Courants harmoniques

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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 fondamentale, généralement de 50 ou 60 hertz dans les réseaux électriques.

L'existence des courants harmoniques est due à la nature des appareils connectés au réseau. Ils ne proviennent pas de l'alimentation mais du réseau client : les centrales électriques générant des tensions sinusoïdales, les courants harmoniques sont dus à la présence d'une charge électrique non linéaire dans un réseau électrique[1]. 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.

Du fait des impédances du réseau, ces courants harmoniques sont la cause de l'apparition d'harmoniques de tensions qui affectent alors les autres clients du réseau de distribution.

Rang des harmoniques[modifier | modifier le code]

Dans le cadre de la décomposition en série de Fourier d'un signal périodique, un courant électrique peut théoriquement être décomposé d'une part en un signal sinusoïdal ("fondamental") de la même fréquence que celle du réseau, et d'autre part en une somme (généralement 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[modifier | modifier le code]

En général les charges du réseau sont symétriques, c'est-à-dire qu'elles ont le même comportement quand le courant circule 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 fréquentes dans les réseaux, et difficiles à filtrer.

Cas particulier de l'harmonique de rang 3[modifier | modifier le code]

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

Interharmoniques[modifier | modifier le code]

L'appellation d'interharmonique renvoie à des harmoniques de rang non entier. De tels harmoniques sont fréquents dans les fours à arc, mais peuvent aussi être générés par des systèmes électroniques 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 générateurs d'harmoniques[modifier | modifier le code]

Les premiers dispositifs de l'électronique de puissance étaient essentiellement utilisés en milieu industriel. Mais la généralisation des alimentations à découpage pour les appareils alimentés par le secteur et destinés au grand public a fini par entraîner une pollution harmonique supérieure à celle créée par les dispositifs industriels : 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 quand les industries tournent au ralenti, tandis que les téléviseurs sont massivement allumés[2].

Les alimentations à découpage des téléviseurs ou des ordinateurs sont les principales émettrices d'harmoniques. En effet, ces appareils comportent des redresseurs suivis de filtres capacitifs qui appellent un courant non sinusoïdal, lequel perturbe la tension du réseau, du fait des impédances de lignes. Même si chacun d'entre eux ne consomme qu'une puissance réduite, le nombre extrêmement important de ces équipements dans chaque foyer entraîne une pollution harmonique importante.


Dans l'industrie[modifier | modifier le code]

Tous ces dispositifs sont généralement alimentés par un convertisseur constitué de la mise en cascade d'un redresseur et d'un hacheur ou d'un onduleur[3]

Dans les usages domestiques[modifier | modifier le code]

  • Les tubes fluorescents à ballast électronique dont font partie les lampes "basse consommation" dites "à économie d'énergie"
  • Les appareils électroménagers comportant une alimentation à découpage (téléviseurs, ordinateurs, fours à micro-ondes, ...)
  • Les variateurs pour l'éclairage (gradateurs)

Effets[modifier | modifier le code]

Effets instantanés[modifier | modifier le code]

Les effets les plus connus sont la destruction des condensateurs et des disjoncteurs à cause des courants harmoniques (pics de courant).

  • 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[modifier | modifier le code]

  • Échauffement supplémentaire des câbles et transformateurs, donc vieillissement prématuré, risques de surintensité sauf si déclassement du matériel électrique.
  • Couples vibratoires sur les arbres des machines tournantes et vibrations mécaniques entrainant un fatigue plus grande des matériaux.

Limites tolérables[modifier | modifier le code]

Limite en tension[modifier | modifier le code]

On définit le concept de Total Harmonic Distortion (THD) exprimé en pourcentage. 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[modifier | modifier le code]

Dans certains cas (France par exemple), le fournisseur d'énergie électrique peut imposer des niveaux maximaux de courants harmoniques générés par ses clients[4]. Ces niveaux sont souvent exprimés en pourcentage, autrement dit le THD, du niveau fondamental. Le THD correspond à la somme quadratique des harmoniques à partir du rang 2 divisée par la fondamentale. La fondamentale étant l'harmonique de rang 1.

Solutions[modifier | modifier le code]

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

Filtrage passif[modifier | modifier le code]

Le but est d'abaisser l'impédance harmonique du réseau à l'aide de filtres accordés sur les fréquences des harmoniques générés par la source perturbatrice.

Les filtres anti-harmonique sont généralement installés en HTA. Ils peuvent participer à la compensation en énergie réactive. Ils sont composés d'un ensemble de condensateurs et de selfs associées, de manière que la fréquence de résonance de cet ensemble soit accordée sur celle des rangs harmoniques générés.

Généralement les harmoniques de rang 3 sont filtrées par le réseau (transformateurs) et ne nécessitent pas de filtrage spécifique. Mais on devra souvent prévoir un filtre accordé sur le rang 5.

Filtrage actif[modifier | modifier le code]

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 très onéreuse qui n'est applicable qu'en basse tension, pour des installations industrielles de faible puissance.

Modification de l'installation[modifier | modifier le code]

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

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Sources et Références[modifier | modifier le code]

Sources[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. Guides Expert Basse Tension n°4 :Détection et filtrage des harmoniques - Schneider electric - avril 2008
  2. Les harmoniques, application des normes de CEM associées - Jean Claude GUIGNARD - REE mai 1999, page 39
  3. Cahier technique n° 152 Perturbations harmoniques dans les réseaux pollués et leur traitement -C. Collombet, J.M. Lupin, J. Schonek - novembre 1999
  4. arrêté du 17 mars 2003 pour les installations de production