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Perturbations électriques - Les effets des harmoniques

4°  LES EFFETS

Les effets peuvent être divers et variés en fonction du type de récepteurs, des rangs d'harmoniques et de l'impédance du réseau.
  1. Si du courant harmonique circule dans les câbles, il est inévitable que cela va augmenter les pertes joules, c'est le premier problème auquel nous allons avoir à faire face.
  2. Le second est également d'importance, surtout pour les abonnés industriels c'est la baisse du facteur de puissance de l'installation. Rappelons que selon le contrat, si l'exploitant a un facteur de puissance inférieur à 0,928 il paiera des pénalités à son fournisseur d'énergie.
  3. Le troisième est indirectement lié au second. Si la facteur de puissance est inférieur à la limite fixée par le fournisseur d'énergie, non seulement l'exploitant paiera des pénalités mais ce « mauvais » facteur de puissance va également s'élargir à tout les récepteurs branchés sur le réseau ce qui diminuera leurs longévité.
  4. De par la loi d'Ohm, si des courants harmonique se créent, des tensions vont également se créent à cause de l'impédance du réseau de distribution électrique. Ces tensions vont s'ajouter ou se déduire à la tension initiale ce qui peut avoir de graves effets sur les récepteurs de ce même réseau.. Plusieurs cas peuvent se produire: L'appareil ne fonctionnera pas pour les ordinateurs, il peut également marcher partiellement pour les luminaires par exemple (baisse ou augmentation de l'intensité lumineuse) ou carrément être détruit si la tension atteint des "sommets".
Les perturbations peuvent prendre beaucoup de forme.

Cela peut être pour les câbles : Pertes ohmique, vieillissement prématuré de l'isolant, corrosion des câbles.
Variateurs : Mise en défaut de l'équipement dû à l'onde de la tension pour les commutations entre autres.
Fusibles, disjoncteurs, relais de protection : Déclenchements intempestifs.
Condensateurs :
Vieillissement prématuré, claquage.
Transformateurs : Accroissement des pertes, saturation si harmoniques de rang pairs.
Moteurs : Couple variable, bruit.
Télécommande, systèmes de transmissions : Interférences, pertes de communication.

Je n'ai bien sûr pas mis les échauffements à chaque fois, mais ils peuvent êtres présent dans tout les cas.

Cas particulier de conducteur de neutre en triphasé

En régime sinusoïdal, dans un système triphasé équilibré, la somme vectorielle des courants s'annule au point neutre. Il n'y a donc pas de courant dans le neutre. La norme autorise donc un sous-dimensionnement du neutre par rapport aux phases pour un gain financier.
Un signal déformé dû à une charge « non-linéaire » comprend une multitude d'harmoniques de fréquences multiples. Si l'on prend uniquement l'harmonique de rang 3, le résultat de la somme vectorielle des courants n'est plus annulé au point neutre. Il y a donc une circulation de courant dans le neutre.
Les courants harmoniques de rang multiple de 3 correspondant aux 3 phases s'additionnent se qui crée du courant dans le neutre. Les harmoniques de rang 12 et plus sont généralement négligeables face à l'importance de l'harmonique de rang 3.
La valeur efficace de l'intensité dans ce neutre est égale à la somme arithmétique des trois courants harmoniques de rang 3 des 3 phases. Il peut y arriver qu'il y ait plus de courant dans le neutre que dans la plus chargée des phases.
Pour justifier cela, on peut prendre un exemple tout simple. Imaginons que l'on ait un réseau informatique, composé donc d'une multitudes d'alimentations à découpage, qui, nous le savons créent des harmoniques. On relèvent les intensités des courants harmoniques dans les conducteurs de phases (pour la simplicité de l'exercice, on considère que les 3 phases sont équilibrées) avec une pince harmonique.

Voici les mesures relevées dans chaque phase :
 
Rang de l'harmonique Intensité efficace (A) Taux harmonique (%)
Tableau des relevés
I1 3 100
I3 2,55 85
I9 0,27 9

La prise d'intensité avec une pince ampèremètrique dans une phase nous donne I = 4,5A.

On sait que seuls les harmoniques de rang impairs nous pose problème, on oublie donc les harmoniques de rang pairs. Celles prises en compte doivent également être des multiples de 3 dans l'exemple vu que les alimentations génèrent des harmoniques multiples de 3.
On sait que le courant dans le neutre est égale à la somme arithmétique des trois courants harmoniques de rang 3 des 3 phases. Donc, mathématiquement çà nous donne:

In = 3 x I3 + 3 x I9 = (3x2,55)+(3x0,27) = 8,46 A.
 
Les mesures faites sur le conducteur neutre nous ont données :

Irms = 8,52 A.
Fréquence = 150 Hz.

Voici un cas précis dans lequel il y a plus de courant dans le neutre que dans la phase la plus chargée.

5°  LES MESURES

Nous le savons, les récepteurs « non-linéaires » créent des courants harmonique. Nous savons également que par l'intermédiaire de ces courants et de l'impédance du réseau, une tension harmonique se crée. C'est cette tension harmonique qui va perturber l'onde sinusoïdale de la tension "normal" dont l'on va se servir pour détecter la présence d'harmoniques.

En premier lieu, il faut s'équiper d'une pince harmonique pour déterminer le taux de distorsion harmonique. En fonction de celui-ci on peut avoir une première idée. Les effets sont directement liés à ce taux, en voici des valeurs "typiques" :
 
Taux de distorsion harmonique en tension Conséquences
THD < 5% Pas de problèmes
5% < THD < 7% Dysfonctionnement des appareils "sensibles"
7% < THD < 9% Dysfonctionnement des appareils "normaux"
THD > 9% Dysfonctionnement de quasi tout les appareils, destruction de certains matériels sur le court, moyen et long terme quasi certains.

Il faut bien sur effectuer ces mesures lorsque le réseau est le plus désavantagé donc quand le maximum de charges "non-linéaires" sont connectées et en fonctionnement.

Une fois ceci fait, normalement, le travail du technicien s'arrête ici. Pourquoi ?
Le fait de pouvoir détecter des harmoniques sur un réseau, n'est pas à la portée de tout le monde car il faut déjà de solide bases en électricité. Mais, la "remédiation" à ce problème nécessite des connaissances qui vont bien au delà des bases. C'est pourquoi, dans la grande majorité des cas, la résolution du problème est donné à un bureau d'étude, dans la théorie tout du moins car il arrive fréquemment qu'on laisse se "débrouiller" le technicien avec "son" chantier... C'est pour cette raison que je ne vais pas m'arrêter là dans cette présentation.

Le niveau 1 pouvant être effectué par un technicien est "normalisé". Les tâches sont :
  • Mesure du THD en tension,
  • Mesure du facteur de crête,
  • Déduction des mesures à l'aide des tableaux de normes.
S'il s'avère qu'il y a de la pollution harmonique, nous passons donc au niveau 2. Les tâches sont :
  • Mesure sur le réseaux pour connaitre le rang des harmoniques.
  • Prise en compte du réseau de distribution électrique (impédances notamment).
  • Études des filtres : Type, dimensionnement, calibrage.
  • Installation des filtres et réglages.
  • Vérification de l'efficacité des solutions apportées.
Pour le niveau 1, une pince de type F21 ou F25 fera l'affaire. Pour le niveau 2, il faudra une pince F23 ou F27 éventuellement accompagné d'un oscilloscope et d'un ordinateur pour analyser les courbes mathématiquement. Il est également important de savoir qu'il existe un troisième niveau. Ce dernier niveau est celui où l'on étudie et dimensionne les appareils "à la commande" car les réseaux sur lesquels ils vont être installés sont très particulier. Je ne vais donc pas le détailler ici vu que l'on tomberait dans le domaine mathématique très vite et que tout le monde serait "largué" sans compter l'ennuie que cela apporterait.

Dans un réseau parfait, sous entendu sans harmoniques, l'onde de la tension est quasi parfaite. Le facteur de crête est égale à racine de 2 donc 1,4. Si l'on a un signal déformé, le facteur de crête sera supérieur à 1,4. On peut donc établir un tableau : Tableau de diagnostic

Certains logiciels de haut niveau technique peuvent déterminer avec précision le taux d'harmoniques sur le réseau et en déterminer des solutions en comparant les données trouvées sur les normes et matériels existants. Plusieurs critères rentrent en compte comme :
  • Le calcul des tensions et courants harmoniques
  • Le calcul des impédances du réseau ( impédances des câbles, des sources etc)
  • Le calcul des injections interharmoniques (signaux émis sur le réseau et qui n'ont pas une fréquence multiple du fondamental) que l'on retrouve entre autres sur les batterie de condensateurs, les fours à arc, les cycloconvertisseurs et ce quel que soit la matrice de celui-ci (3x3 etc).
Ensuite le logiciel donnent avec précisions les actions à mener.
 
 
 

 

Date de création : 09/11/2009 : 18:02
Dernière modification : 09/11/2009 : 20:00
Catégorie : Perturbations électriques
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