Principes de la distorsion harmonique dans un monde de charges non linéaires en hausse

 

Owen Hurst

En mettant l’accent ce mois-ci sur la qualité de l’alimentation, les tests et les mesures, il semble prudent de prendre une minute pour revenir à l’essentiel afin de bien comprendre la distorsion harmonique, en particulier lorsque l’utilisation d’appareils avec des charges non linéaires continue d’augmenter.

Tout d’abord, les harmoniques ne sont pas nouvelles. Ils existent depuis que le premier générateur CA a démarré il y a plus de 100 ans. Initialement, les harmoniques ne représentaient pas un problème car ils étaient très mineurs par rapport aux charges linéaires. Ce n’est que dans les années 1960 que l’impact de la distorsion harmonique est apparu. Ceci est confirmé par V.J. Gosbell, professeur agrégé à l’Université de Wollongong, qui a déclaré: « La distorsion harmonique n’est généralement pas due au fonctionnement du système électrique et était largement absente avant les années 1960. Environ à ce moment-là, un autre type de charge due aux consommateurs avec des alimentations électroniques est devenu populaire. »1  Ces nouveaux produits, tels que les ordinateurs et les appareils électroménagers avec commandes électroniques, ont une charge non linéaire et si nous considérons combien d’articles de ce type nous utilisons, il est facile de voir comment la distorsion harmonique est devenue un problème majeur.

Mais d’abord, prenons simplement un peu de recul et jetons un bref coup d’œil à ce qu’est exactement la distorsion harmonique.

La façon la plus simple de comprendre la distorsion harmonique est de considérer les différences entre les charges linéaires et non linéaires. Si nous avons une source de courant alternatif standard et un appel de charge qui est linéaire, le courant de tirage sera de nature sinusoïdale et ne perturbera pas la forme d’onde (voir fig.1). Pour un fonctionnement idéal, la demande ne crée pas une forme d’onde déformée, mais comme mentionné, elle est sinusoïdale.

Cependant, si l’appel de charge est non linéaire (par exemple avec des commandes électroniques), la forme d’onde est déformée et n’est plus sinusoïdale même si elle provient d’une source sinusoïdale (voir fig.2). En réalité, la complexité de l’onde fondamentale n’est pas importante, c’est juste un élément de plusieurs formes d’onde qui sont appelées harmoniques.2 Les harmoniques ont donc des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence de la forme d’onde. Pour donner un exemple sur une forme d’onde fondamentale de 60 Hz, les composantes de 2ème, 3ème, 4ème et 5ème harmonique seront respectivement à 120Hz, 180Hz, 240Hz et 300Hz. Ainsi, la distorsion harmonique est le degré auquel une forme d’onde s’écarte de ses valeurs sinusoïdales pures à cause de la somme de tous ces éléments harmoniques. »3 Il est important de noter ici que les harmoniques ne doivent pas être confondues avec des pointes, des impulsions, des oscillations ou d’autres formes de phénomènes transitoires.4

Maintenant que nous avons identifié ce que sont les harmoniques, nous pouvons considérer comment ils sont mesurés, ce qui est inévitablement le facteur déterminant pour déterminer si la distorsion harmonique cause des effets négatifs sur le système. Pour ce faire, il est nécessaire de mesurer le taux de distorsion harmonique (Total Harmonic Distortion en anglais) qui “est la somme de toutes les composantes harmoniques de la forme d’onde de tension ou de courant comparée à la composante fondamentale de l’onde de tension ou de courant.” 5 On la calcule à l’aide d’une équation mathématique standard ou, plus couramment, à l’aide d’un appareil de mesure qui peut effectuer les calculs pour vous. Dans tous les cas, plus le pourcentage est élevé, plus la distorsion harmonique est importante sur le signal.

Bien qu’il n’y ait aucune norme imposée pour la distorsion harmonique, elles ont reçu beaucoup d’attention et de nombreux services publics ont leurs propres réglementations qui suivent les « exigences et recommandations pratiques pour le contrôle des harmoniques dans les systèmes électriques de puissance » de l’Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE std 519-1992).

La norme 519 de l’IIEE indique que « les ordinateurs et les équipements connexes, tels que les automates programmables, nécessitent souvent des sources de courant alternatif dont le facteur de distorsion harmonique ne dépasse pas 5%, le plus grand harmonique unique ne dépassant pas 3% de la tension fondamentale. Des niveaux d’harmoniques plus élevés entraînent des dysfonctionnements erratiques, parfois subtils, de l’équipement qui peuvent, dans certains cas, avoir des conséquences profondes. “

Bien que la norme soit volontaire, elle constitue une ligne directrice extrêmement utile qui a été adoptée par de nombreuses entreprises de services publics partout au pays. Avec une distorsion harmonique globale inférieure à 5%, et aucune harmonique unique de plus de 3%, les dommages ou les dysfonctionnements de l’équipement sont peu probables.

Si la distorsion harmonique est plus élevée, il y a un risque de dommages matériels coûteux et de situations potentiellement dangereuses pour les employés. « Des niveaux élevés de distorsion harmonique peuvent provoquer des effets tels qu’un chauffage accru du transformateur, du condensateur, du moteur ou du générateur, un mauvais fonctionnement des équipements électroniques, des lectures erronées sur les compteurs, un mauvais fonctionnement des relais de protection et des interférences avec les circuits téléphoniques.6

La distorsion harmonique peut considérablement limiter le cycle de vie de l’équipement et entraîner une défaillance du système, générant des coûts supplémentaires pour le remplacement de l’équipement et des pertes de revenus causés par les éventuelles interruptions. De plus, dans de rares cas, la surchauffe des moteurs peut potentiellement provoquer des incendies, un risque sécuritaire évident.

Il est donc essentiel de s’assurer que les mesures d’harmoniques sont effectuées et que toute distorsion harmonique présentant des problèmes potentiels soit traitée. Il existe plusieurs façons d’atténuer la distorsion harmonique, la plus courante étant l’installation d’un filtre harmonique qui met en dérivation ou absorbe les harmoniques spécifiques de l’alimentation électrique. Une autre solution possible est un redresseur à modulation de largeur d’impulsion qui peut éliminer un certain nombre d’harmoniques pour atteindre des niveaux acceptables.

La distorsion harmonique ne va pas disparaître, et nous continuons d’augmenter notre utilisation des appareils à charge non linéaire, ce qui entraîne des problèmes croissants de distorsion harmonique qui nécessiteront inévitablement une attention plus directe de la part des organismes de réglementation.

Sources: 

Power System Harmonics: A Reference Guide to Causes, Effects and Corrective Measures, Allen-Bradley, April 2001, pp. 1-7

Alex baitch, M.H. Bollen and V.J. Gosbell, “The Reporting of Distribution Power Quality Surveys” CIGRE/IEEE PES International Symposium on Quality and Security of Electrical Power Delivery Systems, October 2003, pp. 48-53

Total Harmonic Distortion and Effects in Electrical Power Systems, Associated Power Systems, https://www.aptsources.com/wp-content/uploads/pdfs/Total-Harmonic-Distortion-and-Effects-in-Electrical-Power-Systems.pdf

V.J. Gosbell. “Harmonic Distortion in the Electrical Supply System,” PQC TECH Note 3 (Power Quality Centre), 2000, pp. 2-10

Images Source: http://automationwiki.com/index.php/Total_Harmonic_Distortion

Notes de bas de page :

1- V.J. Gosbell. “Harmonic Distortion in the Electrical Supply System,” PQC TECH Note 3 (Power Quality Centre), 2000, p. 2

2- Total Harmonic Distortion and Effects in Electrical Power Systems, Associated Power Systems, https://www.aptsources.com/wp-content/uploads/pdfs/Total-Harmonic-Distortion-and-Effects-in-Electrical-Power-Systems.pdf

3- Total Harmonic Distortion and Effects in Electrical Power Systems

4- Power System Harmonics: A Reference Guide to Causes, Effects and Corrective Measures, Allen-Bradley, April 2001, p. 1

5- Total harmonic Distortion and Effects in Electrical Power Systems 

6- Power System Harmonics, p. 3