Planification des réseaux électriques
Les harmoniques électriques représentent une forme de pollution des réseaux électriques, provoquée par les charges non linéaires et les dispositifs électroniques modernes. Elles constituent un enjeu crucial dans la gestion des réseaux électriques, car elles peuvent dégrader les performances, réduire l’efficacité énergétique et endommager les équipements connectés. Cet article explore en profondeur les harmoniques électriques, leurs origines, leurs effets, et les méthodes de calcul et de réduction.
Qu’est-ce qu’une harmonique électrique ?
Les harmoniques sont des composantes du courant ou de la tension à des fréquences multiples de la fréquence fondamentale du réseau électrique (généralement 50 Hz ou 60 Hz). Par exemple, une harmonique de rang 3 dans un réseau à 50 Hz a une fréquence de 3×50=1503 times 50 = 1503×50=150 Hz. Ces signaux indésirables sont générés par des charges non linéaires connectées au réseau.
Origines des harmoniques
Les charges non linéaires modifient la forme d’onde sinusoïdale normale des courants ou des tensions. Ces charges incluent :
- Variateurs de vitesse : Utilisés pour contrôler les moteurs électriques, ils génèrent des harmoniques par le biais de leur électronique de puissance.
- Redresseurs à diodes : Comme les redresseurs à 6 pulses, ils produisent des harmoniques de rangs 5, 7, 11, etc.
- Équipements électroniques : Les ordinateurs, les alimentations sans interruption (ASI), les éclairages électroniques, et les postes à souder sont des exemples d’équipements générateurs d’harmoniques.
Effets des harmoniques
Les harmoniques ont des conséquences significatives sur les réseaux électriques et les équipements. Ces effets incluent :
1. Échauffement des équipements
- Les transformateurs, câbles et moteurs subissent un échauffement excessif, réduisant leur durée de vie.
- Les condensateurs peuvent être endommagés à cause des résonances.
2. Problèmes fonctionnels
- Les affichages des appareils électroniques et les éclairages peuvent papilloter.
- Les disjoncteurs peuvent déclencher sans raison apparente.
- Les instruments de mesure peuvent donner des résultats erronés.
3. Distorsion de la tension réseau
Les harmoniques de courant se propagent dans le réseau, provoquant une distorsion de la tension qui affecte les performances des autres appareils connectés.
Analyse et calcul des harmoniques
Pour évaluer les harmoniques, il est crucial de mesurer :
1. Le taux de distorsion harmonique total (THD)
Le THD est un indicateur qui mesure l’impact global des harmoniques. Il est défini comme le rapport de la somme des puissances des harmoniques à celle de la fréquence fondamentale.
2. Les harmoniques individuelles
Les rangs spécifiques (5, 7, 11, etc.) sont calculés pour identifier les sources dominantes d’harmoniques dans le système.
3. Les normes applicables
- CEI 61000-3-2 : Limite les émissions harmoniques pour les équipements ≤ 16 A.
- CEI 61000-3-4 : Appliquée aux équipements > 16 A, elle impose des limites spécifiques pour les installations industrielles.
Réduction des harmoniques
Il existe plusieurs méthodes pour atténuer les effets des harmoniques dans les réseaux électriques :
1. Utilisation de filtres harmoniques
- Filtres passifs : Ils bloquent les fréquences harmoniques spécifiques.
- Filtres actifs : Ils injectent un courant en opposition de phase pour neutraliser les harmoniques.
2. Augmentation de l’inductance
Placer une inductance supplémentaire dans le circuit, comme dans les redresseurs, réduit les harmoniques générées.
3. Redresseurs multipulses
- Les redresseurs à 12 ou 24 pulses divisent la puissance entre plusieurs phases et éliminent certains rangs harmoniques par opposition de phase.
4. Surdimensionnement des équipements
Un surdimensionnement des transformateurs et câbles permet de tolérer les pertes supplémentaires dues aux harmoniques.
5. Révision des configurations
Optimiser les installations industrielles pour réduire les impédances de source et minimiser les harmoniques.
Normes et compatibilité électromagnétique (CEM)
La gestion des harmoniques s’inscrit dans un cadre normatif rigoureux, visant à garantir la compatibilité électromagnétique (CEM) des équipements. La norme EN 61800-3, par exemple, exige que les constructeurs spécifient les niveaux d’harmoniques produits par leurs appareils, et impose des seuils de THD pour permettre une installation conforme.
Études de cas pratiques
1. Réseau industriel
Dans un réseau industriel, les harmoniques sont souvent localisés au niveau des charges non linéaires. Une analyse approfondie au point de couplage commun (PCC) permet de déterminer si des correctifs, comme l’ajout de filtres, sont nécessaires.
2. Variateurs de vitesse
Dans une usine, l’installation de variateurs à redresseurs 6 pulses peut nécessiter un filtre pour réduire les harmoniques de rangs 5 et 7, particulièrement si les transformateurs sont de petite taille.
Conclusion
Les harmoniques électriques représentent un défi pour la gestion des réseaux modernes. Comprendre leurs origines et leurs effets est essentiel pour garantir la fiabilité et l’efficacité des systèmes électriques. Les avancées technologiques et les normes internationales fournissent des outils et des directives pour limiter leur impact. Une approche proactive, incluant des analyses détaillées et des solutions adaptées, permet de minimiser les risques et d’assurer une alimentation électrique de qualité.
Questions fréquentes
Les harmoniques électriques sont des courants ou tensions de fréquence multiple de la fréquence fondamentale du réseau (50 Hz ou 60 Hz). Elles sont générées principalement par des charges non linéaires comme les variateurs de vitesse, les onduleurs et les alimentations à découpage. Elles provoquent des surchauffes dans les équipements, des perturbations sur les systèmes de protection et une baisse de la qualité de l’énergie.
L’analyse des harmoniques se fait à l’aide d’un analyseur de qualité de l’énergie ou d’un oscilloscope équipé d’une fonction de transformation de Fourier (FFT). Ces appareils permettent de détecter les niveaux d’harmoniques présents et de comparer les résultats aux normes comme la norme IEC 61000-3-2.
Les principaux effets néfastes sont :
Surchauffe des transformateurs et moteurs, réduisant leur durée de vie
Perturbation des protections électriques, entraînant des déclenchements intempestifs
Détérioration des condensateurs, augmentant les pertes dans les batteries de compensation
Interférences électromagnétiques, affectant les équipements sensibles
Pour réduire les harmoniques, on peut :
Utiliser des filtres passifs (bobines et condensateurs) pour éliminer certaines fréquences
Installer des filtres actifs qui injectent un courant compensatoire
Employer des transformateurs à décalage de phase pour réduire certaines harmoniques
Optimiser le câblage et le dimensionnement des équipements pour limiter leur impact
Un réseau est conforme lorsque les niveaux d’harmoniques respectent les seuils définis par des normes internationales comme IEC 61000-3-2 (courants harmoniques), IEEE 519 (distorsion harmonique totale, THD), et EN 50160 (qualité de l’énergie). Une analyse périodique est nécessaire pour vérifier la conformité et éviter des problèmes d’exploitation.
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