Analyser la qualité de l'onde électrique (harmoniques, creux de tension)
Contexte : L'Onde Parfaite et ses Imperfections
Idéalement, la tension fournie par le réseau électrique devrait être une onde sinusoïdale parfaite à 50 Hz. En réalité, cette onde est souvent perturbée. Deux des perturbations les plus courantes sont les harmoniquesSignaux sinusoïdaux dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamentale (50 Hz). Ils déforment l'onde de tension et de courant. et les creux de tensionBaisse soudaine et brève de la valeur de la tension, souvent causée par le démarrage de grosses charges ou des défauts sur le réseau.. Les harmoniques sont principalement générées par des équipements électroniques (ordinateurs, variateurs de vitesse) qui "consomment" le courant de manière non linéaire. Les creux de tension sont souvent dus à des défauts sur le réseau ou au démarrage de gros moteurs. Ces perturbations peuvent causer des dysfonctionnements, des échauffements et une usure prématurée des équipements. Cet exercice vise à quantifier ces deux phénomènes.
Remarque Pédagogique : La qualité de l'onde électrique est un enjeu majeur pour la fiabilité des processus industriels et la durée de vie des appareils. Les normes, comme la norme EN 50160, définissent des limites pour ces perturbations afin de garantir une "compatibilité électromagnétique" entre le réseau et les appareils qui y sont connectés.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre la notion d'harmonique et de décomposition de Fourier.
- Calculer le Taux de Distorsion Harmonique (THD), un indicateur clé de la qualité.
- Identifier les caractéristiques d'un creux de tension (profondeur et durée).
- Comparer les valeurs mesurées aux seuils normatifs.
- Comprendre l'origine et les conséquences de ces perturbations.
Données de l'étude
Point de Mesure
| Type de Mesure | Valeur |
|---|---|
| Tension Harmonique de rang 3 (V3) | 10.5 V |
| Tension Harmonique de rang 5 (V5) | 8.2 V |
| Tension Harmonique de rang 7 (V7) | 4.1 V |
| Creux de tension observé | La tension a chuté à 195 V pendant 150 ms |
- Le Taux de Distorsion Harmonique en tension (THD_U) doit être inférieur à 8%.
- Un creux de tension est considéré comme significatif s'il dépasse 10% de la tension nominale.
Questions à traiter
- Calculez le Taux de Distorsion Harmonique (THD) en tension pour cette installation. Est-elle conforme sur ce point ?
- Calculez la profondeur (en %) et la durée (en s) du creux de tension observé. Est-il considéré comme significatif selon la norme ?
Correction : Analyser la qualité de l'onde électrique
Question 1 : Calcul du Taux de Distorsion Harmonique (THD)
Principe :
Le THD est un indicateur qui mesure la déformation globale d'une onde par rapport à une sinusoïde parfaite. Il est calculé en faisant le rapport entre la valeur efficace de toutes les tensions harmoniques et la valeur efficace de la tension fondamentale (50 Hz).
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Un THD de 0% correspond à une onde parfaitement sinusoïdale. Plus le THD est élevé, plus l'onde est "polluée" et déformée. Les harmoniques de rang impair (3, 5, 7...) sont les plus courants et les plus problématiques dans les réseaux industriels.
Formule(s) utilisée(s) :
Où \(V_1\) est la tension du fondamental et \(V_h\) est la tension de l'harmonique de rang h.
Donnée(s) :
- \(V_1 = 230 \, \text{V}\)
- \(V_3 = 10.5 \, \text{V}\)
- \(V_5 = 8.2 \, \text{V}\)
- \(V_7 = 4.1 \, \text{V}\)
Calcul(s) :
Points de vigilance :
Ne pas additionner les tensions : L'erreur la plus commune est d'additionner les tensions harmoniques (\(10.5 + 8.2 + 4.1\)) au lieu de faire la somme quadratique (somme des carrés). L'énergie d'une onde est liée au carré de son amplitude, d'où la nécessité d'utiliser la racine de la somme des carrés.
Le saviez-vous ?
Question 2 : Analyse du Creux de Tension
Principe :
Un creux de tension est caractérisé par sa profondeur (la baisse de tension par rapport à la normale, en pourcentage) et sa durée. Ces deux paramètres déterminent sa sévérité et sa probabilité de perturber les équipements.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : La plupart des équipements électroniques modernes sont conçus pour supporter de très courts creux de tension (quelques dizaines de millisecondes) sans s'éteindre. Cependant, un creux plus long ou plus profond peut provoquer le redémarrage d'ordinateurs, l'arrêt de chaînes de production ou la mise en sécurité d'automates, avec des conséquences économiques potentiellement importantes.
Formule(s) utilisée(s) :
Donnée(s) :
- Tension nominale \(U_{\text{nom}} = 230 \, \text{V}\)
- Tension résiduelle \(U_{\text{res}} = 195 \, \text{V}\)
- Durée = \(150 \, \text{ms} = 0.150 \, \text{s}\)
Calcul(s) :
Points de vigilance :
Profondeur vs. Tension résiduelle : Il ne faut pas confondre la tension résiduelle (ce qu'il reste) et la profondeur du creux (ce qui a été perdu). La norme se base sur la profondeur. Un creux de 15.2% signifie que la tension a perdu 15.2% de sa valeur nominale.
Le saviez-vous ?
Simulation Interactive de la Qualité d'Onde
Ajustez l'amplitude des harmoniques pour voir la déformation de l'onde et l'évolution du THD.
Niveaux d'Harmoniques
Forme d'Onde de la Tension
Pour Aller Plus Loin : Les Harmoniques de Courant
La source du problème : Nous avons analysé la distorsion en tension (\(\text{THD}_U\)), qui est une conséquence. La cause première est la distorsion du courant (\(\text{THD}_I\)) générée par les charges non linéaires. Ce courant déformé, en circulant dans l'impédance du réseau, crée une chute de tension harmonique qui vient déformer l'onde de tension pour tous les clients connectés au même point. La maîtrise de la qualité de l'onde passe donc d'abord par la limitation des harmoniques de courant à la source.
Le Saviez-Vous ?
Le mathématicien français Joseph Fourier a démontré au début du 19ème siècle que n'importe quel signal périodique, aussi complexe soit-il, peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux simples (le fondamental et ses harmoniques). C'est le principe de la "série de Fourier", qui est à la base de toute l'analyse de la qualité de l'onde et du traitement du signal en général.
Foire Aux Questions (FAQ)
Les ampoules LED créent-elles des harmoniques ?
Oui. Les ampoules LED, comme la plupart des appareils électroniques modernes (télévisions, chargeurs de téléphone), contiennent une petite alimentation à découpage qui ne consomme pas le courant de manière sinusoïdale. Multipliées par des millions, elles contribuent de manière significative à la distorsion harmonique sur le réseau basse tension.
Qu'est-ce qu'une "micro-coupure" ?
Une micro-coupure est un creux de tension avec une profondeur de 100% (tension nulle), mais de très courte durée (généralement moins d'une seconde). Elle est souvent causée par le temps de réenclenchement d'un disjoncteur sur le réseau après l'élimination d'un défaut fugitif (comme une branche d'arbre touchant une ligne).
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Une usine installe de nombreux variateurs de vitesse pour ses moteurs. Quel impact principal aura-t-elle sur le réseau ?
2. Un creux de tension fait chuter la tension à 207 V. Quelle est sa profondeur ?
Glossaire
- Harmonique
- Composante sinusoïdale d'un signal périodique dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamentale (50 Hz en Europe).
- THD (Taux de Distorsion Harmonique)
- Rapport, en pourcentage, entre la valeur efficace de l'ensemble des harmoniques et la valeur efficace du fondamental. Il quantifie la déformation globale de l'onde.
- Creux de tension
- Diminution soudaine de la tension entre 10% et 90% de sa valeur nominale, suivie d'un rétablissement après une courte durée.
- Fondamental
- Composante principale de l'onde électrique, à la fréquence du réseau (50 ou 60 Hz). C'est l'onde que l'on souhaite "pure".
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