Introduction aux harmoniques - Effet des harmoniques sur le système d'alimentation

Que sont les harmoniques et comment les filtrer et les éliminer.

(Manuel Bolotinha)

Introduction aux harmoniques

La qualité de l'alimentation électrique est un problème important tant pour les entreprises de services publics que pour les utilisateurs, mais cette qualité peut être affectée par les perturbations électromagnétiques .

Parmi ces perturbations il doit être mis en évidence harmoniques cela se produit à tous les niveaux de tension et dont l'étude, le calcul des valeurs acceptables et les méthodes de correction sont définis dans CEI ^[1] Norme 61000-2-4 : Compatibilité électromagnétique (CEM) ^[2] – Environnement – ​​Niveaux de compatibilité en industriel installations pour perturbations conduites à basse fréquence .

Que sont les harmoniques ?

Les alternateurs produisent des tensions alternatives (V ) et courants (je ) avec une forme d'onde sinusoïdale et une fréquence (f ) de 50 Hz ou 60 Hz (cette fréquence, la première harmonique , est généralement désigné par fréquence industrielle ou fondamental ), ce que l'on peut observer sur la figure 1.

Figure 1 – Tension alternative sinusoïdale

Cependant, en raison de certaines caractéristiques des équipements , qui sont installés sur le réseau, tensions et/ou courants avec des fréquences différentes , multiples entiers impairs de fréquence industrielle , pouvant être induites dans le réseau, les harmoniques , je. ex. :3e harmonique – 150Hz ou 180 Hz; 5ème harmonique – 250Hz ou 300 Hz; 7ème harmonique – 350Hz ou 420 Hz; etc.

On peut dire alors que les harmoniques sont des perturbations continues (en régime permanent) oudistorsions sur le réseau électrique et sont sujet ou problème complètement différent des pointes de ligne, des surtensions, des creux, des impulsions, etc., qui sont classées comme perturbations transitoires .

La figure 2 montre des exemples de 1ère harmonique, 3ème harmonique et 5ème harmonique.

Figure 2 – Ondes fondamentales, 3ème harmonique et 5ème harmonique

La présence d'harmoniques donne naissance à une onde déformée de tension (ou actuel ) que l'on peut observer sur la figure 3, en tenant compte du fait que toutes les formes d'onde complexes peut être résolu en une série d'ondes sinusoïdales de différentes fréquences , donc toute forme d'onde complexe est la somme d'un certain nombre d'harmoniques de valeur moindre ou supérieure .

Séries de Fourier ^[3] exprime la valeur instantanée de cette somme – u(t) – par l'équation :Où :

• t est le temps [s ]
• ω =2πf [s ^-1 ]
• T est la période [s]
• f₀ est la fréquence fondamentale [Hz ]
• s(t) est une fonction périodique intégrable dans l'intervalle [0, T]

Figure 3 – Distorsion harmonique

Généralement 3ème harmonique est le plus nocif , mais dans certaines conditions, 5e et 7e harmoniques ne peut pas être négligé .

Distorsion harmonique

Conformément à la norme CEI 61000-2-4 distorsion harmonique est caractérisé par le paramètre THD – Distorsion Harmonique Totale – calculé par l'équation :

Où Q₁ représente la valeur efficace de la tension ou du courant à fréquence industrielle et Q_i l'onde harmonique de commande “ je ” (2ème harmonique – i=2; 3ème harmonique i=3; etc.) de la tension ou du courant.

La même norme CEI définit également les paramètres suivants :

• TDC (Contenu Harmonique Total ), dont la valeur efficace est calculé par l'équation :

Où Q₁ représente la valeur efficace de la tension ou du courant à fréquence industrielle et Q la valeur efficace de la tension ou du courant .

• TDR (Taux d'harmoniques total ) – relation entre la valeur efficace de TDC et la valeur efficace de la tension ou du courant à fréquence industrielle (Q₁ ), qui est calculé par l'équation :

Habituellement, les calculs sont effectués pour la tension , en tenant compte de la puissance minimale de court-circuit triphasé (S"_K ) du réseau et valeurs maximales (en Ω ) de impédance de court-circuit dans les points où THD est calculé (Z_K; R_K; X_K ^[4] ); un logiciel spécifique est nécessaire pour effectuer ces calculs.

La norme CEI mentionnée ci-dessus définit 3 classes pour environnement électromagnétique ^[5] :

1. Classe 1 :Cette classe s'applique aux alimentations protégées et présente des niveaux de compatibilité inférieurs à ceux des réseaux publics. Elle concerne l'utilisation d'équipements très sensibles aux perturbations de l'alimentation électrique, par exemple l'instrumentation électrique dans les laboratoires, certains équipements d'automatisation et de protection, certains ordinateurs, etc.
2. Classe 2  :Cette classe s'applique généralement à PCC ^[6] et à IPC ^[7] dans les environnements d'alimentations électriques industrielles et non publiques. Les niveaux de compatibilité de cette classe sont généralement identiques à ceux des réseaux publics. Par conséquent, les composants destinés à être alimentés par des réseaux publics peuvent être utilisés dans cette classe d'environnement industriel.
3. Classe 3  :Cette classe s'applique uniquement à IPC en milieu industriel. Il présente des niveaux de compatibilité supérieurs à ceux de la classe 2 pour certains phénomènes perturbateurs. Par exemple, cette classe doit être prise en compte lorsque l'une des conditions suivantes est remplie :une grande partie de la charge est alimentée par des convertisseurs ; des machines à souder sont présentes ; les gros moteurs sont fréquemment démarrés ; les charges varient rapidement.

Harmonique compatibilité niveaux ^[8] (U_h [%] ) pour les fréquences impaires multiples sur 3 sont indiqués dans le tableau 1 et pour les fréquences impaires non multiples sur 3 sont indiqués dans le tableau 2.

Tableau 1 – Niveaux de compatibilité harmonique pour les fréquences impaires multiples de 3

Tableau 2 – Niveaux de compatibilité harmonique pour les fréquences impaires multiples de 3

Niveaux de compatibilité de THD pour chacune des classes sont :

• Classe 1 :5 % .
• Classe 2 :8 % .
• Classe 3 :10 % .

Sources et effets des harmoniques

Les harmoniques sont une source permanente de problèmes dans les équipements et systèmes électriques.

Les types de charges suivants (charges non linéaires ^[9] ) sont les principales sources d'harmoniques :

• Équipements électroniques de puissance (exemple :redresseurs, notamment ceux utilisés dans les systèmes de traction électrique – et convertisseurs statiques).
• Équipement d'arc (exemple :fours à arc, CA ou DC, machines à souder à l'arc ).
• Appareils saturables (exemple :onde de courant à vide absorbée par un transformateur dont la puissance nominale est insuffisante).

Pour minimiser la génération d'harmoniques unités de redressement sont de préférence six impulsions et ce type d'unités pour les systèmes de traction électrique généralement générer des harmoniques de courant de 5ème, 7ème, 17ème et 19ème ordre , résultant d'un déséquilibrage des diodes et de l'impédance du réseau .

Bien que d'une ampleur inférieure , dans des conditions normales de fonctionnement des équipements et du réseau , il faut tenir compte du risque de résonance pour ces fréquences .

Opérations de commutation de bancs de condensateurs et transformateurs de puissance avec une surcharge permanente sont également une source importante d'harmoniques .

Transformateurs de puissance pour les tensions au-dessus de 60 kV avec connexion étoile-étoile (Aa ) sont également une source harmonique . Pour compenser ces harmoniques, les transformateurs de puissance référencés doit avoir un enroulement tertiaire, connecté en triangle .

En dehors de la distorsion de l'onde de tension , harmoniques sont à l'origine de manipulation erronée des systèmes de contrôle et de protection, en raison des interférences électromagnétiques , augmenterl'effet peau ^[10] , provoquer des oscillations mécaniques et des vibrations des machines électriques, à savoir des transformateurs de puissance et des machines tournantes, réduire le facteur de puissance (cos Φ ), conduisent au vieillissement prématuré des matériaux d'isolation , entraînant la perte de leurs caractéristiques diélectriques , origine surchauffe et pertes croissantes , à savoir les transformateurs de puissance et les câbles, et réduire la durée de vie utile des équipements .

Harmoniques , qui sont la cause de la distorsion des ondes de tension , circulant dans des charges non linéaires , comme les moteurs , lorsqu'il est soumis à un flux magnétique variable , induire des courants de circulation (courants de Foucault ) dans les matériaux conducteurs, de quoi diminuer le couple .

Dans les systèmes déséquilibrés , harmoniques peut provoquer un courant neutre supérieur que la somme vectorielle des courants de phase à la fréquence fondamentale , entraînant une surcharge du conducteur neutre .

Effet de peau augmente résistance des conducteurs et donc chute de tension et pertes par effet Joule . Ce problème est particulièrement sensible dans les lignes aériennes avec une tension au-dessus de 150 kV et une longueur de 800 km et plus . La solution courante pour résoudre ce problème consiste à utiliser DC lignes aériennes , dans lequel effet peau n'existe pas .

Oscillation mécanique et vibrations des machines électriques tournantes peuvent être à l'origine d'un désalignement d'arbre et destruction du stator, du rotor et des roulements .

Les pertes augmentent dans les transformateurs de puissance, cela se produit dans les pertes de fer , due aux courants de Foucault et hystérésis ^[11] , qui sont proportionnels à la fréquence et en pertes de cuivre , en raison de l'effet de peau .

Compensation des harmoniques et types de filtres

Lorsque bancs de condensateurs sont utilisés pour la correction du facteur de puissance , une composante harmonique significative circule dans la batterie de condensateurs; dans ces situations, il est nécessaire d'éteindre temporairement la batterie de condensateurs pour permettre une localisation précise des sources d'harmoniques .

Dans une telle installation, c'est crucial pour vérifier s'il existe un risque de résonance harmonique causé par les harmoniques spécifiques de la batterie de condensateurs . C'est la première étape pour définir la solution correcte pour la compensation harmonique .

Une fois confirmé l'existence des harmoniques et cette valeur THD dépasse la limite défini par la norme CEI 61000-2-4 et/ou établi par l'entreprise de services publics c'est obligatoire procéder à la compensation harmonique; la solution à mettre en place dépend des caractéristiques de l'installation .

La solution la plus simple, utilisée en basse tension (V ≤ 1 kV ) installations, est l'utilisation de bobines de cuivre (voir Figure 4) qui agissent comme filtre haute fréquence , limiter le courant de démarrage des redresseurs et limiter les interférences mutuelles .

Figure 4 – Réactance pour la compensation harmonique

L'inductance (L ) de chaque phase est calculé par l'équation :Où :

• ΔV_L je s la chute de tension interne de la réactance [% ]
• V_n est la tension entre phases du réseau [V ]
• f_n est la fréquence industrielle du réseau [Hz ]
• Je_n est le [A actuel ]

Dans les réseaux et les installations avec une forte pollution électrique (niveau d'harmoniques plus élevé ), où G_h /S_n> 60 % (G_h est la puissance apparente de toutes les charges non linéaires responsable de la production d'harmoniques et S_n est la puissance apparente de tous les transformateurs en amont connecté à la même barre omnibus où les charges sont connectées ) est recommandé d'installer des filtres d'harmoniques , comme celle illustrée à la figure 5).

Figure 5 – Filtre d'harmoniques

Compensation des harmoniques peut être centralisé , avec filtres harmoniques connecté dans le standard d'arrivée principal , ou décentralisé ou local , installation des filtres harmoniques près des équipements qui sont les principales sources d'harmoniques . Les deux solutions sont illustrées à la figure 6.

Figure 6 – Emplacement des filtres harmoniques

Les filtres harmoniques sont classés en trois catégories :

Filtres passifs

Ceux-ci sont constitués de circuits d'association série LC , accordé pour chacune des fréquences qu'ils sont conçus pour compenser , généralement 5e, 7e et 11e harmoniques . Leurs principales caractéristiques sont :

• Il n'y a pas de limite aux harmoniques par rapport au courant à éliminer.
• Ils effectuent une correction du facteur de puissance.
• Ils risquent d'amplifier les harmoniques en cas de modifications du réseau.
• Il existe un risque de surcharge, causé par une pollution électromagnétique externe.

Filtres actifs

Ils sont constitués d'unités électroniques et micro-processées , contrôlant les harmoniques dans une fourchette entre la 2e et la 50e commande; pour chaque gamme de fréquences il est généré un courant , qui a un déphasage de 180° et la même valeur du courant harmonique à compenser .

Ce type de filtres est bien adapté aux modifications du réseau, des charges et de la plage harmonique , étant particulièrement adapté à la compensation décentralisée ou locale .

Filtres hybrides

Il s'agit d'une combinaison de filtres actifs et passifs , contrôlant les harmoniques dans une fourchette comprise entre la 2e et la 25e commande , effectuant également une correction du facteur de puissance .

Bon à savoir :

Bon à savoir :

^[1] CEI :Commission Electrotechnique Internationale.

^[2] Compatibilité électromagnétique est défini comme la capacité des équipements électriques à fonctionner correctement dans un "environnement électromagnétique" sans introduire aucun type de perturbations électromagnétiques dans d'autres équipements et systèmes pouvant exister dans cet environnement.

^[3] Série de Fourier sont des séries trigonométriques convergentes utilisé pour représenter la somme des fonctions sinusoïdales .

^[4] Si les valeurs de R_K e X_K du réseau il est habituel de considérer, par approximation,R_K /X_K =0,1 et l'équation

Z_K =√(R_K ² +X_K ² ).

^[5] La définition des classes est une transcription de la norme CEI 61000-2-4 .

^[6] PCC :Point sur un réseau public d'alimentation électrique, électriquement le plus proche d'une charge particulière, auquel d'autres charges sont, ou pourraient être, connectées.

^[7] IPC :Point sur un réseau à l'intérieur d'un système ou d'une installation, électriquement le plus proche d'une charge particulière, auquel d'autres charges sont, ou pourraient être, connectées.

^[8] Niveau de compatibilité définit le niveau de perturbation électromagnétique spécifié utilisé comme niveau de référence dans un environnement spécifié pour la coordination dans la définition des limites d'émission et d'immunité.

^[9] Une charge est dit non linéaire si son impédance varier avec tension appliquée .

^[10] Effet peau est un phénomène qui peut être caractérisé par la répulsion des lignes de courant électromagnétiques, qui a pour conséquence une tendance du courant alternatif à ne circuler qu'à la surface des conducteurs.

^[11] Hystérésis est le par lequel, lorsque le champ magnétique est appliqué sur un matériau ferromagnétique , en tant que noyau des transformateurs , le matériau reste magnétisé en permanence , même si le champ magnétique n'est pas présent.

À propos de l'auteur :Manuel Bolotinha

-Licence en Génie Électrique – Systèmes énergétiques et électriques (1974 – Instituto Superior Técnico/Université de Lisbonne)
– Master en Génie Électrique et Informatique (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
/>– Consultant senior en sous-stations et systèmes électriques ; Instructeur professionnel