Harmoniques et harmonique de rang 3
Les harmoniques sont le résultat de charges non linéaires qui convertissent la tension de ligne CA en CC. Les harmoniques pénètrent dans le système électrique en raison des dispositifs de commutation électroniques non linéaires, tels que les variateurs de fréquence (VFD), les alimentations d'ordinateurs et l'éclairage écoénergétique.
Aujourd'hui, les sources d'harmoniques les plus répandues et croissantes sont :
Tels que l'alimentation en mode Swith, les lumières LED, le four à arc provoque généralement une harmonique de 3ème ordre.
3e harmonique et courant élevé dans le courant neutre
Dans un système triphasé à quatre fils, les courants sinusoïdaux avec des charges linéaires s'additionnent pour revenir sur le conducteur neutre. Le déphasage de 120° entre les courants de charge sinusoïdaux fait que leur somme vectorielle est assez petite. En fait il sera nul si les charges linéiques sont parfaitement équilibrées.
La somme instantanée des courants dans les trois phases prises à chaque instant sera également nulle si les charges linéaires sont parfaitement équilibrées. Si ce n'est pas le cas, il y aura un petit courant neutre résiduel.
Avec des charges linéaires, le conducteur neutre peut avoir la même taille que les conducteurs de phase car le courant neutre ne sera pas supérieur au courant de phase le plus élevé. Malheureusement, cela n'est certainement pas vrai pour les charges phase-neutre non linéaires.
Les charges non linéaires de 120 VAC telles que les SMPS utilisées dans les ordinateurs et les moniteurs consomment du courant en deux impulsions distinctes par cycle. Étant donné que chaque impulsion est étroite (moins de 60 degrés), les courants dans les deuxième et troisième phases sont nuls lorsque l'impulsion de courant se produit dans la première phase. Aucune annulation ne peut donc se produire dans le conducteur neutre et chaque impulsion de courant sur une phase devient une impulsion de courant sur le neutre.
Même si les courants de phase des charges SMPS sont parfaitement équilibrés en ampères RMS, la valeur RMS du courant de neutre peut atteindre √3 fois la valeur RMS du courant de phase car il y a 3 fois plus d'impulsions de courant dans le neutre que dans n'importe quelle phase. Si les impulsions de courant de phase se chevauchent parce qu'elles dépassent 60 degrés de largeur, il y aura une certaine annulation de sorte que le courant neutre sera inférieur à √3 fois le courant de phase. Chevauché ou non, car il y a 3 fois plus d'impulsions dans le neutre que dans une phase, la composante prédominante du courant neutre sera l'harmonique 3 (180Hz pour un système 60Hz). Le courant linéaire effectue seulement 2 cycles dans la même période de temps que le courant neutre non linéaire effectue 6 cycles ou 3 fois le fondamental.
Les courants de 3e harmonique s'ajoutent aux neutres (3 fois les courants de 3e harmonique dans les phases). Les courants harmoniques Triple-N s'additionnent arithmétiquement dans le conducteur neutre plutôt que de s'additionner à zéro comme le font les courants fondamentaux équilibrés et les autres courants harmoniques. Il en résulte des courants neutres souvent nettement plus élevés, typiquement jusqu'à 170 %, que les courants de phase.
La 3ème harmonique est dangereuse
Examinons maintenant pourquoi les troisièmes harmoniques sont dangereuses. Les harmoniques du système électrique augmentent rapidement le courant dans le système. Ceci est particulièrement correct pour la troisième harmonique. La troisième harmonique provoque une forte augmentation du courant dans un conducteur neutre. Les harmoniques provoquent un dysfonctionnement des composants électroniques, entraînant un échauffement des transformateurs, etc.
La numérisation, l'informatisation et l'automatisation ont leur revers, les alimentations (SMPS) et l'ajout d'appareillages de commande d'éclairage ajoutent au grave problème des 3e harmoniques. Comme ces harmoniques sont d'amplitude et de magnitude élevées, elles aggravent les problèmes de mauvaise qualité de l'alimentation.
Le problème de la 3ème Harmonique est le suivant :
1. Surcharge des conducteurs neutres
2. Transformateurs de distribution de surcharge
3. Tension neutre à la terre élevée.
4. Mauvaise qualité de l'alimentation et distorsion de la tension alimentant la charge.
5. Déséquilibre de courant dans le transformateur, charge excessive du transformateur dans les phases individuelles.
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