Les harmoniques : Qu’est ce que c’est ?

Nous avons évoqué lors de précédents articles sur les onduleurs, qu’il était important de prendre en compte le fait qu’un certain nombre d’équipements ou de charges non linéaire produisent des harmoniques en courant qui impactent la qualité du réseau électrique.

Nous allons développer ce sujet pour permettre aux professionnels électriciens de prendre conscience des effets nuisibles générés par ces harmoniques de courant sur les éléments constituants le réseau de distribution mais aussi sur les équipements raccordés sur ce même réseau.

Ainsi, ce premier article nous permet de rappeler certaines notions fondamentales liées aux harmoniques en courant et harmoniques en tension et permet également d’aborder les dispositions normatives européenne qui fixent des limites quant à la production ou la présence de ces harmoniques sur le réseau.

Les harmoniques en courant et en tension

La plupart des harmoniques en courant sont produites par des charges dites non linéaire. en effet, les plus courantes de ces charges sont les démarreurs ou variateurs associés aux moteurs ou machines tournantes, composés de composants électroniques de puissance. On trouve également les équipements tels qu’ordinateurs, serveurs et autres dispositifs électroniques, les éclairages comportant des ballasts électroniques avec ou sans variateurs de luminosité, les postes à souder et les alimentations sans interruption (ASI) plus fréquemment nommées onduleurs.

Les courants harmoniques produits par ces charges non linéaires sont « renvoyés » sur le réseau d’alimentation ou de distribution public. L’impact de ces courants harmoniques sur l’impédance même de ces réseaux de distribution (généralement de type inductive) amène à une déformation de la tension sinusoïdale. Ce phénomène se nomme la distorsion en tension.

De la même façon, nous pouvons aussi exprimer la distorsion en courant par la relation :

distorsion en courant

Cette relation exprime la somme quadratique des courants harmoniques ramenée au fondamental de rang 1.

L’implication de ces courants harmoniques sur la forme sinusoïdale de base est montrée sur le schéma suivant. Le signal résultant « onde déformée » est en fait la somme du fondamental de rang « 1 » et de l’onde harmonique de rang « n ». C’est le principe de la décomposition en série de FOURIER.

Expression de la grandeur déformée

Le développement en série de FOURIER de tout signal périodique (c’est-à-dire qui respecte une forme d’onde qui se répète toutes les x périodes) s’exprime par la relation :

où :

Y0 = amplitude de la composante continue, généralement nulle en distribution électrique en
régime permanent,
Yn = valeur efficace de la composante de rang n,
ϕn = déphasage de la composante harmonique au temps initial.

L’amplitude des harmoniques décroît généralement avec la fréquence. Selon les normes, on prend en considération les harmoniques jusqu’au rang 40.

Valeur efficace d’une grandeur déformée

La valeur efficace de la grandeur déformée conditionne les échauffements, donc habituellement les grandeurs harmoniques sont exprimées en valeurs efficaces.

Pour une grandeur :

  • sinusoïdale, la valeur efficace est la valeur maximale ou crête divisée par racine de deux (√2).
  • déformée et, en régime permanent, l’énergie dissipée par effet JOULE est la somme des énergies dissipées par chacune des composantes harmoniques.

Dans la mesure où la résistance est considérée comme une constante, la mesure de la valeur efficace de la grandeur déformée s’effectue soit directement par des appareils dits à vraie valeur efficace (RMS) ou à l’aide d’analyseurs de spectre.

Principales perturbations provoquées par les harmoniques

Les harmoniques peuvent provoquer l’échauffement des transformateurs, câbles, moteurs, générateurs. Il en va de même pour les condensateurs raccordés à la même alimentation que les dispositifs générateurs d’harmoniques. Les afficheurs des appareils électroniques et les éclairages se mettent à papilloter. Les disjoncteurs peuvent déclencher. Les ordinateurs dysfonctionner et les instruments de mesure donner des valeurs erronées.

Les perturbations provoquées par les harmoniques en courant et en tension

Comme nous l’avons vu précédemment, les courants harmoniques se superposent au fondamental du courant de ligne. Les effets qu’ils produisent se conjuguent et apparaissent différemment selon les récepteurs.

On peut considérer deux types d’effets mesurables :

  • Instantanés
  • Effets à terme dû essentiellement aux échauffements

Les effets instantanés

Comme nous l’avons vu, les courants harmoniques produits par des charges non linéaires, sont à une fréquence multiple du 50Hz, à des rangs pairs et impairs. En effet, ces ondes « déformantes » peuvent altérer le bon fonctionnement de systèmes comportant des composants électroniques du fait de la distorsion en tension qu’ils occasionnent. Elles peuvent par exemple influencer les conditions de commutation des thyristors lorsqu’elles déplacement le passage par zéro de la tension.

Les compteurs d’énergie à induction présentent des erreurs supplémentaires en présence d’harmoniques ; de l’ordre de 0,3% avec un taux de 5% d’harmonique de rang 5 sur le courant (source Schneider).

Les récepteurs de télécommande centralisée à fréquence polyphonique, utilisés par les distributeurs d’énergie, peuvent être perturbés par des tensions harmoniques de fréquence voisine de celle utilisée par le système de détection.

Par les efforts électrodynamiques proportionnels aux courants instantanés en présence, les courants harmoniques généreront des vibrations, des bruits acoustiques, surtout dans les appareils électromagnétiques (transformateurs, inductances).

Des couples mécaniques pulsatoires, dû aux champs tournants harmoniques, donneront des vibrations dans les machines tournantes. Des perturbations surviennent également lorsque des lignes « courants faibles » cheminent le long d’une ligne de distribution électrique comportant des courants et tensions déformés.

Les paramètres tels que : longueur du cheminement parallèle, distance entre les deux circuits, fréquence des harmoniques, sont à prendre en compte.

Effets à termes

En dehors des effets cités précédemment, l’effet « à termes » est principalement du à l’échauffement des matériaux.

Echauffement des condensateurs

L’impédance d’un condensateur est liée à la fréquence de manière inversement proportionnelle. Les courants harmoniques à des fréquences supérieures au 50Hz influent donc sur les condensateurs en créant des points d’échauffement (effets thermiques). Ces échauffements peuvent aller jusqu’au claquage des condensateurs.

Echauffement des machines tournantes et des transformateurs

Des pertes supplémentaires apparaissent dans les machines, dans leur stator (pertes cuivre et pertes fer). Elles apparaissent principalement dans leurs circuits rotoriques (cages, amortisseurs, circuits magnétiques). Ces effets peuvent donc faire apparaître des différences importantes de vitesse entre les champs tournants inducteurs harmoniques et le rotor.

Des pertes supplémentaires apparaissent au niveau des transformateurs dues à l’effet de peau (augmentation de la résistance du cuivre avec la fréquence), à l’hystérésis et aux courants de FOUCAULT (dans le circuit magnétique).

Echauffement des câbles

Les effets thermiques présents au niveau des câbles traversés par des courants harmoniques se trouvent majorés, d’où une élévation de température. Parmi les causes des pertes supplémentaires on peut citer :

  • Une augmentation de la valeur efficace du courant pour une même puissance active consommée.
  • L’élévation de la résistance apparente de l’âme avec la fréquence, phénomène dû à l’effet de peau.
  • L’élévation des pertes diélectriques dans l’isolant avec la fréquence si le câble est soumis à une distorsion de tension non négligeable.
  • Des phénomènes de proximité, de gaines, d’écrans mis à la terre aux deux extrémités, etc.

D’une façon générale, tous les équipements (tableaux électriques) soumis à des tensions ou traversés par des courants harmoniques. Ils ont des pertes accentuées et devront faire l’objet de déclassements éventuels. Par exemple, une cellule départ condensateur est dimensionnée pour un courant égal à 1,3 fois le courant réactif de compensation. Ce surdimensionnement ne tient toutefois pas compte de l’augmentation de l’échauffement due à l’effet de peau dans les conducteurs.

Le relevé des taux de courants ou de tensions harmoniques, se fait avec un analyseur de spectre. Il donne l’amplitude de chaque composante, c’est-à-dire de chaque rang.

Aussi, il est important de choisir des capteurs (de courant ou de tension) ayant une bande passante suffisante pour la bande de fréquences mesurée.

Conclusion

Nous avons vu au cours de cet article à définir les effets nuisibles généralement occasionnés par la présence de courants harmoniques sur le réseau de distribution électrique, amenant à une distorsion de la tension.

Dans un prochain article, nous allons voir à présenter les normes de référence. Elles stipulent la nécessité de limiter à certains seuils les valeurs de ces courants harmoniques.

Les Normes CEI (Comité Electrotechnique International) dans la lutte contre les harmoniques en courant et en tension

Comme nous l’avons vu précédemment, les courants harmoniques sont produits par nombres d’équipements ou appareils appelés « charges non linéaires ». Ces équipements ou appareils sont de plus en plus nombreux au sein d’une même installation à être connectés sur le même réseau. Afin d’éviter l’apparition de distorsion en tension sur ces réseaux de distribution, il paraissait indispensable de limiter la production des courants harmoniques au regard de la puissance de la source. Afin de mesurer l’impact de ces harmoniques en courant et en tension sur les autres équipements raccordés au réseau électrique, il fallait pourvoir définir divers seuils en rapport de la puissance dite de court-circuit au point de raccordement (appelé point de couplage commun ou PCC).

Limites acceptables, recommandations, Normes

Valeurs remarquables

Nous avons repris ci-après les valeurs admissibles communiquées par le Groupe Schneider :

  • machines tournantes synchrones : distorsion en courant statorique admissible = 1,3%
  • machines asynchrones : distorsion en courant statorique admissible = 1,5 à 3,5%
  • câbles : distorsion admissible en tension entre l’âme et l’écran = 10%
  • condensateurs de puissance : distorsion en courant = 83%, ce qui se traduit par une surcharge de 30% et une surcharge en tension de seulement 10%
  • électronique sensible : distorsion en tension admissible de l’ordre de 5%

Limites Normalisées

Comme évoqué précédemment, ce sont les Normes de la série CEI 61000 qui définissent les limites concernant les harmoniques. Ces références entrent dans le registre des Normes liées à la compatibilité électromagnétique.

Norme CEI 61000-3-2

Elle définit les limites d’émission de courant harmonique par les appareils consommant moins de 16A par phase. En effet, cette norme spécifie les limites pour les émissions de courant harmonique des appareils individuels raccordés aux réseaux publics. Les appareils ou matériels sont définis par classe (de A à D). Les exigences et limites définies dans la présente section sont applicables aux appareils destinés à être raccordés à des réseaux 230/400V et 240/415Vac – 50/60Hz. Les limites sont applicables aux courants harmoniques définis ou mesurés en régime permanent ainsi que durant le régime transitoire. Enfin, ces limites sont définies par la Norme en fonction de la classe des appareils, par exemple pour la classe A :

Les harmoniques / 3ème partie

Limites pour les appareils de classe 1 (tableau tiré de la Norme CEI 61000-3-2

Norme CEI 61000-3-4

Elle définit les limites d’émission de courant harmonique par les appareils consommant plus de 16A par phase et inférieur à 75A. Cette norme distingue trois étapes pour les procédures de raccordement des équipements. Le respect des taux limites d’harmonique individuels de l’Etape 1 autorise le raccordement des équipements en tout point du réseau d’alimentation. L’Etape 2 spécifie des taux individuels de courant harmonique de même que le taux de distorsion harmonique total THD et sa contrepartie le taux de distorsion haute fréquence pondéré PWHD. Les limites sont classées et tabulées en fonction du rapport de court-circuit. L’étape 3 de raccordement est basée sur un accord entre l’utilisateur et le distributeur d’électricité. Cet accord est établi à partir de la puissance active contractuelle de l’installation du consommateur. Si le courant assigné est supérieur à 75 A, l’étape 3 s’applique dans tous les cas.

Norme CEI 61000-2-2

Elle définit les niveaux de compatibilité de tensions harmoniques sur les réseaux de distribution publics basse tension. Aussi, les phénomènes perturbatoires incluent les harmoniques, inter-harmoniques, fluctuations de tension, creux de tension, déséquilibres de tension transitoires, etc. Cette norme définit essentiellement les critères de conception pour le constructeur de l’appareil. De plus elle indique les niveaux d’immunité mini de cet appareil. La norme CEI 61000-2-2 est en accord avec les limites fixées par la norme EN 50160 en ce qui concerne la qualité de la tension que le distributeur d’électricité doit fournir aux bornes du réseau du client.

Norme CEI 61000-2-4

Elle définit les niveaux de compatibilité de tensions harmoniques sur les réseaux d’installations industrielles et non publics. Elle couvre les réseaux basse tension de même que les alimentations moyennes tension du domaine HTA.

Notons également l’existence de la Norme EN 50160 qui concerne les caractéristiques de la tension fournie par les réseaux de distribution publics.

Perturbation électrique

Niveaux de compatibilité pour les tensions harmoniques individuelles sur les réseaux publics basse tension selon CEI 61000-2-2

Conclusion

Nous avons vu au cours de cet article à présenter les normes définissant le cadre propre à la réduction des harmoniques en courant et en tension. Nous avons vu que les appareils représentants des charges non linéaires sont classés par catégories et qu’il était important de considérer le rapport courant de charge par rapport au courant de court-circuit ou puissance de court-circuit au point de raccordement (aussi appelé point de couplage commun ou encore PCC).

Dans un prochain article, nous allons voir comment ces harmoniques en courant et en tension peuvent être réduites.

> Les  normes CEI

Les solutions : Identification des pollueurs ou générateurs d’harmoniques

Comme nous l’avons évoqué au cours des précédents articles, les courants harmoniques sont produits par nombres d’équipements ou appareils appelés « charges non linéaires ». Dans le domaine industriel, les équipements et appareils polluants le plus sont :

  • les convertisseurs statiques,
  • les fours à arc,
  • les éclairages,
  • les inductances saturées,

Ces équipements utilisent pour la plupart des ponts redresseurs ou convertisseurs statiques qui sont générateurs d’harmoniques de courant de rangs impairs dû à la déformation du courant de ligne comme le montre la figure suivante :

Les harmoniques - 4ème partie

Courant alternatif en amont d’un redresseur en pont de Graetz débitant un courant continu parfait sur une charge très inductive

Pour des redresseurs hexaphasés comportant 6 branches, les harmoniques de courant seront de rangs 5,7,11,13,17,19,23,25, etc .

Pour des redresseurs possédant 12 branches (double pont hexaphasé couplé et décalé de 30°), les harmoniques de courant seront de rangs 11,13,23,25, etc.

Comme nous le voyons, le fait de multiplier le nombre de branches ou de pont redresseur en décalant ces derniers en angle de phase, permet de réduire le nombre d’harmoniques.

Les harmoniques - 4ème partie

Les harmoniques - 4ème partie

Harmoniques de courant réseau avec différents types de redresseurs

Dans la pratique, les spectres de courant sont sensiblement différents. En effet, de nouvelles composantes harmoniques paires et impaires dites non caractéristiques et de faibles amplitudes sont créées, et les amplitudes des harmoniques caractéristiques modifiées, par plusieurs facteurs tels que :

– dissymétrie de construction des composants,
– imprécision de l’instant d’ouverture des thyristors,
– temps de commutation des diodes utilisées,
– filtrage imparfait.

Les convertisseurs

De plus, dans le cas de ponts à thyristors un déphasage des harmoniques en fonction de l’angle de retard de l’amorçage peut être observé.

Les ponts mixtes diodes-thyristors sont générateurs d’harmoniques d’ordre pair. Leur emploi est limité aux petites puissances car l’harmonique de rang 2 est très gênant et difficile à éliminer.

Les autres convertisseurs de puissance tels que les gradateurs, les convertisseurs multicadrans, ont des spectres variables et plus riches que les redresseurs. Dans certains cas, ils sont remplacés par des redresseurs de type MLI (Modulation de Largeur d’Impulsions) qui travaillent avec une fréquence de découpage aux alentours de 20 kHz. Cette technique est conçue pour ne générer qu’un faible niveau d’harmoniques.

Les courants harmoniques de plusieurs convertisseurs se combinent vectoriellement, au niveau du jeu de barres commun d’alimentation.

Leurs phases ne sont généralement pas connues sauf dans le cas des redresseurs à diodes. Ce qui permet, avec deux ponts hexaphasés à diodes ayant des charges identiques, d’atténuer les courants harmoniques de rang 5 et 7, si les deux transformateurs d’alimentation ont des couplages judicieusement choisis.

Les éclairages

L’éclairage, par lampes à décharge et tubes fluorescents, est générateur de courants harmoniques. Le taux individuel d’harmonique de rang 3 peut même dépasser 100 % pour certaines lampes de type fluo-compactes modernes. D’où une attention particulière à porter à la détermination de la section et de la protection du conducteur neutre. Elles véhiculent la somme des courants d’harmoniques de rang 3 des trois phases, risque un échauffement important.

Les fours à arcs industriels

Les fours à arcs industriels peuvent être à courant alternatif ou à courant continu.

Fours à arcs alimentés en alternatif

L’arc est non linéaire, dissymétrique et instable. Il va induire des spectres possédant des raies impaires. Mais également des paires et un spectre continu (bruit de fond à toutes les fréquences).
Par conséquent, le niveau spectral est en fonction du type de four, de sa puissance, de la période de fonctionnement considérée : fusion, affinage.

Fours à arcs alimentés en continu

L’arc est alors alimenté par l’intermédiaire d’un redresseur. ainsi, l’arc est plus stable qu’en courant alternatif. Le courant absorbé se décompose en :

– un spectre semblable à celui d’un redresseur,
– un spectre continu de niveau inférieur à celui d’un four à courant alternatif.

Les inductances saturées

De telles inductances ont leur impédance fonction de l’amplitude du courant qui les traverse. De fait, elles provoquent des déformations notables de ce courant. C’est donc le cas des transformateurs à vide soumis à une surtension permanente, dans une certaine mesure,

Les machines tournantes

Les machines tournantes donnent des harmoniques de denture de rangs élevés et d’amplitudes souvent négligeables. Cependant, les petites machines synchrones sont génératrices de tensions harmoniques de rang 3 qui peuvent avoir une incidence sur :

– L’échauffement permanent des résistances de mise à la terre du neutre des alternateurs.
– Le fonctionnement des relais dits ampèremétriques de protection contre les défauts d’isolement.

Effet sur les harmoniques dus à la présence de batterie de condensateurs

Il n’est pas rare de constater la présence de condensateurs ou batterie de condensateurs au niveau des installations électriques, permettant de corriger le facteur de puissance (F = P/S) de façon à limiter l’énergie réactive vis-à-vis du réseau de distribution public.

Effets liés à la présence de batteries de condensateurs sur le réseau

En principe, dans le domaine harmonique, le réseau électrique reste inductif.

Sa réactance est proportionnelle à la fréquence (Z = R+JX en valeur complexe avec X = Lω et ω= 2πf ; f étant la fréquence). Dans une première approche l’effet des charges et des résistances est négligeable.
L’impédance du réseau vue d’un « nœud » du réseau, se limite donc à la réactance de court-circuit Xcc au noeud considéré. Les niveaux de tensions harmoniques peuvent être estimés à partir de la puissance du pollueur et de la puissance de court-circuit au noeud (jeu de barres) de raccordement du pollueur, la réactance de court-circuit étant considérée proportionnelle à la fréquence.

La pollution harmonique reste acceptable si le pollueur ne dépasse pas une certaine puissance. Cependant, il faut être prudent car des résonances peuvent exister, à partir d’un réseau voisin possédant des condensateurs (ou batterie de condensateurs) et couplé par un transformateur.

A certaines fréquences il y a résonance entre la batterie de condensateurs et la réactance du réseau vue des bornes de la batterie.
Il en résulte une amplification plus ou moins amortie des grandeurs harmoniques (courants et tensions), si le rang de la résonance est le même que celui d’un des courants injectés par le pollueur. Cette pollution peut être dangereuse pour les équipements.

Protection des condensateurs

Afin de protéger les condensateurs, il est possible d’insérer une inductance anti-harmonique en série avec la branche capacitive. L’idée est de créer une anti-résonance en faisant en sorte que la fréquence de coupure du filtre soit en dessous du spectre du pollueur, ainsi la branche L-C et le réseau sont tous deux inductifs et les courants harmoniques injectés par le pollueur se partagent en proportion inverse des impédances ; il y a donc peu de courants harmoniques dans la branche L-C, ce qui a pour effet de protéger les condensateurs. Une contrainte peut apparaître du fait de la présence de signaux de télécommandes émis par le distributeur (175Hz, 188Hz) car les fréquences de coupure liées aux inductances anti-harmoniques sont généralement comprises entre 135Hz et 225Hz.

Utilisation de filtres pour limiter les harmoniques

La limitation à une faible valeur spécifiée des tensions harmoniques du réseau est spécifique de l’emploi des filtres.
Il existe trois classes de filtres permettant de réduire les tensions harmoniques :

  • le shunt résonant,
  • les filtres amortis dits passifs,
  • les filtres actifs,

Le shunt résonant

Le principe retenu ici est la mise en œuvre d’autant de filtre de type L-C, dont la fréquence de résonance est fr = (2π√.LC) -1 que de présence de tension harmonique de rang « n ».

Le shunt résonant présente, à sa fréquence de résonance, une impédance minimale réduite à la résistance « r » de l’inductance elle-même. Il dérive donc en lui-même la quasi-totalité des courants harmoniques dont la fréquence est proche de « fr », avec un taux de tension harmonique de fréquence « fr » faible, car proportionnel au produit de la résistance « r » par le courant traversant le filtre.

Les harmoniques / 5ème partie

Impédance d’un réseau équipé de filtres shunt

Les filtres amortis

L’emploi de filtres shunt résonant est complexe et surtout couteux à mettre en œuvre. De plus, dans certains cas de figure, il est nécessaire d’amortir l’effet d’antirésonance du filtre lui-même.
Le principe retenu est de mettre en œuvre des filtres d’ordre deux constitués d’un shunt résonant.  On adjoint une résistance d’amortissement « R » aux bornes de l’inductance.

La solution est donc de faire appel à un filtre de large spectre qui possède les propriétés suivantes :

  • amortir les antirésonances,
  • réduire les tensions harmoniques de fréquence égales ou supérieures à la fréquence d’accord,
  • amortir rapidement le régime transitoire à la mise sous tension du filtre.

Les filtres actifs

Le filtre actif permet de neutraliser l’effet d’une perturbation en injectant une grandeur égale à la perturbation. Toutefois, les phases sont opposées. Les harmoniques de courant s’additionnent vectoriellement. Aussi, on peut facilement imaginer reproduire pour chaque rang « n » une valeur identique mais en opposition de phase. Une fois réinjecté sur le réseau chaque harmonique de rang « n » s’additionne et se trouve automatiquement réduite.

Nous trouvons ce principe au niveau des centrales d’alimentations du réseau caténaire sur le réseau ferroviaire de façon à réduire les harmoniques produites par les convertisseurs statiques installés sur les motrices des TGV.

Les filtres actifs sont également parfois utilisés en complément des filtres passifs formant ainsi un filtre hybride.

Conclusion

Nous avons vu, au cours de cette dernière partie, que la présence de batterie de condensateur sur le réseau électrique ou sur l’un des nœuds pouvait influer de façon importante sur les harmoniques par effet de résonance.

Nous avons également vu comment les harmoniques pouvaient être limitées ou réduites par l’emploi de filtres dits passifs ou actifs.

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