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Depuis de nombreuses années, les techniques se modernisent. Toutefois, la qualité de la tension ne suit pas toujours. Par exemple, il n’est plus à prouver que la dégradation de la tension coïncide avec l’émergence de l’électronique de puissance.
En effet, la majorité de ces nouveaux équipements contribuent au dérangement des différents réseaux de distribution électriques. Alors, la tension subit des distorsions de son onde sinusoïdale à cause de ces perturbations.
La variation de l’onde sinusoïdale d’une tension est causée par des matériels électroniques également appelés récepteurs « non-linéaires ». Elle est proportionnelle à l’intervalle de variation des courants déformés. La modification de l’onde est également modifiée en fonction des diverses impédances d’un réseau.
On retrouve alors des signaux déformés. Ils sont constitués d’harmoniques. Ces dernières engendrent malheureusement dysfonctionnements et pertes sur un réseau.
Pour bien comprendre ce phénomène et son importance, un spécialiste du secteur industriel offre son point de vue :
« Aujourd’hui, vu la complexité des phénomènes physiques en électricité qui se sont développés avec les nouvelles technologies, on ne peut plus se contenter de mesurer la valeur efficace d’un signal. Il nous faut passer à d’autres types de mesure plus “pointues” comme la fréquence, l’allure, le facteur de crête, mais également le taux de distorsion harmonique. »
Un fondamental compose un signal parfait. À cause des différentes perturbations expliquées précédemment, d’autres sinusoïdales, de fréquence et d’amplitude différentes, accompagnent ce fondamental. Ces sinusoïdales supplémentaires sont les harmoniques. La somme du fondamental et des harmoniques correspond au signal.
La fréquence définit le rang d’une harmonique. Et, chaque harmonique est un multiple du fondamental. Donc, comme en France le fondamental possède une valeur de 50 Hz, il est simple d’en déduire les fréquences des harmoniques en fonction de leur rang. Par exemple, une harmonique de rang 2 aura une fréquence de 100 Hz et une harmonique de rang 4, 200 Hz. Il suffit de multiplier par le rang la fréquence pour obtenir la valeur d’une harmonique.
Pour bien imager cela, il suffit de prendre un exemple simple comme un boitier d’alimentation pour ordinateur un peu plus ancien que les tout derniers modèles. Les résultats seront plus significatifs. Sur un graphique, le courant fondamental propose une courbe sinusoïdale avec une certaine fréquence correspondant à un enchainement de périodes. Prenons l’harmonique de rang 5. Elle aura 5 périodes répétées alors que le fondamental une seule. Il est possible d’effectuer cette mesure avec de multiples harmoniques car on en retrouve jusqu’au rang 60. Toutefois avec cette dernière ce serait plus compliqué d’imager le phénomène. Une période du fondamental sera donc 5 fois plus importante qu’une période de l’harmonique de rang 5.
Une différence cruciale existe entre les harmoniques de rang impair et celles de rang pair. En effet, les harmoniques de rang pair se nullifient avec la symétrie du signal dans la grande majorité des situations.
Ce sont donc les harmoniques de rangs impairs qui ont tendance à créer les perturbations.
Par conséquent, l’identification, ainsi que la quantification et la limitation dans les réseaux électriques industriels de ces dernières restent importantes.
À la suite de nombreuses confusions dans les méthodes de calcul et avec les perturbations engendrées par des récepteurs « non linéaires », une nouvelle désignation est apparue. Le Displacement Power Factor ou DPF correspond au cosinus par rapport aux fondamentaux de la tension et du courant.
En effet, autrefois, la forme du courant au niveau des récepteurs était la même que celle de la tension. Il n’y avait pas autant de perturbation. On parlait de récepteurs « linéaires ». Avec ces systèmes, il existait une proportionnalité entre l’intensité et la tension à tout moment. On retrouve encore cette relation dans les résistances dites parfaites comme une lampe à filament ou une résistance de chauffage.
Au sein des moteurs triphasés, un déphasage apparaissait dans le temps entre les sinusoïdales de la tension et de l’intensité. Dans ce cas, les signaux devraient être idéalement sinusoïdaux. Donc, pour formuler le déphasage, on utilise le Cos φ.
Dans les nombreux milieux comme le tertiaire, l’industrie ou le domestique, on retrouve divers équipements avec de l’électronique de puissance. Les courants engendrés n’ont plus du tout la même forme que celle de la tension.
La cause est identifiée. Cette disparité provient des récepteurs « non linéaires » qui subissent une tension sinusoïdale, mais ne s’imprègne pas d’un courant sinusoïdal.
Alors, il n’existe aucune relation proportionnelle entre l’intensité et la tension. Du moins, cette relation n’est plus aussi évidente qu’avec un récepteur « linéaire ».
Les récepteurs « non-linéaires » ne consomment donc pas des courants parfaitement sinusoïdaux. Dans ce cas, il n’est pas possible d’utiliser le Cos φ comme avant pour formuler le déphasage. Généralement, on parle de facteur de puissance.
Encore trop de gens confondent le facteur de puissance et le Cos φ, d’où la création du DPF.
D’après les précédents paragraphes, les appareils générateurs d’harmoniques sont donc ceux ayant recours à l’électronique de puissance.
L’alimentation d’ordinateur prise en exemple appartient à la famille des redresseurs. Ces derniers convertissent un courant alternatif en courant continu et sont responsables d’harmoniques. Les redresseurs composent par exemple les fours à induction, les ballasts, les alimentations, les imprimantes, les variateurs de vitesse et bien d’autres composants.
Les gradateurs à angle de phase génèrent aussi des harmoniques. Ils permettent de modifier la tension et le courant en faisant fluctuer un signal. C’est le cas des régulateurs de puissance, de la majorité des fours électriques, des démarreurs progressifs de moteurs. On peut aussi retrouver des générateurs d’harmoniques de cette famille avec les variateurs d’éclairage dans les luminaires.
Les harmoniques peuvent être conséquentes à de nombreux appareils d’éclairage comme les lampes à vapeur (sodium, mercure) ou les tubes fluo.
Enfin, les appareils engendrant des arcs électriques (comme pour la soudure industrielle…) sont également responsables.
En fonction du rang des harmoniques, du type de récepteurs, mais également de l’impédance du réseau, les effets seront différents.
Le premier effet rencontré est une perte de joules. En effet, avec la circulation du courant harmonique dans les câbles, cette déperdition est inarrêtable.
Une baisse du facteur de puissance d’une installation est le second effet. C’est un effet surveillé principalement par les abonnés industriels. En effet, en fonction de leur contrat, pour tout exploitant, un facteur de puissance sous 0,928 engendre des pénalités supplémentaires à payer au fournisseur d’énergie.
L’effet suivant est une cause indirecte du précédent. Avec un facteur de puissance plus bas que la limite établie par le fournisseur d’énergie, en plus des pénalités, ce facteur de puissance de mauvaise qualité va entrainer des perturbations sur l’ensemble du réseau. Alors les récepteurs branchés sur ce dernier verront leur longévité réduite.
Enfin, avec les conséquences de la loi d’Ohm et à cause de l’impédance du réseau de distribution, de nouvelles tensions vont apparaître. Ces dernières s’additionneront ou se déduiront de la tension initiale. Cela peut engendrer de très graves effets sur l’ensemble des récepteurs présents sur le réseau. Alors, on peut se retrouver face à plusieurs situations. Pour un ordinateur, l’appareil ne marchera pas. Pour un luminaire, le fonctionnement risque d’être partiel avec une augmentation ou une diminution de l’intensité lumineuse. Au cas où la tension grimpe au plus haut, l’appareil peut être détruit.
En fonction des appareils, les formes de perturbation sont variées.
Pour les systèmes de transmission ou les télécommandes, on peut retrouver des pertes de communication, mais également des interférences.
Des bruits ou un couple variable peuvent arriver sur les moteurs.
De nombreux déclenchements intempestifs opèrent sur les disjoncteurs, fusibles ou relais de protection.
Les condensateurs subissent un vieillissement prématuré voir un claquage.
Tous les câbles risquent de subir des détériorations, un vieillissement prématuré de la partie isolante, une perte ohmique et la corrosion de l’ensemble du câble.
Avec des rangs pairs, les transformateurs subissent une saturation, sinon ce peut être une intensification des pertes.
Enfin, les variateurs subissent de nombreux défauts de fonctionnement.
Pour réussir à détecter et mesurer la présence d’harmoniques, il va falloir se servir de la tension normale.
Avec une pince harmonique, la détection du taux de distorsion harmonique (THD) s’effectue. Ce dernier apporte un ordre d’idée des harmoniques en présence. Les différents problèmes découlant de la présence d’harmoniques peuvent être évalués en fonction du résultat de ce taux.
Avec un THD en deçà de 5 %, il n’existe pas de problème. Entre 5 et 7 %, les appareils sensibles risquent de dysfonctionner. Entre 7 et 9 %, ce sont les appareils dits normaux qui peuvent dysfonctionner. Enfin, au-delà de 9 %, la quasi-totalité des équipements risque de dysfonctionner voire d’être détruit à court, moyen ou long terme.
Pour obtenir de bonnes mesures de ce taux de distorsion harmonique, le réseau doit être le plus désavantagé. C’est à dire, que ce dernier doit avoir le maximum des équipements « non linéaires » fonctionnant et connectés lors de la mesure.
Pour des mesures encore plus pointues et la réalisation des réparations sur le réseau, l’appel à un spécialiste est nécessaire. Un simple technicien ne pourra pas remédier à tous les problèmes liés aux harmoniques.
