Harmoniques (Oberschwingungen) · Glossaire

Les harmoniques, appelées en allemand le plus souvent « Oberschwingungen » ou « Harmonische », sont des composantes de tension ou de courant d'un système à courant alternatif dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamentale. Dans les réseaux électriques européens, la fréquence du réseau est de 50 hertz. L'harmonique de rang h = 2 se situe donc à 100 hertz, celle de rang 3 à 150 hertz, celle de rang 5 à 250 hertz, et ainsi de suite. Il faut être prudent quant au mode de comptage : sur le plan technique, on compte en règle générale selon le rang h, c'est-à-dire selon le multiple de la fréquence fondamentale. Dans l'usage allemand, 100 hertz est toutefois parfois aussi appelé « première Oberschwingung » (première harmonique supérieure). Seule l'indication du rang ou de la fréquence est donc univoque. Un courant alternatif sinusoïdal idéal ne contient que l'onde fondamentale. Les réseaux réels contiennent en plus de petites composantes de fréquence, car les appareils et installations ne soutirent ou n'injectent pas toujours le courant de façon sinusoïdale.

On peut se le représenter ainsi : toute forme d'onde périodique mais déformée peut être représentée mathématiquement (décomposition de Fourier) comme la somme d'une onde sinusoïdale de 50 hertz et de plusieurs ondes sinusoïdales plus rapides. Plus la courbe s'écarte de la forme sinusoïdale, plus ces composantes supplémentaires sont importantes.

Grandeurs caractéristiques : rang, niveau individuel et THD

Les harmoniques sont décrites par leur rang, leur niveau individuel et des grandeurs de distorsion. La grandeur la plus importante est la Total Harmonic Distortion (THD), en allemand « Gesamtoberschwingungsgehalt » (taux de distorsion harmonique total). Pour la calculer, on additionne quadratiquement les valeurs efficaces des différentes harmoniques et on extrait la racine carrée de la somme. Le résultat est rapporté à l'onde fondamentale. Dans la qualité de la tension, on considère habituellement les rangs 2 à 40. Le THD n'est donc pas une simple somme des composantes individuelles. Il est indiqué séparément pour la tension (THDu) et pour le courant (THDi).

Il faut distinguer rigoureusement les harmoniques de courant et les harmoniques de tension. Les harmoniques de courant résultent surtout de charges non linéaires ou de convertisseurs. Les harmoniques de tension n'apparaissent que lorsque ces courants déformés provoquent des chutes de tension sur l'impédance du réseau, qui dépend de la fréquence. Un appareil émet ou absorbe donc des courants harmoniques. Que cela entraîne une distorsion de tension notable dépend du point de raccordement au réseau, de la puissance de court-circuit à cet endroit et de l'impédance du réseau. Dans un réseau faible à impédance élevée, le même courant harmonique produit nettement plus de distorsion de tension qu'à un point de raccordement fort.

Pourquoi les harmoniques apparaissent

Les harmoniques apparaissent typiquement là où l'énergie électrique est convertie au moyen de l'électronique de puissance. Cela inclut les alimentations à découpage des ordinateurs et des appareils ménagers, les chargeurs, les variateurs de fréquence pour moteurs, les redresseurs, les onduleurs d'installations photovoltaïques, les accumulateurs à batteries, l'infrastructure de recharge pour véhicules électriques et de nombreuses installations industrielles. Les noyaux de fer saturés magnétiquement et les fours à arc déforment eux aussi le courant. Une alimentation simple avec redresseur et condensateur de lissage, par exemple, ne tire une impulsion de courant que brièvement avant le sommet de la tension. Il en résulte une courbe fortement non sinusoïdale avec des composantes élevées aux rangs 3, 5 et 7. Un redresseur triphasé à six pulsations génère surtout les rangs dits caractéristiques 5, 7, 11, 13, etc.

Cela ne signifie pas que toute électronique de puissance provoque nécessairement une mauvaise qualité du courant. Les convertisseurs modernes dotés d'une correction active du facteur de puissance ou d'une régulation à modulation de largeur d'impulsion peuvent produire des formes de courant très propres dans la plage des harmoniques classiques, à condition d'être conçus, régulés et filtrés en conséquence. Pour cela, ils déplacent souvent les composantes perturbatrices vers leurs fréquences de commutation élevées. Inversement, des appareils simples en grand nombre peuvent générer des distorsions considérables. Pour le réseau, ce qui compte est donc la conception concrète, le mode de fonctionnement, le point de raccordement et la somme de nombreux appareils dans la même zone du réseau.

Les harmoniques doivent être distinguées d'autres phénomènes de la qualité de la tension. Un écart de la fréquence du réseau concerne la fréquence fondamentale elle-même. Les creux de tension, le flicker ou les variations rapides de tension décrivent des variations dans le temps du niveau de tension. La puissance réactive au sens classique concerne le déphasage entre le courant et la tension de l'onde fondamentale. Les harmoniques, elles, concernent la forme d'onde. Il existe toutefois un recoupement : les courants déformés augmentent la puissance apparente sans transmettre de puissance active. Cela est parfois appelé puissance réactive de distorsion. Le facteur de puissance d'un appareil peut donc se situer nettement en dessous de son cos φ. La compensation classique par condensateurs n'élimine pas cette part.

Conséquences techniques dans le réseau et dans les installations

Les courants harmoniques augmentent la valeur efficace du courant et donc les pertes et l'échauffement dans les lignes, les transformateurs et les machines. Comme l'effet de peau et les courants de Foucault augmentent avec la fréquence, les rangs élevés pèsent de façon disproportionnée. Dans un transformateur, ce sont surtout les pertes par courants de Foucault et par flux de fuite qui augmentent. C'est pourquoi les transformateurs destinés à des charges fortement déformées sont parfois surdimensionnés ou réalisés de façon spéciale. Dans les moteurs, les harmoniques génèrent des pertes supplémentaires, des couples pulsatoires et du bruit. Les condensateurs de la compensation de puissance réactive forment avec l'inductance du réseau un circuit résonant. Si sa fréquence de résonance se situe près d'une harmonique présente, celle-ci est fortement amplifiée, même si la source proprement dite est faible. Des installations de compensation avec inductances de blocage ou des filtres spécialement accordés y remédient.

Les rangs divisibles par trois, par exemple les rangs 3, 9 ou 15, méritent une attention particulière. Dans un système à quatre conducteurs chargé symétriquement dans le réseau basse tension, ils sont en phase dans les trois conducteurs de phase (composante homopolaire). Dans le conducteur neutre, ils ne s'annulent donc pas, mais s'additionnent. Le courant du neutre peut alors même devenir supérieur au courant dans les conducteurs de phase, alors qu'on s'attendrait plutôt à un faible courant en cas de charge symétrique. Sont concernés surtout les bâtiments comptant de nombreux consommateurs électroniques monophasés, par exemple les bureaux ou les centres de données.

La technique de protection, les appareils de mesure et la transmission de signaux peuvent également être affectés. Les dispositifs de protection peuvent réagir différemment aux courants déformés qu'aux courants sinusoïdaux purs, ce qui, dans les cas extrêmes, conduit à des déclenchements intempestifs. Les compteurs d'énergie et les transformateurs de mesure doivent saisir correctement des grandeurs non sinusoïdales. Les signaux de télécommande centralisée, la communication par courants porteurs en ligne et d'autres signaux sur le réseau peuvent être perturbés lorsque les plages de fréquences coïncident. Les harmoniques ne sont donc pas un simple sujet d'efficacité : elles concernent aussi la sécurité d'exploitation, la durée de vie des installations et la précision de mesure.

Distinction avec les interharmoniques et les supraharmoniques

Toute composante de fréquence supplémentaire n'est pas une harmonique au sens strict. Les interharmoniques (Zwischenharmonische) ne se situent pas à des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Elles résultent par exemple de certains convertisseurs, de fours à arc ou d'entraînements à vitesse variable. On désigne le plus souvent par supraharmoniques les distorsions dans la plage de 2 à 150 kilohertz, donc au-dessus des harmoniques classiques, qui s'étendent dans les réseaux de 50 hertz jusqu'à environ 2 kilohertz. Au-dessus de 150 kilohertz commence le domaine des perturbations radioélectriques conduites. Les supraharmoniques proviennent surtout des fréquences de commutation élevées des convertisseurs, des redresseurs actifs et des chargeurs. Elles se propagent autrement et se comportent différemment dans le temps que les harmoniques classiques. Les valeurs limites et les méthodes de mesure à ce sujet sont encore en cours de développement.

Cette distinction est importante en pratique, car les normes, les méthodes de mesure et les concepts de filtrage diffèrent selon la plage de fréquences. Un filtre pour le rang 5 ou 7 ne résout aucun problème dans la plage du kilohertz. Un THD faible ne dit rien des perturbations au-delà du rang 40. Quiconque évalue la qualité du courant doit donc préciser quelle plage de fréquences et quelle grandeur de mesure sont visées.

Normes, responsabilité et rentabilité

Les harmoniques sont un sujet d'interface typique, traité sous la notion générique de perturbations réseau (Netzrückwirkungen). En Europe, la norme EN 50160 décrit les caractéristiques de la tension d'alimentation dans les réseaux publics (édition actuelle : 2022). Pour la basse et la moyenne tension, elle indique un THD de la tension de 8 pour cent. L'évaluation est statistique : sur une semaine, on forme des valeurs moyennes sur 10 minutes, et 95 pour cent d'entre elles doivent respecter cette valeur. La norme contient en outre des valeurs pour les rangs individuels. L'EN 50160 est une description de caractéristiques de la tension et non une norme d'immunité pour les appareils. Même un réseau qui respecte les valeurs peut perturber des appareils sensibles.

Pour les appareils s'appliquent les normes d'émission de la série IEC 61000 (en Europe : EN IEC 61000). L'IEC 61000-3-2 limite les courants harmoniques des appareils dont le courant assigné est inférieur ou égal à 16 A par conducteur, raccordés aux réseaux publics basse tension, pour les rangs 2 à 40. La version européenne EN IEC 61000-3-2:2019 a été complétée en 2024 par l'amendement A2. Pour les appareils de plus grande taille, il existe des parties distinctes, par exemple l'IEC 61000-3-12. L'IEC 61000-2-2 fixe des niveaux de compatibilité pour les réseaux publics basse tension. Elle a entre-temps aussi été étendue à la plage de 2 à 150 kilohertz. Pour les grandes installations de production et de consommation s'appliquent en outre les règles de raccordement au réseau du gestionnaire de réseau concerné. Elles évaluent le plus souvent l'émission d'une installation par rapport à la puissance de court-circuit au point de raccordement.

Ces règles répartissent la responsabilité technique : un appareil individuel ne doit pas solliciter excessivement le réseau, et le réseau doit offrir une qualité dans laquelle les appareils conformes aux normes fonctionnent de manière fiable. Sur le plan économique, les harmoniques ne se manifestent souvent qu'indirectement. Elles causent des pertes supplémentaires, une durée de vie réduite, des déclenchements intempestifs, des filtres, des conducteurs neutres plus gros, des transformateurs plus robustes et des campagnes de mesure. Les coûts ne surviennent pas toujours à la source. Une installation peut provoquer des courants harmoniques tandis qu'un autre utilisateur du réseau dans la même zone constate une résonance ou un échauffement. Comme l'origine et l'impact peuvent diverger, le sujet est exigeant sur le plan réglementaire.

Idées reçues courantes

« Les énergies renouvelables causent des harmoniques » : les installations photovoltaïques et les accumulateurs à batteries fonctionnent certes avec des onduleurs, mais leur effet dépend de la conception des appareils, de la régulation, du filtrage et du raccordement au réseau. Les onduleurs modernes respectent en général les limites d'émission. En même temps, le nombre croissant d'appareils d'électronique de puissance modifie l'environnement électrique. Les machines tournantes, qui agissaient auparavant comme amortissement, diminuent, tandis que les convertisseurs à découpage augmentent. Il en résulte un nouveau besoin de mesure, de normalisation et de planification du réseau.
« Courant sale » : cette expression mélange des phénomènes différents. Une forte 5e harmonique, un creux de tension, le flicker et des perturbations haute fréquence ont des causes et des contre-mesures différentes. Sans désignation précise, on installe facilement un filtre alors que c'est en fait le réseau qu'il faudrait renforcer. Ou bien un appareil est soupçonné alors qu'une résonance dans le réseau local est la cause principale.
« Le THD dit tout » : une valeur unique en pourcentage dit peu si l'on ne sait pas s'il s'agit de la tension ou du courant, ni quelles sont la durée de mesure, l'état de charge et la plage de fréquences applicables. Un THD de courant élevé à faible charge peut signifier un courant harmonique absolument faible. Un réseau à faible distorsion en fonctionnement normal peut être sujet à la résonance dans d'autres configurations de commutation. Pour l'évaluation, il faut conjuguer des grandeurs relatives et des courants ou tensions absolus.

Les harmoniques montrent que la qualité du courant ne se réduit pas au niveau de tension et à la fréquence. La forme d'onde influence les pertes, les équipements, la technique de protection, le fonctionnement des appareils et les règles de raccordement. Dans un système électrique comptant de nombreux convertisseurs, chargeurs et installations à régulation électronique, ce niveau gagne en importance. Les harmoniques ne sont en cela ni une cause unique ni un défaut généralisé. Elles sont une propriété mesurable de la tension et du courant, dont l'effet résulte de l'appareil, de l'impédance du réseau, de l'état de fonctionnement et du cadre réglementaire.

Sources

Zusammenfassung wesentlicher Festlegungen der Norm EN 50160 — MTM (Messtechnik-Anbieter, Österreich); unbekannt. Tabelle, Zeile Oberschwingungsspannung
EN 50160 Standard: Voltage Limits Table and Compliance Rules — Inspector Network; unbekannt (ca. Oktober 2026). Abschnitte zu Ausgabe, 95-%-Regel und „What EN 50160 does not do“
EN IEC 61000-3-2:2019/A2:2024 – Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16 A per phase) — CENELEC (Katalogeintrag iTeh Standards); 2024-04. Titel, Scope, Angaben zur Änderung
IEC 61000-3-2 — Wikipedia; unbekannt. Einleitung
The Effects of Supraharmonic Distortion in MV and LV AC Grids — Sensors (MDPI), über PubMed Central; Mariscotti und Mingotti; 2024-04-11. Abstract und Einleitung

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Edited by eCMS on 12.11.2026 05:05