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Les harmoniques de courant sont des composantes sinusoïdales d'un signal électrique périodique dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamentale. Dans les réseaux électriques, la fréquence fondamentale est généralement de 50 Hz ou 60 Hz. Ainsi, une harmonique de rang 2 aura une fréquence de 100 Hz (2 x 50 Hz), une harmonique de rang 3 une fréquence de 150 Hz (3 x 50 Hz), et ainsi de suite.
La présence de ces harmoniques déforme la forme d'onde sinusoïdale idéale du courant ou de la tension, entraînant des distorsions qui peuvent affecter le bon fonctionnement des équipements électriques. Ces perturbations sont une source majeure de pollution harmonique, un phénomène qui peut causer des problèmes sérieux dans les installations électriques industrielles et domestiques.
Les harmoniques de courant sont principalement générées par des charges non linéaires. Une charge est dite non linéaire lorsque le courant absorbé n'est pas proportionnel à la tension appliquée, ce qui entraîne une déformation de la forme d'onde du courant. Parmi les sources courantes de charges non linéaires, on trouve :
• Équipements électroniques : ordinateurs, téléviseurs, alimentations à découpage, etc. Ces appareils convertissent le courant alternatif (AC) en courant continu (DC) et, ce faisant, génèrent des harmoniques.
• Systèmes d'éclairage : lampes fluorescentes, lampes à décharge et éclairage LED. Ces systèmes utilisent des ballasts électroniques qui introduisent des distorsions harmoniques.
• Variateurs de vitesse : utilisés pour contrôler la vitesse des moteurs électriques, ils modifient la fréquence et l'amplitude de la tension, générant ainsi des harmoniques.
• Redresseurs et onduleurs : dispositifs convertissant le courant AC en DC et vice versa, présents dans de nombreuses applications industrielles et domestiques.
Ces équipements, en modifiant la forme d'onde du courant, introduisent des fréquences supplémentaires dans le réseau, créant ainsi des distorsions harmoniques qui peuvent affecter la qualité du courant et perturber le bon fonctionnement des appareils électriques.
Il est important de toujours vérifier la compatibilité électromagnétique de ses équipements électriques.
Pour vérifier l’absence de champ électromagnétique perturbateur, des tests de compatibilité électromagnétique existent.
La présence d'harmoniques dans un système électrique peut avoir plusieurs effets préjudiciables :
Les harmoniques augmentent les pertes par effet Joule (échauffement dû au passage du courant) dans les conducteurs, transformateurs et moteurs. Cette surchauffe peut réduire la durée de vie des équipements et augmenter les coûts de maintenance.
Les dispositifs de protection, tels que les disjoncteurs et relais, sont conçus pour fonctionner avec des formes d'onde sinusoïdales. Les distorsions harmoniques peuvent fausser leurs mesures, entraînant des déclenchements intempestifs ou, au contraire, une absence de déclenchement en cas de défaut.
Les harmoniques peuvent provoquer des phénomènes de résonance dans les circuits électriques, amplifiant certaines fréquences et entraînant des surtensions susceptibles d'endommager les équipements.
Les harmoniques peuvent induire des interférences électromagnétiques, affectant les systèmes de communication et les équipements sensibles tels que les appareils médicaux.
Pour évaluer la présence et l'impact des harmoniques dans un système électrique, plusieurs outils et indicateurs sont utilisés :
1. Taux de Distorsion Harmonique (THD)
Le THD quantifie le niveau de distorsion harmonique présent dans une forme d'onde. Il est défini comme le rapport entre la valeur efficace des harmoniques et la valeur efficace de la composante fondamentale. Un THD élevé indique une forte présence d'harmoniques.
2. Analyseurs de qualité d'énergie
Ces appareils mesurent et enregistrent les paramètres électriques, y compris les harmoniques, permettant une analyse détaillée de la qualité de l'alimentation électrique.
Pour garantir la compatibilité électromagnétique et la sécurité des installations, des normes internationales définissent les limites acceptables de distorsion harmonique. Par exemple :
• CEI 61000-3-2 : spécifie les limites d'émission de courants harmoniques pour les équipements électriques.
• IEEE 519 : recommande des limites pour les harmoniques de tension et de courant dans les réseaux électriques.
Le respect de ces normes est essentiel pour minimiser les effets néfastes des harmoniques sur les réseaux électriques et les équipements connectés.
Plusieurs approches peuvent être adoptées pour réduire l'impact des harmoniques dans les systèmes électriques :
Ces dispositifs bloquent ou atténuent les harmoniques spécifiques, empêchant leur propagation dans le réseau. Ils peuvent être passifs (composés de condensateurs, inductances et résistances) ou actifs (utilisant des composants électroniques pour générer des signaux opposés aux harmoniques indésirables).
L'utilisation de transformateurs avec des connexions spécifiques (par exemple, couplage étoile-triangle) peut aider à réduire certaines harmoniques en créant des déphasages qui les annulent.
Une planification soignée, incluant le dimensionnement adéquat des conducteurs et la séparation des charges non linéaires des charges sensibles, peut minimiser l'impact des harmoniques.
Les variateurs de vitesse et redresseurs modernes intègrent des technologies réduisant les émissions d'harmoniques, contribuant à une meilleure qualité du courant.
Les harmoniques de courant sont une problématique majeure dans les réseaux électriques modernes. Leur origine, leurs effets préjudiciables et les solutions d’atténuation doivent être bien compris pour assurer une alimentation électrique fiable et efficace. En adoptant des stratégies adaptées telles que l'installation de filtres harmoniques ou l'optimisation de la conception des installations, il est possible de limiter les impacts des harmoniques et d'améliorer la performance des réseaux électriques.
Pour en savoir plus sur la réduction des interférences entre les appareils électriques et électroniques consultez également la synthèse de la directive 2014/30/UE sur la compatibilité électromagnétique
