Sources d'harmoniques dans les réseaux électriques

Étant donné que les éléments non linéaires sont invariablement présents dans les réseaux électriques modernes, en particulier dans les réseaux industriels, il en résulte que les courbes de courant et les courbes de tension sont déformées, des harmoniques plus élevées apparaissent dans les réseaux.

Tout d'abord, la non-sinusoïdalité est due à la présence de convertisseurs statiques, puis de générateurs synchrones, de postes à souder, de lampes fluorescentes, de fours à arc, de transformateurs, de moteurs et d'autres charges non linéaires.

Mathématiquement, la non-sinusoïdalité des courbes de courant et de tension peut être représentée comme la somme de l'harmonique principale de la fréquence du secteur et de ses harmoniques supérieures qui en sont des multiples. L'analyse harmonique donne une série de Fourier trigonométrique, et les valeurs des fréquences et des phases des harmoniques résultantes peuvent être facilement calculées à l'aide de la formule :

En fait, la combinaison résultante de tensions et de courants non sinusoïdaux dans un réseau triphasé peut être asymétrique ou symétrique.Un système symétrique de tensions non sinusoïdales pour des multiples de trois harmoniques (k = 3n) conduit à la formation d'un système de tensions homopolaires.

De plus, à k = 3n + 1, l'harmonique dans le réseau triphasé génère un système symétrique de tensions inverses. Ainsi, chaque k-harmonique d'un système symétrique de tensions non sinusoïdales se traduit par un système symétrique de tensions de phase de séquence directe, inverse ou nulle.

En pratique, cependant, le système de tensions non sinusoïdales de phase s'avère asymétrique. Donc, noyaux magnétiques des transformateurs triphasés eux-mêmes, ils sont non linéaires et asymétriques, puisque les longueurs des trajets magnétiques pour les phases médiane et finale diffèrent d'un facteur 1,9. En conséquence, les valeurs efficaces des courants magnétisants de la phase médiane sont 1,3 à 1,55 fois plus petites que les valeurs des courants magnétisants des phases finales.

Les harmoniques asymétriques sont décomposées en composants symétriques lorsque chaque harmonique k forme un système asymétrique de tensions de phase et contient généralement des composants de trois séquences : zéro, direct et inverse.

Les réseaux triphasés à neutre isolé se caractérisent par l'absence de composantes homopolaires dans chacune des phases, à condition qu'il n'y ait pas de défaut à la terre. En conséquence, il n'y a pas de multiples de trois harmoniques dans les courants de phase, mais il existe d'autres harmoniques qui contiennent des composantes inverses et positives.

Les redresseurs de puissance, en règle générale, du côté CC ont de grandes inductances, qui sont des enroulements de machine CC et des réacteurs de lissage.Ces inductances sont plusieurs fois supérieures à l'inductance équivalente du côté courant alternatif, par conséquent, de tels redresseurs par rapport au réseau de courant alternatif se comportent comme des sources de courant harmonique plus élevé. Le courant dirigé vers le réseau avec une fréquence harmonique a une valeur qui ne dépend pas des paramètres du réseau d'alimentation.

Pour les réseaux électriques triphasés, il est caractéristique d'utiliser des redresseurs pleine onde triphasés pour 6 vannes comme tels convertisseurs, d'où ils sont appelés six impulsions ou six phases. La courbe de courant pour chacune des phases dans ce cas peut être décrite par l'équation (pour le courant d'une phase A):

On voit que les courants de phase ne contiennent que des harmoniques impairs non multiples de trois, et les signes de ces harmoniques alternent : harmoniques positifs du 6k + 1er ordre et harmoniques négatifs du 6k-1er ordre.

Si un redresseur douze phases est utilisé, lorsqu'une paire de redresseurs six phases est connectée à une paire de transformateurs triphasés (les tensions secondaires sont déphasées de pi / 6), alors les harmoniques de 12k + 1 et 12k- 1-ordres apparaîtront, respectivement.

Avant l'utilisation des redresseurs, seuls les transformateurs et diverses machines électriques étaient la principale source d'harmoniques supérieures dans les réseaux électriques. Mais aujourd'hui encore, les transformateurs sont les éléments les plus courants des réseaux électriques.

La raison pour laquelle les transformateurs génèrent des harmoniques plus élevés est la courbe de magnétisation non linéaire des circuits magnétiques et la présence constante de boucles d'hystérésis… Une courbe de magnétisation non linéaire et une boucle d'hystérésis génèrent des distorsions du courant de magnétisation à vide sinusoïdal d'origine et le résultat est des harmoniques plus élevées dans le courant que le transformateur tire du réseau.

Les transformateurs de la classe 110 kV n'ont pas plus de 1% de courant à vide et les transformateurs de la classe 6-10 kV - pas plus de 2-3%. Ce sont de petits courants et leurs pertes actives dans le circuit magnétique sont négligeables. C'est la courbe d'aimantation qui compte, pas la boucle d'hystérésis.

La courbe d'aimantation est symétrique et il n'y a même pas d'harmoniques dans le développement en série de Fourier. La distorsion du courant magnétisant est causée par des harmoniques impairs, parmi lesquels des multiples de trois. La troisième harmonique est particulièrement prononcée, mais les cinquième et septième harmoniques sont également les plus importantes.

Les harmoniques EMF et les harmoniques de courant sont également caractéristiques des moteurs, à la fois synchrone et asynchrone… Ces harmoniques sont causées par les mêmes phénomènes que les harmoniques de courant générés par les transformateurs - la non-linéarité de la courbe de magnétisation des matériaux à partir desquels le stator et le rotor sont fabriqués.

Le spectre fréquentiel des harmoniques de courant des moteurs électriques, comme celui des transformateurs, comprend des harmoniques impairs, parmi lesquels figurent évidemment des multiples de trois. Les plus importantes ici sont les 3e, 5e et 7e harmoniques.

Comme dans le cas des transformateurs, des calculs approximatifs permettent de prendre le pourcentage des courants des harmoniques 3, 5 et 7 à 40 % pour l'harmonique 3, 30 % pour l'harmonique 5 et 20 % pour l'harmonique 7 (pourcentage de le courant de repos).