Effets des harmoniques : surcharge des matériels

Alternateurs

Les alternateurs alimentant des charges non-linéaires doivent être déclassés en raison des pertes supplémentaires créées par les courants harmoniques. Ce déclassement est de l’ordre de 10% pour un alternateur alimentant 30% de charges non-linéaires, d’où la nécessité de surdimensionner l’appareil.

Onduleurs

Le courant absorbé par du matériel informatique présente un facteur de crête élevé, aussi un onduleur dimensionné sur la seule valeur de courant efficace risque de ne pas pouvoir fournir la crête de courant nécessaire et de se trouver en surcharge.

Transformateurs

• La courbe suivante (voir Fig. M17) donne le déclassement typique à appliquer à un transformateur alimentant des charges électroniques.

Fig. M17 – Taux de déclassement à appliquer à un transformateur alimentant des charges électroniques

Exemple

Si le transformateur alimente 40% de charges électroniques, le déclassement vaut 40%.

• Le guide UTE C15-112 fournit un facteur de déclassement des transformateurs fonction des courants harmoniques :

[math]\displaystyle{ k=\frac{1}{\sqrt {1+0,1 \left (\sum_{h=2}^{40}h^{1,6}\; T_h^2 \right)} } }[/math]

[math]\displaystyle{ T_h=\frac{I_h}{I_1} }[/math]

Valeurs typiques :

• Courant de forme rectangulaire (spectre en 1/h) : k = 0,86
• Courant type convertisseur de fréquence (THD ≈ 50%) : k = 0,80

Machines asynchrones

La norme CEI 60892 définit un taux d’harmoniques pondéré (Harmonic Voltage Factor) dont l’expression et la valeur maximale sont données ci-dessous :

[math]\displaystyle{ HVF=\sqrt {\sum_{h=2}^{13} \frac{U_n}{h^2} } \le 0,02 }[/math]

Exemple

Une tension d’alimentation a une tension fondamentale U₁ et des tensions harmoniques u₃ = 2 % de U₁, u₅ = 3 %, u₇ = 1 %. Le THD_u vaut 3,7 %, et HVF = 0,018. Le taux d’harmoniques pondéré est très proche de la valeur limite au-delà de laquelle la machine doit être déclassée. Pratiquement, ne pas dépasser un THD_u de 10 % pour l’alimentation de la machine.

Condensateurs

Le courant efficace circulant dans les condensateurs ne doit pas excéder, selon la norme CEI 60831-1, 1,3 fois leur courant nominal.

En reprenant l’exemple cité plus haut : Tension fondamentale U₁, tensions harmoniques u₅ = 8 % de U₁, u₇ = 5 %, u₁₁ = 3 %, u₁₃ = 1 %, soit un THD_u de 10 %, conduit à [math]\displaystyle{ \frac {I_{eff}}{I_1} = 1,19 }[/math], à tension nominale. Pour une valeur de tension égale à 1,1 fois la tension nominale, la limite de [math]\displaystyle{ \frac {I_{eff}}{I_1} = 1,3 }[/math], est atteinte, il faut donc revoir le dimensionnement des condensateurs.

Conducteurs de neutre

Soit le système constitué d’une source triphasée équilibrée et de 3 charges monophasées identiques connectées entre phases et neutre (voir Fig. M18), la Figure M19 montre un exemple des courants parcourant les trois phases et du courant résultant dans le conducteur de neutre.

Fig. M18 – Principe de circulation des courants dans les différents conducteurs reliés à une source triphasée

Dans cet exemple, le courant dans le conducteur neutre a une valeur efficace de [math]\displaystyle{ \sqrt3 }[/math] fois supérieure à celle du courant dans une phase. Le conducteur de neutre doit donc être renforcé en conséquence.

Fig. M19 – Exemple de valeurs de courants circulant dans les différents conducteurs reliés à une charge triphasée : (In = Ir + Is + It)