Comprendre la perte harmonique et son impact sur la qualité de l'énergie

Comprendre la perte harmonique et son impact sur la qualité de l'énergie

 

La qualité de l’énergie est cruciale pour déterminer l’efficacité de tout moteur. Plusieurs paramètres clés de la qualité de l’énergie incluent les harmoniques, le déséquilibre de tension et les fluctuations de tension.

 

Dans un système à courant alternatif (AC), le potentiel de tension et le courant traversant le circuit de charge sont décrits en termes de fréquence et d'amplitude. La fréquence du courant correspond à la fréquence de la tension tant que la résistance ou l'impédance de la charge reste constante. Dans les charges linéaires, comme les résistances, les condensateurs ou les inductances, le courant et la tension partagent la même fréquence. Lorsque les caractéristiques de ces composants restent inchangées, la fréquence du courant ne varie pas.

 

Cependant, avec des charges non linéaires telles que des alimentations à découpage, des transformateurs saturants, des condensateurs se chargeant à la tension d'alimentation maximale et des convertisseurs utilisés dans les variateurs, les caractéristiques de charge sont dynamiques. À mesure que l'amplitude de la tension change et que l'impédance de charge fluctue, la fréquence du courant change. Ces changements dans le courant et les formes d'onde complexes qui en résultent sont une conséquence de ces variations de charge.

 

Que sont les harmoniques ?

 

Les harmoniques sont des fréquences de tension et de courant supplémentaires qui se superposent aux formes d'onde sinusoïdales standard de tension et de courant. Généralement, ces fréquences harmoniques sont des multiples de la fréquence fondamentale, qui est de 50 hertz (Hz). Les harmoniques sont générées par des « charges de commutation » (ou « charges non linéaires ») où le courant ne varie pas régulièrement avec la tension comme c'est le cas dans les charges résistives et réactives simples. Chaque fois que le courant est activé et désactivé, une impulsion de courant est créée. La forme d'onde pulsée résultante comprend un spectre de fréquences harmoniques, y compris la fondamentale de 50 Hz et ses multiples.

 

 

Les formes d'onde à haute fréquence, collectivement appelées distorsion harmonique totale (THD), n'effectuent pas de travail utile et peuvent causer des problèmes importants. Le fonctionnement de charges non linéaires provoque une distorsion du courant, qui dépend du trajet. Bien que l'impact de la distorsion du courant sur les charges au sein d'une installation soit minime, les courants harmoniques ne peuvent pas circuler dans des équipements autres que les charges non linéaires qui les ont provoqués. Cependant, l'effet de la distorsion du courant sur les systèmes de distribution peut être grave, principalement en raison de l'augmentation du courant circulant dans le système. Par conséquent, les harmoniques de courant augmentent les pertes dans les composants du système électrique du client et du service public.

 

Sources d'harmoniques

 

Plusieurs charges non linéaires génèrent des harmoniques, notamment :

- Convertisseurs et redresseurs de puissance statique, utilisés dans les UPS et les chargeurs de batterie.

- Fours à arc.

- Electronique de puissance pour commandes de moteurs (AC/DC Drives).

- Des ordinateurs.

- Récepteurs de télévision.

- Transformateurs saturés.

- Éclairage fluorescent.

- Matériel de télécommunication.

 

Effets des harmoniques

 

Les harmoniques affectent divers éléments du réseau au sein d'un système de plusieurs manières. Chaque fois que des courants harmoniques traversent un équipement, plusieurs problèmes se posent :

 

1. Increased Losses: Due to higher frequency, devices like motors and transformers with laminated cores suffer higher losses. Harmonic currents cause additional heating in these devices.

 

2. Cable Heating: Harmonic currents tend to flow through the outer skin of conductors due to the skin effect, resulting in conductor heating.

 

3. Nuisance Tripping: Harmonics can cause unintended tripping of relays and failure of capacitors installed for power factor improvement.

 

4. Measurement Errors: Certain harmonic currents (e.g., 5th harmonic) have a reverse phase sequence, leading to incorrect readings in electro-mechanical metering devices. In polluted networks, normal induction motors may not develop the necessary torque due to harmonic currents generating counteracting torque.

 

5. Telecommunication Interference: Higher order harmonics interfere with telecommunication systems. When a telephone line runs parallel to a power line with harmonics, noise is introduced into the telephone line, a phenomenon known as telephonic interference.

 

6. Device Malfunction: Highly polluted voltage can lead to malfunction of devices like thyristors, which depend on the zero crossing of the voltage waveform, potentially causing commutation failure.

 

7. Power Factor Reduction: High harmonic content results in a low power factor. The angle between the fundamental components of current and voltage gives the Displacement Power Factor (DPF), whereas the angle between voltage and RMS current (both fundamental and harmonic) gives the total Power Factor (PF). For linear loads, PF and DPF are the same. However, for loads generating many harmonics, PF is much lower than DPF.

 

8. Neutral Overheating: In a 3-phase, 4-wire system, certain harmonic currents (e.g., 3rd harmonic) tend to flow in the neutral. Many domestic and commercial non-linear loads generate substantial amounts of 3rd harmonic current, causing the neutral conductor to overheat, which may lead to melting. In extreme cases, the neutral current can exceed 1.5 times the normal line current.

 

9. Generator Stress: Harmonic current affects generators, especially those operating at maximum capacity. These generators often lack the margin to accommodate additional heating losses caused by harmonic currents, leading to insulation deterioration in electrical equipment.

 

Harmonic Loss in Motors

 

When harmonic currents flow through motors, they generate additional losses and heat. This heat can reduce the motor's efficiency and lifespan. Harmonic currents cause extra losses due to their higher frequency, leading to higher iron losses in the motor's core and additional copper losses in the windings. This not only reduces the efficiency of the motor but also increases its operating temperature, potentially causing thermal stress and premature failure.

 

Addressing Harmonic Loss

 

To address harmonic loss and improve power quality, several strategies can be employed:

 

1. Installation of Harmonic Filters: Active and passive harmonic filters can be installed to reduce harmonic distortion in the power system. These filters help mitigate the effects of harmonics and improve overall power quality.

 

2. Use of Power Factor Correction Devices: Devices like Static Var Generators (SVG) and Active Power Filters (APF) can be used to correct power factor and reduce harmonic distortion. These devices improve the efficiency of the power system and reduce losses.

 

3. Regular Maintenance and Monitoring: Regular maintenance of electrical equipment and monitoring of power quality parameters can help identify and address issues related to harmonics. Using advanced monitoring systems, facility managers can track harmonic levels and take corrective actions when necessary.

 

4. Design Considerations: During the design phase of electrical systems, considerations should be given to the types of loads and their harmonic generation characteristics. Designing systems to minimize the impact of harmonics can lead to better performance and reduced losses.

 

Conclusion

 

Harmonic loss is a critical issue affecting power quality and efficiency in electrical systems. Non-linear loads generate harmonics that can cause additional losses, overheating, and equipment malfunctions. Addressing harmonic loss through the installation of filters, use of power factor correction devices, regular maintenance, and thoughtful design can significantly improve power quality and system efficiency. By understanding and mitigating the impact of harmonics, facility managers and engineers can ensure the reliable and efficient operation of electrical systems, leading to reduced energy costs and longer equipment lifespan.

 

Real-world Examples and Benefits

 

To understand the importance of addressing harmonic loss, let's consider a few real-world examples and their benefits:

 

1. Manufacturing Plant: In a large manufacturing plant, numerous non-linear loads such as welding machines, variable frequency drives, and computers create significant harmonic distortion. By installing harmonic filters and using power factor correction devices, the plant can reduce energy losses, lower operating temperatures of equipment, and prevent unexpected shutdowns due to tripping relays. This results in improved productivity and reduced maintenance costs.

 

2. Commercial Building: In a commercial building with multiple floors and a variety of electronic equipment, harmonics can lead to overheating of neutral conductors and increased electricity bills. Implementing harmonic mitigation strategies not only ensures a safer electrical system but also enhances the building's energy efficiency, leading to lower utility expenses and a more comfortable environment for occupants.

 

3. Centre de données : les centres de données hébergent une infrastructure informatique critique qui doit fonctionner de manière fiable. Les harmoniques peuvent provoquer des problèmes de qualité d’alimentation qui affectent les performances des serveurs et des systèmes de refroidissement. En s'attaquant aux pertes harmoniques, les centres de données peuvent atteindre une plus grande fiabilité, prévenir la perte de données et réduire les besoins en refroidissement, ce qui, à terme, permet d'économiser sur les coûts énergétiques et de prolonger la durée de vie de leurs équipements.

 

4. Système d'alimentation électrique : les sociétés de services publics qui fournissent de l'électricité à divers consommateurs doivent gérer la distorsion harmonique pour maintenir la stabilité du réseau. En déployant des filtres harmoniques et des équipements de correction du facteur de puissance à des points stratégiques du réseau de distribution, les services publics peuvent minimiser les pertes d'énergie, améliorer la stabilité de la tension et garantir une alimentation électrique constante à leurs clients.

 

Étapes simples pour les entreprises

 

Pour les entreprises qui cherchent à lutter contre les pertes harmoniques et à améliorer la qualité de leur énergie, voici quelques étapes simples à suivre :

 

1. Réalisez un audit de la qualité de l’énergie : engagez un professionnel pour effectuer un audit complet de la qualité de l’énergie de votre installation. Cet audit identifiera les sources d'harmoniques et les domaines dans lesquels des améliorations peuvent être apportées.

 

2. Installez des filtres d'harmoniques : sur la base des résultats de l'audit, installez des filtres d'harmoniques appropriés pour atténuer les effets des harmoniques. Les filtres actifs sont particulièrement efficaces pour les charges dynamiques, tandis que les filtres passifs peuvent être utilisés pour des environnements plus stables.

 

3. Mise à niveau vers un équipement moderne : Envisagez de mettre à niveau un équipement ancien ou inefficace qui génère des niveaux élevés d'harmoniques. Les appareils modernes disposent souvent de fonctionnalités intégrées pour minimiser la génération d’harmoniques.

 

4. Mettre en œuvre un entretien régulier : Établissez un calendrier d’entretien de routine pour vos systèmes électriques. Des contrôles réguliers peuvent aider à détecter et à résoudre les problèmes avant qu’ils ne deviennent des problèmes majeurs.

 

5. Éduquez le personnel : Formez votre personnel à l’importance de la qualité de l’énergie et à l’impact des harmoniques. Des employés instruits peuvent aider à maintenir les meilleures pratiques et à identifier rapidement les problèmes potentiels.

 

Dernières pensées

 

Comprendre et traiter les pertes harmoniques est essentiel pour maintenir des systèmes électriques efficaces et fiables. Les harmoniques peuvent provoquer divers problèmes, notamment des pertes accrues, une surchauffe, des dysfonctionnements des équipements et des coûts énergétiques plus élevés. En prenant des mesures proactives pour atténuer la distorsion harmonique, les entreprises et les installations peuvent améliorer la qualité de leur énergie, améliorer les performances du système et réaliser des économies significatives. Avec une planification, une maintenance et l’utilisation de technologies avancées appropriées, les défis posés par les harmoniques peuvent être gérés efficacement, conduisant à un système électrique plus stable et plus efficace pour tous.