harmoniques

ORIGINE DES HARMONIQUES
Exemple, dans le cas des signaux que sont les ondes de courant et de tension du
Exemple
réseau électrique français :
ORIGINE DES HARMONIQUES
Déformation d’un signal sinusoïdal.
avec :
• Yo : valeur de la composante continue généralement nulle et
considérée
idé é comme ttelle
ll par lla suite,
it
• Yn : valeur efficace de l’harmonique de rang n,
• ω : pulsation de la fréquence fondamentale,
fondamentale
• ϕn: déphasage de la composante harmonique à t = 0.
Un signal déformé est la résultante de la superposition des
diffé t rangs d’h
différents
d’harmoniques.
i
ORIGINE DES HARMONIQUES
Mode de représentation : le spectre en fréquence
Le spectre est un histogramme fournissant l’amplitude de chaque
harmonique en fonction de son rang
rang.
L’examen du spectre permet d’apprécier à la fois quels sont les
harmoniques en présence et leur importance respective.
La figure 2 représente le spectre du signal donné par la figure 1.
ORIGINE DES HARMONIQUES
Charge nonnon-linéaire : définition
Une charge est dite non linéaire lorsque le courant
qu’elle absorbe n’a p
q
pas la même forme q
que la tension q
qui
l’alimente.
Typiquement, les charges utilisant l’électronique de
puissance sont non-linéaires.
Or, elles sont de plus en plus nombreuses et leur part
dans la consommation d’électricité
d électricité ne cesse de croître
croître.
Exemples de charges non
non-linéaires
ƒ les équipements industriels (machines à souder, fours à arc,
fours à induction, redresseurs),
ƒ les variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones ou
moteurs à courant continu,
ƒ les appareils de bureautique (ordinateurs, photocopieurs,
fax, …),
ƒ les appareils
pp
domestiques
q
(TV, fours micro-onde,
éclairage néon, …),
ƒ les onduleurs.
Forme du courant absorbé par quelques charges non linéaires
Perturbations induites par les charges nonnon-linéaires :
courant et tension harmoniques
Les courants harmoniques sont générés par les charges non linéaires
connectées au réseau.
A chaque courant harmonique de rang h correspond donc une
impédance
p
de circuit d’alimentation Zh.
Le courant harmonique de rang h va créer à travers l’impédance Zh une
tension harmonique
q Uh, avec Uh = Zh x Ih, p
par simple
p application
pp
de la
loi d’Ohm. La tension en B est donc déformée.
Tout appareil alimenté à partir du point B recevra alors une tension
perturbée.
PARTICULARITE DE L’HARMONIQUE
DE RANG 3
PERTES DANS LES CONDUCTEURS
Soit l’installation suivante :
Données :
R C1= 1.15
1 15 mΩ
Ω
XC1= 6.77
6 77 mΩ
Ω
puissance des auxiliaires 1000W
P = 137
137.2
2 KW
Câble type AFUMEX 1000 (RZ1-R)
Section
nominale mm2
C1
Charge
U = 400 V
P = 137.2 kW
cosϕ = 0.88
0 88
Pose à l’air libre
I admissible en A
Trois câbles unipolaires
Un câble multipolaire
Cu
Al
Cu
Al
35
145
115
135
105
50
180
140
165
130
70
230
180
210
165
95
285
220
260
205
120
335
260
300
235
150
385
300
350
275
185
450
350
400
315
240
535
420
475
370
300
615
480
545
425
400
720
560
645
505
PERTES DANS LES CONDUCTEURS
• Déterminer les pertes joules dans un conducteur de phase et
dans le neutre.
IL = P / (UV3cosPhi) = 225A , charge triphasée équilibrée
IN = 1000/230 = 4.34A , charges monophasées
• Donner la section des trois conducteurs de phase et du neutre
neutre.
Sph(cu) = 70 ou 95mm² avec réduction Sn = Sph/2 = 50mm²
PERTES DANS LES CONDUCTEURS
Des mesures effectuées sur l’installation ont donné le résultat
suivant :
Taux de distorsion
Intensité du fondamental
225 A
Intensité du rang 3
183 A
81.3%
Intensité du rang 5
152 A
67.6%
Intensité du rang 7
118 A
52.4%
• Déterminer à nouveau les pertes joules en ligne.
IL = √∑(In
√∑(In²)) = √(225
√(225²+183²+152²+118²)
183 152 118 ) = 313A
In = √∑(I3²) = √(4.34²+3*183²) = 317A
• Donner la nouvelle section des trois conducteurs de phase et du
neutre.
Sph(cu) = 150mm² avec majoration Sn = 120mm²
PERTES DANS LES CONDUCTEURS
SYNTHESE
Lorsqu’un circuit alimente des équipements susceptibles de
générer des courants harmoniques
harmoniques, la section des
conducteurs de phase, calculée à partir de l’intensité de
service de ces récepteurs devra être augmentée, à titre de
prévention élémentaire, de 100% et celle du conducteur de
neutre de 300%.
Pour cette raison, la règle de la norme NFC 15-100, qui
autorise une section moitié de celle des phases pour le
neutre, ne peut s’appliquer que si les charges alimentées ne
génèrent pas d’harmoniques, ou encore, si le taux de
di t
distorsion
i harmonique
h
i
en courantt ne dépasse
dé
pas 10%.
10%
POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES
Les perturbations dues aux harmoniques.
Les harmoniques circulant dans les réseaux détériorent la qualité de l’énergie, et
sont ainsi à l’origine de nombreuses nuisances :
• surcharge des réseaux de distribution par l’augmentation du courant efficace,
• surcharge des conducteurs de neutre en raison de la sommation des harmoniques
d rang 3 créés
de
éé par lles charges
h
monophasées,
h é
• surcharge, vibrations et vieillissement des alternateurs, transformateurs, moteurs,
ronflement des transformateurs,
• surcharge et vieillissement des condensateurs de compensation d’énergie
d énergie
réactive,
• déformation de la tension d’alimentation pouvant perturber des récepteurs
sensibles.
sensibles
POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES
L’impact économique de ces perturbations.
Les harmoniques ont un impact économique important. En effet :
• le vieillissement prématuré du matériel conduit à le remplacer plus tôt, à moins de
l’
l’avoir
i iinitialement
iti l
t surdimensionné,
di
i
é
• les surcharges du réseau obligent à augmenter la puissance souscrite, et
impliquent, à moins d’un surdimensionnement des installations, des pertes
supplémentaires,
supplémentaires
• les déformations du courant provoquant des déclenchements intempestifs et l’arrêt
des installations de production.
Ces coûts de matériel, pertes énergétiques et perte de productivité entraînent
une baisse de la compétitivité des entreprises.
POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES
Des conséquences de plus en plus importantes.
Le phénomène des harmoniques était encore peu considéré il y a seulement dix ans,
car leurs effets sur les réseaux étaient généralement peu importants. Mais l’arrivée en
force de l’électronique de puissance dans les récepteurs a amplifié fortement le
phénomène
hé
è d
dans ttous lles secteurs
t
d’
d’activité.
ti ité
Les harmoniques sont d’autant plus difficiles à combattre que les équipements vitaux
pour l’entreprise
l’ t
i sontt souventt lles responsables
bl d
de lla génération
é é ti d
des perturbations.
t b ti
POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES
En pratique, quels harmoniques mesurer et combattre ?
Les harmoniques les plus fréquemment rencontrés dans le cas des réseaux triphasés,
donc en pratique les plus gênants, sont les harmoniques de rangs impairs.
Au-delà
A
d là d
du rang 50
50, lles courants
t h
harmoniques
i
sontt négligeables
é li
bl ett lleur mesure n’est
’ t
plus significative.
Ainsi,
Ai
i une bonne
b
précision
é i i d
de mesure estt obtenue
bt
en considérant
idé t lles h
harmoniques
i
jusqu’au rang 30.
Les distributeurs d’énergie
d énergie surveillent les harmoniques de rang 3
3, 5
5, 7
7, 9
9, 11 et 13
13.
Aussi, la compensation des harmoniques jusqu’au rang 13 est impérative, une bonne
compensation prendra également en compte les harmoniques jusqu’au
jusqu au rang 25
25.
LES PRINCIPAUX REMEDES
P t ti des
Protection
d condensateurs
d
t
de
d compensation
ti .
Phénomène de résonance.
L’association
L’
i ti sur lles réseaux
é
d’élé
d’éléments
t capacitifs
itif ett iinductifs
d tif entraîne
t î l’l’apparition
iti d
de
phénomènes de résonance. Ceux-ci se manifestent par des valeurs extrêmement
élevées ou extrêmement faibles des impédances. Ces variations d’impédance vont
modifier les courants et tensions présents sur le réseau
réseau.
Considérons le schéma simplifié suivant, représentant une installation :
Filtre anti-résonance
L'inductance L doit être calculée de façon à ce que la fréquence
de résonance ne corresponde à aucun des harmoniques
présents dans l'installation.
L
Cette règle permet de supprimer les risques de forts courants
harmoniques dans les condensateurs. Attention toutefois lors de
l'utilisation de condensateurs à gradins à tenir compte des
fé
fréquences
de
d résonance
é
selon
l lle ou lles gradins
di en service.
i
Le schéma équivalent montre que ce circuit présente :
• une résonance parallèle appelée anti-résonance pour la
fréquence :
• une résonance série dans la branche L C, pour la fréquence
FILTRES PASSIFS D’HARMONIQUES
Principe (Filtre SHUNT- Filtre AMORTI)
On place un circuit LC accordé sur chaque fréquence d’harmonique à filtrer, en parallèle sur le
générateur d’harmoniques.
Ce circuit de dérivation absorbe les harmoniques et évite que ceux ci ne circulent dans
l’alimentation.
Le filtre shunt résonant est constitué par la branche L-C
dont la fréquence de résonance
est placée sur la fréquence de la tension harmonique que
l’on veut éliminer.
FILTRES PASSIFS D’HARMONIQUES
Principe (Filtre SHUNT- Filtre AMORTI)
Réseau équipé de shunts résonants sur les rangs 5, 7, 11 et 13
FILTRES ACTIFS
Principe
Les systèmes précédents (filtres passifs) ne font que modifier des impédances.
Aujourd'hui la dépollution harmonique peut être traitée par l'utilisation de convertisseurs
statiques.
U filtre
Un
e ac
actif es
est u
un co
convertisseur
e sseu sstatique
a que qu
qui pe
permet
e d
d'injecter
jec e da
dans
s le
e réseau
éseau des
harmoniques en opposition de phase et d'amplitude, telle que l'onde résultante soit
sinusoïdale. Pour cela, il génère un courant qui est composé des seuls harmoniques
((même amplitude
p
et en opposition
pp
de p
phase)) du courant dans la charge.
g
LES INDICATEURS ESSENTIELS DE
LA DISTORSION HARMONIQUE
L facteur
Le
f t
de
d puissance.
i
Le facteur de p
puissance est égal
g au rapport
pp entre la p
puissance active P et la p
puissance
apparente S.
Dans le langage des électriciens, il est très souvent confondu avec le cosinus phi, dont
la définition est :
P1 = Puissance active du fondamental.
S1 = Puissance apparente du fondamental.
Or, le cos ϕ se rapporte uniquement à la fréquence fondamentale, et, en présence
d’harmoniques, est donc différent du facteur de puissance FP.
LES INDICATEURS ESSENTIELS DE
LA DISTORSION HARMONIQUE
L facteur
Le
f t
de
d crête.
êt
C’est le rapport
pp entre la valeur de crête du courant ou de la tension ((Im ou Um)) et la
valeur efficace.
Pour un signal sinusoïdal, ce facteur est donc égal à √2.
√
Pour un signal non sinusoïdal, il peut être soit inférieur, soit supérieur à √2.
Ce ffacteur
C
t
estt plus
l particulièrement
ti liè
t utile
til pour attirer
tti
l’l’attention
tt ti sur lla présence
é
d
de
valeurs de crête exceptionnelles par rapport à la valeur efficace.
Un facteur de crête très élevé signifie des surintensités ponctuelles importantes
importantes. Ces
surintensités, détectées par les dispositifs de protections, peuvent être à l’origine de
déclenchements intempestifs.
LES INDICATEURS ESSENTIELS DE
LA DISTORSION HARMONIQUE
P i
Puissance
active.
ti
La puissance active P d’un signal comportant des harmoniques est la somme des
puissances actives dues aux tensions et courants de même rang.
La décomposition de la tension et du courant en leurs composantes harmoniques nous
donne :
ϕh étant le déphasage entre la tension et le courant de l’harmonique de rang h.
Nota :
• on suppose que le signal ne comporte pas de composante continue : U0= I0 = 0,
• en l’absence d’harmoniques, on retrouve bien l’expression P = U1 I1 cos ϕ1,
puissance
i
d’
d’un signal
i
l sinusoïdal,
i
ïd l cosϕ1,
1 ét
étantt le
l «cos ϕ»).
)
LES INDICATEURS ESSENTIELS DE LA
DISTORSION HARMONIQUE
Puissance réactive.
La puissance réactive n’est définie que pour le fondamental, soit :
Q = U1.I1.sinϕ
ϕ1
Puissance déformante.
Considérons la puissance apparente S :
S = Ueff . Ieff
E présence
En
é
d’h
d’harmoniques,
i
on peutt é
écrire
i :
Par conséquent, en présence d’harmoniques, la relation S2=P2+Q2 n’est pas valide.
On définit la puissance déformante D telle que : S2=P2+Q2+D2, soit :
LES INDICATEURS ESSENTIELS DE LA
DISTORSION HARMONIQUE
T
Taux
de
d Distorsion
Di t
i Harmonique
H
i
(THD).
(THD)
Pour un signal
g
y, le taux de distorsion harmonique
q THD est défini p
par la formule :
Noter que sa valeur peut dépasser 1.
Selon
S
l lla norme, on peutt généralement
é é l
t lilimiter
it h à 50
50. C
Cette
tt grandeur
d
permett d’é
d’évaluer
l
à
l’aide d’un nombre unique la déformation d’une tension ou d’un courant circulant en un
point du réseau.
Le taux de distorsion harmonique est habituellement exprimé en pourcentage.
INTERET DE CHACUN DES INDICATEURS
• Le THD en tension caractérise la déformation de l’onde de tension.
Une valeur de THDu inférieure à 5 % est considérée comme normale. Aucun
dysfonctionnement n’est à craindre.
Une valeur de THDu comprise entre 5 et 8 % révèle une pollution harmonique
significative. Quelques dysfonctionnements sont possibles.
Une valeur de THDu supérieure à 8 % révèle une pollution harmonique importante.
Des dysfonctionnements sont probables. Une analyse approfondie et la mise en place
d di
de
dispositifs
itif d’
d’atténuation
tté
ti sontt nécessaires.
é
i
• Le THD en courant caractérise la déformation de l’onde de courant.
Une valeur de THDi inférieure à 10 % est considérée comme normale. Aucun
dysfonctionnement n’est à craindre.
Une valeur de THDi comprise entre 10 et 50 % révèle une pollution harmonique
significative. Il y a risque d’échauffements, ce qui implique le surdimensionnement des
câbles et des sources.
Une valeur de THDi supérieure à 50 % révèle une pollution harmonique importante. Des
dysfonctionnements sont probables. Une analyse approfondie et la mise en place de
dispositifs d’atténuation sont nécessaires.
INTERET DE CHACUN DES INDICATEURS
Le facteur de puissance FP permet d’évaluer
d évaluer le surdimensionnement à appliquer à
l’alimentation d’une installation.
Le facteur de crête est utilisé pour caractériser l’aptitude
l aptitude d’un
d un générateur (onduleur ou
alternateur) à fournir des courants instantanés de valeur élevée. Le matériel
informatique par exemple absorbe un courant très déformé dont le facteur de crête peut
atteindre 3,
3 voire 5
5.
• Le spectre (décomposition en fréquence du signal) donne une autre représentation
des signaux électriques, et permet d’évaluer
d évaluer leur déformation.
Section Conducteur de neutre – NFC 1515-100
524.2 Section du conducteur neutre
524.2.1 Le conducteur neutre éventuel doit avoir la même section que les conducteurs de phase :
- dans les circuits monophasés à deux conducteurs, quelle que soit la section des conducteurs,
- dans les circuits polyphasés dont les conducteurs de phase ont une section au plus égale à
16 mm² en cuivre ou 25 mm² en aluminium
aluminium,
- dans les circuits triphasés susceptibles d'être parcourus par des courants harmoniques de rang 3
et multiple de 3 dont le taux d'harmoniques est compris entre 15 % et 33 %.
Voir aussi 523.5.2.
Ces taux d'harmoniques
d harmoniques se rencontrent par exemple dans les circuits alimentant des luminaires à
lampes à décharge dont les tubes fluorescents.
524.2.2 Lorsque le taux d'harmoniques de rang 3 et multiple de 3 est supérieur à 33 % en courant, le
choix d'une
d une section de neutre supérieure à celle du conducteur de phase peut être nécessaire
nécessaire.
Ces taux d'harmoniques se rencontrent par exemple dans les circuits dédiés à la bureautique et à
l'informatique.
a) dans le cas d'utilisation de câbles multipolaires, la section des phases est égale à celle du
conducteur neutre,
neutre le calcul de cette section étant fait pour le courant dans le neutre pris égal à
1,45 fois le courant d'emploi dans la phase.
b) dans le cas d'utilisation de câbles unipolaires, la section des phases peut être choisie inférieure
à celle du neutre, le calcul étant fait :
- pour la phase : pour son courant d'emploi
d emploi ;
- pour le neutre : pour le courant pris égal à 1,45 fois le courant d'emploi dans la phase.
Section Conducteur de neutre – NFC 1515-100
524 2 3 Dans
524.2.3
D
lles circuits
i it polyphasés
l h é d
dontt lles conducteurs
d t
d
de phase
h
ontt une section
ti supérieure
éi
à
16 mm² en cuivre ou 25 mm² en aluminium, le conducteur neutre peut avoir une section inférieure à
celle des conducteurs de phase si les conditions suivantes sont simultanément remplies :
- la charge transportée par le circuit en service normal est supposée équilibrée et le taux
d’h
d’harmoniques
i
d
de rang 3 ett multiple
lti l d
de 3 ne dé
dépasse pas 15 % d
dans lle conducteur
d t
d
de phase
h
;
En règle générale la section réduite du conducteur neutre n'est pas inférieure à la moitié de celle
des conducteurs de phase.
- le conducteur neutre est protégé contre les surintensités suivant les règles du 431.2 ;
- la
l section
ti d
du conducteur
d t
neutre
t estt au moins
i é
égale
l à 16 mm²² en cuivre
i
ou 25 mm²² en aluminium
l i i