Modélisation des éléments du réseau en régime harmonique

Parmi les phénomènes perturbateurs qui affectent l’environnement V électromagnétique, les harmoniques occupent une place particulière. Cette pollution constitue un sérieux problème de qualité d’énergie électrique. En effet les perturbations harmoniques provoquent beaucoup d’effets néfastes comme l’augmentation des pertes d’énergie, les risques de résonances entre les éléments inductifs et capacitifs à certaines fréquences harmoniques, les perturbations des appareils de protections…etc.

Dans les réseaux industriels, la présence des convertisseurs de puissances alimentant les moteurs ainsi que les condensateurs de compensation d’énergie réactive est courante ce qui peut occasionner des risques de résonances.

Un signal périodique alternatif se compose d’un fondamental et d’interharmonique. Un harmonique est une superposition sur l’onde fondamentale du courant ou de la tension, d’ondes de fréquences différentes de celle de l’onde fondamentale, ces fréquences sont des multiples entiers de la fréquence du réseau.

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

Courants harmoniques

Les courants dans les réseaux électriques sont de type périodiques, mais pas toujours sinusoïdaux. Or, on sait qu’une onde périodique peut être décomposée en série de Fourier en une suite d’ondes sinusoïdales dont la fréquence est un multiple de la fréquence fondamentale (en général 50 ou 60 Hz). La forme non sinusoïdale du courant provient de l’addition de la composante fondamentale et des composantes harmoniques.

En général, les harmoniques ne proviennent pas de l’alimentation mais du réseau client : les centrales électriques générant des tensions parfaitement sinusoïdales, les courants harmoniques sont dus à la présence d’une charge électrique non linéaire dans un réseau électrique.

On dit qu’une charge est non linéaire quand, soumise à une tension sinusoïdale (typiquement à 50 Hz), elle n’absorbe pas un courant sinusoïdal.

Inter-harmoniques : 
Les inter-harmoniques sont des signaux de fréquence non multiple de la fréquence fondamentale. Elles sont émises par des charges non linéaires, ou par injection intentionnellement par les distributeurs sur leurs réseaux.

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.

Origines des harmoniques

La prolifération des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques a entrainé ces dernières années une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique du réseau électrique. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, ou parfois à des fréquences quelconques. Le passage de ces courants harmoniques dans les impédances du réseau électrique peut entraîner des tensions harmoniques au point de raccordement et alors polluer les consommateurs alimentés par le même réseau électrique.

On distingue les charges non linéaires dans différents secteurs industriels :

• De type secondaire :
– Les convertisseurs d’électronique de puissance (redresseurs, gradateurs……) ;
– Les fours à induction, variateurs de vitesse ;

• De type tertiaire :
– Le développement de l’informatique, les climatisations ;
– Eclairage dans les bureaux ;
– Appareils de production, transport et distribution ;

• Domestique :
Les appareils domestiques sont dotés de composants électroniques favorisant ainsi la croissance des injections en courant harmonique avec leur large utilisation et surtout dans le temps (téléviseurs, appareils électroménagers en grand nombre).

Effets des perturbations harmoniques

Les harmoniques circulant dans les réseaux détériorent la qualité de l’énergie, et sont ainsi à l’origine de nombreuses nuisances (surcharges, vibrations, vieillissement……) Dans l’ensemble on distingue deux types d’effets des harmoniques :

Les effets instantanés :
Ils se traduisent par des conséquences immédiates sur le fonctionnement des matériels. La présence d’harmoniques crée des troubles de fonctionnement :
➤ Perturbation des systèmes de régulation et de synchronisation ;
➤ Réduction du facteur de puissance ;
➤ Dysfonctionnement des systèmes de mesure ;
➤ Dégradation de la classe de précision et erreurs de lecture de certains appareils de mesure et comptage ;
➤ Provocation de phénomènes de résonance et d’antirésonance ;
➤ Génération et induction de bruit et de vibrations acoustiques dans las appareils (Téléphone…) ;
➤ Dysfonctionnement des récepteurs de télécommande centralisée et un déclenchement intempestif des relais de protection ;

Les effets différés(ou effets à long terme) :
Ils sont essentiellement de nature thermique. Ils sont dus à deux phénomènes majeurs qui sont :
➤ L’échauffement des conducteurs et des composants traversés par les courants harmoniques
➤ Le vieillissement des isolants Ces deux effets dégradent le rendement des équipements et diminue leurs durée de vie.