Courants harmoniques - Définition et Explications

Bien souvent appelés Harmoniques.

Les courants électriques dans les réseaux électriques sont de type périodiques, mais pas toujours sinusoïdaux. Or, on sait qu'une onde périodique peut être décomposée par décomposition en série de Fourier (En analyse, les séries de Fourier sont un outil fondamental dans l'étude des fonctions périodiques. C'est à partir de ce concept que s'est développé la branche des mathématiques connue sous le nom d'analyse harmonique.) en une suite d'ondes sinusoïdales dont la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) est un multiple de la fréquence fondamentale (En acoustique, la fréquence fondamentale ou son fondamental est l'harmonique de premier rang d'un son.) (en général 50 ou 60 Hz). On distingue donc entre la composante fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) (à la fréquence du réseau) de ces courants, et les courants harmoniques (Bien souvent appelés Harmoniques.) qui viennent s'additionner à la composante fondamentale pour donner au courant sa forme non sinusoïdale.

En général, les harmoniques ne proviennent pas de l'alimentation mais du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) client :les centrales électriques générant des tensions parfaitements sinusoïdales, les courants harmoniques sont dus à la présence d'une charge électrique non linéaire (Une charge non linéaire est une charge (un élément de circuit qui consomme une puissance, active ou réactive, sur le système d'alimentation – ne pas confondre...) dans un réseau électrique (Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d'électricité.).On dit qu’une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) est non linéaire quand, soumise à une tension (La tension est une force d'extension.) sinusoïdale (typiquement à 50 Hz), elle n’absorbe pas un courant sinusoïdal.

Rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème du rang lie le rang et la dimension du noyau d'une...) des harmoniques

Dans le cadre de la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés...) en série de Fourier d'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) périodique , un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...) est décomposé en un signal sinusoïdal (Un signal sinusoïdal est un signal (onde) dont l’amplitude, observée à un endroit précis, est une fonction sinusoïdale du temps.) à la fréquence du réseau, et la somme (en général infinie) de signaux sinusoïdaux, de fréquence 2,3,4,5, ..n fois la fréquence du réseau. C'est ce nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) n qu'on appelle le rang de la composante harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique ou vibratoire (par exemple en électricité : les « courants harmoniques », qui sont des...).

Cas particulier de l'harmonique de rang 2

En général les charges du réseau sont symétriques. Dans ces conditions les harmoniques de rang 2 sont sensées être nulles.

Cas particulier de l'harmonique de rang 3

C'est le cas le plus fréquent. Il est généré entre autre par les ordinateurs, les téléviseurs ou autres équipements électroniques. Ils sont particulièrement néfastes pour les réseaux électriques triphasés en raison des courants de neutre importants alors produits. Il en va de même pour les harmoniques impairs des troisièmes (9e, 15e, 21e, etc...) aussi connus sous l'appelation "harmoniques séquence zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation...)".

Interharmoniques

L'appelation d'interharmonique renvoie à des harmoniques de rang non entier. De telles harmoniques sont fréquentes dans les fours à arc, mais peuvent aussi être générés par des systèmes délectronique de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) comme les SVC.

Appareils générateur d'harmoniques

On considérait souvent abusivement que les générateurs d'harmoniques étaient essentiellement 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 (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré...) 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 filtres capacitifs composés de diodes, bobines et condensateurs qui perturbent la tension du réseau. Le rôle de ces filtres est de transformer une tension alternative délivrée par le réseau en une tension continue. Étant donné 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 (On distingue :) pour moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire])
  • Redresseur (Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif - continu (rectifier en anglais), est un convertisseur destiné à alimenter une charge de type...)
  • Hacheur (Le hacheur ou convertisseur continu - continu est un dispositif de l'électronique de puissance mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et qui...)
  • Soudeuses
  • Four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet...) à arc utilisé dans la métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements. Par extension, on désigne...)

Dans les usages domestiques

  • Lampe basse consommation dite à économie d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (alimentation électronique)
  • Tubes fluorescents
  • Tous les appareils électroménager (Le terme électroménager caractérise tous les appareils et outils utilisant l'électricité et, destinés à assurer des besoins domestiques, par opposition aux outils et machines industriels. Ces appareils peuvent...) comportant une alimentation à découpage (Une alimentation à découpage est un dispositif à base d'électronique de puissance permettant de fournir à un dispositif électrotechnique qui consomme de quelques watts à...) (tv, magnétoscope, ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des...), ...)

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 (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) 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 (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de scènes animées et généralement sonorisées qui sont reproduites sur un poste récepteur appelé...) ou une altération du son s'il s'agit d'une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) HI-Flou d'un téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.).

Effets à long terme

  • Echauffement supplémentaire des câbles et transformateurs,donc vieillisement prématuré, sauf si déclassement du matériel électrique.

Quelles limites tolérer?

limite en tension

On définit le concept de THD (voir cet article) Dans certains pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus...), le fournisseur d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de...) s'engage sur la pureté de l'alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) fournie à ses clients industriels, via un niveau de THD garanti (typiquement 2 %)

Les tensions harmoniques peuvent être évaluées:

-individuellement, d'après leur amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) relative (Uh) par rapport à la tension fondamentale U l, où h représente le rang de l'harmonique

-globalement c’est-à-dire d'après la valeur du taux de distorsion harmonique THD.

limite en courant

Dans certain cas, le fournisseur d'énergie électrique peut imposer des niveaux maximaux de courants harmoniques générés par ses clients. Ces niveaux sont exprimés en pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la sténographie pour...) du niveau fondamental

Solutions (par ordre de préférence des exploitants)

Filtrage passif

Le but est d'abaisser l' impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) harmonique du réseau à l'aide de filtres accordés sur les fréquences des harmoniques générés par le process.

Les filtres sont généralement installés en HTA. Ils peuvent participer à la compensation en énergie réactive. Ils sont composés d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) condensateurs - selfs dont la fréquence de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le...) 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 prévoiera par contre souvent un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :). Les harmoniques générées par le filtre actif et le process s'annulent donc. Il s'agit d'une solution qui n'est applicable qu'en basse tension (Les normes européennes définissent le domaine de la basse tension (abréviation BT) comme les tensions comprises entre :), pour des installations industrielles de faible puissance.

Modification de l'installation

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