Pollution du réseau : les harmoniques
Que sont les harmoniques ?
Les harmoniques sont une déformation fréquente de la tension et du courant sinusoïdaux purs. La forme d'onde contient non seulement une composante à la fréquence fondamentale (50 Hz) mais également des composantes à des fréquences qui en sont des multiples (100 Hz, 150 Hz, etc.). Sous l'influence de ces harmoniques, la forme d'onde est déformée, et des pics peuvent se produire, qui sont beaucoup plus importants qu'avec une forme sinusoïdale pure. Une tension sinusoïdale produit un courant sinusoïdal. Les appareils correspondants sont qualifiés de systèmes linéaires. Les ampoules d'éclairage, le chauffage et la plupart des moteurs sont des exemples de systèmes linéaires. Certains appareils modernes ne font pas partie de cette catégorie. Parmi les charges non-linéaires, on recense les redresseurs , les alimentations commutées (ordinateurs), les régulateurs de fréquence, les lampes à LED, les ampoules à économie d’énergie, les gradateurs, les fours à induction, etc. Presque tous les appareils équipés de semi-conducteurs, tels que les contacteurs statiques, les transistors et/ou les diodes, sont des systèmes non linéaires.
Quels sont les effets des harmoniques ?
Les harmoniques peuvent avoir des conséquences graves:
- Les transformateurs peuvent surchauffer à cause de courants de Foucault dans le noyau de fer. Il en résulte des vibrations et des bourdonnements. En raison des fréquences plus élevées (harmoniques de rang supérieur), le transformateur est moins efficace et ne parvient pas à fournir la puissance prévue.
- Des fréquences élevées peuvent engendrer une surchauffe des câbles. Ce phénomène est également appelé « skin effect ». En raison des températures élevées, la résistance spécifique des câbles augmente, entraînant une élévation des températures et créant ainsi un effet boule de neige. La résistance d'isolement diminue également fortement du fait des températures élevées, et ceci peut rapidement conduire à une situation dangereuse.
- Des déclenchements intempestifs d'automates au sein d’une usine de laminage d’acier. Du fait de la présence d’harmoniques de rang élevé, la sommation des courants se fait mal et la protection se déclenche souvent de façon involontaire. L'alimentation est alors constamment interrompue sans raison évidente.
- Lorsque des moteurs électriques chauffent et deviennent anormalement bruyants, c'est souvent le résultat d'un déséquilibre dans l'alimentation en raison la présence d'un harmonique de rang cinq. Cet harmonique induit un sens de rotation négatif, qui se traduit par des vibrations et par l’usure précoce des roulements.
- L‘harmonique de rang trois dans un système triphasé est en phase avec l’harmonique de rang un, de sorte qu'un courant plus important traverse le neutre. De ce fait, le conducteur neutre peut devenir très chaud.
- Des perturbations de données là où des courants intempestifs traversent les câbles informatiques.
La mesure des harmoniques.
Lorsqu’on suspecte la présence d'harmoniques, il y a lieu d’effectuer une mesure. Il existe différents types d'instruments de mesure prévus à cet effet. L'utilisation d'un instrument doté du principe de mesure True RMS s’avère absolument nécessaire. Un appareil qui n'en est pas doté est susceptible de donner des valeurs erronées, car celles-ci sont déterminées sur la base d'une valeur moyenne. Le rapport entre la valeur moyenne et la valeur effective est de 1,11 pour une forme sinusoïdale pure. En présence d'harmoniques, il n'est cependant pas question d'une sinusoïde pure, et la valeur, indiquée par un instrument de mesure sans True RMS, peut dans ce cas fortement différer de la valeur réelle. La valeur True RMS est également appelée « valeur efficace vraie ».
Le degré total de pollution harmonique est le ratio de la valeur efficace vraie de tous les harmoniques, par rapport à la valeur efficace vraie de l'onde fondamentale. Cette valeur est également appelée la distorsion totale (THD, total harmonic distortion). La THD donne un aperçu du contenu total du signal en harmoniques. Pour faire une bonne analyse, la distorsion harmonique totale doit être divisée en harmoniques individuels. Il existe des instruments de mesure, tels que la LIGNE ELECTRO PQA823, qui permettent de visualiser clairement ces hamoniques sous la forme d'un histogramme. Cela permet de lire quels harmoniques sont présents et quelle est l'importance de chacun.
La personne qui réalise l'analyse doit savoir quels harmoniques peuvent être présents ou non et dans quelle mesure. Les harmoniques sont-ils dus au fournisseur ou à l'utilisateur ? Vous trouverez la réponse à cette question dans les réglementations européennes applicables : EN50160 et IEC 61000. La norme EN50160 se limite à mentionner les valeurs maximales pour les différents types de pollution du réseau. La norme IEC 61000 indique comment les mesures doivent être effectuées, la contribution maximale d'une certaine classe d'appareil à la pollution du réseau ainsi que les limites pour certaines perturbations de tension. La norme EN50160 contient un tableau indiquant les valeurs limites des composantes harmoniques de tension du réseau. Dans le cas des bons analyseurs de qualité de l'alimentation, ces limites sont intégrées à l'appareil, afin que tout dépassement de la limite soit immédiatement visible et qu'une analyse soit rapidement possible.
La cause de la distorsion harmonique s'explique presque toujours par la présence d’un harmonique de courant. Pour en obtenir un aperçu aussi clair que possible, il est important de mesurer au plus près de l'appareil dont vous pensez qu'il est la cause de la pollution du réseau. Les harmoniques ne sont généralement pas un phénomène constant, il est donc important d'effectuer (connecter) la mesure sur une longue durée. Cela permet de réaliser une meilleure analyse.
Faire face aux harmoniques.
Du fait de l'intégration de techniques modernes dans notre environnement, il y aura toujours des harmoniques. Afin de réduire l'influence de ces derniers, des dispositions devront être prises en ce qui concerne les nouvelles installations, et les installations existantes devront être modifiées. Parmi les facteurs pouvant favoriser la prévention des harmoniques, on peut citer le dimensionnement adéquat des conducteurs de phase et du neutre, le fait d’éviter les conducteurs (trop) longs et l’installation de conducteurs de puissance à proximité de câbles de données. Pour les installations existantes, il est possible d'utiliser des filtres passifs ou actifs afin de réduire la présence d'harmoniques.