Causes et effets Harmoniques

L’harmonique est définie comme le contenu du signal dont la fréquence est un multiple intégral de la fréquence système des fondamentaux. Le courant harmonique généré par toute charge non linéaire circule de la charge dans le système d’alimentation. Ces courants harmoniques dégradent les performances et la fiabilité du système d’alimentation et peuvent également poser des problèmes de sécurité. Les harmoniques doivent être clairement localisées, les sources identifiées et des mesures correctives doivent être prises pour les prévenir.

La charge électrique est classée en deux catégories

1. Charge linéaire: Une telle charge attire la tension et le courant en forme essentiellement d’onde sinusoïdale mais avec un déphasage varié (facteur de puissance). Exemple: les résistances, inductances, condensateurs et leurs combinaisons sont classés comme charge linéaire. Les charges linéaires ont une réponse lisse, droite et prévisible.
2. Charge non linéaire: Les alimentations en charge non linéaire tirent le courant en impulsions brusques plutôt qu’en onde sinusoïdale lisse. Il indique une réponse déformée ou changeant soudainement. Exemple – équipements électroniques / électriques modernes composés de circuits de redressement, de charge / décharge et de contrôle de phase.

Harmoniques: La distorsion dans une onde sinusoïdale est généralement définie en termes de différentes composantes harmoniques. Les harmoniques sont définies comme le contenu d’un signal dont la fréquence est un multiple intégral de la fréquence système de la fondamentale. Les harmoniques typiques pour un système à 50 Hz (fréquence fondamentale) sont les 5e (250 Hz), 7e (350 Hz), 9e (450 Hz).

Les harmoniques d’une onde périodique peuvent être représentées par une série de Fourier:
f(wt) = AO + A1coswt + A2 cos2wt + B1sinwt + B2 sin2wt +—
f(wt) = Forme d’onde périodique non sinusoïdale donnée avec vitesse angulaire w = 2 Σ f
A0 = Const.
A1, A2, A3 —- Un coefficient de termes cosinus, nième est l’ordre des harmoniques.
B1, B2, B3, — Bn coefficient des termes sinusoïdaux, nième est l’ordre des harmoniques.

Effets des harmoniques: Le courant harmonique généré par toute charge non linéaire circule de la charge dans le système d’alimentation. Ces courants harmoniques dégradent les performances et la fiabilité du système d’alimentation et pourraient également poser des problèmes de sécurité. Les harmoniques doivent être clairement localisées, les sources identifiées et des mesures correctives doivent être prises pour prévenir ces problèmes. La THD (distorsion harmonique totale) peut être calculée selon la norme IEE-519 comme:

Où hn est les harmoniques individuelles du nième ordre.

Source d’harmoniques: (1) Transformateurs à vide et à faible charge (2) Réacteurs saturés (3) Entraînements à moteur à thyristors (4) Fours à arc (5) Soudeurs à arc (6) Fours à conduction (7) Éclairage à décharge de gaz – Lampes à vapeur de sodium basse pression / haute pression (8) Lampes à vapeur de mercure haute pression (9) Lampes CFL / tubes fluorescents (10) Dispositifs d’économie d’énergie, par exemple démarreurs progressifs, ballasts électroniques et régulateurs de ventilateur (11) Redresseurs (12) UPS (13) Compensateur VAR statique (14) Système de transmission HVDC (15) Système solaire conversion de puissance.

Pourquoi s’inquiéter pour les harmoniques: La distorsion de tension est généralement très nocive car elle peut augmenter la valeur de crête effective et également le courant efficace dans certains appareils connectés au réseau. Pour un condensateur, l’impédance diminue drastiquement car elle est inversement proportionnelle à la fréquence. Dans des circonstances normales, la distorsion de tension dans le réseau de distribution électrique primaire est minime et peut généralement être ignorée d’un point de vue pratique. D’autre part, la distorsion de la forme de l’onde de courant est fréquente en particulier lorsque des équipements électroniques sont connectés au réseau ou lorsque des charges non linéaires sont connectées. La distorsion du courant, en général, provoque une surchauffe due à l’augmentation des pertes et affecte toutes les machines électriques, transformateurs, etc. Cela entraîne une sous-utilisation de l’équipement. La quantité de déclassement dépendra des harmoniques présentes et de l’ampleur du courant et de la résistance individuels.

La composante harmonique de séquence positive générerait un champ magnétique, qui tourne dans la même direction que la fondamentale. Une harmonique de séquence négative générerait le champ magnétique tournant dans le sens inverse. L’harmonique de séquence zéro ne ferait tourner le champ magnétique dans aucune direction.

Limites des niveaux harmoniques: Selon le réseau du système, différents pays ont adopté des limites différentes pour décider des niveaux de tolérance de distorsion harmonique. Les plages de limites généralement retenues sont indiquées ci-après.

Il est nécessaire de fixer les limites des niveaux de génération d’harmoniques et de les rendre obligatoires pour les utilisateurs. Cependant, dans notre pays, aucune réglementation n’a encore été prise à cet égard. La régulation ne concerne que la variation de la tension nominale qui est de ± 10% et ± 2% de la fréquence.

Courant harmonique

Valeur théorique du courant harmonique = I/h
I = valeur fondamentale du courant
h = Ordre des harmoniques

Forme d’onde électrique avec distorsion harmonique…

Effets harmoniques sur divers composants

1. Transformateurs: Les harmoniques des transformateurs provoquent une augmentation des pertes en fer et en cuivre. La distorsion de tension augmente les pertes dues à l’hystérésis et aux courants de Foucault et provoque une surcharge du matériau isolant utilisé. L’effet principal des harmoniques de ligne électrique dans le transformateur est donc la chaleur supplémentaire générée. D’autres problèmes incluent la résonance possible entre l’inductance du transformateur et la capacité du système, la fatigue thermique due au cycle de température et d’éventuelles vibrations du cœur.
2. Moteur et générateurs: La tension et le courant harmoniques provoquent un échauffement accru dans les machines tournantes en raison de pertes supplémentaires de fer et de cuivre aux fréquences harmoniques. Cela réduit l’efficacité de la machine et affecte le couple développé. Le flux de courants harmoniques dans le stator induit un flux de courant dans le rotor. Il en résulte un échauffement du rotor et un couple pulsé ou réduit. Le chauffage du rotor réduit l’efficacité et la durée de vie de la machine, tandis que les pulsations ou le couple réduit entraînent une oscillation mécanique entraînant une fatigue de l’arbre et un vieillissement accru des pièces mécaniques.

iii. Variateurs Thyristors: Les variateurs à fréquence variable CA avec convertisseur thyristors lorsqu’ils fonctionnent à vitesse lente entraînent généralement un mauvais facteur de puissance.

1. Câble d’alimentation: Le niveau normal des courants harmoniques provoque un échauffement dans les câbles. Cependant, les câbles impliqués dans des conditions de résonance du système peuvent être soumis à une contrainte de tension et à une couronne, ce qui peut entraîner une défaillance de l’isolation.Équipements de mesure
2. : En général, les harmoniques circulant dans les équipements de mesure à induction généreront des trajets de couplage supplémentaires augmentant ainsi la vitesse du disque et donc une augmentation apparente des coûts.
3. Appareillage et relais:Le courant harmonique augmente le chauffage et les pertes dans l’appareillage en abaissant sa capacité de courant normale et en raccourcissant la durée de vie due à la contrainte de tension les fusibles nécessitent un déclassement en raison de la chaleur générée par les harmoniques.

vii. Performances du système de mise à la terre et de l’ordinateur: Dans un système à 3 phases et neutre – lorsque des harmoniques et des multiples 3rd sont attendus, la taille du conducteur neutre doit être la même taille que la taille du conducteur de phase.
L’ordinateur qui raccroche, qui perd des instructions, des données ou qui se comporte mal peut être autant attribué à la mauvaise qualité de l’alimentation. La mise à la terre de l’équipement informatique doit être indépendante et être fixée sur la mise à la terre du secteur en un point – de préférence au point d’entrée uniquement. La mise à la terre multipoint introduit le couplage à divers autres équipements.

viii. Réseau de communication : Couplage par induction entre les lignes de transmission de courant alternatif contenant des harmoniques et le réseau de communication voisin provoquant des niveaux de bruit élevés.Condensateur

1. : Les condensateurs pour la correction du facteur de puissance sont toujours présents dans les installations industrielles et sont les plus affectés si des harmoniques sont présents. Les condensateurs ne génèrent pas d’harmoniques, mais fournissent une boucle de réseau pour la résonance possible. La réactance capacitive diminue avec la fréquence tandis que la réactance inductive augmente directement avec la fréquence. À la fréquence de résonance de tout circuit à capacité inductive (LC), la réactance inductive sera égale à la réactance capacitive. Dans un système électrique réel utilisant un condensateur de correction du facteur de puissance, une résonance série et parrelel et une combinaison des deux peuvent se produire. Dans le cas d’un circuit série, l’impédance totale à la fréquence de résonance se réduit à la seule composante résistive du système. Si cette composante est petite, des grandeurs de courant élevées se produiront à la fréquence de résonance. Dans le cas d’un circuit parallèle, l’impédance totale à la fréquence de résonance est très élevée (approchant hypothétiquement l’infini) donc, lorsqu’elle est excitée par une source même faible à la fréquence de résonance; un courant de circulation élevé circulera entre le condensateur parallèle et l’inductance. La tension aux bornes de la combinaison parallèle pourrait être assez élevée. Par conséquent, si le point de résonance de l’un ou des deux de ces types de circuits se trouve proche de l’une des fréquences générées par les sources harmoniques du système, il peut en résulter un flux de courant harmonique excessif et/ou l’apparition d’une tension harmonique excessive. Ces événements peuvent causer des problèmes tels que des défaillances de batteries de condensateurs, un fonctionnement excessif des fusibles du condensateur et une panne diélectrique des câbles isolés. Dans la plupart des installations à basse tension, les directives suivantes peuvent être suivies:
   1. Si le KVA des charges génératrices d’harmoniques est inférieur à 10% du transformateur, un condensateur nominal KVA peut être installé sans se soucier de la résonance.
   2. Si le KVA de la charge génératrice harmonique est inférieur à 30% de la valeur nominale KVA et que le condensateur KVAR est inférieur à 20% de la valeur nominale KVA du transformateur, le condensateur peut être installé sans se soucier de la résonance.
   3. Si le KVA de la charge génératrice d’harmoniques est supérieur à 30% du transformateur, des condensateurs nominaux KVA doivent être appliqués comme filtres.
   Les directives ci-dessus s’appliquent lorsque des transformateurs d’impédance de 5 à 6 % sont utilisés et que l’impédance du système est inférieure à 1 % à la base du transformateur.

Filtres pour harmoniques

Pour un fonctionnement sain du système d’alimentation, deux choses servent de lignes directrices:

1. Le consommateur est responsable du maintien de la distorsion actuelle dans les niveaux admissibles / acceptables.
   2. La commission de l’électricité est responsable du maintien de la distorsion de tension à des niveaux admissibles/ acceptables.
   Il existe différents types de filtres:
   – Filtres à réglage unique.
   – Passe-haut (premier, 2ème ou troisième ordre, etc.)

Un condensateur avec une réactance série peut être conçu de manière à s’accorder à une harmonique donnée. Il offre un chemin parallèle à impédance presque nulle et absorbe une harmonique particulière. À la fréquence fondamentale, il aide également à la correction du facteur de puissance. Ainsi, partout où des filtres sont nécessaires, une partie de la batterie de condensateurs P.F. est convertie en un ou plusieurs filtres. Un banc de filtres augmente le coût de l’installation de condensateurs en raison de disjoncteurs et de réacteurs supplémentaires.

Le courant harmonique indésirable est empêché de circuler dans le système d’alimentation en utilisant une impédance série élevée pour les bloquer ou les diriger au moyen d’un chemin de dérivation à faible impédance.Les filtres de la série

doivent être conçus pour transporter un courant à pleine charge et doivent être isolés à la pleine tension nominale du système, tandis que les filtres shunt sont moins coûteux et fournissent une compensation réactive en fréquence fondamentale. Par conséquent, il est généralement préféré d’utiliser des filtres shunt.