Comprendre les perturbations d’harmoniques

Pannes fréquentes, équipements défectueux, coupures de courant intempestives… Les harmoniques sont à l’origine de nombreuses perturbations dans les circuits électriques.

Mais quelles sont leurs causes au juste ? Quels impacts ces distorsions de signal ont-elles sur vos réseaux et installations ? Et comment les mesurer et les réduire durablement ?

Dans cet article, Lettel vous aide à mieux comprendre les perturbations d’harmoniques et vous explique comment les maîtriser afin de renforcer la qualité de votre réseau, de prolonger la durée de vie de vos équipements et d’optimiser votre performance énergétique.

Qu’est-ce qu’un harmonique dans un circuit électrique ?

En France, l’électricité est distribuée en courant alternatif avec une fréquence déterminée, de 50 Hz. Or, il arrive que certaines charges électriques, dites non linéaires, génèrent des fréquences supplémentaires, appelées « harmoniques », qui se superposent à la fréquence fondamentale. Ces oscillations déforment la courbe sinusoïdale du signal électrique, entraînant des perturbations dans le réseau.

Les harmoniques sont des fréquences multiples de la fréquence fondamentale de l’alimentation : l’harmonique de rang 3 est de 150 Hz ; le rang 5 est de 250 Hz, et ainsi de suite.

 

L’indicateur utilisé pour évaluer les niveaux d’harmoniques dans le réseau est le taux de distorsion harmonique (THD – total harmonic distortion). Il calcule, en pourcentage, le rapport entre la fréquence fondamentale et la distorsion.

→ Bon à savoir : les harmoniques de rang impair (3,5,7,9…) sont ceux qui causent des dysfonctionnements sur les réseaux électriques, tandis que ceux de rang pair (2,4,6,8…) s’annulent grâce à la symétrie du signal.

Quelles sont les causes des perturbations
d’harmoniques ?

Les harmoniques sont causés par des charges non linéaires, c’est-à-dire des dispositifs dont la consommation de courant n’augmente pas proportionnellement à la tension qui l’alimente, entraînant une distorsion du signal sinusoïdal. Elles s’opposent aux charges linéaires, dont le courant consommé suit continuellement la même forme que celle de la tension.

Voici quelques exemples de charges non linéaires pouvant générer des perturbations d’harmoniques : 

• Les appareils utilisant des alimentations à découpage, qui convertissent le courant alternatif en courant continu en créant des distorsions dans le signal d’entrée. Cela concerne un grand nombre d’appareils électroniques :
  • ordinateur de bureau ;
  • téléviseur à écran plat ;
  • console de jeux vidéo ;
  • chargeurs de téléphones et de tablettes ;
  • …
• Des appareils bureautiques :
  • fax ;
  • photocopieur ;
  • imprimante laser ;
  • serveur informatique ;
  • moniteur d’ordinateur ;
  • …
• Des appareils domestiques :
  • lave-linge à moteur variable ;
  • réfrigérateurs modernes avec compresseurs à vitesse variable ;
  • micro-ondes ;
  • …
• Les appareils d’éclairage à LED et fluorescents dont les ballasts électroniques altèrent la forme d’onde du courant ;
• Des équipements industriels :
  • fours à induction ;
  • appareils de soudage à l’arc ;
  • variateurs de vitesse (VSD), utilisés pour contrôler la vitesse des moteurs industriels ;
  • redresseurs à thyristors ;
  • onduleurs industriels (UPS) pour l’alimentation de secours ;
  • …
• Des équipements médicaux :
  • appareils d’imagerie médicale (IRM, scanners…) ;
  • monteurs de surveillance médicale ;
  • …
• Les chargeurs de batteries pour véhicules électriques ;
• Les convertisseurs de puissance, utilisés notamment pour les panneaux solaires et les éoliennes  ;
• Les transformateurs saturés : surchargés ou sous-dimensionnés, ils peuvent émettre des harmoniques ;
• …

Quels sont les risques des harmoniques sur vos réseaux et équipements ?

En raison de la hausse de consommation électrique générée par les charges non linéaires, les harmoniques sont souvent à l’origine de perturbations pouvant avoir des effets néfastes sur le réseau électrique, les installations et les appareils.

Un impact sur la durée de vie des équipements

Les harmoniques peuvent tout d’abord endommager les appareils sensibles tels que les ordinateurs ou les systèmes de commande. Très souvent, ils entraînent également une surchauffe qui dégrade les isolants des câbles et des transformateurs. Cela peut alors considérablement impacter la longévité des équipements et provoquer des pannes prématurées.

Sachez aussi que les courants harmoniques peuvent perturber l’ensemble des charges, qu’elles soient ou non linéaires, à partir du moment où elles sont connectées à la même source de tension.

Des coupures intempestives

Les fluctuations de tension causées par les harmoniques peuvent également provoquer des coupures de courant , des pannes et des arrêts d’équipements. 

Sur des installations critiques (sites industriels, laboratoires, hôpitaux…), ces coupures entraînent des problèmes de sécurité non négligeables, en plus d’induire des pertes de rendement importantes liées à l’interruption de l’activité. 

Les harmoniques peuvent aussi perturber les dispositifs de protection électrique tels que les disjoncteurs  et entraîner leur déclenchement.

Des coûts énergétiques élevés

De plus, les signaux d’harmoniques présentent des risques de pertes énergétiques majeures, générant une forte hausse des coûts d’exploitation (le réseau consomme plus d’énergie, pour un niveau de puissance similaire). À cela s’ajoutent des coûts de maintenance pour entretenir, réparer ou remplacer les équipements endommagés par ces oscillations de fréquence.

Pourquoi et comment mesurer les perturbations d’harmoniques ?

Pour détecter rapidement les éventuelles sources d’harmoniques, la première étape est d’avoir, en continu, une vue d’ensemble sur la qualité de son alimentation électrique.

Pour ce faire, il est vivement conseillé de s’équiper de centrales de mesure, capables d’analyser l’ensemble des variables du circuit électrique et de détecter, en temps réel, la moindre distorsion du signal. Ces instruments sont indispensables pour les installations industrielles, les bâtiments tertiaires ou résidentiels dotés de réseaux électriques complexes, avec des consommations énergétiques très importantes. 

Grâce à l’installation d’une centrale de mesure sur votre site, vous pouvez ainsi :

• Réduire les risques de surconsommation, de surcharge et de pannes ;
• Assurer la continuité opérationnelle de vos activités ;
• Maîtriser vos coûts énergétiques ;
• Prolonger la durée de vie de vos installations et minimiser l’usure de vos équipements ;
• Optimiser le rendement énergétique de votre bâtiment industriel ou tertiaire en identifiant les pertes d’énergie ;
• Respecter les normes de performance énergétique et les seuils réglementaires de distorsions harmoniques ;
• ….

Les centrales de mesure Lettel

Fort de 20 ans son expertise dans la fabrication de matériel électronique, Lettel vous propose des centrales de mesure performantes. Capables de mesurer avec précision plusieurs circuits, ces instruments peuvent analyser les harmoniques jusqu’au rang 63, et sont dotés de fonctionnalités avancées, parmi lesquelles :

• Une connectivité à distance : vous pouvez consulter les données où que vous soyez, depuis un ordinateur, sans avoir à vous déplacer in situ pour regarder le tableau électrique.
• Des alertes en cas de signal anormal : si une distorsion d’harmonique dépasse un certain seuil, vous en êtes automatiquement alerté.
• Un enregistreur de données : le data logger vous permet de comparer la consommation énergétique avant et après le déploiement de mesures correctives. De cette façon, vous pouvez suivre et mesurer avec justesse l’impact de vos actions, optimiser votre démarche d’efficacité énergétique et préserver la qualité de votre réseau électrique de façon pérenne.
   

Outre les harmoniques, nos centrales de mesure analysent l’ensemble des grandeurs électriques de votre circuit : énergies actives et réactives, tension, courant, puissances, fréquence, déséquilibres…

Comment réduire les perturbations d’harmoniques ?

Une fois les distorsions d’harmoniques identifiées grâce aux centrales de mesure, il vous sera possible d’isoler les appareils responsables et de compenser les déformations de fréquences à l’aide d’actions adaptées. Vous pourrez par exemple :

• Installer des filtres, capables de bloquer les harmoniques à des fréquences spécifiques (filtre passif), ou de générer un signal correctif opposé pour neutraliser les harmoniques (filtre actif).
• Utiliser des transformateurs de classe K, conçus pour résister aux surcharges de fréquence, sans risque de surchauffe ni de saturation.
• Installer des condensateurs de correction du facteur de puissance pouvant compenser certains harmoniques de basse fréquence en stabilisant la tension.
• Placer les charges polluantes, à l’origine des harmoniques, en amont du réseau ;
• Séparer les charges non linéaires des charges linéaires ;
• …

→ Bon à savoir : veillez à effectuer des contrôles de maintenance préventive réguliers pour assurer le bon fonctionnement des équipements soumis à des harmoniques, afin d’anticiper les risques de défaillances, d’usure et de pannes.