Mesures de la qualité de l’énergie :

Le conducteur N et les harmoniques

Dans les mesures de la qualité de l’énergie, les harmoniques impaires telles que les 15e, 21e et 27e sont souvent violées. Qu’est-ce que les harmoniques, comment cela se produit-il et quelle influence cela a-t-il sur le conducteur neutre ? Cet article répond à ces questions et fait la lumière sur ce sujet.

Définition des harmoniques

En raison du nombre croissant de consommateurs non linéaires, il se produit de plus en plus de rétroactions sur le réseau qui peuvent être caractérisées par un courant non sinusoïdal. Le TÜV SÜD définit les harmoniques comme suit :

Les harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence du réseau. Elles sont causées par des charges non linéaires telles que les lampes à décharge (par exemple les lampes à économie d’énergie), les transformateurs surchargés, les unités d’alimentation électrique avec des redresseurs de valeur de crête et par l’utilisation de vannes de conversion d’énergie, par exemple les redresseurs, les convertisseurs de fréquence, les régulateurs, les systèmes UPS. Ces consommateurs et équipements se caractérisent par un courant non sinusoïdal ou un flux de courant qui est périodiquement activé et désactivé. Les générateurs dont la technologie des enroulements permet de générer des tensions harmoniques (champs harmoniques) provoquent également des courants harmoniques lorsqu’ils sont connectés au réseau. Ces grandeurs non sinusoïdales peuvent être ramenées à des grandeurs sinusoïdales à l’aide de procédures mathématiques appropriées (analyse de Fourier). Outre la fréquence fondamentale (en Europe : 50 Hz), elles contiennent également des multiples entiers, appelés harmoniques. Ces courants harmoniques provoquent des chutes de tension au niveau des impédances du réseau ou de l’impédance du générateur. Ces chutes de tension (tensions harmoniques) se superposent à la fréquence fondamentale (50 Hz) et faussent la forme sinusoïdale de la tension du réseau. Par conséquent, le bon fonctionnement d’autres consommateurs (moteurs, générateurs, condensateurs, etc.) peut être perturbé.

Ces harmoniques peuvent être détectées par des mesures de la qualité de l’énergie. La figure 1 montre une mesure typique de la qualité de l’énergie dans le cas décrit ci-dessus. À première vue, les harmoniques sont exclusivement impaires et divisibles par trois.

Figure 1 : Rapport de dépassement de valeur limite selon EN 50160

Effets des appareils monophasés

De nos jours, on utilise de plus en plus d’appareils monophasés commandés par une alimentation à découpage. Dans le domaine domestique, il s’agit par exemple d’ordinateurs, de consoles de jeux et de nombreux autres appareils ménagers. Aujourd’hui, ces appareils n’ont plus de transformateur en amont, mais une alimentation à découpage. Dans la plupart des cas, un pont redresseur est intégré à l’entrée de ces alimentations à découpage, qui absorbe le courant sous forme d’impulsions. Auparavant, le courant était absorbé de manière sinusoïdale par une charge résistive. La figure 2 montre une mesure de l’impulsion.

Figure 2 : Circuit d’entrée avec B2

En décomposant le courant en son spectre, toutes les harmoniques impaires sont présentes. Les harmoniques divisibles par trois s’additionnent sur le conducteur N. Cela s’explique par le fait que les phases L2 et L3 sont déphasées de 120° dans le système triphasé. Le déphasage de 120° est bien sûr aussi le décalage temporel dans lequel une oscillation sinusoïdale complète de 150 Hz est effectuée, comme le montre la figure 3. On peut voir sur la figure qu’après 120°, une onde sinusoïdale complète est passée et que la phase L2 suivante commence. Si nous supposons maintenant que des charges similaires sont installées dans le réseau sur les trois phases, la troisième harmonique de la position de phase pour les phases L2 et L3 sera certainement aussi dans une position similaire.

Figure 3 : oscillations sinusoïdales triphasées + 150

Si les charges sur les trois phases L1, L2 et L3 sont symétriques et chargées de 100 A, le conducteur N n’est pas chargé. Toutefois, cela n’est vrai que pour la fondamentale et pour toutes les harmoniques qui ne sont pas divisibles par 3. Si vous pouvez mesurer 10 A sur toutes les phases pour une cinquième harmonique, vous ne verrez alors que 0 A sur le conducteur N. La troisième harmonique présente une caractéristique particulière : comme la position initiale est exactement de 120°, la somme de tous les échantillons des phases L1, L2, L3 et du conducteur N doit être égale à 0. Si les phases se chevauchent exactement, cela signifie que trois fois le courant doit circuler sur le conducteur N. Cette circonstance s’applique également à la fréquence double et triple, ainsi qu’à la sixième ou à la neuvième harmonique. Toutefois, lors des enquêtes sur le réseau, ce sont surtout les harmoniques impairs qui sont détectés, alors que les harmoniques pairs n’apparaissent généralement pas.

Effets des harmoniques de courant sur le réseau électrique

En conclusion, on peut dire que les harmoniques de courant dont le nombre ordinal est divisible par trois se superposent à une magnitude triple avec une charge symétrique dans le conducteur neutre. Cela pose un problème pour le réseau dans la mesure où l’impédance du réseau pour les harmoniques divisibles par 3 est quatre fois plus grande que pour la cinquième harmonique ou la fondamentale. Par symétrie, aucun courant ne circule de la cinquième harmonique sur le conducteur N, mais des courants trois fois plus importants peuvent être mesurés à partir de la troisième harmonique, qui retourne au transformateur. Par conséquent, pour les harmoniques divisibles par 3, il est toujours très important de savoir à quel endroit du réseau ces harmoniques sont évaluées. Si les mesures sont effectuées relativement près du transformateur, une harmonique divisible par trois y est généralement très discrète. Cependant, plus on s’éloigne du transformateur en direction du consommateur, plus les harmoniques divisibles par trois augmentent rapidement sur la tension : beaucoup plus rapidement que ne le ferait une cinquième ou une septième harmonique.

La tendance vers des réseaux avec des harmoniques plus chargés ne peut être évitée en raison du grand nombre d’appareils monophasés. Tous ces appareils augmentent le niveau des harmoniques divisibles par trois, comme la 3e, la 15e ou la 21e harmonique. Entre-temps, les normes ont réagi et augmenté les niveaux de compatibilité autorisés pour le réseau public. Par exemple, dans la norme EN 50160 actuelle, le niveau de compatibilité pour la 15e harmonique est passé de 0,5 % à 1,0 %.

Si des évaluations de la qualité de l’énergie sont effectuées de nos jours, les valeurs limites enregistrées dans les appareils de mesure doivent être correctement réglées sur les valeurs limites actuellement en vigueur

Auteur
Jürgen Blum, chef de produit Power Quality Mobile

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