Comprendre les harmoniques : impact sur les réseaux électriques et techniques d'atténuation

Que sont les harmoniques et comment les filtrer et les éliminer

(Manuel Bolotinha)

Introduction aux harmoniques

La qualité de l'alimentation électrique est un enjeu important tant pour les compagnies de distribution que pour les utilisateurs, mais cette qualité peut être affectée par des perturbations électromagnétiques.

Parmi ces perturbations, il faut souligner les harmoniques qui se produisent à tous les niveaux de tension et dont l'étude, le calcul des valeurs acceptables et les méthodes de correction sont définis dans la norme IEC^[1] 61000-2-4 : Compatibilité électromagnétique (CEM)^[2] – Environnement – Niveaux de compatibilité dans les installations industrielles pour les perturbations conduites de basse fréquence.

Que sont les harmoniques ?

Les alternateurs produisent des tensions alternatives (V) et des courants (I) avec une forme d'onde sinusoïdale et une fréquence (f) de 50 Hz ou 60 Hz (cette fréquence, le premier harmonique, est généralement désignée par fréquence industrielle ou fondamentale), ce qui peut être observé à la Figure 1.

Figure 1 – Tension alternative sinusoïdale

Cependant, en raison des caractéristiques de certains équipements installés sur le réseau, des tensions et/ou courants avec des fréquences différentes, multiples entiers impairs de la fréquence industrielle, peuvent être induits dans le réseau, ce sont les harmoniques, c.-à-d. : 3^e harmonique – 150 Hz ou 180 Hz ; 5^e harmonique – 250 Hz ou 300 Hz ; 7^e harmonique – 350 Hz ou 420 Hz ; etc.

On peut dire que les harmoniques sont des perturbations continues (établies) ou des distorsions sur le réseau électrique et constituent un sujet ou problème complètement différent des pics de ligne, surtensions, baisses, impulsions, etc., qui sont classés comme perturbations transitoires.

La Figure 2 montre des exemples de 1^er harmonique, 3^e harmonique et 5^e harmonique.

Figure 2 – Ondes fondamentale, 3^e harmonique et 5^e harmonique

La présence d'harmoniques donne naissance à une onde déformée de tension (ou de courant) qui peut être observée à la Figure 3, en tenant compte que toutes les formes d'onde complexes peuvent être décomposées en une série d'ondes sinusoïdales de fréquences diverses, donc toute forme d'onde complexe est la somme d'un certain nombre d'harmoniques de valeur plus ou moins grande.

La série 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, le 3^e harmonique est le plus nuisible, mais dans certaines conditions, les 5^e et 7^e harmoniques ne peuvent être négligés.

Distorsion harmonique

Selon la norme IEC 61000-2-4, la distorsion harmonique est caractérisée par le paramètre THD – Taux de Distorsion Harmonique Total – calculé par l'équation :

Où Q₁ représente la valeur efficace de la tension ou du courant à la fréquence industrielle et Q_i l'onde harmonique d'ordre «i» (2^e harmonique – i=2 ; 3^e harmonique i=3 ; etc.) de la tension ou du courant.

La même norme IEC définit également les paramètres suivants :

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

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

• THR (Rapport Harmonique Total) – rapport entre la valeur efficace du THC et la valeur efficace de la tension ou du courant à la fréquence industrielle (Q₁), calculé par l'équation :

Habituellement, les calculs sont effectués pour la tension, en considérant la puissance de court-circuit triphasée minimale (S”_K) du réseau et les valeurs maximales (en Ω) de l'impédance de court-circuit aux points où le THD est calculé (Z_K; R_K; X_K^[4]) ; un logiciel spécifique est requis pour effectuer ces calculs.

La norme IEC susmentionnée définit 3 classes pour l'environnement électromagnétique^[5] :

1. Classe 1 : Cette classe s'applique aux alimentations protégées et a des niveaux de compatibilité inférieurs à ceux des réseaux publics. Elle concerne l'utilisation d'équipements très sensibles aux perturbations de l'alimentation, par exemple l'instrumentation électrique en laboratoire, certains équipements d'automatisme et de protection, certains ordinateurs, etc.
2. Classe 2 : Cette classe s'applique généralement au PCC^[6] et au IPC^[7] dans les environnements d'alimentations industrielles et autres non publiques. Les niveaux de compatibilité de cette classe sont généralement identiques à ceux des réseaux publics. Par conséquent, les composants conçus pour l'alimentation par les réseaux publics peuvent être utilisés dans cette classe d'environnement industriel.
3. Classe 3 : Cette classe s'applique uniquement à l'IPC dans les environnements industriels. Elle a des niveaux de compatibilité plus élevés que ceux de la classe 2 pour certains phénomènes de perturbation. Par exemple, cette classe devrait être envisagée 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 ; de gros moteurs sont démarrés fréquemment ; les charges varient rapidement.

Niveaux de compatibilité harmonique^[8] (U_h [%]) pour les fréquences impaires multiples de 3 sont indiqués dans le Tableau 1 et pour les fréquences impaires non multiples de 3 sont indiqués dans le Tableau 2.

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

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

Niveaux de compatibilité du 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).
• Équipements à arc (exemple : fours à arc, CA ou CC, machines à souder à l'arc).
• Dispositifs saturables (exemple : onde de courant à vide absorbée par un transformateur avec une puissance nominale insuffisamment grande).

Pour minimiser la génération d'harmoniques, les unités de redressement sont de préférence à six pulsations et ce type d'unités pour les systèmes de traction électrique génère typiquement des harmoniques de courant d'ordre 5^e, 7^e, 17^e et 19^e, résultant du déséquilibre des diodes et de l'impédance du réseau.

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

Les manœuvres de commutation de batteries de condensateurs et de transformateurs de puissance avec une surcharge permanente sont également une source importante d'harmoniques.

Les transformateurs de puissance pour des tensions supérieures à 60 kV avec un raccordement étoile-étoile (Yy) sont également une source d'harmoniques. Pour compenser ces harmoniques, les transformateurs de puissance susmentionnés doivent avoir un enroulement tertiaire, raccordé en triangle.

Outre la distorsion de l'onde de tension, les harmoniques sont à l'origine d'erreurs de fonctionnement des systèmes de commande et de protection, dues aux interférences électromagnétiques, augmentent l'effet de peau ^[10], provoquent des oscillations mécaniques et vibrations des machines électriques, notamment les transformateurs de puissance et les machines tournantes, diminuent le facteur de puissance (cos Φ), entraînent le vieillissement prématuré des matériaux isolants, conduisant à la perte de leurs caractéristiques diélectriques, causent la surchauffe et l'augmentation des pertes, notamment dans les transformateurs de puissance et les câbles, et réduisent la durée de vie utile des équipements.

Les harmoniques, qui sont la cause de la distorsion de l'onde de tension, circulant dans des charges non-linéaires, comme des moteurs, lorsqu'ils sont soumis à un flux magnétique variable, induisent des courants circulants (courants de Foucault) dans les matériaux conducteurs, ce qui réduit le couple.

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

L'effet de peau augmente la résistance des conducteurs et donc la chute de tension et les pertes par effet Joule. Ce problème est particulièrement sensible dans les lignes aériennes avec une tension supérieure à 150 kV et une longueur de 800 km et plus. Une solution courante pour résoudre ce problème est d'utiliser des lignes aériennes en courant continu, dans lesquelles l'effet de peau n'existe pas.

Les oscillations mécaniques et vibrations des machines électriques tournantes peuvent entraîner un désalignement d'arbre et la destruction du stator, du rotor et des roulements.

L'augmentation des pertes dans les transformateurs de puissance se produit dans les pertes fer, dues aux courants de Foucault et à l'hystérésis^[11], qui sont proportionnelles à la fréquence et dans les pertes cuivre, dues à l'effet de peau.

Compensation des harmoniques et types de filtres

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

Dans une telle installation, il est crucial de 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 confirmée l'existence d'harmoniques et que la valeur du THD dépasse la limite définie par la norme IEC 61000-2-4 et/ou établie par la compagnie de distribution, il est obligatoire de procéder à la compensation harmonique ; la solution à mettre en œuvre dépend des caractéristiques de l'installation.

La solution la plus simple, utilisée dans les installations basse tension (V ≤ 1 kV), consiste à utiliser des bobines en cuivre (voir Figure 4) qui agissent comme filtres passe-haut, limitent le courant de démarrage des redresseurs et limitent les interférences mutuelles.

Figure 4 – Réactance pour compensation harmonique

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

• ΔV_L is la chute de tension interne de la réactance [%]
• V_n est la tension phase-à-phase du réseau [V]
• f_n est la fréquence industrielle du réseau [Hz]
• I_n est le courant [A]

Dans les réseaux et 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 responsables de la production d'harmoniques et S_n est la puissance apparente de tous les transformateurs amont connectés à la même barre où les charges sont connectées), il est recommandé d'installer des filtres harmoniques, comme celui montré à la Figure 5).

Figure 5 – Filtre harmonique

La compensation harmonique peut être centralisée, avec des filtres harmoniques connectés au tableau général d'arrivée, ou décentralisée ou locale, en installant les filtres harmoniques près des équipements qui sont les principales sources d'harmoniques. Les deux solutions sont montrées 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, accordés pour chacune des fréquences qu'ils sont conçus pour compenser, généralement les 5^e, 7^e et 11^e harmoniques. Leurs principales caractéristiques sont :

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

Filtres actifs

Ceux-ci sont constitués d'unités électroniques et micro-traitées, contrôlant les harmoniques dans une plage entre les ordres 2^e à 50^e ; pour chaque plage de fréquence, un courant est généré, qui a un déphasage de 180° et la même valeur que le courant harmonique à compenser.

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

Filtres hybrides

Ceux-ci sont une combinaison de filtres actifs et passifs, contrôlant les harmoniques dans une plage entre les ordres 2^e à 25^e, assurant également la correction du facteur de puissance.

Bon à savoir :

Bon à savoir :

^[1] IEC : Commission électrotechnique internationale.

^[2] Compatibilité électromagnétique est définie comme la capacité des équipements électriques à fonctionner correctement dans un « environnement électromagnétique » sans introduire aucun type de perturbation électromagnétique dans d'autres équipements et systèmes qui peuvent exister dans cet environnement.

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

^[4] Si les valeurs de R_K et X_K du réseau ne sont pas connues, il est d'usage de considérer, comme approximation, R_K/X_K = 0,1 et l'équation Z_K = √(R_K²+X_K²).

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

^[6] PCC : Point sur un réseau public d'alimentation, 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] Le niveau de compatibilité définit le niveau de perturbation électromagnétique spécifié utilisé comme niveau de référence dans un environnement spécifié pour la coordination dans la fixation des limites d'émission et d'immunité.

^[9] Une charge est dite non-linéaire si son impédance varie avec la tension appliquée.

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

^[11] L'hystérésis est le phénomène par lequel, lorsqu'un champ magnétique est appliqué à un matériau ferromagnétique, comme le noyau des transformateurs, le matériau reste aimanté de façon permanente, même si le champ magnétique n'est plus présent.

À propos de l'auteur : Manuel Bolotinha

- Licence en génie électrique – Énergie et systèmes de puissance (1974 – Instituto Superior Técnico/Université de Lisbonne)
– Master en génie électrique et informatique (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Université Nova de Lisbonne)
– Consultant senior en postes et systèmes de puissance ; Instructeur professionnel