• Yo : valeur de la composante continue généralement nulle et

ORIGINE DES HARMONIQUES ORIGINE DES HARMONIQUES

Exemple dans le cas des signaux que sont les ondes de courant et de tension du Exemple, dans le cas des signaux que sont les ondes de courant et de tension du réseau électrique français :

ORIGINE DES HARMONIQUES ORIGINE DES HARMONIQUES

Déformation d’un signal sinusoïdal.

avec :

• Yo : valeur de la composante continue généralement nulle et

idé é t ll l it

considérée comme telle par la suite,

• Yn : valeur efficace de l’harmonique de rang n,

• ω ω : pulsation de la fréquence fondamentale : pulsation de la fréquence fondamentale,

• ϕ

: déphasage de la composante harmonique à t = 0.

Un signal déformé est la résultante de la superposition des

diffé t d’h i

différents rangs d’harmoniques.

ORIGINE DES HARMONIQUES ORIGINE DES HARMONIQUES

Mode de représentation : le spectre en fréquence Mode de représentation : le spectre en fréquence

Le spectre est un histogramme fournissant l’amplitude de chaque harmonique en fonction de son rang

harmonique en fonction de son rang.

L’examen du spectre permet d’apprécier à la fois quels sont les harmoniques en présence et leur importance respective.

harmoniques en présence et leur importance respective.

La figure 2 représente le spectre du signal donné par la figure 1.

ORIGINE DES HARMONIQUES ORIGINE DES HARMONIQUES

Charge non

Charge non- -linéaire : définition linéaire : définition Charge non

Charge non linéaire : définition linéaire : définition

Une charge est dite non linéaire lorsque le courant

qu’elle absorbe n’a pas la même forme que la tension qui

q p q q

l’alimente.

Typiquement, les charges utilisant l’électronique de

Or, elles sont de plus en plus nombreuses et leur part dans la consommation d’électricité ne cesse de croître dans la consommation d électricité ne cesse de croître.

Exemples

Exemples de charges non de charges non- -linéaires linéaires

ƒ les équipements industriels (machines à souder, fours à arc, à

fours à induction, redresseurs),

ƒ

les variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones ou moteurs à courant continu,

ƒ

les appareils de bureautique (ordinateurs, photocopieurs, fax, …),

ƒ

les appareils domestiques (TV, fours micro-onde, pp q éclairage néon, …),

ƒ

les onduleurs.

Forme du courant absorbé par quelques charges non linéaires

Forme du courant absorbé par quelques charges non linéaires

Perturbations induites par les charges non

Perturbations induites par les charges non--linéaires : linéaires : courant et tension harmoniques

courant et tension harmoniques courant et tension harmoniques courant et tension harmoniques

Les courants harmoniques sont générés par les charges non linéaires connectées au réseau.

A chaque courant harmonique de rang h correspond donc une impédance de circuit d’alimentation Zh. p

Le courant harmonique de rang h va créer à travers l’impédance Zh une tension harmonique Uh, avec Uh = Zh x Ih, par simple application de la q p p pp loi d’Ohm. La tension en B est donc déformée.

Tout appareil alimenté à partir du point B recevra alors une tension

perturbée.

PARTICULARITE DE L’HARMONIQUE PARTICULARITE DE L’HARMONIQUE

DE RANG 3

DE RANG 3

PERTES DANS LES CONDUCTEURS PERTES DANS LES CONDUCTEURS

Soit l’installation suivante :

Données :

R 1 15 Ω X 6 77 Ω P 137 2 KW 0 88

R _C1= 1.15 mΩ X_C1= 6.77 mΩ P = 137.2 KW cosϕ = 0.88

puissance des auxiliaires 1000W Câble type AFUMEX 1000 (RZ1-R)

Section nominale mm²

Pose à l’air libre I admissible en A

nominale mm I admissible en A

Trois câbles unipolaires Cu Al

Un câble multipolaire Cu Al

35 145 115 135 105

50 180 140 165 130

70 230 180 210 165

95 285 220 260 205

C1

120 335 260 300 235

150 385 300 350 275

U = 400 V

240 535 420 475 370

300 615 480 545 425

Charge U = 400 V P = 137.2 kW

400 720 560 645 505

PERTES DANS LES CONDUCTEURS PERTES DANS LES CONDUCTEURS PERTES DANS LES CONDUCTEURS PERTES DANS LES CONDUCTEURS

• Déterminer les pertes joules dans un conducteur de phase et dans le neutre.

IL = P / (UV3cosPhi) = 225A , charge triphasée équilibrée IN = 1000/230 = 4.34A , charges monophasées

• Donner la section des trois conducteurs de phase et du neutre

• Donner la section des trois conducteurs de phase et du neutre.

Sph(cu) = 70 ou 95mm² avec réduction Sn = Sph/2 = 50mm²

PERTES DANS LES CONDUCTEURS PERTES DANS LES CONDUCTEURS

Des mesures effectuées sur l’installation ont donné le résultat suivant :

Intensité du fondamental 225 A

Intensité du rang 3 183 A 81.3%

Intensité du rang 5 152 A 67.6%

Intensité du rang 7 118 A 52.4%

• Déterminer à nouveau les pertes joules en ligne.

IL = √∑(In²) = √(225²+183²+152²+118²) = 313A IL √∑(In ) √(225 183 152 118 ) 313A

In = √∑(I3²) = √(4.34²+3*183²) = 317A

• Donner la nouvelle section des trois conducteurs de phase et du neutre.

Sph(cu) = 150mm² avec majoration Sn = 120mm² Sph(cu) = 150mm² avec majoration Sn = 120mm²

PERTES DANS LES CONDUCTEURS PERTES DANS LES CONDUCTEURS

SYNTHESE SYNTHESE

Lorsqu’un circuit alimente des équipements susceptibles de générer des courants harmoniques la section des

générer des courants harmoniques, la section des

conducteurs de phase, calculée à partir de l’intensité de service de ces récepteurs devra être augmentée, à titre de service de ces récepteurs devra être augmentée, à titre de prévention élémentaire, de 100% et celle du conducteur de neutre de 300%.

Pour cette raison, la règle de la norme NFC 15-100, qui autorise une section moitié de celle des phases pour le

neutre, ne peut s’appliquer que si les charges alimentées ne génèrent pas d’harmoniques, ou encore, si le taux de

di t i h i t dé 10%

distorsion harmonique en courant ne dépasse pas 10%.

POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES

Les perturbations dues aux harmoniques.

Les harmoniques circulant dans les réseaux détériorent la qualité de l’énergie, et sont ainsi à l’origine de nombreuses nuisances :

• surcharge des réseaux de distribution par l’augmentation du courant efficace,

• surcharge des conducteurs de neutre en raison de la sommation des harmoniques

d 3 éé l h h é

de rang 3 créés par les charges monophasées,

• surcharge, vibrations et vieillissement des alternateurs, transformateurs, moteurs, ronflement des transformateurs,

surcharge et vieillissement des condensateurs de compensation d’énergie

• surcharge et vieillissement des condensateurs de compensation d énergie réactive,

• déformation de la tension d’alimentation pouvant perturber des récepteurs sensibles

sensibles.

POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES

L’impact économique de ces perturbations.

Les harmoniques ont un impact économique important. En effet :

• le vieillissement prématuré du matériel conduit à le remplacer plus tôt, à moins de

l’ i i iti l t di i é

l’avoir initialement surdimensionné,

• les surcharges du réseau obligent à augmenter la puissance souscrite, et impliquent, à moins d’un surdimensionnement des installations, des pertes supplémentaires

supplémentaires,

• les déformations du courant provoquant des déclenchements intempestifs et l’arrêt des installations de production.

Ces coûts de matériel, pertes énergétiques et perte de productivité entraînent une baisse de la compétitivité des entreprises.

POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES

Des conséquences de plus en plus importantes.

Le phénomène des harmoniques était encore peu considéré il y a seulement dix ans, car leurs effets sur les réseaux étaient généralement peu importants. Mais l’arrivée en force de l’électronique de puissance dans les récepteurs a amplifié fortement le

hé è d t l t d’ ti ité

phénomène dans tous les secteurs d’activité.

Les harmoniques sont d’autant plus difficiles à combattre que les équipements vitaux

l’ t i t t l bl d l é é ti d t b ti

pour l’entreprise sont souvent les responsables de la génération des perturbations.

POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES POURQUOI DETECTER LES HARMONIQUES

En pratique, quels harmoniques mesurer et combattre ?

Les harmoniques les plus fréquemment rencontrés dans le cas des réseaux triphasés, donc en pratique les plus gênants, sont les harmoniques de rangs impairs.

A d là d 50 l t h i t é li bl t l ’ t

Au-delà du rang 50, les courants harmoniques sont négligeables et leur mesure n’est plus significative.

Ai i b é i i d t bt idé t l h i

Ainsi, une bonne précision de mesure est obtenue en considérant les harmoniques jusqu’au rang 30.

Les distributeurs d’énergie surveillent les harmoniques de rang 3 5 7 9 11 et 13 Les distributeurs d énergie surveillent les harmoniques de rang 3, 5, 7, 9, 11 et 13.

Aussi, la compensation des harmoniques jusqu’au rang 13 est impérative, une bonne compensation prendra également en compte les harmoniques jusqu’au rang 25

compensation prendra également en compte les harmoniques jusqu au rang 25.

LES PRINCIPAUX REMEDES

P t ti d d t d ti

Protection des condensateurs de compensation

Phénomène de résonance.

L’ i ti l é d’élé t itif t i d tif t î l’ iti d

L’association sur les réseaux d’éléments capacitifs et inductifs entraîne l’apparition de phénomènes de résonance. Ceux-ci se manifestent par des valeurs extrêmement élevées ou extrêmement faibles des impédances. Ces variations d’impédance vont modifier les courants et tensions présents sur le réseau

modifier les courants et tensions présents sur le réseau.

Considérons le schéma simplifié suivant, représentant une installation :

Filtre anti-résonance

L'inductance L doit être calculée de façon à ce que la fréquence de résonance ne corresponde à aucun des harmoniques

présents dans l'installation.

Cette règle permet de supprimer les risques de forts courants harmoniques dans les condensateurs. Attention toutefois lors de l'utilisation de condensateurs à gradins à tenir compte des

f é d é l l l di i

L fréquences de résonance selon le ou les gradins en service.

Le schéma équivalent montre que ce circuit présente :

• une résonance parallèle appelée anti-résonance pour la

• une résonance parallèle appelée anti-résonance pour la fréquence :

• une résonance série dans la branche L C, pour la fréquence

FILTRES PASSIFS D’HARMONIQUES

Principe (Filtre SHUNT- Filtre AMORTI)

On place un circuit LC accordé sur chaque fréquence d’harmonique à filtrer, en parallèle sur le générateur d’harmoniques.

Ce circuit de dérivation absorbe les harmoniques et évite que ceux ci ne circulent dans l’alimentation.

Le filtre shunt résonant est constitué par la branche L-C dont la fréquence de résonance

dont la fréquence de résonance

est placée sur la fréquence de la tension harmonique que l’on veut éliminer.

FILTRES PASSIFS D’HARMONIQUES

Principe (Filtre SHUNT- Filtre AMORTI)

Réseau équipé de shunts résonants sur les rangs 5, 7, 11 et 13

FILTRES ACTIFS

Principe

Les systèmes précédents (filtres passifs) ne font que modifier des impédances.

Aujourd'hui la dépollution harmonique peut être traitée par l'utilisation de convertisseurs statiques.

Un filtre actif est un convertisseur statique qui permet d'injecter dans le réseau des U e ac es u co e sseu s a que qu pe e d jec e da s e éseau des harmoniques en opposition de phase et d'amplitude, telle que l'onde résultante soit sinusoïdale. Pour cela, il génère un courant qui est composé des seuls harmoniques (même amplitude et en opposition de phase) du courant dans la charge.

( p pp p ) g

LES INDICATEURS ESSENTIELS DE LA DISTORSION HARMONIQUE

LA DISTORSION HARMONIQUE

L f t d i

Le facteur de puissance.

Le facteur de puissance est égal au rapport entre la puissance active P et la puissance p g pp p p apparente S.

Dans le langage des électriciens, il est très souvent confondu avec le cosinus phi, dont la définition est :

P1 = Puissance active du fondamental.

S1 = Puissance apparente du fondamental.

Or, le cos ϕ se rapporte uniquement à la fréquence fondamentale, et, en présence d’harmoniques, est donc différent du facteur de puissance FP.

LES INDICATEURS ESSENTIELS DE LA DISTORSION HARMONIQUE

LA DISTORSION HARMONIQUE

L f t d êt

Le facteur de crête.

C’est le rapport entre la valeur de crête du courant ou de la tension (Im ou Um) et lapp ( ) valeur efficace.

√ Pour un signal sinusoïdal, ce facteur est donc égal à √2.

Pour un signal non sinusoïdal, il peut être soit inférieur, soit supérieur à √2.

C f t t l ti liè t til tti l’ tt ti l é d

Ce facteur est plus particulièrement utile pour attirer l’attention sur la présence de valeurs de crête exceptionnelles par rapport à la valeur efficace.

Un facteur de crête très élevé signifie des surintensités ponctuelles importantes Ces Un facteur de crête très élevé signifie des surintensités ponctuelles importantes. Ces surintensités, détectées par les dispositifs de protections, peuvent être à l’origine de déclenchements intempestifs.

LES INDICATEURS ESSENTIELS DE LA DISTORSION HARMONIQUE

LA DISTORSION HARMONIQUE

P i ti

Puissance active.

La puissance active P d’un signal comportant des harmoniques est la somme des puissances actives dues aux tensions et courants de même rang.

puissances actives dues aux tensions et courants de même rang.

La décomposition de la tension et du courant en leurs composantes harmoniques nous donne :

ϕ_h étant le déphasage entre la tension et le courant de l’harmonique de rang h.

Nota :

• on suppose que le signal ne comporte pas de composante continue : U0= I0 = 0,

• en l’absence d’harmoniques, on retrouve bien l’expression P = U1 I1 cos ϕ1,

i d’ i l i ïd l 1 ét t l )

puissance d’un signal sinusoïdal, cosϕ1, étant le «cos ϕ»).

LES INDICATEURS ESSENTIELS DE LA DISTORSION HARMONIQUE

DISTORSION HARMONIQUE

Puissance réactive.

La puissance réactive n’est définie que pour le fondamental, soit :

Q = U

.I

.sinϕ

Q

ϕ

Puissance déformante.

Considérons la puissance apparente S : Considérons la puissance apparente S :

S = U

. I

E é d’h i t é i

En présence d’harmoniques, on peut écrire :

Par conséquent, en présence d’harmoniques, la relation S²=P²+Q² n’est pas valide.

On définit la puissance déformante D telle que : S²=P²+Q²+D², soit :

LES INDICATEURS ESSENTIELS DE LA DISTORSION HARMONIQUE

DISTORSION HARMONIQUE

T d Di t i H i (THD)

Taux de Distorsion Harmonique (THD).

Pour un signal y, le taux de distorsion harmonique THD est défini par la formule :g y, q p

Noter que sa valeur peut dépasser 1.

S l l t é é l t li it h à 50 C tt d t d’é l à

Selon la norme, on peut généralement limiter h à 50. Cette grandeur permet d’évaluer à l’aide d’un nombre unique la déformation d’une tension ou d’un courant circulant en un point du réseau.

Le taux de distorsion harmonique est habituellement exprimé en pourcentage.

INTERET DE CHACUN DES INDICATEURS

• Le THD en tension caractérise la déformation de l’onde de tension.

Une valeur de THDu inférieure à 5 % est considérée comme normale. Aucun dysfonctionnement n’est à craindre.

Une valeur de THDu comprise entre 5 et 8 % révèle une pollution harmonique significative. Quelques dysfonctionnements sont possibles.

Une valeur de THDu supérieure à 8 % révèle une pollution harmonique importante.

Des dysfonctionnements sont probables. Une analyse approfondie et la mise en place

d di itif d’ tté ti t é i

de dispositifs d’atténuation sont nécessaires.

• Le THD en courant caractérise la déformation de l’onde de courant.

Une valeur de THDi inférieure à 10 % est considérée comme normale. Aucun dysfonctionnement n’est à craindre.

Une valeur de THDi comprise entre 10 et 50 % révèle une pollution harmonique

significative. Il y a risque d’échauffements, ce qui implique le surdimensionnement des câbles et des sources.

Une valeur de THDi supérieure à 50 % révèle une pollution harmonique importante. Des dysfonctionnements sont probables. Une analyse approfondie et la mise en place de dispositifs d’atténuation sont nécessaires.

INTERET DE CHACUN DES INDICATEURS

Le facteur de puissance FP permet d’évaluer le surdimensionnement à appliquer à Le facteur de puissance FP permet d évaluer le surdimensionnement à appliquer à l’alimentation d’une installation.

Le facteur de crête est utilisé pour caractériser l’aptitude d’un générateur (onduleur ou Le facteur de crête est utilisé pour caractériser l aptitude d un générateur (onduleur ou alternateur) à fournir des courants instantanés de valeur élevée. Le matériel

informatique par exemple absorbe un courant très déformé dont le facteur de crête peut atteindre 3 voire 5

atteindre 3, voire 5.

• Le spectre (décomposition en fréquence du signal) donne une autre représentation des signaux électriques, et permet d’évaluer leur déformation.

des signaux électriques, et permet d évaluer leur déformation.

Section Conducteur de neutre

Section Conducteur de neutre – – NFC 15 NFC 15--100 100 Section Conducteur de neutre

Section Conducteur de neutre NFC 15 NFC 15 100 100

524.2 Section du conducteur neutre

524.2.1 Le conducteur neutre éventuel doit avoir la même section que les conducteurs de phase : - dans les circuits monophasés à deux conducteurs, quelle que soit la section des conducteurs, - dans les circuits polyphasés dont les conducteurs de phase ont une section au plus égale à 16 mm² en cuivre ou 25 mm² en aluminium

16 mm² en cuivre ou 25 mm² en aluminium,

- dans les circuits triphasés susceptibles d'être parcourus par des courants harmoniques de rang 3 et multiple de 3 dont le taux d'harmoniques est compris entre 15 % et 33 %.

Voir aussi 523.5.2.

Ces taux d'harmoniques se rencontrent par exemple dans les circuits alimentant des luminaires à Ces taux d harmoniques se rencontrent par exemple dans les circuits alimentant des luminaires à lampes à décharge dont les tubes fluorescents.

524.2.2 Lorsque le taux d'harmoniques de rang 3 et multiple de 3 est supérieur à 33 % en courant, le choix d'une section de neutre supérieure à celle du conducteur de phase peut être nécessaire

choix d une section de neutre supérieure à celle du conducteur de phase peut être nécessaire.

Ces taux d'harmoniques se rencontrent par exemple dans les circuits dédiés à la bureautique et à l'informatique.

a) dans le cas d'utilisation de câbles multipolaires, la section des phases est égale à celle du conducteur neutre le calcul de cette section étant fait pour le courant dans le neutre pris égal à conducteur neutre, le calcul de cette section étant fait pour le courant dans le neutre pris égal à 1,45 fois le courant d'emploi dans la phase.

b) dans le cas d'utilisation de câbles unipolaires, la section des phases peut être choisie inférieure à celle du neutre, le calcul étant fait :

pour la phase : pour son courant d'emploi ; - pour la phase : pour son courant d emploi ;

- pour le neutre : pour le courant pris égal à 1,45 fois le courant d'emploi dans la phase.

Section Conducteur de neutre

Section Conducteur de neutre – – NFC 15 NFC 15--100 100 Section Conducteur de neutre

Section Conducteur de neutre NFC 15 NFC 15 100 100

524 2 3 D l i it l h é d t l d t d h t ti é i à

524.2.3 Dans les circuits polyphasés dont les conducteurs de phase ont une section supérieure à 16 mm² en cuivre ou 25 mm² en aluminium, le conducteur neutre peut avoir une section inférieure à celle des conducteurs de phase si les conditions suivantes sont simultanément remplies :

- la charge transportée par le circuit en service normal est supposée équilibrée et le taux

d’h i d 3 t lti l d 3 dé 15 % d l d t d h

d’harmoniques de rang 3 et multiple de 3 ne dépasse pas 15 % dans le conducteur de phase ; En règle générale la section réduite du conducteur neutre n'est pas inférieure à la moitié de celle des conducteurs de phase.

- le conducteur neutre est protégé contre les surintensités suivant les règles du 431.2 ;

l ti d d t t t i é l à 16 ² i 25 ² l i i

- la section du conducteur neutre est au moins égale à 16 mm² en cuivre ou 25 mm² en aluminium