Raisons de l'apparition d'harmoniques plus élevées dans les systèmes électriques modernes

L'équipement électrique du monde moderne devient de plus en plus complexe, notamment pour les technologies informatiques. En raison de cette tendance, les systèmes d'assurance qualité de l'énergie doivent répondre à ces exigences : ils doivent simplement gérer facilement les fluctuations, les surtensions, les creux de tension, le bruit, le bruit impulsionnel, etc., afin que le réseau industriel et ses utilisateurs associés puissent fonctionner normalement.

La reformation de la tension du réseau due aux harmoniques causées par les charges non linéaires est l'un des principaux problèmes à résoudre. Dans cet article, nous examinerons les aspects approfondis de ce problème.

Quelle est l'essence du problème

La majeure partie des équipements de bureau actuels, ordinateurs, bureaux, équipements multimédias sont généralement des charges non linéaires qui, connectées en grande quantité au réseau électrique commun, déforment la forme de la tension du réseau.

Cette tension déformée est douloureusement perçue par les autres appareils électriques et perturbe parfois fortement leur fonctionnement normal : elle provoque des dysfonctionnements, des échauffements, des ruptures de synchronisation, génère des perturbations dans les réseaux de transmission de données, — de manière générale, une tension alternative non sinusoïdale peut provoquer toute une série d'équipements , les processus et les inconvénients pour les personnes, y compris le matériel.

La distorsion de tension proprement dite est décrite par un couple de coefficients : le facteur sinusoïdal, qui reflète le rapport de la valeur efficace des harmoniques supérieures à la valeur efficace de l'harmonique fondamentale de la tension du réseau, et le facteur de crête de charge, égal à un rapport entre la consommation de courant de crête et le courant de charge efficace.

Pourquoi les harmoniques supérieures sont-elles dangereuses ?

Les effets causés par la manifestation d'harmoniques supérieurs peuvent être divisés en fonction de la durée d'exposition en immédiat et à long terme. Il est courant de citer les instantanés : déformation de la forme de la tension d'alimentation, chute de tension du réseau de distribution, effets harmoniques dont résonance de fréquence harmonique, perturbations nuisibles dans les réseaux de transmission de données, bruit dans le domaine acoustique, vibration des machines. Les problèmes à long terme incluent : les pertes de chaleur excessives dans les générateurs et les transformateurs, la surchauffe des condensateurs et des réseaux de distribution (câbles).

Harmoniques et forme de tension de ligne

Des courants de crête importants dans la moitié de l'onde sinusoïdale du réseau entraînent une augmentation du facteur de crête.Plus le courant de crête est élevé et court, plus la distorsion est forte, tandis que le facteur de peigne dépend des capacités de la source d'alimentation, de sa résistance interne - si elle est capable de fournir un tel courant de crête. Certaines sources doivent être surévaluées par rapport à leur puissance nominale, par exemple des enroulements spéciaux doivent être utilisés dans les générateurs.

Mais les alimentations sans interruption (UPS) résolvent beaucoup mieux ce problème : grâce à la double conversion, elles sont capables de contrôler le courant de charge à tout moment et de le réguler à l'aide de PWM, ce qui évite les problèmes dus au coefficient de peigne élevé du courant. . En d'autres termes, le facteur de crête élevé n'est pas un problème pour un onduleur de qualité.

Harmoniques plus élevées et chute de tension

Comme indiqué ci-dessus, les onduleurs gèrent bien les facteurs de crête élevés et leur distorsion de forme d'onde ne dépasse pas 6 %. Les fils de connexion ici, en règle générale, n'ont pas d'importance, ils sont assez courts. Mais en raison de l'abondance d'harmoniques dans la tension de ligne, la forme d'onde du courant s'écartera de la forme sinusoïdale, en particulier pour les harmoniques haute fréquence impaires introduites par les redresseurs monophasés et triphasés (voir figure).

L'impédance complexe du réseau de distribution est généralement caractère inductif, par conséquent, les harmoniques de courant en grande quantité entraîneront des chutes de tension importantes sur des lignes de 100 mètres de long, et ces chutes peuvent dépasser celles autorisées, ce qui déformera la forme de la tension sur la charge.

À titre d'exemple, notez comment le courant de sortie d'un redresseur à diode monophasé change à différentes impédances de réseau, en fonction de la résistance du filtre d'entrée d'un appareil alimenté avec une entrée sans transformateur, et comment cela affecte la forme d'onde de tension.

Le problème des multiples d'harmoniques de la tierce

Troisième, neuvième, quinzième, etc. — les harmoniques supérieures du courant secteur sont caractérisées par des coefficients d'amplitude élevée. Ces harmoniques proviennent de charges monophasées et leur effet sur les systèmes triphasés est assez spécifique. Si le système triphasé est symétrique, les courants sont décalés les uns des autres de 120 degrés et le courant total dans le fil neutre est nul, - il n'y a pas de chute de tension sur le fil.

Ceci est vrai en théorie pour la plupart des harmoniques, mais certaines harmoniques sont caractérisées par une rotation du vecteur courant dans le même sens que le vecteur courant de l'harmonique fondamentale. De ce fait, dans le neutre, les harmoniques impairs multiples de la tierce se superposent. Et comme ces harmoniques sont majoritaires, le courant de neutre total peut dépasser les courants de phase : disons, des courants de phase de 20 ampères donneront un courant de neutre avec une fréquence de 150 Hz à 30 ampères.

Un câble conçu sans tenir compte de l'influence des harmoniques peut surchauffer car, selon l'esprit, sa section aurait dû être augmentée. Les multiples harmoniques du tiers sont décalés dans un circuit triphasé de 360 ​​degrés les uns par rapport aux autres.

Résonance, interférence, bruit, vibration, échauffement

Les réseaux de distribution ont danger de résonance à des harmoniques de courant ou de tension plus élevés, dans ces cas, la composante harmonique s'avère supérieure à la fréquence fondamentale, ce qui affecte négativement les composants et l'équipement du système.

Les réseaux de transmission de données situés à proximité des lignes électriques à travers lesquelles circulent des courants avec des harmoniques plus élevés sont soumis à des interférences, le signal d'information qu'ils contiennent se détériore, tandis que plus la distance entre la ligne et le réseau est courte, plus la longueur de leur connexion est grande, plus le fréquence harmonique - plus le signal d'information de distorsion est élevé.

Les transformateurs et les selfs commencent à faire plus de bruit en raison d'harmoniques plus élevées, les moteurs électriques subissent des pulsations dans le flux magnétique, ce qui entraîne des vibrations de couple sur l'arbre. Les machines électriques et les transformateurs surchauffent et des pertes de chaleur se produisent. Dans les condensateurs, l'angle de perte diélectrique augmente avec une fréquence supérieure à la grille, et ils commencent à surchauffer, une panne diélectrique peut se produire. Inutile de parler des pertes dans les lignes dues à l'augmentation de leur température...