Power quality à haute fréquence et supra-harmoniques : esquisse de la problématique

Cet article est le premier d’une série consacrée aux supra-harmoniques afin de situer la problématique. Les articles suivants abordent plus en profondeur les causes du problème et les solutions possibles.

Le réseau basse tension subit une transformation majeure depuis quelques années. Sous l’effet de la réalité économique, des changements climatologiques et de l’évolution de la législation, les acteurs du secteur se sont mis en quête d’un grand nombre de sources d’énergie renouvelables et de solutions à haut rendement énergétique. L’une des principales technologies rendant cette transformation possible est l’électronique de puissance à commutation. Mais l’électronique de puissance provoque des problèmes sur le réseau, dans la plage de fréquences allant de 2 à 150 Hz, plus connue sous les appellations de supra-harmoniques et de power quality à haute fréquence. Ces problèmes vont devenir de plus en plus fréquents à l’avenir.

Cause de la problématique

Quels appareils présents chez vous utilisent en interne l’électronique de puissance interne ? Quels appareils ne l’utilisent pas ? La liste « avec » est certainement plus longue que la liste « sans ». Les ampoules économiques (CFL) et une grande partie des éclairages à LED remplacent de plus en plus les ampoules à incandescence traditionnelles et l’éclairage halogène. La quasi-totalité des appareils tels que les ordinateurs portables et les téléviseurs possèdent des alimentations à découpage ou SMPS (Switched Mode Power Supplies) et d’un dispositif à correction du facteur de puissance active ou APFC (Active Power Factor Correction). L’évolution dans le sens d’une production plus importante d’énergie renouvelable entraîne une augmentation du nombre d’inverseurs couplés au réseau pour les panneaux solaires et les systèmes de batteries. Les convertisseurs de fréquence sont couramment utilisés dans les ascenseurs, les circulateurs de chauffage central, les systèmes de ventilation et les appareils ménagers. Dans le cas des appareils ménagers, les plaques de cuisson à induction et les appareils « blancs » possèdent eux aussi des systèmes d’électronique de puissance. Et enfin, nous n’en sommes encore qu’au début de l’utilisation des voitures électriques, dont l’essor aura un impact proportionnel sur le réseau électrique. Tous ces groupes de consommateurs possèdent des semi-conducteurs de commutation. La conversion d’AC en DC ou inversement se fait à un rendement élevé (>90 %). Dans la plupart des applications, les semi-conducteurs agissent généralement à des fréquences de commutation fs situées entre 2 kHz et 150 kHz. Les inverseurs photovoltaïques commutent aux alentours de 16 à 17 kHz. Les alimentations (SMPS) commutent typiquement aux alentours de 48 kHz.

Ce comportement de commutation entraîne de nouveaux problèmes de qualité du courant. Du fait de l’électronique de puissance à commutation, la tension et le courant du réseau, outre les fréquences harmoniques, vont contenir une proportion croissante d’harmoniques à haute fréquence situées dans une plage de fréquences pouvant dépasser les 150 kHz.

Power quality et EMC

Commençons par clarifier quelques concepts. La qualité de la puissance, nettement plus connue sous le nom de « power quality », est l’étude des caractéristiques de l’électricité en un point donné du réseau électrique. La forme ondulatoire idéale de tension et de courant est sinusoïdale et présente une amplitude et une fréquence constantes. Sur les réseaux triphasés, les courants et tensions idéaux sont en équilibre. Les formes d’ondes divergentes provoquent des problèmes pour le réseau et les utilisateurs, par ex. des variations de tension et l’échauffement des transformateurs. Ces déviations sont dues à la combinaison de consommateurs non linéaires et d’une impédance de réseau non négligeable (fig. 1).

Étant donné que l’utilisateur s’attend à une certaine tension de qualité, mieux vaut parler de la qualité de la tension (voltage quality) que de power quality. Imaginons une source de tension idéale avec une valeur (instantanée) dépendant du temps u_bron. L’impédance du réseau Z est le fruit de la résistance et de l’inductivité des câbles et du transformateur. Le courant i, demandé par l’appareil 1, cause une baisse de tension sur l’impédance du réseau. Il en résulte une baisse de tension Δu=Z.i sur le réseau de même forme que le courant. La tension de réseau fournie aux autres appareils raccordés au même réseau est par conséquent u_net=u_bron-Δu. Si ce courant n’est pas sinusoïdal, la tension du réseau n’est pas non plus sinusoïdale et contient ces harmoniques. La qualité de la tension a donc baissé. Il existe deux possibilités pour régler ce problème. On peut réduire l’impédance du réseau ou donner au courant des appareils une forme plus sinusoïdale. Pour savoir ce qui constitue une tension de qualité suffisante, il existe des normes qui opèrent une distinction selon les plages de fréquences.