La qualité d’énergie est un bon indicateur de la santé d’un système électrique industriel triphasé. Elle peut entraîner de nombreux problèmes, notamment endommager les équipements et gaspiller de l’énergie si l’utilisation de celle-ci n’est pas optimisée. Les harmoniques, c’est-à-dire les distorsions causées par les variations de la forme d’onde de la tension ou du courant, constituent l’un des principaux problèmes à résoudre pour garantir une efficacité maximale des systèmes d’alimentation électrique d’une entreprise.
Une quarantaine de pays utilisent une fréquence fondamentale du secteur de 60 Hz, les autres utilisant du 50 Hz, comme en Europe. Quel que soit le système utilisé, les harmoniques constituent une nuisance et peuvent entraîner une surchauffe des conducteurs neutres ainsi que des enroulements de moteur et des transformateurs.
Quelles sont les causes des harmoniques dans les systèmes électriques ?
En général, les tensions et les courants dans un réseau électrique ont une forme d’onde sinusoïdale « parfaite » avec une fréquence de 50 Hz (60 Hz aux États-Unis, dans les Caraïbes, en Arabie Saoudite et dans un petit nombre d’autres pays). Cette fréquence de 50 Hz est la seule composante harmonique qui compose la forme d’onde. Dès que cette forme d’onde est déformée, la forme d’onde de l’alimentation contient davantage d’harmoniques. Ces harmoniques ont une fréquence égale à la fréquence fondamentale multipliée par un nombre entier impair. Ainsi, par exemple, la troisième harmonique a une fréquence de 150 Hz, et ainsi de suite jusqu’à la 50ème harmonique. Les causes les plus importantes de cette distorsion de la forme d’onde sont les charges connectées au système d’alimentation, comme les variateurs de vitesse à fréquence variable, les adaptateurs secteur de PC et les éclairages à LED. Ces charges distordent le courant et, selon la qualité du câblage du réseau, peuvent aussi distordre la forme d’onde de la tension. Les variateurs de vitesse à fréquence variable sont de plus en plus utilisés dans l’industrie et servent à contrôler la vitesse d’un moteur électrique qui entraîne une pompe, un ventilateur ou un compresseur, par exemple.
Qu’est-ce que le THD ?
Le taux de distorsion harmonique (THD, Total Harmonic Distortion) est une valeur permettant d’exprimer toutes les composantes harmoniques combinées présentes dans un réseau électrique en pourcentage de la composante 50 Hz. Plus ce pourcentage est élevé, plus il y ad’harmoniques. Cette valeur indique donc dès le premier coup d’œil le nombre d’harmoniques présentes. Le THD peut être calculé pour les harmoniques de tension ainsi que pour les harmoniques de courant. Selon les principes de base, les effets harmoniques de tension ne doivent jamais dépasser 8 %. Si ce chiffre est dépassé, le pourcentage de chaque harmonique doit être vérifié sur un instrument de mesure qui montre à l’opérateur le spectre harmonique, généralement sous la forme d’un graphique. Il existe deux méthodes bien établies pour réduire les harmoniques dans les réseaux électriques, mais elles présentent toutes deux des inconvénients et peuvent s’avérer coûteuses. La première consiste à utiliser des filtres ; la seconde à remplacer le transformateur par un transformateur à facteur K élevé, capable de supporter la distorsion.
Études des harmoniques
Suivant la cause de la distorsion harmonique, les filtres peuvent offrir de nombreux avantages, mais il est essentiel d’effectuer des études harmoniques de tous les équipements connectés au système afin de localiser la ou les sources spécifiques de distorsion. La première zone à inspecter, à la recherche du plus haut taux de THD correspond aux gros variateurs de vitesse électroniques, afin d’identifier les équipements responsables des appels de courant les plus élevés. Il s’agit en général de variateurs à fréquence variable de grande puissance. La meilleure pratique consiste à collecter autant de données que possible sur les harmoniques sur plusieurs jours afin d’obtenir une bonne représentation de la manière dont les niveaux de THD évoluent en fonction des processus dans le secteur concerné, et de mettre en évidence où et quand se situent les pics. Armé de ces informations, un fournisseur de filtres sera en mesure de recommander la meilleure solution. En pratique, en général seuls quelques équipements sont à l’origine des problèmes de distorsion observés, mais les chiffres peuvent être beaucoup plus élevés dans un système plus important. La deuxième option, à savoir le remplacement d’un transformateur, peut s’avérer plus complexe à réaliser, bien que des relevés d’harmoniques soient toujours nécessaires, cette fois-ci pour déterminer le facteur K. Le facteur K se rapporte à l’échauffement généré par les harmoniques et peut être calculé à l’aide d’un instrument de mesure approprié. Les analyseurs de qualité d’énergie actuels calculent souvent le facteur K automatiquement. Toutefois, étant donné que les transformateurs à facteur K spécifié coûtent nettement plus chers que les transformateurs classiques, et que le remplacement d’un transformateur à facteur K peut s’avérer coûteux et perturbateur, il est essentiel de minimiser les temps d’arrêt. Néanmoins, il s’agit parfois de la seule solution envisageable.
Importance des mesures
Le scénario ci-dessus souligne l’importance des mesures, car ce n’est qu’en ayant une vue d’ensemble de la qualité d’alimentation d’un système que l’utilisateur pourra tirer le meilleur parti de son équipement, tout en veillant à ce que l’énergie soit utilisée de manière optimale.
Tout programme d’entretien de routine doit comporter une étape essentielle qui consiste à effectuer des études périodiques de qualité d’énergie et à prendre des mesures régulières. Ces actions permettent aux utilisateurs d’identifier les évolutions en cours (le cas échéant) afin de signaler tout risque potentielet d’y remédier avant la survenue des problèmes. La fréquence de ces inspections (mensuelles, trimestrielles, semestrielles ou annuelles) est généralement laissée au choix de l’utilisateur, mais il convient d’avoir à l’esprit que, plus les exigences de l’utilisateur sont élevées pour la fiabilité du système, plus ces inspections doivent être fréquentes. Il est clair qu’en obtenant des données précises par le biais d’une étude de qualité d’énergie, les utilisateurs bénéficient d’un contrôle total sur leurs systèmes électriques, en s’assurant qu’ils fonctionnent efficacement et que tous les équipements électriques du système auront la durée de vie la plus longue possible.
Maîtriser les harmoniques
Il est important de choisir avec soin les points où les mesures sont effectuées ainsi que de toujours utiliser ces mêmes points. Pour ce faire, il convient d’identifier les points critiques du réseau, où les équipements peuvent être plus sensibles et susceptibles de causer des problèmes. L’expérience des utilisateurs des équipements peut s’avérer précieuse à cet égard, car ils sont souvent les mieux placés pour savoir où les problèmes surviennent ainsi que pour comprendre mieux que quiconque ce qui se passe vraiment.
Il est également important de détecter et de suivre les tendances en comparant les données de l’historique entre elles afin d’obtenir des informations vraiment utiles. Parallèlement, toutes les données de l’historique doivent être sauvegardées et stockées, et toute modification ou déplacement d’appareil électrique doit être méticuleusement enregistrée, y compris la mise à jour de tous les schémas électriques. Enfin, effectuez vos mesures et enregistrez les relevés sur plusieurs jours, car des mesures prises sur une seule journée de 24 heures ne rendra compte de la situation que pendant une période donnée. En effet, le fonctionnement des équipements peut rester constant pendant toute une journée, mais changer au cours des 24 heures suivantes. Il est donc judicieux de réaliser l’étude de qualité d’énergie sur plusieurs jours. En résumé, les distorsions causées par les variations de tension ou de courant peuvent entraîner des problèmes importants dans un système électrique industriel triphasé, c’est pourquoi il est important de surveiller le comportement des harmoniques afin de prévenir les problèmesPersonne ne veut consommer plus d’énergie que nécessaire, ni risquer d’endommager des équipements coûteux et vitaux. Alors, commencez dès maintenant à planifier votre étude de qualité d’énergie et gardez vos harmoniques sous contrôle.
par Markus Bakker, Fluke Corporation
