Comprendre les harmoniques électriques : Partie 1 – Fondamentaux et impact

Colin Hargis, ingénieur en chef chez Control Techniques, offre 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 référence spéciale aux variateurs onduleurs à vitesse variable. Il vise à expliquer ce qu'ils sont et ce qu'ils font en termes simples, et à les distinguer d'autres effets de Compatibilité Électromagnétique (CEM) tels que les interférences radiofréquence et le « bruit » électrique.

Pour la 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 ?

Un harmonique d'une fonction périodique a une fréquence qui est un multiple entier de celle de la fonction (qui est le fondamental). En ingénierie de puissance électrique, cette idée est utilisée principalement pour aider à comprendre l'effet de charges de puissance non-linéaires, où la source de tension est sinusoïdale mais le courant est déformé, bien qu'avec la même période. En utilisant le concept de 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 redresseur en pont monophasé tire un courant qui est une série de courts pics aux pics de tension, comme montré à la Figure 1 ;

Figure 1 : Forme d'onde de courant pour redresseur en pont monophasé simple

Le courant peut être analysé en ses fréquences constitutives. Il comprend une série d'harmoniques d'ordre impair comme montré à la Figure 2 ;

Figure 2 : Analyse fréquentielle du courant de la Figure 1

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

Dans ce cas, avec une fréquence secteur de 50 Hz, vous pouvez voir que les courants harmoniques jusqu'aux ordres d'environ 30, c'est-à-dire 1500 Hz, sont assez significatifs. Au-delà, ils diminuent rapidement. Les harmoniques d'ordre inférieur des ordres 3, 5, 7 et 9 sont vraiment élevés en amplitude et ne sont pas beaucoup moins que le fondamental (50 Hz).

Si les demi-cycles négatif et positif ont la même forme, alors seuls les harmoniques impairs sont présents. Dans les circuits de puissance triphasés, les harmoniques triple-n (3, 6, 9, 12, etc.) sont aussi absents, parce qu'ils are cophasés, et les courants cophasés sont bloqués dans un circuit à trois fils.

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

Un vrai harmonique ne peut avoir une fréquence qui est un multiple entier exact du fondamental. La plupart des dispositifs non-linéaires simples tels que les redresseurs et les composants magnétiques à noyau de fer génèrent de vrais courants harmoniques.

Dans les circuits électroniques de puissance modernes utilisant la commutation active, qui pourrait ne pas être synchronisée avec la fréquence d'alimentation, de nouvelles fréquences peuvent être présentes qui ne sont pas de vrais harmoniques. Par exemple, comme je l'ai illustré dans les Blogs numéros 4 et 5 sur les variateurs régénératifs, un onduleur fonctionnant avec une fréquence de commutation de 4 kHz avec une alimentation 60 Hz génère des courants à des fréquences de 3880 Hz et 4120 Hz, ainsi que beaucoup d'autres, qui ne sont pas des multiples entiers de 60 Hz et donc ne sont pas de vrais harmoniques. Le terme correct pour ceux-ci est Interharmoniques. Ce sont encore des fréquences indésirables et certains de leurs effets sont les mêmes que pour les harmoniques, donc dans la discussion générale, ils peuvent être appelés simplement « harmoniques ». Cela peut causer de la confusion, donc il est préférable de clarifier si nous parlons de vrais harmoniques ou de tous types de distorsion.

Quel effet ont-ils ?

En se référant aux Figures 1 et 2 à nouveau, 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 l'alimentation. Le redresseur est une source de courant aux fréquences harmoniques, qui sont émises en retour dans l'alimentation et se propagent dans le système d'énergie. La Figure 3 illustre ceci. Le courant harmonique est émis par la charge, et cause une tension harmonique dans l'impédance de source de l'alimentation. La tension est expérimentée par d'autres utilisateurs d'énergie connectés au même point de couplage commun (PCC).

Figure 3 : Propagation des harmoniques dans le réseau d'énergie

Les harmoniques ont des fréquences allant de 100 Hz jusqu'à environ 2500 Hz (on s'arrête généralement à l'ordre 50 environ, mais certaines autorités regardent 100 ou même 200. La norme pour les mesures harmoniques s'arrête à 9 kHz). Le premier point intéressant est que ce sont des fréquences très basses dans le spectre électromagnétique. Ceci est illustré dans le spectre montré à la Figure 4 ;

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

« Fréquence radio » est généralement considérée comme commençant à 9 kHz, et en fait il y a très peu d'applications radio en dessous d'environ 100 kHz à cause de la difficulté de générer une onde électromagnétique utile. Cela signifie que les harmoniques ne sont pas propagés comme des ondes et ils ne voyagent que par conduction dans le câblage du système d'énergie. Ils ne causent pas d'interférence par couplage parasite, seulement en étant conduits dans d'autres équipements à travers les fils d'alimentation. La raison pour laquelle ils doivent être considérés est qu'ils sont cumulatifs – donc un redresseur dans un téléviseur a un effet minuscule, mais quand des millions de téléviseurs fonctionnent en même temps, leurs harmoniques ont la même fréquence et phase donc ils s'additionnent dans le système d'énergie. L'effet global est de déformer la forme d'onde de tension sinusoïdale. La Figure 5 illustre le type de distorsion « toit plat » causée par les redresseurs ;

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

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

• Échauffement accru de certains équipements électriques sensibles à la fréquence, surtout :
  • Condensateurs pour correction de facteur de puissance
  • Moteurs asynchrones
  • Transformateurs
  • Générateurs (ex. petits générateurs locaux comme alimentations de secours)
• Bruit acoustique dans transformateurs, barres omnibus, etc.
• Erreurs dans équipements utilisant la fréquence secteur pour le chronométrage (devenus rares maintenant)
• Déclenchement indésirable de systèmes UPS qui répondent à la distorsion de forme d'onde
• Capture de bruit dans systèmes audio analogiques, ex. théâtre ou église
• Déclenchement indésirable de relais de protection du système d'énergie, résultant en perte de l'alimentation publique

Des difficultés sérieuses avec les harmoniques sont inhabituelles sauf dans des cas plutôt spéciaux. Un exemple est un navire qui a son propre générateur avec une capacité de puissance limitée et un grand nombre de variateurs ou autres redresseurs. Cependant, les fournisseurs d'énergie subissent une accumulation d'harmoniques des millions de petits appareils en fonctionnement, et il y a des endroits où la cinquième harmonique sur 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 tend à résulter en bruit et vibrations dans les systèmes d'entraînement analogiques et/ou erreurs de données dans les liaisons de données numériques. Les raisons en sont :

• La fréquence des harmoniques est trop basse pour un couplage parasite significatif par induction entre circuits électriques adjacents. La plupart des interférences électriques sont causées par des fréquences beaucoup plus hautes qui peuvent être couplées électromagnétiquement, ou par l'inductance parasite des connexions de terre.

Les harmoniques sont propagés comme des courants de mode série dans le circuit d'alimentation seulement, c'est-à-dire qu'ils voyagent dans les conducteurs de puissance du système d'énergie et pas dans les connexions de terre. Le « bruit » à haute fréquence est généralement en mode commun, c'est-à-dire qu'il voyage dans les conducteurs et le circuit est complété par la terre. Voir Figure 6 pour une explication supplémentaire ;

Figure 6 : Mode série (a) et mode commun (b) dans un circuit d'alimentation monophasé

Données harmoniques : entrée et sortie, tension et courant

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

Parfois, une demande de données harmoniques de sortie vient de l'expérience préalable d'un utilisateur avec des variateurs onduleurs de générations précédentes qui utilisaient la technique quasi-carrée, et contenaient les harmoniques non-triple-n de la fréquence de travail. Avec la MLI (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. Celles-ci devraient être disponibles auprès du fournisseur sur demande.

Dans la partie 2 du blog sur les harmoniques, nous examinerons comment les harmoniques sont mesurés et évalués, comment ils varient avec la charge du variateur, et ce qui peut être fait s'ils doivent être réduits.