Généralités sur les harmoniques

L’un des phénomènes, les plus influents, sur la qualité de l’énergie électrique distribuée aux consommateurs est le phénomène des harmoniques.

En effets, la manifestation de régime harmonique sur les réseaux de distribution d’énergie électrique cause de la perturbation à la clientèle et à l’exploitant. De ce fait, et depuis quelques années, la distorsion harmonique est devenue un aspect important de la spécification de l’achat d’équipements électriques et même de la réalisation de systèmes de distribution d’énergie électrique.

définitions :

Définition des harmoniques : 

Un signal périodique de période T déformé contient des harmoniques .On peut le décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux dont le premier est le fondamental et les autres sont des harmoniques. Ces derniers ont des fréquences multiples de celle du fondamental. Chaque composante est caractérisée par son rang et son amplitude.

Ainsi, les harmoniques de tension ou de courant sont des signaux de fréquences multiples de la fréquence fondamentale. Ils sont générés par des charges dites non- linéaires. Certains appareils présentent une impédance non constante durant l’alternance de la sinusoïde de tension à 50Hz. Ils absorbent alors des courants non sinusoïdaux qui se propagent dans le réseau et déforment ainsi l’allure de la tension.

Pour qu’un signal déformé soit accessible à l’étude et à l’analyse, on peut le décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux comprenant :
– Un signal sinusoïdal à la fréquence fondamentale : le fondamental.
– Des signaux sinusoïdaux dont les fréquences sont des multiples entiers du fondamental :
les harmoniques.
– Une composante continue.

Courant harmonique:

Les courants harmoniques présents sur les réseaux électriques proviennent de l’utilisation de charges non linéaires. Ces charges se comportent approximativement comme des sources de courant harmonique, le courant harmonique est fixé par la charge et non par l’impédance ou la tension du réseau auquel elles sont raccordées. La loi d’Ohm exprime une proportionnalité (linéarité) entre courant et tension sinusoïdaux à la fréquence industrielle. Certains récepteurs dits non linéaires ont pour effet de déformer l’onde sinusoïdale de courant et par conséquence de tension. Cette déformation s’analyse à l’aide de la décomposition en série de Fourier, qui fait apparaître des courants dits harmoniques qui se superposent à l’onde sinusoïdale initiale (le fondamental) et sa déformation.

Les inter-harmoniques :

Ce sont des composantes sinusoïdales, qui ne sont pas à des fréquences multiples entières de celle du fondamental. Elles sont dues à des variations périodiques ou aléatoires de la puissance absorbée par différents récepteurs tels que les fours à arc, les machines à souder et les convertisseurs de fréquences (variateurs de vitesse, cycloconvertisseurs).

Infra-harmoniques

Ce sont des composantes sinusoïdales qui sont à des fréquences inférieurs à celle du fondamental : 10Hz, 20Hz. La présence d’inter-harmoniques ou d’infra-harmoniques est due à des variations périodiques ou aléatoires de la puissance absorbée par certains récepteurs. Dans ce cas, le signal n’est pas périodique à T (T période du fondamental), ce qui explique l’apparition de composantes supplémentaires à celles du développement en série de Fourier.

Le foisonnement :

L’effet de foisonnement est une diminution du niveau des perturbations à cause de la multiplication des sources de perturbations harmoniques. Différentes charges peuvent être connectées sur un réseau, il en résulte que les courants qui les alimentent ne sont pas obligatoirement en phase. En effet, s’ils ne s’additionnent pas algébriquement, les harmoniques foisonnent. Cela est possible lorsque les harmoniques de même rang produits par différentes charges sont déphasés les uns par rapport aux autres. On distingue deux types de foisonnement :

➤ Foisonnement temporel :

Toute analyse harmonique doit alors tenir compte de la simultanéité de fonctionnement c’est ce qui définit le foisonnement dans le temps.

➤ Foisonnement angulaire :

Le courant total qui contribue a alimenté les divers appareils connectés sur un même réseau est fonction de l’amplitude, à chaque instant, des courants qui en dérivent. Par conséquent, plus les courants sont nombreux et déphasés les uns par rapport aux autres et plus la résultante pourra devenir négligeable.

Sources harmoniques

Les appareils électroniques sont les principaux responsables de la pollution harmonique, mais les autres charges du réseau peuvent également y contribuer, ces équipements connaissent une diffusion croissante ces dernières années, ils constituent une source de pollution importante. Les charges déformantes, ou encore appelées récepteurs non linéaires, appellent sur le réseau électrique des courants déformés, qui lorsqu’ils sont importants en amplitude et aussi en fonction de l’impédance du réseau, vont modifier l’allure de la tension sinusoïdale.

Les principales sources de courants harmoniques 

Les courants harmoniques ne proviennent en général pas de l’alimentation mais du réseau client, ils sont en général dus à la présence d’une charge électrique non linéaire dans un réseau électrique.

◆ L’éclairage :
L’éclairage public par lampes à décharge ou tubes fluorescents est générateur de courants harmoniques. Le taux individuel d’harmonique 3 peut même dépasser 100% pour certaines lampes fluo compactes, d’où une attention particulière à porter à la détermination de la section et de la protection du conducteur neutre qui, véhiculant la somme des courants d’harmonique 3 des trois phases, risque un échauffement important.

◆ Les bobines saturées :
Les bobines saturées ont une impédance qui varie en fonction du l’amplitude de courant qui les traverse. De ce fait, elles provoquent une déformation notable de ce courant.

◆ Les appareils à arc électrique :
Ce sont les fours à arc à courant alternatif, dont la puissance peut atteindre une dizaine de MW, et les machines de soudure à l’arc à courant alternatif ou continu. Le spectre d’émission harmonique de ces appareils est continu et contient des inter harmoniques d’amplitudes non négligeables. Le contenu harmonique est relativement modéré. On ne peut le négliger du fait que la puissance consommée est forte.

◆ Les convertisseurs statiques:
La présence de convertisseurs statiques (pont de Graëtz) engendre un courant en créneaux.

◆ Les variateurs de vitesse :
Les variateurs de vitesse pour moteurs à courant continu et asynchrones constituent des sources ponctuelles d’harmoniques, on pourrait prendre en considération leurs problèmes lors de l’achat ou de l’installation de l’équipement.

◆ Les liaisons de transport d’énergie :
Les liaisons de transport d’énergie en haute tension continue sont aussi des sources de courants harmoniques ponctuelles et pour ce là, les filtres font partie de l’installation. Les liaisons de haute tensions à courant continu (HTCC) se composent de : matériel statique, matériel magnétique, lignes de transport et filtres.

◆ Les alimentations à découpage :
Les alimentations à découpage constituent un type de charge non linéaires, ces charges ne laissent passer le courant que d’une manière impulsionelle celui-ci est alors riche en harmoniques on les retrouve dans les micros ordinateurs et des matériels électroménagers.

◆ Charge électrodomestiques :
Ce terme englobe tous les appareils domestiques de faible puissance tels que les récepteurs de télévision, les magnétoscopes, etc… Ces charges sont présentés en grand nombre sur le réseau et bien que de puissance unitaire réduite, elles sont responsables d’une part de la pollution harmonique.