Distorsion harmonique (THD) dans les installations LED et variateurs de fréquence

Que sont les harmoniques ?

Une alimentation sinusoïdale pure fonctionne à la fréquence fondamentale – 50 Hz en Europe. Lorsqu'une charge non linéaire consomme un courant qui ne suit pas une forme d'onde sinusoïdale, ce courant contient des composantes de fréquence qui sont des multiples entiers de la fondamentale. Ce sont les harmoniques. La 3e harmonique est à 150 Hz, la 5e à 250 Hz, la 7e à 350 Hz, etc. Dans les systèmes triphasés, les harmoniques de rang impair dominent, et les harmoniques triplènes (3e, 9e, 15e) se comportent différemment car elles sont en phase sur les trois phases plutôt que de s'annuler comme le font les harmoniques équilibrées.

Les principales sources d'harmoniques de courant dans les bâtiments modernes sont les drivers LED (alimentations à découpage fonctionnant à haute fréquence), les variateurs de fréquence (VFD) avec redresseur à diode à 6 pulses, les alimentations sans interruption (ASI), les alimentations à découpage pour équipements informatiques et alimentations de dispositifs KNX, et les ballasts électroniques dans les anciens luminaires fluorescents. Chacune consomme du courant par impulsions aux pics de la forme d'onde de tension plutôt que de manière continue.

THD-I vs THD-V

Le THD-I (distorsion harmonique totale du courant) est le rapport entre la valeur efficace de toutes les composantes harmoniques du courant et la valeur efficace du courant fondamental, exprimé en pourcentage. Il est mesuré aux bornes de la charge – à l'entrée du driver LED, du variateur de fréquence ou de l'onduleur – et décrit à quel point le courant absorbé par cette charge est déformé. Une charge purement résistive a un THD-I = 0 %. Un driver LED à découpage typique sans correction du facteur de puissance mesure un THD-I de 80–120 %.

Le THD-V (distorsion harmonique totale de la tension) est le rapport entre la valeur efficace de toutes les composantes harmoniques de la tension et la tension fondamentale, mesuré au niveau du bus d'alimentation. Les courants harmoniques traversant l'impédance de source du système d'alimentation provoquent des tensions harmoniques – la chute de tension harmonique aux bornes de l'impédance apparaît comme une distorsion de la tension du bus. Le THD-V affecte tous les équipements connectés au bus, pas seulement la charge génératrice d'harmoniques. C'est la distinction : le THD-I est une propriété de la charge ; le THD-V est une propriété du réseau et affecte chaque dispositif connecté.

Voltage harmonic at order h:
  Vh = Ih × Zh

Where:
  Vh = harmonic voltage component at order h (V)
  Ih = harmonic current component at order h (A)
  Zh = source impedance at harmonic frequency h (Ω)

Source impedance increases with frequency:
  Z at 250Hz (5th) = 5 × Z at 50Hz (fundamental)
  Z at 350Hz (7th) = 7 × Z at 50Hz

Higher source impedance (weak supply, long cables) →
more THD-V for the same THD-I load

THD-I measured: at load input terminals (per IEC 61000-3-2)
THD-V measured: at supply bus (per EN 50160)

Limites de la classe C de la norme IEC 61000-3-2 pour les luminaires LED

La norme IEC 61000-3-2 établit les limites d'émission de courant harmonique pour les équipements dont le courant d'entrée est inférieur ou égal à 16 A par phase et qui sont raccordés aux réseaux d'alimentation BT publics. La classe C couvre les équipements d'éclairage, y compris les luminaires LED et leurs drivers. Pour les luminaires de puissance nominale supérieure à 25 W, la norme spécifie les limites harmoniques en pourcentage du courant fondamental, la limite de la 3e harmonique dépendant du facteur de puissance (cos phi) du luminaire.

EN 50160 qualité de la tension au point de raccordement BT

La norme EN 50160 définit les caractéristiques que les fournisseurs d'électricité doivent fournir au point de livraison basse tension. Pour les harmoniques de tension, la norme spécifie que le THD-V ne doit pas dépasser 8 % en moyenne hebdomadaire sur des intervalles de mesure de 10 minutes. Des limites individuelles d'harmoniques de tension s'appliquent aux harmoniques jusqu'au rang 25 : par exemple, la 3e harmonique ne doit pas dépasser 5 % du fondamental, la 5e ne doit pas dépasser 6 %, la 7e ne doit pas dépasser 5 %.

Les fournisseurs mesurent la conformité en enregistrant des moyennes RMS sur 10 minutes sur une période de mesure continue de 7 jours à l'aide d'instruments de qualité d'énergie de classe A. L'application varie selon les pays – dans l'UE, les plaintes concernant la qualité de la tension sont traitées par l'autorité de régulation nationale. Pour les installateurs, la norme EN 50160 fixe la limite supérieure de ce que le réseau d'alimentation fournit ; si le THD-V approche 8 % avant de connecter votre charge, l'ajout d'équipements générant des harmoniques supplémentaires risque de dépasser la limite et de dégrader la qualité de l'alimentation pour d'autres consommateurs sur le départ.

Impact sur les installations KNX et les composants d'armoire

Les courants harmoniques provoquent des problèmes spécifiques dans les installations de bâtiments que les concepteurs d'armoires KNX doivent prendre en compte. L'effet le plus critique dans les installations triphasées avec des charges LED monophasées est la surcharge du conducteur neutre. Dans un système triphasé équilibré, les courants fondamentaux s'annulent dans le neutre. Cependant, les harmoniques triplen (3e, 9e, 15e) sont en phase sur les trois phases – elles s'ajoutent arithmétiquement dans le neutre plutôt que de s'annuler. Dans une installation triphasée entièrement chargée avec des drivers LED monophasés à fort THD, le courant neutre de la 3e harmonique peut égaler ou dépasser le courant de phase.

3 x 20A phase circuits, THD-I = 90%, 3rd harmonic = 70%:

  3rd harmonic current per phase: 20A × 70% = 14A
  Neutral 3rd harmonic current:   14A × 3 = 42A (adds in neutral)
  Fundamental neutral current:    cancels (balanced 3-phase)

  Total neutral current ≈ 42A (exceeds 20A phase current!)

IEC 60364-5-52 Table 52-D:
  For THD > 15%, size neutral conductor at 1.45× phase rating
  In high-THD LED installations: use same CSA neutral as phase,
  or upsize neutral by one cross-section (e.g. 4mm² phase → 6mm² neutral)

MCB false tripping:
  High-frequency harmonic currents cause MCB thermal element
  to see higher RMS current than 50Hz-only meters show.
  Derate MCB to 0.8× rated current in high-THD circuits.

Les alimentations KNX sont des dispositifs à découpage (SMPS). Un THD-V élevé sur le secteur provoque une ondulation sur la sortie du bus KNX 29 V DC, une réduction du rendement du SMPS et un vieillissement accéléré des condensateurs électrolytiques d'entrée. La durée de vie des condensateurs diminue de moitié pour chaque augmentation de 10°C de la température de fonctionnement — les harmoniques augmentent les pertes et donc la température. Dans les environnements à THD élevé, spécifiez des alimentations KNX avec correction active du facteur de puissance (PFC), telles que MDT STC-0640.02 ou ABB SU/S 6.5.1, qui rejettent le contenu harmonique plus efficacement que les conceptions SMPS passives.

Harmoniques VFD et atténuation par inductance de ligne

Un variateur VFD standard à 6 impulsions possède un redresseur à diodes qui ne tire du courant qu'à proximité des pics de la tension d'alimentation. Cela produit un spectre harmonique caractéristique dominé par la 5e harmonique (250 Hz) et la 7e harmonique (350 Hz), la 5e étant typiquement à 25–35% du fondamental et la 7e à 8–15%. Le THD-I d'un variateur standard à 6 impulsions sans atténuation est typiquement de 35–50%.

Mesure : quand et comment évaluer le THD

La mesure du THD nécessite un analyseur de qualité d'énergie True-RMS capable de résoudre les harmoniques individuelles au moins jusqu'au 40e rang. Les instruments appropriés incluent le Fluke 435 Series II (classe A selon IEC 61000-4-30), le Chauvin Arnoux C.A. 8336 et l'analyseur d'énergie Carlo Gavazzi EM24 (surveillance continue). Connectez l'analyseur au tableau de distribution secondaire alimentant les charges suspectes et mesurez le THD-I ainsi que les pourcentages individuels d'harmoniques dans des conditions de charge représentatives.

Occasions de mesure critiques : avant l'installation de batteries de condensateurs (les condensateurs peuvent résonner avec l'inductance du réseau aux fréquences harmoniques, amplifiant la tension harmonique — toujours mesurer le THD-V avant d'ajouter des batteries de condensateurs à une installation riche en variateurs) ; après de grands projets de rénovation LED (comparaison avant/après) ; lorsque des disjoncteurs MCB déclenchent sans surcharge apparente (courant RMS harmonique provoquant un déclenchement thermique) ; lors de l'investigation de problèmes de stabilité du bus KNX (THD-V atteignant l'entrée de l'alimentation KNX).

Filtres harmoniques passifs

Un filtre harmonique passif est constitué d'un circuit LC série accordé pour présenter une faible impédance à une fréquence harmonique spécifique, connecté en parallèle (shunt) avec le bus d'alimentation. Les courants harmoniques de la fréquence accordée empruntent le chemin à faible impédance à travers le condensateur et l'inductance du filtre plutôt que de retourner dans le réseau. Un filtre de 5e harmonique est accordé à 250 Hz : les valeurs de C et L sont choisies de sorte que 1 / (2π × 250 × sqrt(LC)) = 1.

For distributed installations — multiple VFDs spread across a building — filtering at source (one filter per VFD, typically a line reactor or integrated input filter) is preferred over a single large central filter. Central filtering requires the filter to handle the combined harmonic current of all loads and adds complexity; source filtering keeps each drive's harmonics contained. For centralised solutions with large motor control centres, a tuned passive filter bank rated for the total drive kVA may be more economical.

Filtres harmoniques actifs

Les filtres harmoniques actifs (AHF) — également appelés conditionneurs de puissance actifs — mesurent en temps réel le courant harmonique absorbé par la charge à l'aide d'un transformateur de courant et d'un contrôleur DSP, puis injectent des courants harmoniques opposés via un onduleur PWM pour annuler les harmoniques mesurées au point de couplage commun. Contrairement aux filtres passifs, un AHF s'adapte aux conditions de charge changeantes et peut corriger simultanément les harmoniques jusqu'au 50e ordre et fournir une compensation de puissance réactive.

Produits représentatifs : ABB PQFI (unités 30–200 A, interface Modbus TCP), Schaffner ECOsine Active (25–200 A). Les deux fournissent des registres Modbus TCP pour THD-I et THD-V avant/après compensation, les niveaux harmoniques individuels et l'état du filtre. Pour l'intégration KNX, connectez la sortie Modbus TCP de l'AHF à une passerelle WAGO 750-362 Modbus TCP configurée avec le module coupleur KNX. Mappez THD-V L1/L2/L3 aux adresses de groupe KNX avec DPT 9.002 (flottant 2 octets) et définissez une logique d'alarme de seuil dans le bloc comparateur KNX pour déclencher une alarme lorsque THD-V dépasse 5 %.

Intégration KNX : registres Modbus Carlo Gavazzi EM24

L'analyseur d'énergie Carlo Gavazzi EM24 prend en charge Modbus RTU (RS-485) et Modbus TCP (via un module Ethernet optionnel). Pour une surveillance continue du THD intégrée à un système d'automatisation du bâtiment KNX, l'architecture recommandée est : EM24 Modbus RTU → module WAGO 750-485 RS-485 dans un contrôleur de bus de terrain WAGO 750-352 maître Modbus RTU → mappage d'adresses de groupe KNX dans ETS6.

Register  Address  Description                   Format      Scale
0x0028    40041    THD-V L1 (%)                 uint16      ÷10 (e.g. 35 = 3.5%)
0x0029    40042    THD-V L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002A    40043    THD-V L3 (%)                 uint16      ÷10
0x002B    40044    THD-I L1 (%)                 uint16      ÷10
0x002C    40045    THD-I L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002D    40046    THD-I L3 (%)                 uint16      ÷10

Suggested KNX group address mapping:
5/7/1  THD-V L1 (DPT 9.002, %)
5/7/2  THD-V L2 (DPT 9.002, %)
5/7/3  THD-V L3 (DPT 9.002, %)
5/7/4  THD-I L1 (DPT 9.002, %)
5/7/5  THD-I L2 (DPT 9.002, %)
5/7/6  THD-I L3 (DPT 9.002, %)

Alert logic (ETS6 comparator block):
IF THD-V L1 (5/7/1) > 5.0% → send TRUE to 5/7/90 (THD alarm)
→ KNX alarm indicator activation + HA push notification