Introduction aux harmoniques :Partie 1

Colin Hargis, ingénieur en chef chez Control Techniques, propose une introduction aux harmoniques dans ce blog en deux parties. La deuxième partie est disponible ici.

Ce blog est une introduction au sujet des harmoniques de puissance électrique, avec une référence particulière aux entraînements à onduleur à vitesse variable. Il vise à expliquer ce qu'ils sont et ce qu'ils font en termes simples, et à les distinguer des autres effets de la compatibilité électromagnétique (CEM) tels que les interférences de radiofréquence et le « bruit » électrique.

Pour plus de simplicité, les exemples supposent principalement une fréquence d'alimentation de 50 Hz. Si vous travaillez dans une zone utilisant 60 Hz, vous devrez adapter les fréquences de manière appropriée.

Introduction aux harmoniques ?

Une harmonique d'une fonction périodique a une fréquence qui est un multiple entier de celle de la fonction (qui est la fondamentale). En génie électrique, cette idée est principalement utilisée pour aider à comprendre l'effet des charges de puissance non linéaires, où la source de tension est sinusoïdale mais le courant est déformé, bien que toujours avec la même période. En utilisant le concept de la série de Fourier, nous pouvons représenter une forme d'onde périodique déformée comme la somme d'un certain nombre d'harmoniques.

Par exemple, un simple pont redresseur monophasé tire un courant qui est une série d'impulsions courtes aux pics de tension, comme illustré à la figure 1 ;

Figure 1 :Forme d'onde du courant pour un simple pont redresseur monophasé

Le courant peut être analysé dans ses fréquences constitutives. Il comprend une série d'harmoniques d'ordre impair, comme illustré à la figure 2 ;

Figure 2 :Analyse fréquentielle du courant dans la Figure 1

L'avantage de cette analyse est que le comportement des composants électriques est plus facile à comprendre et à définir en termes de fréquences sinusoïdales spécifiques.

Dans ce cas, avec une fréquence de réseau de 50 Hz, vous pouvez voir que les courants harmoniques jusqu'à des ordres d'environ 30, soit 1500 Hz, sont assez importants. Au-delà, ils diminuent rapidement. Les harmoniques d'ordre inférieur des ordres 3, 5, 7 et 9 ont une amplitude très élevée et ne sont pas très inférieures à la fondamentale (50 Hz).

Si les demi-cycles négatifs et positifs ont la même forme, seules les harmoniques impaires sont présentes. Dans les circuits de puissance triphasés, les harmoniques triple n (3, 6, 9, 12, etc.) sont également absents, car ils sont cophasés et les courants cophasés sont bloqués dans un circuit à trois fils.

Définition stricte et définition de travail pour les harmoniques. Interharmoniques.

Une vraie harmonique ne peut avoir qu'une fréquence qui est un multiple entier exact de la fondamentale. La plupart des dispositifs non linéaires simples tels que les redresseurs et les composants magnétiques à noyau de fer génèrent de véritables courants harmoniques.

Dans les circuits électroniques de puissance modernes utilisant une commutation active, qui peut ne pas être synchronisée avec la fréquence d'alimentation, de nouvelles fréquences peuvent être présentes qui ne sont pas de vraies harmoniques. Par exemple, comme je l'ai illustré dans les blogs numéro 4 et 5 sur les variateurs régénératifs, un onduleur fonctionnant avec une fréquence de commutation de 4 kHz avec une alimentation de 60 Hz génère des courants à des fréquences de 3880 Hz et 4120 Hz, ainsi que de nombreux autres, qui sont pas des multiples entiers de 60 Hz et ne sont donc pas de vraies harmoniques. Le terme correct pour ceux-ci est Interharmoniques . Ce sont toujours des fréquences indésirables et certains de leurs effets sont les mêmes que pour les harmoniques, donc dans la discussion générale, ils peuvent être simplement appelés « harmoniques ». Cela peut prêter à confusion, il est donc préférable de préciser s'il s'agit de vraies harmoniques ou de toutes sortes de distorsions.

Quel effet ont-ils ?

En se référant à nouveau aux figures 1 et 2, nous avons un redresseur connecté à l'alimentation secteur. L'alimentation est sinusoïdale et a une fréquence unique de 50 Hz. Le redresseur génère des courants harmoniques qui circulent dans le réseau. Le redresseur est une source de courant aux fréquences harmoniques, qui sont renvoyées dans l'alimentation et réparties dans le système électrique. La figure 3 illustre cela. Le courant harmonique est émis par la charge et provoque une tension harmonique dans l'impédance de source de l'alimentation. La tension est ressentie par d'autres utilisateurs connectés au même point de couplage commun (PCC).

Figure 3 :Propagation des harmoniques dans le réseau électrique

Les harmoniques ont des fréquences allant de 100 Hz à environ 2 500 Hz (on s'arrête généralement à l'ordre de 50, mais certaines autorités envisagent 100 ou même 200. La norme pour les mesures d'harmoniques s'arrête à 9 kHz). Le premier point intéressant est qu'il s'agit de très basses fréquences dans le spectre électromagnétique. Ceci est illustré dans le spectre illustré à la figure 4 ;

Figure 4 :Spectre électromagnétique simplifié montrant la position des harmoniques de puissance

La "radiofréquence" est généralement considérée comme commençant à 9 kHz, et en fait il existe très peu d'applications radio en dessous d'environ 100 kHz en raison de la difficulté à générer une onde électromagnétique utile. Cela signifie que les harmoniques ne se propagent pas sous forme d'ondes et qu'elles se déplacent uniquement par conduction autour du câblage du système électrique. Ils ne provoquent pas d'interférences par couplage parasite, uniquement en étant conduits dans d'autres équipements via les câbles d'alimentation. La raison pour laquelle ils doivent être pris en compte est qu'ils sont cumulatifs - donc un redresseur dans un téléviseur a un effet minuscule, mais lorsque des millions de téléviseurs fonctionnent en même temps, leurs harmoniques ont la même fréquence et la même phase, donc ils s'additionnent en le système d'alimentation. L'effet global est de déformer la forme d'onde de tension sinusoïdale. La figure 5 illustre le type de distorsion "à sommet plat" causée par les redresseurs ;

Figure 5 :Distorsion de tension causée par les harmoniques du redresseur

Un niveau modéré de courant harmonique dans le système d'alimentation n'est pas préoccupant, mais s'il devient excessif, des problèmes peuvent survenir. Certains des effets possibles d'harmoniques excessifs dans le système d'alimentation sont énumérés ci-dessous. Tous ces problèmes sont assez inhabituels, mais s'ils se produisent, ils peuvent être difficiles et coûteux à corriger.

• Échauffement accru de certains équipements électriques sensibles aux fréquences, en particulier :
  • Condensateurs pour la correction du facteur de puissance
  • Moteurs à induction
  • Transformateurs
  • Générateurs (par exemple, petits générateurs locaux tels que des alimentations de secours)
• Bruit acoustique dans les transformateurs, les barres omnibus, etc.
• Erreurs dans l'équipement utilisant la fréquence du secteur pour la synchronisation (maintenant devenues rares)
• Déclenchement indésirable des systèmes UPS qui réagissent à la distorsion de la forme d'onde
• Captation du bruit dans les systèmes audio analogiques, par ex. théâtre ou église
• Déclenchement intempestif des relais de protection du réseau électrique, entraînant la perte de l'alimentation publique

Les difficultés sérieuses avec les harmoniques sont rares sauf dans des cas assez particuliers. Un exemple est un navire qui a son propre générateur avec une capacité de puissance limitée et un grand nombre d'entraînements ou d'autres redresseurs. Cependant, les services publics d'électricité connaissent une accumulation d'harmoniques provenant des millions de petits appareils en fonctionnement, et il existe des endroits où la cinquième harmonique de l'alimentation publique est à sa valeur limite.

"Bruit"

Notez que l'effet des harmoniques n'inclut pas le type de perturbation des circuits électroniques généralement appelé "bruit électrique", qui a tendance à entraîner du bruit et des vibrations dans les systèmes d'entraînement analogiques et/ou des erreurs de données dans les liaisons de données numériques. Les raisons en sont :

• La fréquence des harmoniques est trop faible pour un couplage parasite important par induction entre circuits électriques adjacents. La plupart des interférences électriques sont causées par des fréquences beaucoup plus élevées qui peuvent être couplées électromagnétiquement ou par l'inductance parasite des connexions à la terre.

Les harmoniques se propagent sous forme de courants en mode série uniquement dans le circuit d'alimentation, c'est-à-dire qu'ils se déplacent dans les conducteurs d'alimentation du système d'alimentation et non dans les connexions de terre. Le "bruit" à haute fréquence est généralement en mode commun, c'est-à-dire qu'il se déplace dans les conducteurs et que le circuit est complété par la terre (masse). Voir la figure 6 pour une explication supplémentaire ;

Figure 6 :Mode série (a) et mode commun (b) dans un circuit de puissance monophasé

Données harmoniques :entrée et sortie, tension et courant

Les utilisateurs de variateur demandent parfois des données harmoniques pour un variateur. Il existe une possibilité de confusion car ils peuvent se référer à l'entrée ou à la sortie, et au courant ou à la tension. Le tableau ci-dessous résume les données pertinentes pour chaque lieu.

Parfois, une demande de données d'harmoniques de sortie découle de l'expérience antérieure d'un utilisateur avec des variateurs de fréquence de générations précédentes qui utilisaient la technique quasi-carrée et contenaient les harmoniques non triple-n de la fréquence de travail. Avec PWM, les harmoniques sont négligeables.

Pour résumer le tableau, les seules données harmoniques qui sont une caractéristique d'un modèle de variateur particulier sont les données de courant d'entrée. Cela devrait être disponible auprès du fournisseur sur demande.

Dans la partie 2 du blog sur les harmoniques, nous verrons comment les harmoniques sont mesurées et évaluées, comment elles varient avec la charge du disque et ce qui peut être fait si elles doivent être réduites.