Courants harmoniques

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Introduction

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 une suite d'ondes sinusoïdales dont la fréquence est un multiple de la fréquence fondamentale (en général 50 ou 60 Hz). On distingue donc entre la composante fondamentale (à la fréquence du réseau) de ces courants, et les courants 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 client :les centrales électriques générant des tensions parfaitements sinusoïdales, les courants harmoniques sont dus à la présence d'une charge électrique non linéaire dans un réseau électrique.On dit qu’une charge est non linéaire quand, 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 infinie) de signaux sinusoïdaux, de fréquence 2,3,4,5, ..n fois la fréquence du réseau. C'est ce nombre n qu'on appelle le rang de la composante harmonique.

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".

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 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 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

Dans les usages domestiques

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-Flou d'un téléphone.

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, le fournisseur d'énergie électrique s'engage sur la pureté de l'alimentation électrique fournie à ses clients industriels, via un niveau de THD garanti (typiquement 2 %)

Les tensions harmoniques peuvent être évaluées:

-individuellement, d'après leur amplitude 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 du niveau fondamental

Solutions (par ordre de préférence des exploitants)

Filtrage passif

Le but est d'abaisser l' impédance 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 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 prévoiera par contre souvent 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 donc. Il s'agit d'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 distincts

  • Déclassement installation