Harmoniques : origine, effets et solutions

Les courants harmoniques sont l’un des facteurs qui ont le plus d’influence sur la qualité du réseau des installations, plus particulièrement en référence à la forme d’onde. Ces courants provoquent des distorsions qui éloignent le profil de l'onde de la référence sinusoïdale idéale. Dans cet article, nous aborderons les harmoniques de leur origine à leurs conséquences, ainsi que les outils à la disposition des consommateurs d'énergie électrique pour atténuer leurs effets.

La présence de ce type de courants parasites dans les installations électriques (domestiques et industrielles) a augmenté ces dernières années en raison de la mise en œuvre croissante de charges dites non linéaires, impliquant l'utilisation de convertisseurs électroniques pour transformations CA-CC et CC-CA pour leur fonctionnement. Après les transformations mentionnées, les charges finissent par consommer du courant avec une forme d'onde déformée.

Les éléments communs tels que les ordinateurs nécessitent des conversions CA-CC

Grâce au mathématicien Jean-Baptiste Fourier, cette forme d'onde peut être décomposée en une somme de courants à fréquences multiples de la fréquence fondamentale (50 - 60 Hz).

Il s’agit donc de perturbations provenant des installations elles-mêmes, contrairement à d’autres facteurs de qualité du réseau, tels que l’amplitude, la fréquence ou la symétrie, qui sont généralement causés par le fournisseur d’énergie.

Outre les effets susmentionnés sur la forme d'onde du courant, les harmoniques de courant entraînent également un effet de distorsion de l'onde de tension, en raison des chutes de tension qui se produisent lors de la circulation desdits courants à travers l'impédance des lignes et transformateurs.

Ces distorsions peuvent être mesurées au moyen d'analyseurs de réseaux et sont quantifiées principalement en pourcentage de distorsion ou taux de distorsion harmonique (THD). Au niveau international, il existe des normes qui établissent les valeurs limites de distorsion harmonique, qu’il est important de minimiser car leurs effets peuvent affecter les installations voisines d’autres utilisateurs (voir CEI-61000-2-2 ; 2-4; 3-2; 3-4; 3-12; IEEE-519-2014).

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Après cette introduction conceptuelle, voyons quelles sont les charges non linéaires les plus courantes:

• Convertisseurs statiques (groupes redresseurs, variateurs de vitesse, démarreurs progressifs, chargeurs de batterie, etc.)
• Équipements électroniques monophasés tels que ordinateurs, imprimantes, automates programmables, etc. En interne, ils fonctionnent en courant continu et ont un condensateur de filtrage et un redresseur à l'entrée.
• Installations d'éclairage avec lampes à décharge.
• Fours à arc et équipement de soudage.
• Transformateurs et réacteurs à noyau de fer, dont l'aimantation n'est pas linéaire.

Un des effets les plus importants de la distorsion de courant provoquée par les charges répertoriées est une augmentation du courant effectif dans le réseau, ce qui entraîne une augmentation inutile de la consommation et des problèmes liés au dimensionnement des câbles et des transformateurs.

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Ses principales conséquences sont :

Surcharge des conducteurs

L'augmentation du courant effectif peut impliquer que le courant qui va circuler dans les conducteurs soit supérieur au courant admissible, rendant nécessaire d'augmenter la section de ceux-ci si l'effet provoqué par les courants harmoniques n'a pas été pris en compte. Ce problème peut être particulièrement critique pour les conducteurs neutres, car les harmoniques triples (impairs multiples de 3 : 3, 9, 15), causés principalement par des charges monophasées, provoquent le retour de la somme des courants harmoniques par le neutre. Il est essentiel de contrôler le niveau des surintensités dans le neutre, car une surchauffe peut entraîner une dégradation importante, voire une coupure de ce dernier s'il n'est pas correctement contrôlé. La coupure du neutre entraînerait une surtension permanente dans le réseau, détruisant les équipements non protégés contre cette situation.

Déclassement des transformateurs

La présence d'harmoniques dans le réseau augmente la valeur des pertes dues à l'hystérésis et des pertes dues aux courants de Foucault dans les transformateurs, augmentant leur température de fonctionnement et réduisant par conséquent leur durée de vie. Ainsi, les transformateurs affectés par les courants harmoniques subiront un déclassement de la puissance (perte de capacité) à laquelle ils peuvent fonctionner sans générer un échauffement supérieur à la normale.

Déclenchement de protections

Le courant effectif circulant dans les conducteurs peut être considérablement modifié avec l'augmentation du courant due aux harmoniques de l'installation, pouvant dépasser les limites thermiques des disjoncteurs et provoquer leur déclenchement. Bien que cela soit plus improbable, la présence d’harmoniques peut provoquer le déclenchement des disjoncteurs par protection magnétique dans le cas où le facteur de crête de l’onde de courant dépasse la limite de ces valeurs. Il est courant de trouver des facteurs de crête élevés dans des charges monophasées telles que des ordinateurs ou des éclairages à décharge. Les courants harmoniques ont un effet indirect sur le déclenchement des commutateurs différentiels, car leur circulation dans un différentiel ne produira pas de déclenchement. D'autre part, cela impliquera un comportement du réseau en amont du différentiel caractérisé par une impédance élevée par rapport aux courants harmoniques, les faisant circuler à travers une capacité parasite ou des éléments capacitifs connectés à la terre (filtres CEM), augmentant le niveau de fuite observée par la protection différentielle et provoquant des déclenchements intempestifs.

Résonance et surcharge des batteries de condensateurs

Les condensateurs sont des éléments pouvant présenter une résonance en parallèle du comportement inductif du transformateur et du câblage d'alimentation de l'installation. Cette résonance augmente considérablement l'impédance de l'ensemble à une certaine fréquence qui variera en fonction de la puissance de la batterie de condensateurs ou des conditions d'impédance du système d'alimentation. Du fait de ces caractéristiques des éléments capacitifs, et en combinaison avec la présence d’harmoniques dans le réseau, deux phénomènes néfastes pour l’installation peuvent se produire :

• D'une part, il y a une augmentation du taux de distorsion de tension pour toute l'installation où la résonance se produit, ce qui peut affecter le reste des charges.
• D'autre part, les mêmes condensateurs et autres éléments de la batterie de condensateurs tels que les éléments de commande peuvent être endommagés du fait de leur impédance inférieure par rapport aux courants harmoniques et du degré élevé de distorsion de tension, ce qui entraînera une augmentation de la consommation de courant des condensateurs pouvant aller jusqu'à les fondre.

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Après avoir abordé les conséquences des harmoniques de courant, examinons les principaux problèmes liés aux harmoniques de tension :

Distorsion de tension

La distorsion de tension est la conséquence du passage des courants harmoniques par les impédances qui composent les différents éléments de distribution et d’alimentation de l’installation. La distorsion de tension est particulièrement importante, car des niveaux élevés peuvent provoquer des dysfonctionnements des équipements dans les installations, c'est pourquoi il existe des réglementations relatives aux niveaux de compatibilité de ce type de perturbations. La norme EN 50160 définit les conditions à satisfaire à la fois par le consommateur et par le distributeur au point de couplage (PCC), tandis que la norme 61000-2-4 définit des limites de distorsion maximales pour le bon fonctionnement de différents types de des charges. Dans cette norme, différentes classes d’environnement sont également définies. Par exemple, la limite de distorsion de tension pour la classe 1, qui inclut des charges sensibles telles que des automatismes, des ordinateurs, etc., est fixée à 5 %. Cela signifie que pour des valeurs de distorsion plus élevées, ce type de charge peut être affecté et fonctionner de manière inappropriée.

Effet sur les moteurs à induction

Les moteurs à induction verront leurs pertes augmenter à la suite de l'augmentation des courants parasites. De plus, et en fonction des séquences de rotation induites par les champs magnétiques générés par les harmoniques en tension, le moteur peut subir simultanément des accélérations (séquence positive), un freinage (séquence négative) ou les deux à la fois, provoquant des vibrations et des excentricités qui entraînent la désagrégation mécanique de ses composants. L'étude des déclassements de moteurs en fonction du taux de distorsion de tension est incluse dans les normes EN 60034-12 et NEMA MG1. En bref, les facteurs observés entraînent une perte de couple dans le moteur et une diminution de ses performances.

Perturbations de passage par zéro

De nombreux appareils électroniques ont des contrôleurs qui activent le fonctionnement de la charge avec le passage par zéro de la tension. Ceci est utilisé pour minimiser les pics de courant de commutation de nombreuses charges inductives et minimiser leur impact au niveau de la compatibilité électromagnétique. En cas de distorsion de la tension, le fonctionnement de ce type d’appareil peut être totalement erroné et entraîner sa panne, une boucle, une réinitialisation, etc.

Une fois les origines et les effets des harmoniques analysés, il est important de souligner que l’intérêt pour leur élimination des installations électriques n’est pas purement économique, mais vise à garantir une alimentation électrique de qualité. Contrairement à ce qui s’est passé avec le facteur de puissance, il n’existe aujourd’hui aucune pénalité pour les problèmes liés à la présence d’harmoniques dans les réseaux des consommateurs d’énergie électrique.

Au niveau des économies, bien que les harmoniques augmentent le courant effectif, ce qui implique une augmentation de la consommation d'énergie, il n'est pas raisonnable de mettre en œuvre des solutions de filtrage harmonique afin de réduire les pertes supplémentaires, car l'équipement requis à cette fin implique une consommation qui n'entraînera probablement pas d'économies.

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Alors, dans quel but faut-il minimiser la présence d'harmoniques dans nos installations ?

La réponse à cette question réside dans les avantages de disposer d’une alimentation électrique de qualité circulant dans notre système électrique :

Éviter les déclenchements inutiles dans les protections et assurer le bon fonctionnement de l'équipement contribuera à maintenir la continuité du service, indispensable dans toute activité industrielle.

Le fait de maintenir les taux de distorsion à des niveaux réduits permettra de réaliser des économies remarquables sur la maintenance des équipements, en garantissant qu'ils fonctionnent toujours dans des conditions optimales et en évitant les défaillances prématurées affectant à la fois la continuité du service et l'impact économique des réparations ou des substitutions.

Outre ces considérations, il est nécessaire de considérer la sécurité des installations électriques comme une priorité, en tenant compte notamment de la présence de personnel en interaction avec des machines et de la prévention des accidents graves tels que les incendies. En ce sens, il est essentiel de disposer de câbles et d'équipements correctement dimensionnés pour les conditions de travail lorsqu'il s'agit de minimiser les défaillances d'isolement et la surchauffe des composants.

La proposition de CIRCUTOR : Filtres actifs AFQm

La dernière innovation de Circutor en matière de filtrage d'harmoniques se matérialise avec le lancement des nouveaux filtres actifs AFQm. La série AFQ est renouvelée avec plus de possibilités grâce à une conception modulaire désormais plus compacte, plus légère, plus efficace et avec la garantie de la qualité fonctionnelle de son prédécesseur, AFQevo.

Le principe de fonctionnement du filtre AFQm est l'injection de courants en contre-phase aux courants harmoniques circulant dans le réseau. L'équipement mesure le taux de distorsion qui arrive et le compense pour obtenir le meilleur ajustement possible sur une onde sinusoïdale idéale, comme illustré dans la figure ci-dessous :

Principe de fonctionnement d'un filtre actif

De cette manière, un filtrage de haute précision est obtenu, contribuant à maintenir une alimentation électrique de qualité, ce qui se traduira par une efficacité accrue et une meilleure performance globale des éléments de l'installation, comme détaillé dans les points précédents de cet article.

En raison de la forte présence d'harmoniques dans les installations électriques, les filtres actifs AFQm ont de nombreuses applications, en particulier dans les industries où une haute qualité de la forme d'onde est indispensable.

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Caractéristiques du filtre actif AFQm