Nouvelles normes de mesure : Des harmoniques plus élevées

La situation sur le réseau basse tension a considérablement changé au cours des dernières années. Cela est dû à l’arrivée de nouveaux appareils – lampes, appareils électroniques avec alimentation à découpage – et aux changements sur les sites d’alimentation/de production.

Alimentations – beaucoup de petits acteurs

Dans le passé, on utilisait principalement de gros générateurs (machines tournantes). Leur construction permettait de générer directement une courbe sinusoïdale. Leur distorsion résultait d’imperfections techniques (électriques et mécaniques) et était très faible.

Aujourd’hui, on trouve sur le terrain un grand nombre de petits générateurs non rotatifs – il s’agit d’onduleurs/convertisseurs à découpage. Pour générer des courbes de pseudo-sinusoïdes, on utilise la modulation de largeur d’impulsion (MLI) avec un filtre passe-bas. La fréquence de modulation atteint plusieurs kHz. La modulation de largeur d’impulsion génère principalement de nombreuses harmoniques supérieures, qui doivent être filtrées du signal final.

Cependant, le filtrage de ces harmoniques entraîne des coûts financiers plus élevés, et il est donc toléré dans la plupart des cas. Plus la puissance fournie est élevée, plus le filtrage (bobine et condensateur) à utiliser est compliqué et coûteux. Par la suite, cela conduit à une aggravation de la qualité de l’alimentation électrique.

Appareils électroménagers – Aucun motif de satisfaction

Dans le passé, les appareils ménagers fonctionnant sur la base de résistances (ampoules, chauffage, chauffe-eau…) prévalaient. Ils étaient constitués de régulateurs simples, leur électronique était alimentée par des alimentations linéaires. Les machines tournantes étaient commandées par des régulateurs linéaires classiques. Les harmoniques apparaissaient très rarement, et étaient de taille insignifiante. Les appareils étaient également bien compensés en facteur de puissance.

C’est pourquoi il n’était pas nécessaire pour les clients finaux – les ménages – de mesurer l’énergie réactive ou de surveiller la qualité de l’énergie fournie. Cette qualité n’était surveillée que par les gros clients, ainsi qu’au niveau des transformateurs de distribution lorsque cela s’avérait judicieux.

Aujourd’hui, la situation est bien différente. Les lampes fluorescentes compactes et les ampoules à diodes électroluminescentes prédominent parmi les sources d’éclairage. Elles sont alimentées par des changeurs à découpage, avec une mauvaise compensation du facteur de puissance et aucune compensation des perturbations.

Parfois, la compensation est totalement absente afin de maintenir les prix à un niveau bas. Les condensateurs sont utilisés pour limiter l’impédance des ampoules LED. Il en résulte une diminution de la consommation de puissance active de plusieurs dizaines de pour cent, tandis que l’influence de la puissance réactive, et de la puissance à plus haute fréquence, augmente. Nous économisons sur la puissance active, alors que le facteur de puissance est considérablement détérioré.

De nos jours, presque tous les appareils utilisent des alimentations à découpage, ou d’autres changeurs synchronisés contrôlés/commutés par le passage à zéro. Ces sources ont un rendement relativement élevé et sont de petite taille, mais si nous les utilisons, une grande quantité d’harmoniques de courant plus élevées (et accessoirement de tension) apparaît.

	Consommation (puissance active)	Puissance apparente	Facteur de puissance
Ampoule classique	60W	60VA	1
Lampe fluorescente compacte	12W	30VA	0,4
Lumière LED	5W	10VA	0,5

Comment les électromètres mesurent (ou ne mesurent pas) les harmoniques supérieures

Les compteurs électriques (compteurs d’énergie électrique) devraient mesurer toute l’énergie fournie/consommée. Cela signifie à la fois l’énergie des harmoniques de base et toutes les harmoniques qui apparaissent sur le réseau. Les compteurs électroniques d’aujourd’hui peuvent mesurer avec une grande précision de très petites quantités de courant (stand by current).

D’autre part, ils ne mesurent pas l’énergie contenant des harmoniques supérieures sur le réseau. À ce stade, les instruments de mesure légaux sont nettement en retard par rapport à la situation réelle sur le réseau.

La limitation la plus importante est la fréquence d’échantillonnage du convertisseur analogique numérique (adc). Ce convertisseur doit être accompagné (selon le théorème de l’échantillonnage) d’un filtre passe-bas – filtre anti-repliement – garantissant que les harmoniques supérieures n’approcheront pas le convertisseur.

Aujourd’hui, la fréquence d’échantillonnage atteint normalement 1 kHz – nous pouvons donc théoriquement mesurer des harmoniques d’une fréquence allant jusqu’à 500 Hz (10e harmonique). Les fréquences supérieures à 1 kHz (la fréquence de tous les onduleurs de puissance) ne sont pas mesurées du tout.

La dépendance en fréquence des transformateurs de courant a également une influence (moindre) sur les résultats de la mesure de l’énergie des harmoniques supérieures. Cette dépendance de fréquence est mal compensée dans le domaine temporel, alors qu’elle peut l’être dans le domaine fréquentiel. En outre, pour les bobines à deux fils (avec immunité au courant continu), la compensation est impossible.

Les e-mètres alimentés par un condensateur influencent également la mesure des harmoniques supérieures. Ces compteurs électriques chauffent et s’échauffent en présence d’harmoniques plus élevées. L’alimentation d’un compteur électronique est surchargée par les harmoniques supérieures et peut donc être endommagée.

Comment la gérer ?

Nous avons plusieurs possibilités quant à l’approche que nous choisirons pour résoudre le problème de la non-mesure des harmoniques supérieures :

• Nous pouvons laisser ce problème sans solution et nous comporter comme s’il n’y avait pas de problème. Peut-être dans l’espoir que la situation s’améliorera plus tard ?
• Nous pouvons essayer d’améliorer le filtrage au niveau de l’alimentation. Obliger les fabricants d’onduleurs à ajouter des filtres de qualité, ce qui implique de modifier les normes applicables à la qualité de l’alimentation électrique et à la compatibilité électromagnétique.
• Nous pouvons essayer de mieux filtrer les appareils. La situation est la même que précédemment et concerne la mise en œuvre d’une autre norme.
• En commençant à mesurer l’influence de l’offre et de la charge, et en commençant à infliger des amendes si le facteur de puissance n’est pas respecté. L’une des possibilités consiste à mesurer réellement toute l’énergie et à mesurer le facteur de puissance (FP). Si le facteur de puissance est en dehors des limites, les clients paieront plus cher.

En tout état de cause, il est nécessaire de mesurer la puissance dans un spectre de fréquences plus large que la norme actuelle (jusqu’à 10 kHz) et de contrôler la qualité de l’alimentation électrique en un plus grand nombre de points du réseau.

Conclusion

Aujourd’hui, alors que la consommation réelle des appareils diminue, que la puissance réactive augmente et que nous devons ajouter de l’énergie à des fréquences plus élevées, les appareils de mesure certifiés actuels sont obsolètes. Les limites des erreurs supplémentaires et des signaux/courbes de test doivent être modifiées.

Les normes actuelles autorisent des erreurs supplémentaires allant jusqu’à 6 % pour la mesure des harmoniques (harmoniques inférieures). Il n’existe pas de norme pour les compteurs électroniques qui mesurent les harmoniques supérieures.

Ces normes relatives aux compteurs électroniques et à la qualité de l’alimentation électrique NE reflètent cependant PAS le fait que l’approvisionnement en énergie et les appareils ont changé. Il est donc grand temps de remplacer ces normes par de nouvelles.

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