Les Harmoniques dans les réseaux électriques

La présence d’harmoniques dans le réseau électrique, également connue sous le nom de pollution harmonique, est un phénomène important qui entraîne une dégradation de la qualité de l’énergie, plus particulièrement une déformation ou une distorsion de l’onde de tension. Cette distorsion est causée par la superposition, sur l’onde de tension fondamentale, d’ondes sinusoïdales mais de fréquences multiples de celle du fondamental.

Il est également possible d’observer des sous-harmoniques ou des inter-harmoniques à des fréquences qui ne sont pas des multiples de la fréquence fondamentale. Ce phénomène peut entraîner une mauvaise exploitation de l’énergie électrique et représente un risque pour les appareils électriques connectés aux réseaux, qui peuvent être endommagés.

La pollution harmonique peut engendrer plusieurs conséquences néfastes, parmi lesquelles on peut citer la destruction de condensateurs, des déclenchements intempestifs de protections électriques, des phénomènes de résonance avec les éléments du réseau, l’échauffement du conducteur de neutre des transformateurs, ainsi qu’une usure prématurée des équipements soumis aux harmoniques en raison de leur échauffement.

Découverte et histoire des Harmoniques

Les harmoniques ont été découverts pour la première fois au début du XIXe siècle par le mathématicien français Joseph Fourier. Il a démontré mathématiquement que toute forme d’onde périodique, continue peut être décomposée en une somme infinie de sinusoïdes de différentes fréquences, appelées harmoniques.

Cependant, ce n’est que dans les années 1930 que les harmoniques ont commencé à attirer l’attention des ingénieurs électriciens, en raison de leur impact sur les réseaux électriques. Avec l’augmentation de l’utilisation des équipements électriques non linéaires, tels que les onduleurs et les variateurs de fréquence, les harmoniques ont commencé à causer des perturbations et des dysfonctionnements dans les réseaux électriques, tels que des surtensions, des surchauffes et des interférences électromagnétiques.

Dans les années 1960, les premiers filtres harmoniques ont été développés pour atténuer les harmoniques dans les réseaux électriques. Depuis lors, de nombreuses normes et réglementations ont été établies pour limiter les niveaux d’harmoniques dans les réseaux électriques et protéger les équipements électriques.

Impacts des Harmoniques sur les réseaux électriques

Aujourd’hui, les harmoniques continuent d’être un sujet de préoccupation pour les ingénieurs électriciens, en raison de leur impact sur la qualité de l’énergie électrique et la stabilité des réseaux électriques. Des recherches sont en cours pour développer de nouvelles méthodes et technologies pour limiter les niveaux d’harmoniques et améliorer la qualité de l’énergie électrique.

Définition

Une harmonique est une composante sinusoïdale d’une onde périodique ou d’une quantité ayant une fréquence qui est un multiple entier de la fréquence fondamentale. Notez que, par exemple, une composante de fréquence deux fois supérieure à la fréquence fondamentale est appelée deuxième harmonique.

Ainsi, sur un réseau électrique de 60 Hz, une composante harmonique h est une sinusoïde ayant une fréquence exprimée par la formule suivante : h = n*60 Hz, avec n est un entier.

La figure suivante, illustre l’onde sinusoïdale de fréquence fondamentale (60 Hz) et ses (a) deuxième, (b) troisième, (c) quatrième et (d) cinquième harmonique.

Sources des Harmoniques Courants et Tensions

Les harmoniques sont des phénomènes qui se produisent lorsque des courants ou des tensions non sinusoïdaux se propagent dans un système électrique. Ils sont souvent considérés comme des perturbations indésirables car ils peuvent causer des distorsions et des problèmes de qualité d’alimentation électrique.

Les harmoniques de courant sont principalement causées par des charges électriques non linéaires qui ne consomment pas de courant sinusoïdal pur. La circulation de courants harmoniques dans les impédances du réseau crée ensuite des harmoniques de tension, qui déforment la tension d’alimentation.

Ces charges non linéaires incluent des équipements électroniques tels que les variateurs de fréquence, les onduleurs, les alimentations à découpage, les fours à arc, les lampes fluorescentes, les soudeuses à résistance, les convertisseurs de puissance statique et les équipements de soudage à l’arc. Ces charges peuvent perturber le courant électrique en introduisant des composantes harmoniques dans le réseau électrique, ce qui peut causer des perturbations et des problèmes de qualité de l’alimentation électrique.

Analyse et Caractéristiques des Harmoniques

L’analyse harmonique consiste à décomposer ou à analyser toute forme d’onde périodique en une onde fondamentale et un ensemble d’harmoniques afin d’étudier l’impact de cette forme d’onde sur le réseau électrique.

Analyse des Harmoniques

La figure suivante, illustre une période d’une onde déformée (a) qui a été décomposée en son fondamental et en deux composantes harmoniques en phase (la troisième et la cinquième) (b). La décomposition d’une onde périodique de cette manière est appelée analyse de Fourier, d’après le mathématicien français Jean-Baptiste Fourier

Caractéristiques des Harmoniques

Voici quelques caractéristiques des harmoniques :

• Les harmoniques sont des composantes sinusoïdales de fréquence supérieure à la fréquence fondamentale.
• Les harmoniques ont une amplitude qui dépend de la charge non linéaire qui les a générés et de leur ordre.
• Les harmoniques sont des phénomènes périodiques qui se répètent à des intervalles de temps égaux à l’inverse de leur fréquence.
• Les harmoniques peuvent causer des perturbations et des distorsions dans les signaux électriques, ce qui peut entraîner des problèmes de qualité de l’alimentation électrique.
• Les harmoniques peuvent provoquer une surchauffe des équipements, une perte d’efficacité énergétique, une détérioration des équipements et des interférences avec les équipements électroniques sensibles.
• Les harmoniques peuvent être mesurés à l’aide d’un analyseur de spectre, qui peut identifier les différents ordres harmoniques présents dans le signal électrique.

Relation entre les Harmoniques et les Composantes Symétriques

Les composantes symétriques sont une méthode mathématique pour analyser les systèmes électriques triphasés en décomposant le système en trois séquences de composantes symétriques : la séquence positive, la séquence négative et la séquence zéro. Les harmoniques peuvent également être analysés à l’aide de ces séquences de composantes symétriques.

En effet, les harmoniques peuvent être considérés comme des composantes non symétriques des signaux électriques, c’est-à-dire qu’ils ne présentent pas la même amplitude et phase dans chaque phase du système triphasé. Cependant, en utilisant les composantes symétriques, il est possible de décomposer le signal électrique en ses composantes symétriques et non symétriques, ce qui facilite l’analyse et la compréhension des harmoniques dans un système triphasé.

De plus, les harmoniques peuvent affecter les composantes symétriques d’un signal électrique, ce qui peut causer des déséquilibres et des perturbations dans le système triphasé. Les méthodes d’analyse des composantes symétriques sont donc souvent utilisées pour évaluer l’impact des harmoniques sur les systèmes électriques triphasés.

Le facteur de distorsion harmonique (THD, pour Total Harmonic Distortion en anglais) est une mesure qui permet de quantifier le niveau de distorsion harmonique présent dans un signal. Il s’agit d’un rapport exprimé en pourcentage entre la somme des amplitudes des harmoniques et l’amplitude du signal fondamental.

THD = \sqrt \frac{ la somme des amplitudes des harmoniques}{amplitude du signal fondamental}​ *100 \%

Le THD est souvent utilisé pour évaluer la qualité de la forme d’onde d’un signal électrique, notamment dans les systèmes de distribution d’énergie électrique. En effet, une distorsion harmonique importante peut causer des problèmes tels que des pertes d’énergie, des surcharges de certains équipements, des échauffements excessifs, des interférences électromagnétiques, etc.

Ainsi, le THD permet de quantifier la distorsion harmonique et de déterminer si elle est susceptible de causer des problèmes dans un système donné. Il peut être mesuré à l’aide d’appareils tels que des analyseurs de spectre ou des oscilloscopes.

L’importance de la gestion des Harmoniques pour la stabilité des réseaux électriques

Comprendre les effets des harmoniques est important pour plusieurs raisons :

Prévention des dysfonctionnements et des pannes

Les harmoniques peuvent causer des dysfonctionnements et des pannes dans les équipements électriques tels que les transformateurs, les moteurs, les variateurs de fréquence, les onduleurs, etc. Comprendre les effets des harmoniques permet aux ingénieurs de concevoir des équipements électriques plus robustes et plus résistants aux harmoniques, et de mettre en place des mesures pour protéger ces équipements.

Amélioration de la qualité de l’énergie électrique

Les harmoniques peuvent affecter la qualité de l’énergie électrique en causant des surtensions, des sous-tensions, des fluctuations de tension, des pertes de puissance, des interférences électromagnétiques, etc. Comprendre les effets des harmoniques permet aux ingénieurs de concevoir des réseaux électriques plus stables et plus résilients aux perturbations harmoniques, ce qui se traduit par une meilleure qualité de l’énergie électrique.

Économies d’énergie

Les harmoniques peuvent causer des pertes d’énergie dans les équipements électriques, ce qui peut augmenter les coûts d’exploitation. Comprendre les effets des harmoniques permet aux ingénieurs de concevoir des équipements électriques plus efficaces sur le plan énergétique et de mettre en place des mesures pour réduire les pertes d’énergie causées par les harmoniques.

Conformité aux normes et réglementations

De nombreuses normes et réglementations ont été établies pour limiter les niveaux d’harmoniques dans les réseaux électriques et protéger les équipements électriques. Comprendre les effets des harmoniques permet aux entreprises et aux organisations de se conformer à ces normes et réglementations, ce qui peut éviter des sanctions et des amendes.

En résumé, comprendre les effets des harmoniques est crucial pour garantir un fonctionnement sûr et efficace des équipements électriques, améliorer la qualité de l’énergie électrique, réaliser des économies d’énergie et se conformer aux normes et réglementations.