Qualité d’energie des réseaux électrique

L’énergie électrique est un facteur essentiel pour le développement que ce soit sur le plan de l’amélioration des conditions de vie ou sur le plan du développement des activités industrielles.

La qualité de cette énergie électrique est devenue de nos jours une grande préoccupation à la fois pour les consommateurs et les fournisseurs d’énergie. Aussi, des critères rigoureux de développement et d’exploitation des réseaux électriques sont de plus en plus exigés. Cela est dotant plus vrai que les réseaux électriques sont de plus en plus soumis à des perturbations du type harmonique courant et/ou énergie réactive provenant principalement de charges non linéaires. Ces charges sont en général des systèmes commandés à base d’électronique de puissance, tels que les ponts redresseurs commandés ou non.

L’électricité disponible au niveau des réseaux électriques devrait être sous une forme de tension sinusoïdale et de fréquence constante. Cependant les signaux réels disponibles ne le sont pas que ce soit pour les courants ou les tensions. Ceci est dû principalement à la présence de charges non linéaires. Il est à noter que les fournisseurs imposent à leurs clients le respect de normes relatives à la qualité électrique permettant de contenir ou d’éliminer les phénomènes perturbateurs.

Qualité de l’énergie

Les problèmes de qualité d’’énergie risquent d’affecter considérablement le fonctionnement des réseaux électriques, pouvant se présenter sous différentes formes :
• Interruption courts ;
• Creux de tension ;
• Tension et/ou courant transitoire ;
• Perturbation harmonique en courant et/ou en tension ;
• Déséquilibre de tension et courant.

Caractéristiques et origines des perturbations électriques

Les tensions d’un réseau électrique constituent un système triphasé équilibré dont la fréquence de base est de 50 Hz. Les paramètres caractéristiques d’un tel système sont les suivants :
• La fréquence,
• L’amplitude des trois tensions,
• La forme d’onde qui doit être la plus proche possible d’une sinusoïde,
• La symétrie du système triphasé, caractérisé par l’égalité des modules des trois tensions et de leur déphasage.

Ces défauts se manifestent sous différentes forme de perturbations qui affectent un ou plusieurs des quatre paramètres précédemment définis. On a donc quatre possibilités distinctes de perturbations :
• Les fluctuations de la fréquence à 50 Hz : elles sont rares et ne sont observées que lors de circonstances exceptionnelles, par exemple, certains défauts graves du réseau, au niveau de la production ou du transport ;
• Les variations rapides de tension : appelée aussi creux de tension et se présentent souvent sous forme d’à-coups brusques. Les creux de tension peuvent être soit isolés, soit plus ou moins répétitifs, de formes régulières ou non ;
• La modification de la forme d’onde de la tension : cette onde n’est plus sinusoïdale et peut-être représentée par une onde fondamentale à 50 Hz, associée soit à des harmoniques de fréquences multiples entières de 50 Hz, soit même parfois à des ondes de fréquences quelconques ;
• La dissymétrie du système triphasé, que l’on appelle déséquilibre ;
• On peut en plus, mentionner un type particulier de perturbations difficiles à classer puisqu’il concerne tout à la fois l’amplitude et la forme d’onde : ce sont les variations transitoires d’amplitudes dont la durée est inférieure à 10 ms.

Types de perturbation

Les perturbations peuvent se déclinées sous différentes formes :
• Les courants perturbateurs comme les courants harmoniques, les courants déséquilibrés et la puissance réactive de la charge sont majoritairement émis par des charges non linéaires, à base d’électronique de puissance, et/ou déséquilibrées ;
• Les perturbations de tension comme les creux, les déséquilibres et les harmoniques de tension trouvent généralement leur origine dans le réseau électrique luimême. Ces types de perturbations ont des effets très néfastes sur les équipements électriques. Ces effets peuvent aller de l’échauffement, à l’arrêt des machines tournantes jusqu’à leur destruction totale.

Creux de tension

On appelle creux de tension (toute diminution de la tension à une valeur située entre 1 et 90 % de la tension nominale et ce, pendant une durée allant de 10 ms à 1 min. Il est caractérisé par sa profondeur ∆U et sa durée ∆T. Par ailleurs, on peut noter qu’une coupure brève n’est qu’un cas particulier du creux de tension, sa profondeur est supérieure à 99 %.

Les principales causes des creux de tension sont les perturbations dues à l’exploitation des réseaux comme la mise sous tension de gros transformateurs, les court-circuit, enclenchement des condensateurs, simple démarrage de gros moteurs…etc.

Fluctuations de la valeur efficace

Les fluctuations de tensions sont des variations de basses fréquences de la valeur efficace de la tension. Ces variations ont une amplitude modérée mais peuvent se produire plusieurs fois par seconde et peuvent être cycliques ou aléatoires, elles sont désignées communément par effet Fliker.

Fluctuations de la fréquence

Les fluctuations de fréquences sont caractérisées par des variations de la valeur nominale de la fréquence « 50 Hz » résultant des variations de vitesses des alternateurs.

Déséquilibre du courant et tension des systèmes triphasés 

Principalement le déséquilibre est dû à la connexion des charges monophasées qui induisent la circulation de courants non équilibrès dans les impédances du réseau ainsi que l’utilisation de machines à souder, les fours à arc de tension plus élevée.

Perturbations harmoniques en courant et en tension

a. Historique « La notion des harmoniques est connue depuis longtemps dans le domaine musical. Lorsqu’une corde d’une certaine longueur est mise en branle, elle émet un son dit fondamental et des harmoniques supérieurs. Ces harmoniques correspondent à des sons associés à des cordes dont les longueurs sont deux fois, trois fois …plus courtes que la corde initiale. Cette relation entre son musical et longueur était parfaitement maîtrisée dans la fabrication des instruments de musique. Par la suite, l’analogie avec le son musical servira à décrire d’autres grandeurs physiques. Dans ses études sur le mouvement des astres, J.Kepler (1571- 1631) assimilera la vitesse des planètes à une hauteur musicale. Ce n’est qu’au XVIIIème siècle que le mathématicien et philosophe d’Alembert (1717- 1783) établira une liaison entre la hauteur des planètes du son musical et une fréquence. Cette découverte s’applique à la musique mais également à tous les domaines concernés par des mouvements vibratoires. L’analyse harmonique sera plus approfondie plus tard par J.Fourier (1768- 1830). Il démontrera que toute fonction périodique, de module intégrable et à vibration bornée, peut se décomposer en une somme de composantes sinusoïdales, dénommées harmoniques ».[4] Au début du siècle dernier les chercheurs commencèrent à étudier et à analyser les harmoniques dans les réseaux électriques, dans les circuits de redresseurs, …

b. Origine et représentation 
Dans les secteurs industriels et domestiques on constate un accroissement de générateurs d’harmoniques. Il s’agit des dispositifs, tels que les convertisseurs statiques, contenant des éléments de commutation ainsi que d’autres dispositifs à caractéristique tension-courant non linéaire :
• Convertisseurs statiques
Les convertisseurs statiques sont les sources d’harmoniques les plus gênantes du fait du nombre et de la puissance des dispositifs installée. On peut citer de manière non exhaustive :
– Les redresseurs monophasés et triphasés. Ils génèrent des harmoniques dont la fréquence dépend sensiblement de la commande adoptée ;
– Les cyclo-convertisseurs utilisés pour régler la vitesse des moteurs à courant alternatif ;
– Les gradateurs utilisés dans les entraînements de faible puissance, les systèmes d’éclairage, de chauffage, … ;
– Les variateurs de vitesse électroniques constitués principalement d’un convertisseur statique et d’une partie électronique, destinés à commander la vitesse d’un moteur électrique.
• Dispositifs à caractéristique tension-courant non linéaire, on distingue :
– Les fours à arc et à induction ;
– Les transformations ;
– Les machines tournantes ;
– Inductances saturées, etc.

c. Conséquences de la présence d’harmoniques 
De nombreux effets produits par les harmoniques sur les installations et équipements électriques peuvent être observés :
• L’échauffement : surchauffe du neutre, surchauffe des transformateurs, déclenchement intempestif des coupe-circuit, surcharge des condensateurs, etc.;
• Problèmes causés par les tensions harmoniques : distorsion de la tension, …
• Problèmes causés par les courants harmoniques au niveau de l’alimentation
• Surchauffe du neutre : dans un système triphasé, la tension est déphasée de 120°, si bien que lorsque les charges sont égales, le courant résultant dans le neutre est nul. Lorsque les charges ne sont pas équilibrées, seule la résultante de la somme des courants de retour se retrouve dans le neutre. Ce principe était admis et a conduit à un sous-dimensionnement du neutre.