Définition des harmoniques
Les harmoniques sont des ondes dont les fréquences sont un multiple entier supérieur ou inférieur à celles des oscillations fondamentales. Elles apparaissent en raison de charges non linéaires dans le réseau lorsque la tension électrique est déformée par divers facteurs d’influence.
Causes des perturbations/harmoniques dans le réseau électrique
L’évolution des technologies énergétiques
Afin d’utiliser l’énergie de manière plus efficace, nous contrôlons aujourd’hui de nombreuses choses à l’aide de l’électronique de puissance. Par exemple, un moteur asynchrone est souvent remplacé par un entraînement commandé par un convertisseur de fréquence ou un appareil est équipé d’une alimentation à découpage au lieu d’un transformateur.
Contrairement à l’ancienne technologie, la nouvelle technologie des appareils ne tire généralement plus de courant sinusoïdal du réseau. Les appareils de mesure de la qualité de l’énergie décomposent ce courant dans le spectre de toutes les fréquences. Dans la mesure de la qualité de l’énergie, nous subdivisons maintenant les perturbations du système en harmoniques, interharmoniques et, plus récemment, supra-harmoniques.
Nous définissons les harmoniques comme des multiples de la fondamentale (exemple 250Hz = 5ème harmonique pour une fondamentale de 50Hz). Si les fréquences se situent entre deux multiples entiers de la fondamentale, on parle d’harmoniques intermédiaires ou interharmoniques. Dans la technologie de mesure de la qualité de l’énergie et dans les normes, tous les interharmoniques d’une gamme sont généralement résumés en une seule valeur (exemple : toutes les fréquences entre >350Hz et <400Hz sont incluses dans le 7ème interharmonique).
Synonymes
En électrotechnique, des termes sont souvent utilisés comme synonymes pour décrire les harmoniques :
- Harmonique
- Harmonique de réseau
- Courants harmoniques
Signification des harmoniques en relation avec la CEM
Les harmoniques sont des fréquences supérieures indésirables qui se superposent à la forme d’onde fondamentale et créent un modèle d’onde déformé. Ces distorsions peuvent entraîner des interférences électromagnétiques (IEM) et donc nuire à la compatibilité électromagnétique (CEM). Ceci est particulièrement important dans le contexte de la fourniture d’énergie, car les harmoniques ont un impact négatif sur l’efficacité et la durée de vie des appareils et systèmes électriques.
La norme CEM IEC61000-2-2 définit les règles du jeu pour le réseau public d’aujourd’hui et, avec ses valeurs limites jusqu’à 150 kHz, détermine si un consommateur introduit des niveaux d’interférence trop élevés dans le réseau au moment du raccordement ou si un appareil perturbé a une immunité aux interférences trop faible. La technologie de mesure appropriée peut le prouver. Si le niveau d’interférence est toujours inférieur aux valeurs limites et qu’un consommateur est affecté négativement, l’immunité aux interférences est probablement trop faible. Si la valeur limite de la norme est dépassée, il est presque certain que la source de l’interférence provoque une rétroaction excessive dans le réseau.
Causes and effecs
Les harmoniques dans le réseau CA sont des ondes dont les fréquences sont supérieures à celles des oscillations fondamentales de la fréquence du réseau. Elles entraînent une distorsion de l’onde sinusoïdale du courant et de la tension et constituent une pollution électromagnétique du réseau électrique. Ces distorsions sont exprimées en pourcentage et sont également appelées distorsion harmonique totale (THD). La valeur correspond au rapport entre toutes les harmoniques de courant ou de tension et la fréquence fondamentale – généralement la fréquence fondamentale de 50 hertz.
Causes typiques et leurs fréquences d’horloge/plages de fréquences pour les perturbations du réseau avec lesquelles nous devons compter aujourd’hui dans les réseaux modernes d’approvisionnement en électricité :
- Variateur de fréquence: 4kHz bis 20kHz
- Convertisseur solaire (400V): 16kHz bis 22kHz
- Centrale éolienne (réseau MT): 2kHz bis 6kHz
- Station de recharge mobile: 10kHz bis 80kHz
- Filtres secteur actifs: 8kHz bis 20kHz
- Systèmes UPS: 15kHz bis 25kHz
- Lampes ECG: 20kHz bis 200kHz
- Alimentations à découpage: 30kHz bis 300kHz
En résumé, on peut dire que les harmoniques sont un facteur critique de l’alimentation électrique qui influence la compatibilité électromagnétique. Elles sont causées par les consommateurs et les distributeurs, qui provoquent une rétroaction négative dans le réseau sous la forme de distorsions de la tension électrique. Les harmoniques se produisent au-dessus ou au-dessous de la fréquence fondamentale de l’onde sinusoïdale de la tension et peuvent également être décrites par divers synonymes tels que interharmoniques ou supraharmoniques. Leurs effets sur l’efficacité et la stabilité des réseaux électriques et des appareils électriques sont considérables et ne doivent donc pas être sous-estimés.
Série vidéo actuelle – sous-titres français disponibles
Tout sur la mesure et l’analyse de la qualité de l’énergie pour détecter les harmoniques et autres perturbations du réseau telles que les transitoires, le papillotement et les asymétries de tension.
Évolution des technologies énergétiques – Partie 1
Cet article, rédigé en collaboration avec le portail Schutztechnik.com, traite de l’évolution actuelle des technologies énergétiques. Il examine également les effets des perturbations du réseau et leur impact sur les appareils de mesure que nous utilisons aujourd’hui pour détecter les défauts du réseau.
Changements dans les technologies de l’énergie – Partie 2
Les normes jouent un rôle majeur dans les mesures de la qualité de l’énergie. Il est donc essentiel qu’elles soient également adaptées aux nouvelles conditions dans le cadre de l’évolution de la technologie énergétique. Dans le deuxième article de notre série, nous examinons les normes actuelles dans le domaine de la qualité de l’énergie et la manière dont elles doivent être interprétées par rapport aux fréquences de commutation élevées.
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. 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.
Mesures de la qualité de l’énergie :
Le troisième harmonique
Le rapport « Le conducteur neutre et les harmoniques » a déjà expliqué les particularités des harmoniques divisibles par 3 et pourquoi elles s’additionnent sur le conducteur neutre. Ce rapport d’application a pour but d’illustrer une fois de plus ce phénomène à l’aide d’une mesure typique dans le réseau et de montrer ce qu’il faut prendre en compte pour les mesures de la qualité de l’énergie. Le cas décrit concerne les problèmes de qualité de l’énergie dans un immeuble de bureaux.
Quatre façons de mesurer le courant
Cette vidéo examine les différentes méthodes de mesure du courant. Elle montre comment les courants sont mesurés à l’aide d’analyseurs de puissance et de pinces ampèremétriques. Elle examine les avantages et les inconvénients respectifs de différentes technologies telles que les shunts, les pinces de courant normales, les capteurs à effet Hall et les bobines de Rogowski. Les erreurs de mesure possibles sont également abordées.
Détermination de l’angle des harmoniques de tension et de courant
Qui est à l’origine des harmoniques, le client ou l’entreprise de distribution d’énergie ? Et est-il même possible de déterminer la direction des harmoniques ? Jürgen Blum, Product Manager ‘PQMobil’ et inventeur de la PQ-Box d’A. Eberle, répond à ces questions dans cette vidéo.
Cos ϕ vs. facteur de puissance λ – Théorie
Ce rapport technique traite de la distinction entre le facteur de puissance et le cosinus phi. Le cosinus phi, autrefois souvent connu comme le rapport entre la puissance active et la puissance apparente, a une signification différente pour de nombreux consommateurs aujourd’hui. Il existe une différence frappante dans la définition du calcul du facteur de puissance ou du cosinus phi.
Cos ϕ vs. facteur de puissance λ – Pratique
Ce deuxième rapport technique sur le thème de la puissance réactive et en particulier de la puissance réactive de distorsion complète le premier article Cos ϕ vs. power factor theory. Dans cet article, la tension et le courant d’une lampe à incandescence sont mesurés en ligne à l’aide d’un analyseur de réseau (PQ-Box 200), qui est régulé par un contrôle de l’angle de phase. Cet exemple de mesure est utilisé pour illustrer les différents types de puissance réactive.
Trucs et astuces 1 – Comment utiliser les appareils de mesure de la qualité de l’énergie et les erreurs typiques d’application
Cet article vous donne de précieux conseils et astuces pour effectuer des mesures de la qualité de l’énergie. Il explique quelles erreurs de connexion peuvent être commises et quelles considérations préliminaires doivent être faites avant d’utiliser un appareil de mesure. En ce qui concerne le choix de l’appareil de mesure, il est question de la décision à prendre entre un appareil de mesure mobile et un analyseur de la qualité de l’énergie installé à demeure.
Trucs et astuces 2 – Comment utiliser les appareils de mesure de la qualité de l’énergie et erreurs typiques d’application
Ce sujet est divisé en deux articles (Conseils et astuces, partie 1 et partie 2). Voici la partie 2.
Types d’harmoniques
Quand une onde est-elle harmonique et quand ne l’est-elle pas ?
Les harmoniques sont des ondes qui se produisent au-dessus ou au-dessous de la fréquence fondamentale. Une oscillation harmonique est présente si le mouvement du corps oscillant correspond à la projection d’un mouvement circulaire uniforme et peut être décrit par une fonction sinus ou cosinus. Une oscillation peut également être décrite comme harmonique si la force de rappel sur le corps oscillant est dirigée dans la direction opposée et est proportionnelle à la déviation du corps par rapport à sa position de repos. Ces conditions définissent quand une oscillation est considérée comme harmonique d’un point de vue physique.
Les vibrations non harmoniques, en revanche, ne remplissent pas ces conditions. Elles ne présentent pas de mouvement circulaire uniforme et la force de rappel n’est pas proportionnelle à la déflexion. Outre les harmoniques, il existe d’autres types de pollution du réseau qui peuvent être détectés à l’aide d’une technologie de mesure appropriée.
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 la foudre, les opérations de commutation ou les variations soudaines de charge. Ils peuvent perturber ou endommager les appareils électroniques.
Le scintillement fait référence aux fluctuations rapides et répétées de la tension du réseau qui provoquent le scintillement de l’éclairage. Ces fluctuations sont souvent causées par des charges qui varient périodiquement, comme le soudage.
Les asymétries de tension se produisent lorsque la tension dans un réseau triphasé est inégalement répartie, ce qui peut entraîner une charge inégale sur les phases et une éventuelle surchauffe. Cela peut être dû à des charges inégalement réparties, à des transformateurs défectueux ou à un câblage défectueux.
Première, deuxième, troisième et n-ième harmoniques
La forme d’onde fondamentale est connue sous le nom de première harmonique. La première harmonique a la même fréquence que la fondamentale. La deuxième harmonique a une fréquence deux fois plus élevée que la fondamentale, et la troisième harmonique a une fréquence trois fois plus élevée que la fondamentale. Il en va de même pour la nième harmonique, dont la fréquence est égale à n fois la fréquence fondamentale.
Interharmoniques et supraharmoniques
On parle d’interharmoniques lorsque les fréquences des oscillations se situent entre des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Elles peuvent être causées par des charges non linéaires et entraîner des interférences supplémentaires dans le réseau électrique.
Les supra-harmoniques sont des harmoniques dont les fréquences sont plus élevées que les fréquences harmoniques typiques et peuvent également entraîner des interférences électromagnétiques.
En résumé, les oscillations harmoniques se caractérisent par leurs fréquences, qui sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Les oscillations non harmoniques ne remplissent pas cette condition et peuvent également provoquer des interférences dans le réseau électrique. Les premières, deuxièmes, troisièmes et énièmes harmoniques ont des fréquences qui sont une, deux, trois ou n fois plus élevées que la fréquence fondamentale. Les harmoniques interharmoniques et supra-harmoniques comprennent les fréquences qui se situent entre ou au-dessus des fréquences harmoniques et peuvent également influencer la qualité de l’énergie.
Origine et effets des harmoniques
Comment et où se produisent les harmoniques ?
Les harmoniques apparaissent dans les réseaux électriques en raison d’équipements et de dispositifs non linéaires qui déforment la forme sinusoïdale des courbes de courant et de tension. Idéalement, la tension électrique devrait suivre une courbe sinusoïdale parfaite sur laquelle la polarité alterne régulièrement entre les valeurs positives et négatives. Toutefois, cette courbe uniforme n’est que théorique et est pratiquement impossible à trouver dans la réalité d’aujourd’hui.
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 des appareils tels que les téléviseurs, les ordinateurs et les éclairages halogènes et génèrent des courants qui entraînent des courants harmoniques et donc des distorsions de tension.
Ces facteurs perturbent la consommation linéaire de courant et entraînent des harmoniques. Les harmoniques sont un problème connu depuis les débuts des réseaux de distribution électrique. Cependant, avec le développement et l’augmentation rapide de l’utilisation de convertisseurs de fréquence dans les appareils/consommateurs modernes, ces distorsions augmentent fortement.
Quels sont les effets négatifs des harmoniques ? Quels sont les risques ?
Les harmoniques peuvent avoir un impact négatif important sur les réseaux électriques et les appareils qui y sont connectés. Voici quelques-uns des problèmes et des risques les plus importants :
Chauffage supplémentaire
Les harmoniques entraînent un échauffement supplémentaire des moteurs et des générateurs à courant triphasé et alternatif. Cet échauffement supplémentaire 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 raison de l’augmentation de la température du filament. Les vibrations harmoniques peuvent réduire considérablement la durée de vie des appareils électriques.
Dysfonctionnements et surcharges
Les lampes fluorescentes et les condensateurs associés peuvent être perturbés ou surchargés par les harmoniques, ce qui peut entraîner des pannes et des dysfonctionnements.
Destruction des appareils
Les pointes d’appel élevées causées par les harmoniques peuvent entraîner un déplacement du point neutre, ce qui peut endommager ou détruire les appareils, en particulier dans les systèmes à courant alternatif triphasé.
Dysfonctionnements et dégradations
Les harmoniques peuvent entraîner des dysfonctionnements en raison d’un décalage des passages à zéro et de l’apparition de multiples 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 tels que la protection de distance, la protection contre les surintensités ou la protection différentielle peuvent être altérés par les harmoniques. La précision des compteurs à induction peut également 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, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements et des pannes.
Dysfonctionnement des systèmes informatiques
Les harmoniques peuvent provoquer des perturbations massives dans les systèmes informatiques, notamment des défaillances opérationnelles, des pannes de système, des défaillances de module, des défauts d’interface, des pertes de performance, des problèmes de données et des scintillements d’écran.
En résumé, les harmoniques représentent un risque important pour la stabilité et l’efficacité des réseaux et des appareils électriques. Elles peuvent entraîner un échauffement supplémentaire, une réduction de la durée de vie, des dysfonctionnements des appareils et des dégradations fonctionnelles importantes. Il est donc important de prendre des mesures pour réduire et contrôler les harmoniques afin de garantir la qualité de l’énergie et la sécurité opérationnelle.
Mesure des harmoniques avec les appareils de mesure de la classe a (IEC61000-4-30 Ed.3) par A. Eberle
PQMobil – Nos analyseurs de puissance portables
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Lors de leur développement, la convivialité et les considérations pratiques ont été au centre des préoccupations. Pour localiser rapidement la cause des erreurs de réseau, les appareils sont équipés d’une large gamme d’options de déclenchement.
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