Définition des harmoniques électriques
Les harmoniques électriques sont des composantes fréquentielles dont les fréquences correspondent à des multiples entiers de la fréquence fondamentale. En pratique, elles apparaissent notamment lorsque des charges non linéaires déforment la tension ou le courant dans le réseau électrique.
Points clés sur les harmoniques électriques
- Les harmoniques électriques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.
- Par ailleurs, les charges non linéaires et l’électronique de puissance peuvent déformer le courant et la tension.
- En pratique, les appareils de mesure de la qualité de l’énergie analysent les signaux dans le domaine fréquentiel.
- Enfin, les effets possibles incluent les perturbations CEM, l’échauffement supplémentaire et les dysfonctionnements d’appareils.
Causes des perturbations et des harmoniques électriques dans le réseau
L’évolution des technologies énergétiques
Afin d'utiliser l'énergie de manière plus efficace, de nombreux systèmes utilisent aujourd'hui l'électronique de puissance. Par exemple, un moteur asynchrone est souvent remplacé par un entraînement commandé par un convertisseur de fréquence. De plus, certains appareils utilisent une alimentation à découpage au lieu d'un transformateur.
Contrairement à l'ancienne technologie, la nouvelle technologie des appareils ne prélève généralement plus de courant sinusoïdal sur le réseau. Ainsi, les appareils de mesure de la qualité de l’énergie décomposent ce courant dans le spectre de toutes les fréquences. En pratique, la mesure de la qualité de l’énergie distingue les harmoniques, les interharmoniques et, plus récemment, les supra-harmoniques.
Les harmoniques sont définies comme des multiples de la fréquence fondamentale. Par exemple, 250 Hz correspond à la 5e harmonique pour une fondamentale de 50 Hz. Si les fréquences se situent entre deux multiples entiers, on parle d’interharmoniques. Dans les normes et la mesure de la qualité de l’énergie, une plage d’interharmoniques est généralement résumée en une seule valeur. Ainsi, toutes les fréquences entre >350 Hz et <400 Hz sont incluses dans la 7e interharmonique.
Termes synonymes
En électrotechnique, des termes sont souvent utilisés comme synonymes pour décrire les harmoniques :
- Harmonique
- Ondes harmoniques de réseau
- Courants harmoniques
Signification des harmoniques en relation avec la CEM
Les harmoniques électriques sont des fréquences supérieures indésirables. Elles se superposent à la forme d'onde fondamentale et créent une onde déformée. Par conséquent, ces distorsions peuvent entraîner des interférences électromagnétiques (IEM) et nuire à la compatibilité électromagnétique (CEM). Ce point est important pour l'alimentation électrique. En effet, les harmoniques électriques peuvent réduire l'efficacité et la durée de vie des appareils et systèmes électriques.
La norme CEM IEC 61000-2-2 définit les exigences applicables au réseau public. Avec ses valeurs limites jusqu'à 150 kHz, elle aide à évaluer les niveaux d'interférence au point de raccordement. Ainsi, la mesure peut montrer si un consommateur injecte trop de perturbations dans le réseau. Elle peut aussi indiquer si un appareil présente une immunité insuffisante. Si le niveau reste sous les valeurs limites, l'immunité de l'appareil perturbé est probablement trop faible. En revanche, si la limite est dépassée, la source de perturbation provoque très probablement des rétroactions excessives dans le réseau.
Causes et effets
Les harmoniques dans le réseau électrique alternatif ont des fréquences supérieures à la fréquence fondamentale du réseau. Elles déforment l'onde sinusoïdale du courant et de la tension. Ainsi, elles constituent une pollution électromagnétique du réseau électrique. Ces distorsions sont exprimées en pourcentage et sont aussi appelées distorsion harmonique totale (THD). Cette valeur compare les harmoniques de courant ou de tension à la fréquence fondamentale, généralement 50 Hertz.
Exemples typiques de sources de perturbations et plages de fréquences dans les réseaux électriques modernes :
- Variateur de fréquence : 4 kHz à 20 kHz
- Onduleur solaire (400 V) : 16 kHz à 22 kHz
- Installation éolienne (réseau MT) : 2 kHz à 6 kHz
- Véhicule électrique : 10 kHz à 80 kHz
- Filtres actifs : 8 kHz à 20 kHz
- Systèmes UPS : 15 kHz à 25 kHz
- Luminaires avec ballast électronique : 20 kHz à 200 kHz
- Alimentations à découpage : 30 kHz à 300 kHz
En résumé, les harmoniques sont un facteur critique pour l'alimentation électrique et la CEM. Elles sont causées par des consommateurs, des producteurs et des charges connectées. Ces éléments provoquent des rétroactions dans le réseau sous forme de distorsions de la tension électrique. De plus, les harmoniques électriques peuvent être décrites par des termes comme harmoniques de réseau ou courants harmoniques. Leurs effets sur l'efficacité et la stabilité des réseaux ne doivent donc pas être sous-estimés.
Série vidéo actuelle - sous-titres français disponibles
Mesure et analyse de la qualité de l’énergie pour détecter les harmoniques, les transitoires, le papillotement et les asymétries de tension.
Évolution des technologies énergétiques - Partie 1
Cet article, rédigé avec le portail Schutztechnik.com, traite de l'évolution actuelle des technologies énergétiques. De plus, il examine les perturbations du réseau. Enfin, il montre leur impact sur les appareils de mesure utilisés pour détecter les défauts.
Évolution des technologies énergétiques - Partie 2
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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 concernées. Mais que sont les harmoniques, comment apparaissent-elles et quelle est leur influence sur le conducteur neutre ? Cet article traite de ces questions et vise à faire la lumière sur le sujet.
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Types d’harmoniques
Quand une onde est-elle harmonique et quand ne l'est-elle pas ?
Les harmoniques électriques apparaissent au-dessus de la fréquence fondamentale. Ainsi, elles prennent la forme de composantes fréquentielles multiples de cette fondamentale. Une oscillation harmonique existe lorsque le mouvement correspond à la projection d'un mouvement circulaire uniforme. Ainsi, elle peut être décrite par une fonction sinus ou cosinus. De plus, une oscillation peut aussi être harmonique lorsque la force de rappel est opposée au mouvement. Enfin, cette force doit être proportionnelle à l'écart par rapport à la position de repos.
Les oscillations non harmoniques, en revanche, ne remplissent pas ces conditions. En effet, elles ne présentent pas de mouvement circulaire uniforme. De plus, la force de rappel n'est pas proportionnelle à la déflexion. Outre les harmoniques, d'autres perturbations du réseau peuvent être détectées avec une technologie de mesure appropriée.
Les transitoires sont des pics de tension ou de courant soudains et de courte durée. Ils sont provoqués par des changements rapides dans le réseau, par exemple la foudre, les opérations de commutation ou les variations soudaines de charge. Par conséquent, ils peuvent perturber ou endommager les appareils électroniques.
Le flicker désigne les fluctuations rapides et répétées de la tension du réseau. Ainsi, ces variations provoquent le scintillement de l'éclairage. Par exemple, elles sont souvent causées par des charges périodiques, des appareils de soudage, de grands moteurs ou des éoliennes.
Les asymétries de tension apparaissent lorsque la tension est répartie de façon inégale dans un réseau triphasé. Ainsi, cela peut entraîner une charge inégale sur les phases et une surchauffe. Par exemple, les causes possibles sont des charges mal réparties, des transformateurs défectueux ou un câblage défectueux.
Première, deuxième, troisième et n-ième harmoniques
La forme d'onde fondamentale est appelée 1re harmonique. Elle a la même fréquence que la fondamentale. Ensuite, la deuxième harmonique a une fréquence deux fois plus élevée. De plus, la troisième harmonique a une fréquence trois fois plus élevée. Enfin, la n-ième harmonique a une fréquence égale à n fois la fréquence fondamentale.
Interharmoniques et supraharmoniques
On parle d'interharmoniques lorsque les fréquences se situent entre des multiples entiers de la fréquence fondamentale. En effet, elles peuvent être causées par des charges non linéaires. De plus, elles peuvent entraîner des interférences supplémentaires dans le réseau électrique.
Les supra-harmoniques ont des fréquences plus élevées que les fréquences harmoniques typiques. Elles peuvent également entraîner des interférences électromagnétiques.
En résumé, les oscillations harmoniques ont des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Cependant, les oscillations non harmoniques ne remplissent pas cette condition. Elles peuvent toutefois provoquer des interférences dans le réseau électrique. De plus, les interharmoniques et les supraharmoniques peuvent aussi influencer la qualité de l’énergie.
Origine et effets des harmoniques électriques
Comment et où se produisent les harmoniques ?
Les harmoniques électriques apparaissent dans les réseaux en présence d'équipements non linéaires. Ces équipements déforment la forme sinusoïdale du courant et de la tension. Idéalement, la tension électrique devrait suivre une courbe sinusoïdale parfaite. Toutefois, cette situation reste théorique. Dans la réalité, une courbe parfaitement uniforme est aujourd'hui pratiquement impossible à trouver.
Causes des harmoniques
- Équipements non linéaires : Les appareils tels que les transformateurs et les lampes fluorescentes ont une courbe caractéristique non linéaire qui entraîne des oscillations harmoniques.
- Équipement électronique de puissance : Les redresseurs, les triacs et les thyristors génèrent des oscillations non harmoniques qui perturbent le réseau.
- Alimentations à découpage : Elles sont courantes dans les téléviseurs, les ordinateurs et les éclairages halogènes. Elles génèrent des courants harmoniques et donc des distorsions de tension.
Ces facteurs perturbent la consommation linéaire de courant et entraînent des harmoniques électriques. Le problème est connu depuis les débuts des réseaux de distribution électrique. Cependant, les distorsions augmentent fortement avec les convertisseurs de fréquence modernes. De plus, leur usage progresse rapidement dans de nombreux appareils et consommateurs.
Effets négatifs et risques des harmoniques électriques
Les harmoniques électriques peuvent avoir un impact négatif sur les réseaux et les appareils connectés. Voici les principaux problèmes et risques :
Échauffement supplémentaire
Les harmoniques électriques entraînent un échauffement supplémentaire des moteurs et des générateurs. Ainsi, cet échauffement réduit la durée de vie et l'efficacité des appareils électroniques.
Réduction de la durée de vie
Les appareils tels que les ampoules électriques peuvent s'user plus rapidement. En effet, la température du filament peut augmenter. Par conséquent, les vibrations harmoniques peuvent réduire la durée de vie des appareils électriques.
Dysfonctionnements et surcharges
Les lampes fluorescentes et les condensateurs associés peuvent être perturbés par les harmoniques. De plus, une surcharge peut entraîner des pannes et des dysfonctionnements.
Détérioration des appareils
Les pointes d'appel élevées causées par les harmoniques peuvent entraîner un déplacement du point neutre. Cela peut endommager ou détruire des appareils, en particulier dans les systèmes triphasés.
Dysfonctionnements et dégradations
Les harmoniques électriques peuvent entraîner des dysfonctionnements dus à un décalage des passages à zéro. Elles peuvent aussi provoquer plusieurs passages à zéro. Cela affecte les convertisseurs de puissance, les dispositifs de synchronisation et les dispositifs de commutation en parallèle.
Altération des dispositifs de protection et de mesure
Les dispositifs de protection peuvent être altérés par les harmoniques. Cela concerne par exemple la protection de distance, la protection contre les surintensités ou la protection différentielle. De plus, la précision des compteurs à induction peut aussi être affectée.
Altération du fonctionnement des récepteurs de contrôle de l'ondulation
Les harmoniques peuvent altérer le fonctionnement des récepteurs de contrôle de l'ondulation. Ainsi, des dysfonctionnements et des pannes peuvent apparaître.
Dysfonctionnement des systèmes informatiques
Les harmoniques électriques peuvent provoquer des perturbations importantes dans les systèmes informatiques. Cela inclut des défaillances opérationnelles, des pannes système, des défauts d'interface, des pertes de performance et des problèmes de données. Des scintillements d'écran peuvent également apparaître.
En résumé, les harmoniques électriques représentent un risque pour la stabilité et l'efficacité des réseaux. Elles peuvent provoquer un échauffement supplémentaire, une durée de vie réduite et des dysfonctionnements. C'est pourquoi il est important de réduire et de contrôler les harmoniques. Ainsi, cette démarche contribue à garantir la qualité de l’énergie et la sécurité opérationnelle.
FAQ - Questions fréquentes
Que sont les harmoniques électriques?
Les harmoniques électriques sont des composantes de fréquence qui apparaissent comme des multiples entiers de la fréquence fondamentale.
Quelles sont les causes des harmoniques dans le réseau électrique ?
Elles sont surtout causées par des charges non linéaires et par l’électronique de puissance, par exemple les variateurs de fréquence, les onduleurs ou les alimentations à découpage.
Quelle est la différence entre harmoniques, interharmoniques et supraharmoniques ?
Les harmoniques sont des multiples entiers de la fondamentale. Les interharmoniques se situent entre ces multiples, tandis que les supraharmoniques apparaissent dans des plages de fréquences plus élevées.
Pourquoi les harmoniques électriques sont-elles importantes pour la qualité de l’énergie ?
Elles peuvent déformer la tension et le courant, provoquer un échauffement supplémentaire, réduire la durée de vie des appareils et perturber les dispositifs de mesure ou de protection.
Comment mesurer les harmoniques électriques ?
Elles se mesurent avec des appareils de mesure de la qualité de l’énergie, qui analysent les signaux de tension et de courant dans le domaine fréquentiel.
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