L'impact des harmoniques sur les systèmes électriques
Comprendre les effets des harmoniques sur les systèmes électriques est très utile pour maintenir les choses en douceur et en toute sécurité.Les harmoniques sont des changements dans l'onde électrique qui peuvent provoquer divers problèmes comme trop de chaleur, la décomposition de l'équipement et moins d'efficacité.Cet article explique les différents types d'harmoniques, ce qui les provoque et les problèmes qu'ils peuvent créer dans les systèmes électriques utilisés dans les industries et les entreprises.Nous allons également chercher des moyens de résoudre ces problèmes, comme l'utilisation de filtres spéciaux, des transformateurs conçus pour gérer les harmoniques et des contrôles réguliers de la qualité de l'énergie.Notre objectif est de fournir un guide clair et simple pour gérer efficacement les harmoniques dans les systèmes électriques.Catalogue
Figure 1: Harmoniques
Comprendre les harmoniques en ingénierie électrique
Les harmoniques sont des courants ou des tensions à des fréquences plus élevées qui sont des multiples de la fréquence de base.Ils peuvent causer des problèmes tels que les formes d'onde déformées, le chauffage supplémentaire et la moindre efficacité de l'équipement électrique.Des harmoniques étranges, qui se produisent à des multiples étranges de la fréquence de base, augmentent la distorsion et le chauffage.Même les harmoniques, qui se produisent même à des multiples de la fréquence de base, peuvent provoquer une surchauffe des transformateurs.Les harmoniques de triplen, qui sont un type spécifique d'harmoniques étranges, peuvent surcharger des fils neutres et provoquer également des transformateurs.
Les harmoniques peuvent être divisées en trois types: séquences positives, négatives et nulles.Les harmoniques de séquence positive ajoutent de la chaleur supplémentaire au système.Les harmoniques de séquence négative réduisent la puissance des moteurs et augmentent la chaleur.Les harmoniques de séquence zéro provoquent un chauffage dans les fils neutres.La distorsion harmonique totale (THD) est une mesure des effets des harmoniques, avec des valeurs plus élevées montrant plus de distorsion.
Dans les contextes industriels, des dispositifs tels que les lecteurs de fréquences variables créent beaucoup de distorsion.Pour réduire ces problèmes, nous pouvons utiliser des filtres et des transformateurs spéciaux conçus pour gérer des niveaux élevés d'harmoniques.La vérification régulière de la qualité de l'électricité aide à trouver et à résoudre les problèmes harmoniques et assure le respect des normes IEEE 519.Les outils avancés peuvent mesurer jusqu'à la 511e harmonique pour aider à gérer efficacement ces problèmes.
Types d'harmoniques
Haid Harmonics
Figure 2: Harmoniques étranges
Les harmoniques étranges sont des harmoniques qui sont des multiples étranges de la fréquence principale, comme les 3e, 5e et 7e harmoniques.Ces harmoniques peuvent causer de gros problèmes dans les systèmes d'alimentation car ils peuvent nuire à l'équipement électrique et les faire mal fonctionner.Lorsque des harmoniques étranges sont présentes, elles augmentent les pertes de résistance et les pertes de courant de Foucault dans les transformateurs.Les pertes de résistance, également appelées pertes I²R, se produisent parce que les courants harmoniques font chauffer les conducteurs davantage.Ce chauffage supplémentaire est dû à la puissance perdue comme chaleur en raison de la résistance dans les conducteurs.Les pertes de courant de Foucault se produisent lorsque les courants induits s'écoulent dans le noyau du transformateur, générant également de la chaleur.La présence d'harmoniques aggrave ces effets car le noyau du transformateur fait face à des champs magnétiques de fréquence plus élevée, qui créent plus de courants de Foucault et plus de chaleur.
Des niveaux élevés d'harmoniques étranges peuvent considérablement affecter le fonctionnement d'un transformateur.Pour réduire le risque de surchauffe et d'échec possible, les transformateurs doivent souvent être dénoncés lorsqu'il y a des niveaux élevés d'harmoniques.Derrer un transformateur signifie l'utiliser à une capacité inférieure à sa capacité nominale pour réduire le chauffage causé par les harmoniques.Cela fait fonctionner le transformateur en toute sécurité et le fait durer plus longtemps.Le rétrécissement consiste à déterminer la quantité de contenu harmonique et à calculer les pertes supplémentaires causées par ces harmoniques.Une fois ces pertes connues, la capacité de charge du transformateur est ajustée pour l'empêcher de surchauffer et s'assurer qu'elle fonctionne de manière fiable.
En termes simples, la dortation d'un transformateur en raison des harmoniques étranges implique un aperçu attentif du contenu harmonique de la charge.Les ingénieurs utilisent des compteurs de qualité de puissance pour mesurer le contenu harmonique et voir comment il affecte le transformateur.Les données de ces mesures sont ensuite utilisées pour déterminer la quantité de réduction de la charge du transformateur pour le faire fonctionner en toute sécurité.
Même les harmoniques
Figure 3: Même les harmoniques
Même les harmoniques sont des fréquences qui sont même des multiples de la fréquence principale, comme les 2e (120 Hz), 4e (240 Hz) et 6e (360 Hz) harmoniques lorsque la fréquence principale est de 60 Hz.Dans les systèmes d'alimentation, même les harmoniques sont généralement faibles car la plupart des charges non linéaires produisent principalement des harmoniques étranges.Cependant, la présence de même harmoniques peut montrer des problèmes spécifiques au sein du système électrique.
Même les harmoniques indiquent souvent un décalage CC dans le système.Un décalage CC se produit lorsqu'il y a un composant de courant direct (DC) mélangé à la forme d'onde de courant (AC) de courant alternatif.Cela peut être causé par une rectification de demi-onde, qui se produit en raison d'un redresseur cassé.Un redresseur est un appareil qui change AC en CC, et lorsqu'il se casse, il peut produire une forme d'onde incomplète, conduisant à un décalage CC.Le décalage CC introduit par même des harmoniques peut causer plusieurs problèmes dans les systèmes électriques.Un effet majeur est la saturation du transformateur.Lorsqu'un transformateur connaît un décalage CC, son noyau peut devenir magnétiquement saturé pendant des demi-cycles alternatifs de la forme d'onde AC.Cette saturation conduit à un tirage excessif du courant, ce qui fait surchauffer le transformateur et éventuellement brûler l'enroulement primaire.De plus, un décalage CC peut provoquer des vibrations mécaniques et un bruit dans les transformateurs.La saturation magnétique du noyau entraîne une forte vibration, qui peut être à la fois bruyante et physiquement dommageable à la structure du transformateur.Même un petit décalage CC, plus de 1% du courant nominal, peut causer ces graves problèmes.
Même les harmoniques peuvent également être utilisées comme outil de diagnostic.Leur présence dans un système électrique peut aider à identifier les problèmes liés aux redresseurs ou à d'autres composants qui peuvent introduire un composant DC dans le système.En surveillant et en analysant même les harmoniques, les ingénieurs peuvent détecter et résoudre les problèmes tôt, prévenir les défaillances potentielles et assurer le fonctionnement fiable du système de distribution d'énergie.
Harmoniques triplen
Figure 4: Trilen Harmonics
Les harmoniques de triplen sont un type spécial de multiples étranges de la troisième harmonique.Ceux-ci se produisent aux 3e, 9e, 15e, etc.Ils sont produits de manière unique par des dispositifs monophasés et peuvent provoquer des problèmes importants dans les systèmes électriques.
Un problème majeur causé par les harmoniques de triplen est la surcharge de fils neutres.Dans un système en trois phases équilibré, les courants du fil neutre doivent s'annuler.Cependant, les harmoniques triplen des appareils monophasées n'annulent pas dans le fil neutre.Au lieu de cela, ils s'ajoutent, provoquant des courants excessifs.Cela peut entraîner une surchauffe et des dommages potentiels au fil neutre.
Les harmoniques Triplen peuvent également interférer avec les lignes téléphoniques.Les parties à haute fréquence de ces harmoniques peuvent créer du bruit dans les lignes de communication qui fonctionnent parallèles aux câbles d'alimentation.Ce bruit peut réduire la qualité des signaux téléphoniques et perturber les systèmes de communication.
Un autre problème majeur avec les harmoniques de Triplen est la surchauffe des transformateurs.Les transformateurs sont construits pour gérer des niveaux de courant et de tension spécifiques.Les harmoniques triplen augmentent le courant RMS (carré moyen de la racine) dans les enroulements du transformateur, provoquant un chauffage supplémentaire.Si le transformateur n'est pas conçu pour gérer cette chaleur supplémentaire, elle peut entraîner une rupture d'isolation et une défaillance éventuelle.
Pour réduire les effets des harmoniques triplen, des transformateurs spéciaux appelés transformateurs classés K peuvent être utilisés.Ces transformateurs sont conçus pour gérer des courants harmoniques plus élevés sans surchauffe.Ils ont de meilleurs systèmes de refroidissement et sont fabriqués avec des matériaux qui peuvent résister à la chaleur supplémentaire causée par les harmoniques.
Séquence harmonique
Une séquence harmonique décrit comment différentes fréquences d'ondes électriques interagissent avec l'onde principale, ce qui nous aide à comprendre leur impact sur les systèmes d'alimentation.Il existe trois principaux types de séquences harmoniques: positive, négative et zéro.
Harmoniques de séquence positive
Les harmoniques de séquence positives comprennent des fréquences comme les 1er, 4e et 7e harmoniques.Ces harmoniques se déplacent dans le même sens que l'onde principale.Ils augmentent le courant dans le système et génèrent de la chaleur supplémentaire dans les composants.Cette chaleur supplémentaire peut endommager l'isolation, réduire l'efficacité du système et entraîner la décomposition des composants plus tôt que prévu.Dans les moteurs, ces harmoniques perturbent le champ magnétique, ce qui rend le moteur moins efficace et raccourcit sa durée de vie.Pour gérer ces problèmes, il est utile d'utiliser des filtres ou d'autres appareils pour surveiller et réduire les harmoniques de séquence positive.
Harmoniques de séquence négative
Les harmoniques de séquence négative comprennent des fréquences comme les 2e, 5e et 8e harmoniques.Ces harmoniques se déplacent dans la direction opposée à l'onde principale.Ils réduisent la puissance des moteurs et créent une chaleur supplémentaire, qui peut endommager l'isolation, provoquer des vibrations mécaniques et raccourcir la durée de vie des moteurs et d'autres composants.Les transformateurs peuvent également subir une augmentation des pertes et une surchauffe en raison de ces harmoniques.La surveillance et l'installation des bons filtres peuvent aider à gérer les harmoniques de séquence négative et leurs effets indésirables.
Harmoniques de séquence zéro
Les harmoniques de séquence zéro incluent des fréquences comme les 3e, 6e et 9e harmoniques.Ces harmoniques ne créent pas de champ magnétique rotatif mais s'accumulent plutôt dans le fil neutre, ce qui la surchauffe et se dommage.Ceci est particulièrement problématique dans les systèmes avec des charges non linéaires.L'utilisation de transformateurs spéciaux et de filtres harmoniques peut aider à gérer la chaleur supplémentaire et à réduire le contenu harmonique dans le système, en empêchant la surchauffe et les dommages au fil neutre.
Causes des harmoniques électriques
En milieu industriel, certains types d'équipements électriques provoquent souvent une distorsion harmonique.Ce problème est commun avec des dispositifs tels que les lecteurs de fréquences variables (VFD) et les onduleurs.Ces dispositifs modifient le courant alternatif (AC) en courant direct (DC), puis créent une sortie CA de fréquence variable pour contrôler les vitesses du moteur avec précision dans diverses applications.
Au cours de cette conversion, ces appareils tirent le courant d'une manière non linéaire et inégale, au lieu de la manière lisse et ondulée de charges régulières.Ce tirage de courant inégal ajoute des composants harmoniques au système électrique, provoquant une distorsion de tension.La principale raison de ce tirage de courant inégal est les pièces électroniques internes, comme les redresseurs et les circuits de commutation, qui ne tirent le courant qu'à certains moments du cycle AC.Par exemple, un VFD qui contrôle un moteur industriel modifie d'abord le CA entrant vers DC, puis utilise un onduleur pour créer une sortie CA de fréquence variable pour régler la vitesse du moteur.L'étape de rectification consiste à changer de pièce qui tire le courant dans les rafales, plutôt qu'à continu.Cet éclatement de courant déforme la forme d'onde, créant des harmoniques.
Ces harmoniques peuvent causer plusieurs problèmes dans un système d'énergie industrielle.Ils peuvent augmenter le chauffage des transformateurs et d'autres pièces électriques, réduisant leur efficacité et leur durée de vie.La distorsion harmonique peut également entraîner un dysfonctionnement des équipements électroniques sensibles, augmenter les pertes d'énergie et potentiellement interférer avec les systèmes de communication.
Pour réduire ces effets, les fabricants d'équipements conçoivent leurs produits pour répondre aux normes de compatibilité électromagnétique (EMC).Ces normes limitent la quantité de distorsion harmonique que leurs appareils peuvent introduire dans le système d'alimentation.Les normes de CEM garantissent que les appareils individuels ne provoquent pas une distorsion excessive qui pourrait affecter l'ensemble du système d'alimentation.Cependant, même avec un équipement conforme à l'EMC, l'effet combiné de nombreux appareils fonctionnant en même temps peut toujours provoquer une distorsion harmonique importante.Cela rend impératif de surveiller et de gérer activement les harmoniques en milieu industriel.
Des problèmes susceptibles de se produire à des niveaux harmoniques plus élevés
Problèmes dans les moteurs et les générateurs
Les harmoniques peuvent causer de gros problèmes dans les moteurs et les générateurs.La chaleur supplémentaire créée par les courants harmoniques peut décomposer l'isolation et mettre une contrainte sur les pièces de la machine.Cela peut faire échouer ces machines plus tôt, avoir une durée de vie plus courte et avoir besoin de plus de réparations.Les vibrations harmoniques peuvent également provoquer une usure sur les machines, ce qui aggrave le problème.
Plus grande efficacité
Les harmoniques aggravent les pertes résistives (pertes I²R) dans les fils et les transformateurs.Ces pertes créent une chaleur supplémentaire, ce qui rend le système d'alimentation moins efficace.La chaleur supplémentaire peut accélérer le vieillissement des matériaux d'isolation, conduisant à des échecs plus fréquents et à une consommation d'énergie plus élevée.
Des déplaceurs de circuit imprévus et des fusibles soufflés
Des niveaux harmoniques élevés peuvent provoquer des ruptures de circuits et des fusibles pour ne pas souffler sans raison.Cela se produit parce que les harmoniques peuvent provoquer trop de chaleur et d'interférence magnétique dans ces dispositifs de sécurité, ce qui les rend incorrectement.Ce déclenchement indésirable peut interrompre les opérations, provoquer des temps d'arrêt imprévus et nécessiter plus de maintenance.
Problèmes avec l'équipement électronique
Les appareils électroniques sont très sensibles à la distorsion harmonique.Les harmoniques peuvent causer des problèmes dans des appareils tels que les ordinateurs, l'équipement de communication et d'autres électroniques sensibles.L'interférence des fréquences harmoniques peut gâcher les données, provoquer des erreurs de communication et réduire les performances, nécessitant un filtrage et une protection supplémentaires.
Résonances inattendues
Les fréquences harmoniques peuvent se mélanger avec les fréquences naturelles du système électrique, provoquant des résonances.Ces résonances peuvent rendre les courants et tensions harmoniques plus forts, ce qui entraîne des surchauts, des surchauffeurs et des dommages possibles à l'équipement.La recherche et la fixation des conditions de résonance aide à prévenir les défaillances graves dans les systèmes électriques.
Solutions pour atténuer les harmoniques
Installation des filtres
Les filtres sont une solution pratique et économique pour réduire les harmoniques dans les systèmes de distribution d'énergie.Les filtres harmoniques sont conçus pour bloquer ou réduire les fréquences harmoniques spécifiques, permettant uniquement à la fréquence de base de passer.Ce processus aide à nettoyer la forme d'onde électrique et à atténuer les effets indésirables des harmoniques.
Il est impératif de mettre en œuvre des filtres, mener des enquêtes harmoniques.Ces enquêtes impliquent d'utiliser des analyseurs de la qualité de l'énergie pour mesurer les niveaux et les types d'harmoniques présents dans le système.En identifiant les fréquences harmoniques spécifiques et leurs sources, les ingénieurs peuvent concevoir et installer des filtres adaptés pour répondre aux besoins particuliers du système.Il existe différents types de filtres disponibles, tels que des filtres passifs, actifs et hybrides, chacun avec ses applications et avantages spécifiques.Les filtres passifs sont constitués d'inductances, de condensateurs et de résistances.Ils sont réglés pour filtrer les fréquences harmoniques spécifiques.Les filtres passifs sont rentables et simples à mettre en œuvre mais peuvent être encombrants et moins flexibles dans les systèmes dynamiques.Les filtres actifs utilisent l'électronique de puissance pour contrer dynamiquement la distorsion harmonique.Ils sont plus polyvalents et peuvent s'adapter à l'évolution des profils harmoniques en temps réel.Les filtres actifs sont plus chers mais offrent des performances supérieures dans des conditions de charge variable.Les filtres hybrides combinent les composants des filtres passifs et actifs pour optimiser les performances et le coût.Ils offrent une approche équilibrée, offrant une atténuation harmonique efficace avec des investissements modérés.
En utilisant des transformateurs à facteur K élevé
Figure 5: Transformateur de facteur K élevé et sa forme d'onde actuelle
Des transformateurs à facteur K élevé sont conçus pour gérer la chaleur supplémentaire causée par les courants harmoniques.Le "K-Factor" est une note qui montre à quel point un transformateur peut gérer ces courants sans devenir trop chaud.Ces transformateurs ont de meilleurs systèmes d'isolation et de refroidissement pour gérer la chaleur supplémentaire des harmoniques.Ils peuvent se débarrasser de la chaleur supplémentaire, empêcher les dommages et rendre la durée de vie du transformateur.En gérant des niveaux harmoniques plus élevés, ces transformateurs réduisent le risque de surchauffe et de défaillance, ce qui rend le système de distribution de puissance plus fiable.
L'utilisation de transformateurs à facteur K élevé nécessite une planification minutieuse.Ils coûtent plus cher et sont plus difficiles à installer que les transformateurs ordinaires.Le processus commence par une vérification détaillée pour déterminer la note de facteur K nécessaire pour l'utilisation spécifique.Cette vérification consiste à regarder le contenu harmonique de la charge et à comprendre comment il affecte le transformateur.Les ingénieurs utilisent des outils pour mesurer les niveaux harmoniques et calculer la chaleur supplémentaire causée par ces harmoniques.
Une fois que la bonne note K-Factor est déterminée, l'étape suivante consiste à équilibrer les avantages à long terme par rapport aux coûts initiaux.Les transformateurs à facteur K élevé réduisent les besoins de maintenance et améliorent la fiabilité, ce qui peut compenser leurs coûts d'achat et d'installation plus élevés au fil du temps.Cependant, l'installation de ces transformateurs est complexe, donc une planification minutieuse est nécessaire pour minimiser les perturbations.Cela comprend la planification des temps d'arrêt possibles pour remplacer ou installer le transformateur et considérer tous les impacts sur les opérations.
Enquêtes régulières de la qualité de l'énergie
Des vérifications régulières de la qualité de l'énergie sont nécessaires pour maintenir les systèmes électriques sains et bien fonctionner.Ces contrôles impliquent systématiquement la mesure des propriétés électriques pour trouver et résoudre les problèmes potentiels tôt.En surveillant constamment la qualité de l'énergie, nous nous assurons que l'équipement électrique fonctionne bien, dure plus longtemps et est plus fiable.Les mesures doivent être prises à des points clés du système, comme l'endroit où la puissance entre et dans les panneaux de distribution.La collecte régulière de données aide à repérer les modèles qui pourraient montrer des problèmes de développement, comme l'augmentation des niveaux de bruit électrique ou de changements de tension.Les compteurs de qualité de puissance, qui mesurent la tension, le courant, le bruit électrique et les changements soudains, sont les principaux outils utilisés dans ces vérifications.Les compteurs avancés enregistrent des données au fil du temps, donnant une image complète des tendances de la qualité de l'énergie.L'examen de ces données aide à trouver des différences par rapport aux conditions normales, permettant des correctifs en temps opportun et réduisant le risque de décomposition de l'équipement.
Conformité aux normes IEEE 519
Les normes IEEE 519 définissent des règles pour les niveaux acceptables de tension et la distorsion du courant dans les systèmes électriques.Ces règles aident à prévenir les dommages à l'équipement et à garantir la fiabilité du système.
Le tableau ci-dessous montre les normes IEEE 519-2014 pour la distorsion harmonique totale (THD) en tension et courant pour différents niveaux de tension:
Figure 6: Tableau montrant les limites totales de distorsion harmonique (THD) pour la tension et le courant à différents niveaux de tension
Les analyseurs de la qualité de l'énergie sont des outils qui aident à mesurer les harmoniques jusqu'à la 511e harmonique.Ces analyseurs fournissent des données détaillées qui permettent une surveillance précise et une gestion de la qualité de l'énergie.Ils aident à identifier les fréquences harmoniques spécifiques et leurs tailles, permettant des solutions ciblées.
La surveillance régulière de la qualité de l'énergie garantit que les niveaux harmoniques restent dans des limites acceptables et aident à détecter les problèmes potentiels tôt.La gestion des harmoniques implique efficacement la recherche et la fixation de sources de distorsion, telles que l'installation de filtres harmoniques et la mise à niveau des transformateurs.
Conclusion
Les harmoniques dans les systèmes électriques peuvent causer de nombreux problèmes, tels que la surchauffe, les défaillances de l'équipement et les inefficacités.En comprenant les différents types d'harmoniques - les Triplen, et le triplen - et comment ils affectent les pièces électriques, les ingénieurs peuvent mieux prédire et résoudre ces problèmes.L'utilisation de solutions telles que des filtres harmoniques, des transformateurs spéciaux qui gèrent la chaleur supplémentaire et des contrôles réguliers de la qualité de l'énergie aident à maintenir les systèmes fiables et efficaces.Suivre les normes de l'IEEE 519 garantit que les niveaux harmoniques restent dans des limites sûres, protégeant à la fois l'équipement et les opérations.La gestion des harmoniques bien non seulement fait durer des systèmes électriques plus longtemps, mais améliore également les performances et réduit les coûts de maintenance, ce qui en fait un élément clé de l'ingénierie électrique moderne.
Questions fréquemment posées [FAQ]
1. Quels sont les dangers des harmoniques?
Les dangers des harmoniques comprennent la surchauffe des équipements électriques, la défaillance prématurée de l'isolation, les pertes accrues, le dysfonctionnement de l'électronique sensible, le déclenchement de nuisances des disjoncteurs et les conditions de résonance potentielles qui peuvent causer de graves dommages aux composants.
2. Quels sont les effets des harmoniques sur la qualité de l'énergie et les pertes dans les systèmes de distribution d'énergie?
Les harmoniques dégradent la qualité de la puissance en déformant la tension et les formes d'onde de courant, entraînant une augmentation des pertes dans les transformateurs et les conducteurs, réduit l'efficacité, la surchauffe et l'interférence avec l'équipement sensible, ce qui peut entraîner des défaillances opérationnelles et une augmentation des coûts de maintenance.
3. Quelle est la cause majeure des harmoniques dans un système électrique?
Une cause majeure d'harmoniques dans un système électrique est la présence de charges non linéaires telles que les entraînements de fréquences variables, les onduleurs, les redresseurs et d'autres dispositifs électroniques qui attirent le courant de manière non sinusoïdale, introduisant des courants harmoniques dans le système.
4. Quel est l'effet des harmoniques sur le facteur de puissance d'un système de distribution?
Les harmoniques affectent négativement le facteur de puissance d'un système de distribution en augmentant la puissance apparente, ce qui entraîne un plus de courant pour la même quantité de puissance réelle.Il en résulte une plus grande efficacité et des coûts opérationnels plus élevés en raison de la perte accrue et de la capacité réduite des composants du système.
5. Quelles sont les harmoniques d'un système de distribution d'énergie électrique?
Les harmoniques dans un système de distribution d'énergie électrique sont des courants ou des tensions à des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence de base (60 Hz aux États-Unis).Ils résultent de charges non linéaires et provoquent une distorsion dans la forme d'onde, conduisant à divers problèmes opérationnels et d'efficacité au sein du système.