Higher Harmonic - Qu'est-ce que c'est? - Comprendre les harmoniques supérieures

Qu'est-ce que l'harmonique ? Un harmonique est une fréquence qui est un multiple entier de la fréquence de base. La fréquence fondamentale est la fréquence (propre) la plus basse qu'un système présente naturellement. Une fréquence propre d'un système est une fréquence qui peut montrer ce système par sa nature.

Émergence de l'harmonique supérieure

En raison de l'augmentation des équipements électroniques, le réseau est de plus en plus pollué. Les interrupteurs étoile-triangle sont remplacés par des commandes électroniques, les ampoules sont remplacées par des lumières LED. Nous avons tous des PC et des téléviseurs à écran plat dans la maison. Cela crée des harmoniques supérieures.

Surcharge et déclenchements inexpliqués

Le réseau est généralement assez solide pour faire face à ces problèmes, mais localement, ils peuvent encore entraîner des problèmes. La surcharge des câbles et le déclenchement inexpliqué des disjoncteurs sont des exemples bien connus.

Les charges linéaires sont remplacées par des charges non linéaires - Livre blanc sur les harmoniques supérieures
L'analyse de Fourier d'une forme de courant pollué - Livre blanc sur les harmoniques supérieures

Qu'est-ce que l'harmonique supérieure?

Normalement, la tension du secteur est une formation d'onde sinusoïdale pure. Si une charge linéaire y est connectée, le courant est purement sinusoïdal. Si le sinus est déformé, il peut être décrit comme la somme de plusieurs sinus dont la fréquence est égale à un multiple de la fréquence de base (50 Hz).

Analyse de Fourier

Nous appelons cette description (ou analyse) du signal l'analyse de Fourier. Ceci est expliqué dans la figure 2 (page 5 - Livre blanc PDF). Le courant que nous voyons ici (en vert), est un courant qui est absorbé par une alimentation électronique. Nous pouvons décrire ce courant comme la somme des composantes sinusoïdales individuelles (rouge).

Les différentes composantes sinusoïdales peuvent être représentées par des tiges. L'axe des abscisses indique la fréquence des composantes harmoniques en multiples de la fréquence du sol. L'axe des y indique les valeurs en pourcentage de l'amplitude par rapport à l'onde de sol. Le démêlage d'un courant non sinusoïdal en composantes sinusoïdales distinctes de fréquences différentes, représentées dans un graphique à barres, est également appelé analyse de Fourier.

L'amplitude d'une oscillation (périodique) est la plus grande déviation par rapport à la position d'équilibre, ou, en d'autres termes, le résultat maximum".

La forme d'onde verte que nous voyons est composée de: 

  • Une onde de sol d'une fréquence de 50 Hz, amplitude = 100%.
  • Une 3ème harmonique f=150 Hz avec une amplitude de 95% par rapport à l'onde de sol.
  • Une 5ème harmonique f=250 Hz avec une amplitude de 85% par rapport à l'onde de sol et une 7ème harmonique f=350 Hz avec une amplitude de 70% par rapport à l'onde de sol.
  • Un 9ème harmonique 7=450 Hz avec une amplitude de 60% par rapport à l'onde de sol.

Nous nous sommes maintenant rapprochés de la forme de courant pulsé du sinus. Pour terminer, vous pouvez voir dans le coin inférieur droit de la figure l'analyse de Fourier jusqu'à la 25e harmonique. 

Sous forme de formule:

IRMS = √ I1(50Hz)2 + 95%*I1(150Hz) 2 + 85%*I1(250Hz)2 + 70%*I1(350Hz)2 + 60%*I1(450Hz)2 + et ainsi de suite.

La distorsion harmonique totale (THD : total harmonic distortion) est la somme de toutes les composantes harmoniques de tension ou de courant par rapport à l'harmonique de tension ou de courant à la terre. Le THD est donné en pourcentage. Plus le pourcentage est élevé, plus la distorsion harmonique est importante.

Sous-harmoniques et interharmoniques

Les sous-harmoniques sont des harmoniques dont la fréquence est inférieure à l'harmonique de base (50 Hz) mais inégale à un multiple de l'harmonique de base.

 

harmoniques et réactivité

La puissance réactive est utilisée pour maintenir le magnétisme des transformateurs, des ballasts et des moteurs. Le courant et la tension ne sont alors pas en phase. La figure ci-dessous montre clairement que seule l'énergie active, la puissance réelle, a un sens (la bière). La puissance réactive (la mousse) n'est pas convertie en énergie significative. Si l'on additionne la bière et la mousse, on obtient la taille minimale du verre, que l'on peut considérer comme la puissance apparente requise. Plus la puissance réactive est importante, plus il faut de transformateurs en cuivre et de capacités de connexion. Cette théorie n'est valable que pour une forme sinusoïdale pure de 50 Hz, c'est-à-dire pour des charges linéaires. 

Charge non linéaire

Avec les charges non linéaires, nous avons affaire à des harmoniques plus élevées. De plus, le courant et la tension des composants harmoniques supérieurs ne sont pas en phase l'un avec l'autre. Cela génère également de la puissance réactive.

La puissance réactive générée par le déphasage entre la tension et le courant à 50 Hz est appelée déphasage ou puissance réactive fondamentale. La puissance réactive générée par les composantes harmoniques supérieures est appelée puissance réactive de distorsion. La puissance réactive totale est obtenue en additionnant vectoriellement la puissance réactive de déphasage et la puissance réactive de distorsion.

Maintenant, le Cos-Phi est le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente à 50 Hz. Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente pour toutes les composantes de fréquence.

Cos Phi = Pw / Ps (50Hz)

Facteur de puissance = Pw / Ps (pour toutes les composantes de fréquence)

 

En savoir plus sur le facteur de puissance dans le Cos Phi Whitepaper

Puissance aveuglante et harmoniques supérieures - Livre blanc fortop

Effets des harmoniques supérieures

Les harmoniques supérieures génèrent donc une puissance réactive supplémentaire, mais quelles sont les conséquences réelles des harmoniques supérieures?

Surcharge du conducteur neutre

Si de nombreuses alimentations à découpage ou lampes avec ballasts électroniques sont incluses dans un réseau triphasé à zéro, la proportion de composantes de 3e harmonique dans le courant est importante. Une propriété de l'harmonique de terre de 50 Hz est que la somme vectorielle du courant des 3 phases est toujours égale à zéro. Ainsi, avec un système à charge égale, il n'y a pas de courant qui passe par le zéro. Bien que les composantes de la 3e harmonique soient décalées de 120°, elles résument. Ils se résument donc au zéro, de sorte que le courant passant par le zéro est beaucoup plus important que prévu.

Si le courant de phase de l'onde de sol est de 10 A, et que la proportion du courant de la 3e harmonique est de 60 %, alors le courant passe par le zéro 18 A. Au fait, la théorie ci-dessus s'applique aux composantes harmoniques qui sont un multiple de 3, donc aussi au 9e, 15e, 21e, etc.

Les harmoniques avec un multiple de trois dans les systèmes TN sont déchargées par zéro

Les harmoniques avec un multiple de trois dans les systèmes TN sont déchargées par zéro

Arrêt inattendu des dispositifs de sécurité

Des courants harmoniques plus élevés peuvent entraîner une désactivation inattendue des dispositifs de protection. Souvent, les disjoncteurs sont calculés en additionnant la puissance réelle des différentes charges. Les harmoniques, cependant, provoquent une distorsion aveugle de la puissance. Cette puissance réactive entraîne un réchauffement supplémentaire des fusibles et des bilames, de sorte que l'arrêt a lieu plus tôt que ce à quoi on pourrait s'attendre sur la base de la puissance réelle calculée.

Le fonctionnement capacitif d'une installation en combinaison avec des harmoniques plus élevées entraîne des courants de fuite plus élevés. Ainsi, les RCCB peuvent être déclenchés plus tôt que prévu.

Surcharge des câbles et des tuyaux en général

Les harmoniques fournissent une puissance éblouissante supplémentaire. Cette puissance réactive est responsable du développement de la chaleur dans les câbles et les tuyaux. De plus, l'"effet de peau" fait que les courants de fréquences plus élevées circulent davantage à l'extérieur du conducteur, créant un développement de chaleur supplémentaire.

Surcharge des transformateurs

Les courants harmoniques augmenteront les pertes de cuivre, de courants de Foucault et de courants de fuite, ce qui entraînera une production de chaleur supplémentaire. L'effet de peau provoque également un échauffement supplémentaire. En raison du développement de chaleur supplémentaire, l'efficacité d'un transformateur diminue. Cela augmente le facteur k d'un transformateur, ce qui oblige à réduire la charge maximale. C'est ce qu'on appelle aussi le "déclassement" d'un transformateur. Si le facteur k est de 1,15, le transformateur ne peut être chargé que pour 85% de sa puissance nominale.

Surcharge des condensateurs

Si la tension du secteur est polluée, le courant passant par un condensateur peut augmenter considérablement. La résistance (impédance) d'un condensateur est inversement proportionnelle à la fréquence : Zc= 1 / 2πfC

Chauffage supplémentaire des moteurs

Si la tension du réseau est polluée, un moteur électrique génère des pertes supplémentaires par courants de Foucault. En outre, des tensions harmoniques plus élevées génèrent des champs qui font que le moteur tourne à une vitesse différente ou dans le sens opposé.

Résonance

Lorsque des capacités et des inductions sont présentes dans le réseau, par exemple lors de l'application d'une compensation de courant aveugle, une résonance peut se produire. La résonance se produit aux points où l'impédance d'un circuit série est minimale (lors de l'injection d'un courant) et l'impédance d'un circuit parallèle est maximale (lors de l'injection d'une tension).

''La résonance est un phénomène physique qui se produit pendant la vibration. Un objet qui vibre peut faire vibrer un autre objet, car les vibrations sont transmises par une substance intermédiaire".

L'effet de peau entraîne une densité de courant plus élevée à l'extérieur du conducteur.

résoudre les problèmes causés par les harmoniques

Dans de nombreux cas, les conséquences des problèmes d'harmoniques peuvent être facilement contrôlées en surveillant continuellement les harmoniques et en apportant des ajustements mineurs à la conception de l'installation. Parfois, le coût de la modification de l'installation est si élevé que des filtres (actifs) doivent être appliqués.

Conception de l'installation

Lors du choix de la section des conducteurs, des transformateurs et des dispositifs de protection, il faut tenir compte de la présence, par exemple, de composantes de courant de 3e harmonique. Nous ne limitons pas les courants, mais nous optons pour une "surcapacité" de l'installation, par exemple des lignes plus épaisses. 

A prendre en compte lors de la répartition des différentes charges entre différents groupes. Les équipements sensibles aux harmoniques doivent être séparés autant que possible des équipements qui génèrent beaucoup d'harmoniques. 

Branchez les gros appareils polluants le plus près possible du transformateur. C'est là que le réseau est le plus solide et que les effets négatifs des dispositifs polluants sur la qualité de la tension des autres dispositifs sont minimisés.

Filtres passifs

Les filtres passifs peuvent être utilisés pour bloquer des courants harmoniques spécifiques (filtre bloquant) ou pour former une faible impédance pour ces courants harmoniques (filtre d'aspiration). Un filtre bloquant peut provoquer des tensions harmoniques plus élevées et est coûteux car la puissance totale doit passer à travers le filtre. Un filtre d'aspiration peut avoir l'inconvénient de pouvoir également aspirer les courants harmoniques des "voisins". Cela peut surcharger le filtre. En raison du comportement dynamique des grilles, les filtres passifs sont de plus en plus hors de vue et des filtres actifs sont utilisés.

Un filtre d'aspiration pour les différentes composantes des courants harmoniques

Un filtre d'aspiration pour les différentes composantes des courants harmoniques

Filtres actifs

Un filtre actif peut être comparé à une installation "anti-son". Un filtre actif mesure en permanence la forme du flux et, sur la base de cette mesure, fournit un contre-courant pour les composantes polluantes du flux. Il en résulte un écoulement presque sinusoïdal après le filtre.

Parce qu'un filtre actif est une source de courant librement programmable qui peut être utilisée dans tout type d'installation. En fixant les paramètres, il est possible de choisir sur quel type de pollution le filtre doit se concentrer et dans quelle mesure il doit l'éliminer. Cela signifie que les filtres ne sont pas seulement utilisés pour éliminer les harmoniques supérieures, mais aussi pour les résonances, le scintillement, le déséquilibre et le mauvais cosinus phi.

 

Plus d'informations Lisez le livre blanc "Filtrage dynamique actif".

harmoniques et normes

Les normes ci-dessous sont des normes de qualité de la tension et décrivent la pollution harmonique maximale de la tension dans les réseaux publics et non publics.

EN50150 Norme de qualité de la tension pour les réseaux publics de basse et moyenne tension 
Cette norme décrit les exigences minimales pour la qualité de la tension du réseau au point de transfert du gestionnaire de réseau vers le client. La norme EN50160 fait partie du code de la grille. La norme EN50160 décrit entre autres la pollution maximale de la tension harmonique jusqu'au 25e ordre. 

EN61000-2-4 Norme de qualité de la tension pour les réseaux industriels non publics jusqu'à 35kV 
Cette norme décrit les exigences minimales que la qualité de la tension secteur doit satisfaire dans le domaine non public (privé). Cette norme décrit, entre autres, la pollution harmonique maximale jusqu'au 50e ordre et donne également des recommandations pour les interharmoniques et les harmoniques jusqu'à 9 kHz. Le responsable de l'installation est chargé de veiller à ce que la qualité du voltage soit conforme à cette norme.

EN61000-2-2 Norme de qualité de la tension pour les réseaux publics à basse tension
Cette norme correspond dans une large mesure à la norme EN50160 mais décrit la pollution maximale de la tension harmonique jusqu'au 40e ordre.

 

Plus d'informations Lire le livre blanc "Qualité de l'énergie

les normes d'émission de pollution électrique

Les analyseurs de qualité de l'énergie de Janitza UMG 605-PRO et UMG 512-PRO permettent de produire des rapports complets conformes aux normes EN50160 et EN61000-2-4. Cela permet de voir d'un seul coup d'œil si la contamination harmonique se situe dans les limites autorisées. En savoir plus sur les analyseurs de qualité de l'énergie.

Les normes ci-dessous sont des normes d'émission (normes de qualité de l'énergie) et décrivent la pollution maximale en courant harmonique que les appareils sont autorisés à émettre dans le réseau.

Normes d'émission pour l'émission de la pollution électrique dans le réseau au niveau des appareils

EN61800-3 Maximale harmonische “stroomvervuiling” van frequentieregelaars
EN61000-3-2 Contaminiation harmonique maximale de ''courant'' des appareils jusqu'a 16 A
EN61000-3-12 Pollution harmonique maximale "courante" des équipements supérieure à 16 A et inférieure à 75 A

 

 Il n'existe pas encore de normes pour la pollution maximale de la puissance au niveau de la connexion au gestionnaire de réseau. Ce n'est pas non plus si facile, car la tension et le courant s'influencent toujours l'un l'autre. Une mauvaise qualité de tension entraîne automatiquement une mauvaise qualité de courant et vice versa.


Grâce au logiciel gratuit GridVis inclus, il est possible de faire des analyses et des rapports détaillés selon des normes communes.

 

En savoir plus sur le logiciel GridVis

la mesure des harmoniques supérieures

Les compteurs de kWh n'enregistrent pas les harmoniques supérieures. Par conséquent, la consommation aveugle générée par les harmoniques n'est pas enregistrée par ces compteurs. Un compteur d'énergie standard (multimètre) n'est donc pas adapté à la mesure de signaux à haute fréquence. La gamme s'étend jusqu'à quelques kilohertz au maximum. Les compteurs True-RMS ont une portée légèrement supérieure.

Analyseurs de puissance

Pour mesurer correctement les harmoniques supérieures, nous utilisons des analyseurs de puissance. Avec les analyseurs de puissance de Janitza, nous pouvons mesurer séparément toutes les composantes harmoniques individuelles pour toutes les phases. Pour la plupart des modèles, nous avons également la possibilité de mesurer les composantes harmoniques de la puissance réelle et réactive. Cela nous permet de déterminer la direction de la puissance de tous les composants harmoniques individuels.

 

Tableau 1 | Jauges Janitza avec les fonctions de mesure étendues pour les harmoniques supérieures

 Janitza modèle   orde tout aussi harmonieux des harmoniques étranges interharmoniques couler tension puissance réelle (+/-) puissance aveugle (+/-) L1 L2 L3 L4
UMG103 Harmoniser  1-25e x x   x x     x x x  
THD-U in %                  x x x  
THD-I in %                        
UMG96RM Harmoniser  1-40e x x   x x     x x x  
THD-U in %                 x x x  
THD-U in %                  x x x  
UMG104/604 Harmoniser  1-40e x x    x x x x x x x x
THD-U in %                  x x x x
THD-U in %                 x x x x
UMG605 Harmoniser 1-63e  x x   x x x x  x x x x
THD-U in %                 x x x x
THD-U in %                  x x x x
UMG508 Harmoniser 1-40e x x   x x x x x x x x
THD-U in %                  x x x x
THD-U in %                 x x x x
UMG511 Harmoniser  1-63e  x x x x x x x x x x x
THD-U in %                 x x x x
THD-U in %                  x x x x

 

Les transformateurs de mesure de courant ont une bonne caractéristique de passage jusqu'à 2 kHz. Cela signifie que les composantes harmoniques du courant peuvent être mesurées avec précision jusqu'au 40e ordre avec les transformateurs de courant "classiques". En savoir plus sur les transformateurs de courant.

Enregistrement et suivi des harmoniques

La plupart des analyseurs de puissance sont équipés d'une mémoire (interne). Dans la mémoire, d'importants paramètres de qualité de l'énergie sont surveillés et stockés. Cela permet de faire une analyse harmonique à tout moment de la journée, mais aussi de retrouver une tendance historique.
Analyse de Fourier d'une lampe à LED

Analyse de Fourier d'une lampe à LED

Historische waardes van de 3e harmonische stroom

Valeurs historiques du 3ème courant harmonique

Avec le langage de programmation graphique Jasic, il est possible d'effectuer différentes actions en fonction de la taille des différentes composantes harmoniques.

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