Harmoniques : impact sur les sinusoïdes de tension et de courant dans les réseaux électriques | A. Eberle
Les harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale et peuvent déformer les sinusoïdes de tension et de courant.
Définition des harmoniques
Les harmoniques sont des composantes fréquentielles dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Dans les réseaux électriques, elles apparaissent lorsque des charges non linéaires déforment les sinusoïdes de courant ou de tension et génèrent ainsi des composantes fréquentielles supplémentaires.
Informations clés sur les harmoniques
- Les harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, par exemple 250 Hz comme 5e harmonique dans un réseau de 50 Hz.
- Elles sont principalement provoquées par des charges non linéaires et par l’électronique de puissance moderne, comme les variateurs de fréquence, les onduleurs et les alimentations à découpage.
- Les appareils de mesure Power Quality décomposent les signaux de tension et de courant en différentes composantes fréquentielles et rendent visibles les harmoniques, les interharmoniques et les supraharmoniques.
- Les conséquences possibles comprennent les perturbations électromagnétiques, l’échauffement supplémentaire des équipements, les dysfonctionnements, la réduction de la durée de vie des installations et la dégradation des performances des dispositifs de mesure et de protection.
Causes des harmoniques et des perturbations du réseau
L’évolution des technologies énergétique
Afin d’utiliser l’énergie de manière plus efficace, de nombreuses applications sont aujourd’hui pilotées par de l’électronique de puissance. Par exemple, un moteur asynchrone est souvent remplacé par un entraînement commandé par variateur de fréquence, ou un appareil est équipé d’une alimentation à découpage à la place d’un transformateur classique.
Contrairement aux anciennes technologies, les équipements modernes ne prélèvent généralement plus un courant parfaitement sinusoïdal sur le réseau. Les appareils de mesure Power Quality décomposent ce courant en un spectre comprenant l’ensemble des fréquences présentes. Aujourd’hui, les perturbations réseau sont classées en harmoniques, interharmoniques et, plus récemment, supraharmoniques.
Les harmoniques sont définies comme des multiples de la fréquence fondamentale (par exemple : 250 Hz = 5e harmonique pour une fréquence fondamentale de 50 Hz).
Lorsque des fréquences se situent entre deux multiples entiers de la fréquence fondamentale, on parle d’interharmoniques.
Dans les techniques de mesure Power Quality et dans les normes applicables, toutes les interharmoniques d’une même plage de fréquences sont généralement regroupées en une seule valeur. Par exemple, toutes les fréquences comprises entre 350 Hz et 400 Hz sont intégrées dans la 7e interharmonique.
Figure 2 : Exemple d’un spectre de fréquence de la tension allant du courant continu jusqu’à 20 kHz dans un réseau public. On peut clairement distinguer les harmoniques et les supraharmoniques, générées dans cet exemple par un entraînement piloté par variateur de fréquence. Les niveaux les plus élevés se situent autour de 10 kHz avec environ 1,8 V.
Synonymes et termes associés
Dans le domaine de l’électrotechnique, plusieurs termes sont utilisés pour décrire les harmoniques et les phénomènes connexes :
- Harmonique
- Harmonique réseau
- Courants harmoniques
- Tensions harmoniques
- Interharmoniques et supraharmoniques
Importance des harmoniques dans le contexte de la CEM
Les harmoniques sont des fréquences parasites qui se superposent à la sinusoïde fondamentale et créent une forme d’onde déformée. Ces déformations peuvent provoquer des interférences électromagnétiques (EMI) et affecter la compatibilité électromagnétique (CEM).
Cet aspect est particulièrement important dans le domaine de l’alimentation électrique, car les harmoniques ont une influence négative sur le rendement énergétique et la durée de vie des appareils et systèmes électriques.
La norme IEC 61000-2-2 définit aujourd’hui les règles applicables au réseau public. Grâce à ses limites jusqu’à 150 kHz, elle permet de déterminer si un consommateur injecte des niveaux de perturbation excessifs dans le réseau ou si un équipement perturbé présente une immunité insuffisante aux perturbations.
Une instrumentation adaptée permet de le démontrer :
Si le niveau de perturbation reste inférieur aux limites de la norme mais qu’un équipement est néanmoins affecté, son immunité aux perturbations est probablement insuffisante.
Si les limites normatives sont dépassées, il est très probable que la source de perturbation injecte effectivement un niveau excessif de perturbations dans le réseau.
Causes et effets
Les harmoniques dans les réseaux à courant alternatif
Les harmoniques dans le réseau AC sont des fréquences supérieures à la fréquence de la sinusoïde fondamentale du réseau électrique. Elles provoquent une déformation des sinusoïdes de tension et de courant et constituent une forme de pollution électromagnétique du réseau.
Ces déformations sont exprimées en pourcentage et sont généralement appelées THD (Total Harmonic Distortion).
La valeur THD représente le rapport entre l’ensemble des harmoniques de courant ou de tension et la fréquence fondamentale, généralement de 50 Hz.
Sources typiques de perturbations et plages de fréquences dans les réseaux modernes
- Variateurs de fréquence : 4 kHz à 20 kHz
- Onduleurs photovoltaïques (400 V) : 16 kHz à 22 kHz
- Éoliennes (réseau moyenne tension) : 2 kHz à 6 kHz
- Bornes de recharge pour véhicules électriques : 10 kHz à 80 kHz
- Filtres actifs de réseau : 8 kHz à 20 kHz
- Systèmes UPS (onduleurs) : 15 kHz à 25 kHz
- Éclairage avec ballast électronique : 20 kHz à 200 kHz
- Alimentations à découpage : 30 kHz à 300 kHz
Résumé
Les harmoniques constituent un facteur critique dans les réseaux électriques et influencent directement la compatibilité électromagnétique (CEM). Elles sont générées par des consommateurs et des équipements qui injectent des perturbations dans le réseau sous la forme de déformations de la tension électrique.
Les harmoniques apparaissent sous forme de fréquences situées au-dessus ou au-dessous de la fréquence fondamentale de la sinusoïde de tension et englobent également les phénomènes d’interharmoniques et de supraharmoniques.
Leur impact sur l’efficacité, la fiabilité et la stabilité des réseaux électriques ainsi que sur les équipements raccordés est considérable et ne doit donc pas être sous-estimé.
Types d’harmoniques
Quand une oscillation est-elle harmonique et quand ne l’est-elle pas ?
Les harmoniques sont des oscillations qui apparaissent au-dessus ou au-dessous de la fréquence fondamentale. Une oscillation harmonique est présente lorsque le mouvement du système oscillant correspond à la projection d’un mouvement circulaire uniforme et peut être décrit par une fonction sinusoïdale ou cosinusoidale. Une autre définition physique considère qu’une oscillation est harmonique lorsque la force de rappel agit dans le sens opposé au déplacement et est proportionnelle à l’écart par rapport à la position d’équilibre. Ces conditions définissent quand une oscillation est considérée comme harmonique d’un point de vue physique.
Les oscillations non harmoniques, en revanche, ne remplissent pas ces conditions. Elles ne présentent pas un mouvement circulaire uniforme et la force de rappel n’est pas proportionnelle au déplacement.
Outre les harmoniques, d’autres perturbations du réseau peuvent être identifiées grâce à des technologies de mesure adaptées.
Transitoires
Les transitoires sont des pics de tension ou de courant soudains et de courte durée, provoqués par des changements rapides dans le réseau, tels que :
- Les impacts de foudre
- Les opérations de commutation
- Les variations brusques de charge
Ils peuvent perturber ou endommager les équipements électroniques.
Flicker
Le flicker désigne des fluctuations rapides et répétitives de la tension du réseau qui provoquent le scintillement des éclairages.
Ces variations sont souvent causées par des charges fluctuantes telles que :
- Les postes de soudage
- Les gros moteurs
- Les éoliennes
- Déséquilibres de tension
Les déséquilibres de tension apparaissent lorsqu’une tension n’est pas répartie uniformément dans un réseau triphasé.
Ils peuvent entraîner :
- Une charge inégale des phases
- Une surchauffe des équipements
Les causes les plus fréquentes sont :
- Une répartition inégale des charges
- Des transformateurs défectueux
- Des défauts de câblage
Première, deuxième, troisième et n-ième harmonique
La composante fondamentale est appelée 1ère harmonique.
- La 1ère harmonique possède la même fréquence que la fréquence fondamentale.
- La 2ème harmonique possède une fréquence deux fois plus élevée.
- La 3ème harmonique possède une fréquence trois fois plus élevée.
- La n-ième harmonique possède une fréquence égale à n fois la fréquence fondamentale.
Interharmoniques et supraharmoniques
Les interharmoniques apparaissent lorsque les fréquences se situent entre deux multiples entiers de la fréquence fondamentale. Elles sont généralement causées par des charges non linéaires et génèrent des perturbations supplémentaires du réseau.
Les supraharmoniques sont des composantes dont les fréquences sont supérieures à la plage classique des harmoniques et peuvent également provoquer des perturbations électromagnétiques.
En résumé :
- Les harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.
- Les oscillations non harmoniques ne respectent pas cette relation.
- Les interharmoniques se situent entre deux harmoniques.
- Les supraharmoniques se situent au-delà du domaine harmonique classique.
Toutes ces composantes peuvent influencer la qualité de l’énergie.
Origine et effets des harmoniques
Comment et où les harmoniques apparaissent-elles ?
Les harmoniques apparaissent dans les réseaux électriques à cause des équipements non linéaires qui déforment la forme sinusoïdale du courant et de la tension.
Dans des conditions idéales, la tension électrique devrait suivre une sinusoïde parfaite dont la polarité alterne uniformément entre les valeurs positives et négatives.
En pratique, cette forme idéale n’existe pratiquement plus dans les réseaux modernes.
Causes des harmoniques
- Équipements non linéaires: Des équipements tels que : Les transformateurs, Les lampes fluorescentes présentent des caractéristiques non linéaires qui génèrent des harmoniques.
- Équipements d’électronique de puissance: Les dispositifs tels que : Les redresseurs, Les triacs, Les thyristors génèrent des oscillations non sinusoïdales perturbant le réseau.
- Alimentations à découpage: Les alimentations à découpage utilisées dans : Les téléviseurs, Les ordinateurs, Les éclairages halogènes génèrent des courants déformés qui provoquent des courants harmoniques et donc des distorsions de tension.
Ces phénomènes perturbent le comportement linéaire de la consommation électrique et entraînent l’apparition d’harmoniques.
Les harmoniques sont connues depuis les débuts des réseaux électriques. Cependant, l’utilisation croissante des variateurs de fréquence et de l’électronique de puissance moderne entraîne aujourd’hui une augmentation significative de ces distorsions.
Quels sont les risques et les effets négatifs des harmoniques ?
Échauffement supplémentaire
Les harmoniques provoquent un échauffement supplémentaire :
- Des moteurs triphasés
- Des moteurs à courant alternatif
- Des générateurs
Cet échauffement réduit leur rendement et leur durée de vie.
Réduction de la durée de vie
Les équipements tels que les lampes peuvent vieillir plus rapidement en raison de l’augmentation de la température des filaments.
Les vibrations harmoniques raccourcissent significativement la durée de vie des appareils électriques.
Dysfonctionnements et surcharges
Les lampes fluorescentes et leurs condensateurs peuvent être perturbés ou surchargés par les harmoniques, provoquant :
- Des pannes
- Des dysfonctionnements
Destruction d’équipements
Les pics de courant liés aux harmoniques peuvent provoquer un déplacement du point neutre.
Ce phénomène peut entraîner l’endommagement ou la destruction de certains appareils, notamment dans les réseaux triphasés.
Perturbations fonctionnelles
Les harmoniques peuvent provoquer :
- Un déplacement des passages à zéro
- Des passages à zéro multiples
Cela affecte notamment :
- Les convertisseurs de puissance
- Les dispositifs de synchronisation
- Les équipements de couplage en parallèle
- Influence sur les protections et les appareils de mesure
Les harmoniques peuvent altérer le fonctionnement :
- Des protections de distance
- Des protections contre les surintensités
- Des protections différentielles
La précision des compteurs d’énergie peut également être affectée.
Perturbation des récepteurs de télécommande centralisée
Les harmoniques peuvent réduire l’efficacité des récepteurs de télécommande centralisée et provoquer des dysfonctionnements.
Dysfonctionnement des systèmes informatiques
Les harmoniques peuvent entraîner :
- Des interruptions de fonctionnement
- Des plantages système
- Des défaillances de modules
- Des défauts d’interfaces
- Des pertes de performances
- Des problèmes de données
- Un scintillement des écrans
En résumé, les harmoniques représentent un risque important pour la stabilité et l’efficacité des réseaux électriques et des équipements connectés.
Elles peuvent provoquer :
- Un échauffement supplémentaire
- Une réduction de la durée de vie
- Des dysfonctionnements
- Des pertes de performance
- Des perturbations importantes des installations électriques
Il est donc essentiel de surveiller, mesurer et limiter les harmoniques afin de garantir la qualité de l’énergie et la sécurité d’exploitation.
FAQ – Questions fréquemment posées
Que sont les harmoniques dans un réseau électrique ?
Les harmoniques sont des composantes fréquentielles qui apparaissent comme des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Dans un réseau de 50 Hz, par exemple, 250 Hz correspond à la 5e harmonique.
Quelles sont les causes des harmoniques ?
Les harmoniques sont principalement générées par des charges non linéaires et par l’électronique de puissance.
Par exemple :
- Variateurs de fréquence
- Onduleurs photovoltaïques
- Systèmes UPS (onduleurs)
- Filtres actifs de réseau
- Infrastructures de recharge pour véhicules électriques
- Alimentations à découpage
Quelle est la différence entre les harmoniques, les interharmoniques et les supraharmoniques ?
- Les harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.
- Les interharmoniques se situent entre deux harmoniques.
- Les supraharmoniques apparaissent au-dessus de la plage de fréquences harmonique classique.
Pourquoi les harmoniques sont-elles importantes pour la Power Quality ?
Les harmoniques déforment les sinusoïdes de tension et de courant.
Les conséquences possibles sont :
- Un échauffement supplémentaire des équipements
- Une réduction de la durée de vie des appareils
- Des dysfonctionnements et pannes
- Une influence négative sur les dispositifs de mesure et de protection
- Des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM)
Comment mesurer les harmoniques ?
Les harmoniques peuvent être mesurées à l’aide d’appareils de mesure Power Quality.
Ces appareils analysent les signaux de tension et de courant dans le domaine fréquentiel et permettent de visualiser les harmoniques, les interharmoniques ainsi que d’autres perturbations du réseau.
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