Lorsqu'un système d'alimentation comprend des charges non linéaires (variables dans le temps ou invariantes dans le temps), même si l'alimentation fonctionne à une fréquence principale de 50Hz, les charges non linéaires peuvent générer des tensions sinusoïdales ou des courants à des fréquences différentes de la fréquence principale. Ces différentes tensions ou courants sinusoïdaux de fréquence sont appelés harmoniques électriques lorsqu'ils sont étendus dans la série de Fourier.
La définition des harmoniques dans un système d'alimentation implique la décomposition d'une quantité périodique non sinusoïdale en utilisant la série de Fourier. Outre l'obtention de composants avec la même fréquence que le secteur, une série de composants avec des fréquences supérieures à la fréquence du secteur sont également obtenus. Ces composants sont appelés harmoniques. Le rapport de la fréquence harmonique à la fréquence fondamentale (n = fn/f1) est connu comme l'ordre harmonique. Parfois, des multiples non entiers d'harmoniques existent dans la grille, appelés non harmoniques ou harmoniques fractionnaires. Les harmoniques agissent essentiellement comme des interférences, provoquant une «pollution» dans la grille. Le domaine de l'électrotechnique étudie principalement la génération, la transmission, la mesure, les dangers et la suppression des harmoniques, généralement dans la gamme de fréquences de 2 ≤ n ≤ 40.
1. Dangers pour les lignes de distribution d'électricité
Impact sur la stabilité de ligne
Les systèmes de distribution d'énergie utilisent généralement des relais électromagnétiques, des relais à induction ou des relais à transistors pour la détection et la protection, assurant la sécurité des lignes et des équipements en cas de défauts. Cependant, les relais électromagnétiques et à induction peuvent mal fonctionner si le contenu harmonique dépasse 10%, ce qui entraîne une protection inefficace. Bien que les relais à transistors présentent de nombreux avantages, ils utilisent des circuits d'échantillonnage de redressement, ce qui les rend sensibles aux interférences harmoniques, provoquant des opérations fausses ou manquées. Ainsi, les harmoniques constituent une menace sérieuse pour la stabilité et la sécurité du système de distribution d'énergie.
Impact sur la qualité de la puissance
Les harmoniques dans le système d'alimentation peuvent provoquer une distorsion des formes d'onde de tension et de courant. Par exemple, dans les systèmes de distribution résidentiels, les charges telles que les lampes fluorescentes, les gradateurs et les ordinateurs génèrent des harmoniques impaires substantielles, en particulier la troisième harmonique, qui peut atteindre jusqu'à 40%. Dans les lignes de distribution triphasées, les courants harmoniques de troisième ordre dans les lignes de phase peuvent s'additionner dans la ligne neutre, amenant le courant neutre à dépasser le courant de phase. De plus, la tension et le courant harmoniques de la même fréquence produisent une puissance active et réactive du même ordre harmonique, abaissant la tension du réseau et gaspillant la capacité du réseau.
2. Dangers pour l'équipement électrique
Impact sur les transformateurs de puissance
Les harmoniques augmentent les pertes de cuivre dans les transformateurs, y compris les pertes de résistance, les pertes par courants de Foucault dans les conducteurs et les pertes parasites causées par le flux de fuite à l'extérieur des conducteurs. Les harmoniques augmentent également les pertes en fer, principalement en augmentant les pertes par hystérésis dans le noyau. Plus la distorsion de la forme d'onde de tension est mauvaise, plus les pertes par hystérésis sont importantes. Par conséquent, la capacité utilisable réelle du transformateur doit être réduite, ou la capacité nominale du transformateur doit tenir compte du contenu harmonique dans la grille. De plus, les harmoniques peuvent augmenter le bruit du transformateur. Le bruit de vibration du transformateur, principalement causé par l'effet magnétostrictif du noyau, augmente avec des ordres harmoniques plus élevés, contribuant à des fréquences de bruit mixtes autour de 1kHz et produisant parfois des sons métalliques.
Impact sur les câbles d'alimentation
Des ordres harmoniques plus élevés augmentent la fréquence et l'effet de peau devient plus prononcé avec des sections transversales de conducteur plus grandes, ce qui entraîne une résistance à courant alternatif accrue du conducteur et une réduction du courant admissible à travers le câble. En outre, le câble, l'impédance de bus du système et la résistance d'inductance de ligne peuvent résonner avec les condensateurs pour améliorer le facteur de puissance et la capacité du système, provoquant des résonances à certaines valeurs d'inductance et de capacité.
Impact sur l'équipement électrique (moteurs)
Les harmoniques impactent les moteurs asynchrones principalement en augmentant les pertes supplémentaires et en réduisant l'efficacité, ce qui peut entraîner une surchauffe du moteur dans les cas graves. En particulier, les harmoniques de séquence négative génèrent des champs magnétiques rotatifs de séquence négative dans le moteur, créant un couple opposé à la rotation du moteur, réduisant sa sortie. De plus, les courants harmoniques dans le moteur peuvent provoquer des vibrations mécaniques et un bruit important si les fréquences s'approchent des fréquences naturelles de certaines parties du moteur.