Courants harmoniques

Les courants harmoniques sont les composantes sinusoïdales d'un courant électrique périodique décomposé en série de Fourier. Les harmoniques ont une fréquence multiple de la fréquence principale, le plus souvent de 50 ou 60 hertz dans les réseaux électriques.

L'existence des courants harmoniques est dû au fait que la tension électrique délivrée n'est pas idéalement sinusoïdale. Ils ne proviennent généralement pas de l'alimentation mais du réseau client : les centrales électriques générant des tensions normalement sinusoïdales, les courants harmoniques sont généralement dus à la présence d'une charge électrique non linéaire dans un réseau électrique. On dit qu'une charge est non linéaire lorsque, soumise à une tension sinusoïdale (typiquement à 50 Hz), elle n'absorbe pas un courant sinusoïdal.

Rang des harmoniques

Dans le cadre de la décomposition en série de Fourier d'un signal périodique, un courant électrique est décomposé en un signal sinusoïdal à la fréquence du réseau, et la somme (en général illimitée) de signaux sinusoïdaux, de fréquence 2, 3, 4, 5, .. n fois la fréquence du réseau. C'est ce nombre n qu'on nomme le rang de la composante harmonique.

Cas spécifique de l'harmonique de rang 2

En général les charges du réseau sont symétriques, c'est-à-dire qu'elles ont le même comportement pour un courant dans un sens ou dans l'autre. Dans ces conditions, la théorie des séries de Fourier affirme que les harmoniques de rang 2 sont nulles. Les harmoniques de rang 2 sont en réalité assez habituelles dans les réseaux, et complexes à filtrer.

Cas spécifique de l'harmonique de rang 3

C'est le cas le plus habituel. Il est généré entre autres par les ordinateurs, les téléviseurs ou autres équipements électroniques équipés de circuits redresseurs en entrée. Ils sont spécifiquement néfastes pour les réseaux électriques triphasés à cause des courants de neutre importants alors produits. Il en va de même pour les harmoniques impairs des troisièmes (9^e, 15^e, 21^e, etc. ) aussi connus sous l'appellation «harmoniques séquence zéro».

Interharmoniques

L'appellation d'interharmonique renvoie à des harmoniques de rang non entier. De tels harmoniques sont habituels dans les fours à arc, mais peuvent aussi être générés par des dispositifs d'électronique de puissance comme les SVC et le Cycloconvertisseur, ancêtre des convertisseurs matriciels actuels.

Un bon indicateur de distorsions harmoniques englobant les inter-harmoniques est le Rapport Total de Distorsion (TDR).

Appareils générateur d'harmoniques

On considérait fréquemment abusivement que les générateurs d'harmoniques étaient principalement industriels. Or des mesures sur le réseau électrique français, ont montré que le moment où le réseau est le plus pollué par les harmoniques est le dimanche soir, c'est-à-dire à un instant où les industries tournent au ralenti, mais où les téléviseurs sont massivement allumés.

Les téléviseurs ou les ordinateurs sont les principaux émetteurs d'harmoniques. En effet, ces appareils comportent des redresseurs et des filtres capacitifs composés de diodes, bobines et condensateurs qui perturbent la tension du réseau. Le rôle de ces circuits est de transformer une tension alternative délivrée par le réseau en une tension continue. Compte tenu de le nombre de ces équipements dans chaque foyer et leur longue période d'utilisation dans une journée, ces appareils domestiques émettent un courant et une tension harmonique qui va perturber la tension sinusoïdale du réseau, même s'ils ne consomment pas une puissance importante.

Dans l'industrie

• Variateur de vitesse pour moteurs
• Redresseur
• Hacheur
• Soudeuses
• Four à arc utilisé dans la métallurgie

Dans les usages domestiques

• Lampe basse consommation dite à économie d'énergie (alimentation électronique)
• Tubes fluorescents
• Tous les appareils électroménager comportant une alimentation à découpage (tv, magnétoscope, ordinateur, etc. )

Effets

Effets instantanés

Les effets des harmoniques les plus connus sont la destruction des condensateurs et des disjoncteurs.

• Perte d'exploitation par ouverture intempestive des disjoncteurs. (échauffements, perturbation de la commande électrique de ces appareils)
• Vibrations, bruits sur les machines tournantes.
• Perturbations électromagnétiques diverses.

Il peut s'agir d'une altération de l'image pour les écrans de télévision ou une altération du son s'il s'agit d'une chaîne HI-Fl ou d'un téléphone.

Effets à long terme

• Échauffement supplémentaire des câbles et transformateurs, par conséquent vieillissement prématuré, sauf si déclassement du matériel électrique.

Limites tolérables

Limite en tension

On définit le concept de Total Harmonic Distortion. Dans certains pays, le fournisseur d'énergie électrique s'engage sur la pureté de l'alimentation électrique apportée à ses clients industriels, via un niveau de THD garanti (typiquement 2 %)

Les tensions harmoniques peuvent être évaluées :

• individuellement, selon leur amplitude relative (Uh) comparé à la tension principale U l, où h représente le rang de l'harmonique
• globalement c'est-à-dire selon la valeur du taux de distorsion harmonique THD.

limite en courant

Dans certain cas (France par exemple), le fournisseur d'énergie électrique peut imposer des niveaux maximaux de courants harmoniques générés par ses clients. ^[1] Ces niveaux sont fréquemment exprimés en pourcentage du niveau essentiel

Solutions

Les solutions ci-dessous sont présentées par ordre plutôt des exploitants.

Filtrage passif

L'objectif est d'abaisser l'impédance harmonique du réseau avec filtres accordés sur les fréquences des harmoniques générés par le process.

Les filtres anti-harmonique sont le plus souvent installés en HTA. Ils peuvent participer à la compensation en énergie réactive. Ils sont composés d'ensemble condensateurs - selfs dont la fréquence de résonance est accordée sur les rangs des harmoniques générées.

Généralement les harmoniques de rang 3 sont filtrées par le réseau (transformateurs) et ne nécessitent pas de filtrage spécifique. On prévoira par contre fréquemment un filtre accordé sur le rang 5.

Filtrage actif

Le filtre actif est un convertisseur qui injecte dans le réseau des harmoniques de même amplitude que celles générées par le process industriel, mais en opposition de phase. Les harmoniques générées par le filtre actif et le process s'annulent par conséquent. C'est une solution qui n'est applicable qu'en basse tension, pour des installations industrielles de faible puissance.

Modification de l'installation

• Alimentation des circuits pollueurs et sensibles par 2 transformateurs différents
• Déclassement installation

Annexes

Liens externes

Sources et Références

Sources

• Cahier technique Schneider 152
• Norme française NF C13-200
• OTT (R) Qualité de la tension- Harmoniques, Techniques de l'ingénieur, fascicule D4264.

Références

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