric Cahier Technique no. 199, Septembre 2000.

Source: www.icrepq.com/pdfs/PL4.ALMEIDA.pdf

Lignes directrices pour la réalisation des études de cas de la qualité de l'alimentation pour le web

Voici quelques lignes directrices pour produire une information électrique études de cas de la qualité qui aideront à vendre vos compétences ou des solutions d'atténuation. Ces sections doivent être couverts:

  • Introduction – L'énoncé du problème et les conséquences
  • Analyse – quelles sont les mesures prises pour analyser le problème
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  • Conclusion – montrer quelle est l'efficacité de la solution Continuer la lecture