Comment les harmoniques se forment, se propagent et se nettoient dans les charges non linéaires

1. Introduction

La révolution industrielle a changé la vie grâce à la technologie, notamment à l’énergie électrique distribuée à l’échelle mondiale par les services publics. Aujourd’hui, la qualité de l’énergie est essentielle au fonctionnement constant des équipements, exigeant une alimentation stable et sans problème pour les utilisateurs domestiques et industriels. Les services publics exigent des équipements de haute qualité pour éviter les problèmes d’alimentation du système.

Les dispositifs basés sur l'électronique de puissance ont contribué de manière significative aux économies de carburant et d'énergie, mais ont également introduit des harmoniques, conduisant à des tensions polluées. Les utilisateurs commerciaux et domestiques utilisent ces appareils, qui consomment des courants harmoniques. En conséquence, garantir un approvisionnement en énergie propre est devenu un intérêt mutuel pour les utilisateurs et les services publics.

Les harmoniques constituent depuis longtemps un sujet critique dans le domaine de la qualité de l’énergie. Diverses organisations internationales, notamment l'IEEE, l'IET et la CEI, ont établi des normes de conception pour maintenir des alimentations électriques sans harmoniques.

La gestion des systèmes électriques nécessite que les services publics gèrent les harmoniques à leur origine afin de prévenir l'instabilité du réseau. Une approche globale du contrôle des harmoniques implique trois étapes clés :

1. Identification des sources harmoniques

2. Mesure des niveaux harmoniques

3. Mise en œuvre des techniques de purge

Les départements R&D des services publics effectuent des recherches pour maintenir les niveaux d'harmoniques dans les limites autorisées. Les principaux domaines de recherche comprennent :

1. Correction du facteur de puissance dans des environnements harmoniquement pollués
2. Défaillances du système de coordination d’isolation
3. Distorsion de la forme d'onde
4. Déclassement des transformateurs, des câbles, des appareillages de commutation et des condensateurs de correction du facteur de puissance

Les organismes de réglementation se concentrent sur la conception et la mise en œuvre de normes pour le contrôle des harmoniques. Ces méthodes comprennent :

1. Filtres d'harmoniques actifs basés sur la logique floue
2. Techniques d'ondelettes pour l'analyse des formes d'onde
3.  Techniques PWM sophistiquées pour la commutation électronique de puissance

Ce chapitre vise à expliquer les sources de génération d'harmoniques, leurs techniques d'identification, de mesure et de purge/suppression. Il vise à apporter de la valeur à tous les ingénieurs électriciens, en particulier aux ingénieurs des services publics.

2. Que sont les harmoniques ?

En génie électrique, les harmoniques font référence à des formes d’onde sinusoïdales qui sont des multiples de la fréquence du système. Les harmoniques d'un système peuvent être décrites comme ci-dessous.

Harmonique divisée en séquences positives, négatives et nulles. Les harmoniques de séquence positive varient avec la fréquence fondamentale, tandis que celles de séquence négative s'y opposent. Les harmoniques homopolaires ne sont pas affectées par la fréquence fondamentale.

La direction du phaseur est critique, en particulier dans les moteurs. Les harmoniques de séquence positive entraînent correctement les moteurs, tandis que les harmoniques négatives réduisent le couple. Les exemples incluent les 7ème, 13ème et 19ème pour la séquence positive, les 5ème, 11ème et 17ème pour la séquence négative et les 3ème, 9ème et 15ème pour la séquence zéro.

Les services publics se concentrent sur les harmoniques jusqu’au 11ème ordre en raison de leur amplitude décroissante. Leur gestion est cruciale pour la qualité de l’énergie et la fiabilité du système.

3. Génération d'harmoniques

Harmonics in electrical networks are produced by various sources, including:

1. Rectifiers
2. Iron cores in power transformers
3. Welding equipment
4. Variable speed drives
5. Periodic switching of voltage and currents
6. AC generators with non-sinusoidal air gap flux distribution or tooth ripple
7. Switching devices like SMPS, UPS, and CFLs

Voltage distortions from AC generators occur due to uneven magnetic fields.

In large power systems, maintaining a smooth output from the generator is vital. However, any deviations in the circuit can lead to harmonics in the current flow. Also, harmonics can originate from the iron cores in transformers, which have a non-linear magnetic behavior.

Managing these harmonic sources is essential for maintaining power quality, ensuring the efficiency and reliability of electrical systems, and preventing potential damage to equipment.

4. Problems associated with harmonics

Harmonic frequencies in electrical systems can lead to several issues:

· Resonant Conditions: Harmonics can create resonant conditions when combined with power factor correction capacitors.

· Increased Losses: System elements, including transformers and generating plants, experience increased losses.

· Insulation Aging: Harmonics accelerate the aging of insulation materials.

· Communication Interference: Harmonics can interrupt communication systems.

· False Tripping: Circuit breakers may experience false tripping due to harmonics.

· Neutral Wire Currents: Large currents can flow in neutral wires, causing potential safety hazards.

5. Harmonics monitoring standards

Harmonic identification in AC power networks led to standards by IEEE, IEC, and IET for monitoring and evaluation. These standards help maintain power quality, with modern AI techniques aiding in improving and enforcing these regulations globally.

6. Harmonics measurement

In a harmonically polluted environment, identifying the best measurement point is challenging. Modern electronics contribute to widespread harmonics, with load profiles varying throughout the day. Accurate harmonic identification requires power quality analyzers or digital oscilloscopes for Fast Fourier Transform (FFT). IEEE Standard 519-1992 outlines procedures for harmonic measurements, but utilities must maintain precise logs for accurate monitoring and mitigation.

• Power Quality Analyser

• Instrument transformers based transducers (CT and PT)

7. Harmonics purging techniques

Active Power Filters (APFs) use power electronics to mitigate harmonic distortions from non-linear loads. They focus on developing control algorithms and load current analysis.

Active Power Filters (APFs) are crucial for improving low-voltage power quality, two type as below:

• series active filters

• shunt active filters

Les filtres actifs shunt, ou filtres parallèles, neutralisent les distorsions harmoniques dans les réseaux CA causées par des charges non linéaires. Ils agissent comme une source de courant en parallèle avec la charge, détectant les harmoniques avec des micro-capteurs et utilisant des IGBT.

8. Conclusion

Ce chapitre traite des problèmes fondamentaux de qualité de l'énergie, couvrant les sources d'harmoniques et leurs effets sur les composants électriques. Il traite des normes réglementaires pour le contrôle des harmoniques et des techniques de mesure efficaces. L'accent est mis sur les stratégies d'atténuation des harmoniques, notamment l'utilisation innovante de filtres harmoniques actifs (APF).

Les APF sont des solutions essentielles pour maintenir une alimentation de haute qualité, améliorer la fiabilité du système et optimiser l'efficacité énergétique.

Tout intérêt de l'APF, contact bienvenu : sales@yt-electric.com