Courants harmoniques

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 dû au fait que la tension électrique délivrée n'est pas parfaitement sinusoïdale. Ils ne proviennent en général pas de l'alimentation mais du réseau client : les centrales électriques générant des tensions normalement sinusoïdales, les courants harmoniques sont en général dus à la présence d'une charge électrique non linéaire dans un réseau électrique. 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.

Rang des harmoniques

Dans le cadre de la décomposition en série de Fourier d'un signal périodique, un courant électrique est décomposé en un signal sinusoïdal à la fréquence du réseau, et la somme (en général 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

En général les charges du réseau sont symétriques, c'est-à-dire qu'elles ont le même comportement pour un courant 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

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

Interharmoniques

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 d'électronique 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 générateur d'harmoniques

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 entrainer 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 dans une période où les industries tournent au ralenti, mais où les téléviseurs sont massivement allumés.

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

Dans l'industrie

• Variateur de vitesse pour moteurs électriques
• Soudeuses
• Four à arc utilisé dans la métallurgie,

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

Dans les usages domestiques

• 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

Effets instantanés

Les effets des harmoniques les plus connus sont la destruction des condensateurs et des disjoncteurs.

• 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

• Échauffement supplémentaire des câbles et transformateurs, donc vieillissement prématuré, risques de surintensité sauf si déclassement du matériel électrique.

Limites tolérables

Limite en tension

On définit le concept de Total Harmonic Distortion. 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

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

Solutions

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

Filtrage passif

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

Les filtres anti-harmonique sont généralement installés en HTA. Ils peuvent participer à la compensation en énergie réactive. Ils sont composés d'ensemble condensateurs - selfs dont la fréquence de résonance est accordée sur les rangs des harmoniques générées.

Généralement les harmoniques de rang 3 sont filtrées par le réseau (transformateurs) et ne nécessitent pas de filtrage spécifique. On prévoira par contre souvent un filtre accordé sur le rang 5.

Filtrage actif

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

Modification de l'installation

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

Annexes

Articles connexes

• réseau électrique ~ courant alternatif
• charge électrique non linéaire

Liens externes

Sources et Références

Sources

• Cahier technique Schneider 152
• Norme française NF C13-200
• OTT (R) Qualité de la tension- Harmoniques, Techniques de l'ingénieur, fascicule D4264.

Références

• Portail de l’électricité et de l’électronique