Qualité de l'énergie: une pieuvre à plusieurs tentacules

"Vous avez un problème avec la qualité du courant". C'est le verdict d'une PME après l'analyse d'un installateur. Était-ce de la paresse, ou le collègue manquait-il de connaissances en la matière ? Nous ne le savons pas, mais dans tous les cas, le client mérite une réponse beaucoup plus spécifique que le terme générique de "qualité de l'énergie".

Le tireur d'elite invisible

Lorsque les clients sont confrontés à des problèmes d'électricité, ceux-ci sont généralement d'une nature telle qu'ils ont un grand impact sur le fonctionnement quotidien de l'entreprise: soit la production souffre en raison d'arrêts fréquents, soit il y a de réels problèmes de sécurité avec le chauffage, soit la facture augmente trop en raison du facteur travail. Outre ces motifs évidents, il existe plusieurs indicateurs qui le sont beaucoup moins. Ou du moins, il est plus difficile de les relier aux problèmes d'électricité. Par exemple, l'usure rapide des moteurs et autres équipements sera rapidement attribuée à la qualité du moteur lui-même, et non à celle de l'électricité fournie. Il en va de même pour l'augmentation des coûts de maintenance et la diminution des pertes d'énergie. Même si des câbles et des composants correctement dimensionnés chauffent considérablement, le profane ne fera pas immédiatement le lien avec l'une des facettes de la qualité de l'énergie.

un terme, plusieurs problèmes

Comme indiqué dans l'introduction, la qualité de l'énergie est un terme fourre-tout utilisé pour décrire plusieurs problèmes. Ces problèmes n'ont pas nécessairement de rapport entre eux, ils doivent même parfois être mesurés avec des appareils différents et, tout aussi souvent, la solution est également personnalisée. C'est pourquoi nous traitons un phénomène à la fois dans la section suivante, avec la méthode de mesure correspondante et la solution appropriée.

Harmoniques

Comme vous le savez, la fréquence du réseau, aussi dénommée fréquence fondamentale, est de 50 Hz. Cependant, dans chaque installation, il se produit des perturbations qui sont un multiple de cette fréquence, on parle alors de 2ème, 3ème, 4ème... harmonique

En pratique seules les harmoniques impaires comptent

En pratique, cependant, seules les harmoniques impaires comptent, les harmoniques paires étant négligeables. La distorsion totale est notée comme THD (Total Harmonic Distortion), c'est un pourcentage de la fréquence fondamentale. Plus le pourcentage est élevé, plus la contamination harmonique est importante. Chaque appareil électrique a ses propres caractéristiques en termes d'harmoniques, mais on peut dire que ce problème a fortement augmenté ces dernières années.

Cela est dû à la part accrue des applications à haute fréquence, telles que les onduleurs et les commandes LED. Pour que cela reste dans les limites, des valeurs maximales ont été fixées dans la norme EN50160, qui incluent également les harmoniques. Les conséquences peuvent rester longtemps sous la surface, mais il vaut mieux ne pas ignorer certaines indications. La commutation involontaire des dispositifs de sécurité est un phénomène bien connu, par exemple. Les bruits de bourdonnement dans les transformateurs et l'échauffement et/ou l'usure accélérés des moteurs, des câbles et d'autres équipements peuvent également indiquer un excès d'harmoniques.

SOLUTIONS

Pour maintenir les harmoniques dans les limites de la norme - ou plus strictes si on le souhaite - on peut utiliser un filtre d'harmoniques actif ou passif. Un filtre actif détecte de manière autonome les courants harmoniques présents dans l'installation et peut les compenser. L'emplacement du filtre est très important pour assurer un fonctionnement efficace. La détection peut avoir lieu dans l'alimentation d'un générateur d'harmoniques potentiel ou dans l'alimentation de l'ensemble de l'installation électrique. Les deux approches sont justifiées. S'il n'y a que quelques sources potentielles de fortes harmoniques dans l'installation, une installation décentralisée est recommandée. Si, par contre, il y a plusieurs sources, un filtre sur l'alimentation générale de l'installation sera préféré.

Un filtre harmonique passif diffère de son homologue actif
en ce qu'il suit un modèle plutôt fixe

Un filtre harmonique passif diffère de son homologue actif en ce qu'il suit un modèle plutôt fixe. Si les caractéristiques de l'installation changent en raison de l'évolution des charges, ce type de filtre doit être à nouveau réglé. En pratique, un filtre passif est principalement utilisé pour les charges qui produisent une pollution harmonique fixe.

cem

Les normes CEM/EMI stipulent qu'un composant et un dispositif doivent fonctionner de manière adéquate sans causer de perturbations électromagnétiques ou être eux-mêmes susceptibles de subir des perturbations électromagnétiques provenant d'autres dispositifs ou composants. Cette perturbation peut se produire de différentes manières: par induction, par capacité, par conduction et par rayonnement.

Dans la pratique, la CEM est un domaine d'expertise très difficile

Dans la pratique, la CEM est un domaine d'expertise très difficile, dans lequel la mesure, l'analyse et la formulation d'une bonne solution sont autant de tâches réservées aux spécialistes. En outre, la normalisation est également vague, ce qui fait que les problèmes n'ont certainement pas diminué ces dernières années. Il existe des solutions standard telles que les filtres IEM, mais souvent une approche spécifique est la seule solution possible.

Chute de tension

La norme EN 50160 sur 'les caractéristiques de tension dans les réseaux électriques publics' définit une chute de tension comme suit : une réduction soudaine de la tension à une valeur comprise entre 90 % et 1 % de la tension convenue, suivie d'un rétablissement après un court laps de temps. La durée de la chute de tension est comprise entre 10ms et 1min et la profondeur de la chute est la différence entre la valeur minimale effective de la tension pendant la chute et la valeur convenue. En pratique, la durée de la chute est généralement de quelques secondes. Si une chute dure plus d'une minute, nous ne parlons plus de chute de tension, mais de coupure.

Les conséquences d'une chute de tension peuvent
être dramatiques pour une entreprise

Les conséquences d'une chute de tension peuvent être dramatiques pour une entreprise. Les systèmes peuvent tomber en panne, entraînant des arrêts de la chaîne de production. Dans les pays occidentaux, les chutes de tension sont beaucoup plus fréquentes que les coupures, mais elles peuvent être tout aussi néfastes.

Il est aussi immédiatement clair que ce problème de qualité de l'électricité ne peut pas être immédiatement comparé aux autres problèmes de qualité énumérés. De par sa nature, la mesure est également un travail de longue haleine, car les chutes doivent être cartographiés sur une longue période avant qu'une solution puisse être formulée. Les causes peuvent également être très diverses : le démarrage de moteurs lourds, des courts-circuits dans le réseau de moyenne tension, des problèmes de haute tension ... Il existe plusieurs options pour faire face aux chutes de tension, comme l'utilisation d'un onduleur, de conditionneurs de tension actifs ou de convertisseurs AC/AC.

Cosinus phi

Dans une installation industrielle, la puissance réelle est convertie en énergie pour les machines, la lumière, le chauffage, le refroidissement, etc. Cependant, la conversion n'est jamais totale, car une partie de la puissance est perdue. Il s'agit de la puissance réactive (kVAr) qui subsiste lors de la génération de champs magnétiques et électriques dans les lampes LED, les moteurs, les transformateurs et autres. Le cos phi est le rapport entre la puissance réelle (active) et la puissance apparente (totale). Dans une situation idéale, cette valeur est de 1. La tension et le courant sont en phase et dans ce cas, la puissance active est égale à la puissance apparente. En raison de la présence de puissance réactive inductive et/ou capacitive, la puissance apparente augmente et le facteur de puissance devient inférieur à 1.

Solutions

Pour ajuster le cosinus phi, on peut utiliser des batteries de condensateurs. On peut utiliser des étages de condensateurs fixes qui fournissent la même compensation à tout moment, ou des étages de condensateurs automatiques qui garantissent une compensation adaptée à la réalité. Le cos phi dans le réseau de l'entreprise est mesuré en continu au moyen d'une bobine de mesure du courant qui mesure le courant sur une phase. Un régulateur mesure simultanément la tension sur les deux autres phases. De cette façon, on sait en détail dans quelle mesure la tension précède le courant. Sur la base de cette information, un certain nombre de condensateurs sont commutés par contact, ce qui permet de compenser à nouveau la situation et d'obtenir un cos phi plus élevé. Si des charges à variation rapide sont impliquées (robots de soudage, applications de levage, moulage par injection, etc.), une banque de compensation commandée par thyristor peut également être utilisée. Ceux-ci commutent rapidement et précisément sur le passage par zéro du courant. Cela permet de contrôler la charge de manière rapide et précise, évitant ainsi toute sous-compensation ou sur-compensation.

La charge peut complètement fausser la mesure

Pendant des années, le facteur de puissance a été utilisé comme un synonyme de cos phi. Aujourd'hui, cela ne s'applique plus, car il est préférable de passer au "facteur de puissance de déplacement." FP et FPD semblent tous deux mesurer la même chose, à savoir l'efficacité de la distribution de l'énergie. Le facteur de puissance reflète la relation entre la puissance réelle (P) et la puissance apparente (Ps), en incluant le déphasage entre la tension et le courant dans le calcul de la puissance réactive. Cette approche fonctionne bien lorsque l'on travaille avec des charges linéaires, mais elle ne suffit pas lorsque des charges non linéaires sont présentes dans l'installation. Les appareils de mesure qui ne sont pas conçus pour traiter ces charges non linéaires peuvent donner un résultat complètement faux! Il s'agit d'un facteur très important, surtout si l'on tient compte de l'essor actuel des applications électroniques. Les moteurs de votre entreprise forment une charge inductive, qu'il fallait peut-être même compenser par des batteries de condensateurs pour maintenir le cos phi dans les limites.

Cependant, l'évolution vers une plus grande efficacité énergétique dans les entreprises conduit à une utilisation accrue des convertisseurs de fréquence et de l'éclairage LED, qui sont tous deux des charges capacitives. En d'autres termes, les batteries de condensateurs peuvent ne plus être correctement dimensionnées, voire être complètement contre-productives.
Par conséquent, vérifiez toujours si votre équipement de mesure est adapté à la cartographie de ces tensions et courants non sinusoïdaux. Un paramètre important ici est le facteur de forme et le facteur de crête. Le facteur de forme est le rapport entre la tension ou le courant effectif et la tension ou le courant moyen. Le facteur de crête est le courant de crête comparé à la valeur effective. Avec une tension parfaitement sinusoïdale, le facteur de forme est toujours exactement égal à 1,1.

De nombreux appareils de mesure sont - pour des raisons financières - réglés sur cette valeur. Dans la situation actuelle, cette approche est risquée, car avec un gradient non sinusoïdal, on risque de se tromper complètement de mesure. Les compteurs True RMS, quant à eux, mesurent d'une manière différente, de sorte que leur facteur de forme et leur facteur de crête sont réglés sur la valeur réelle au lieu de la valeur fixe de 1,1.

Scintillement

Le terme 'scintillement' est directement dérivé de l'effet que les fluctuations de la tension électrique exerce sur les ampoules et autres dispositifs d'éclairage électrique. Cet effet peut être observé par l'œil humain. Parmi les problèmes de scintillement dans les systèmes de transmission et de distribution d'électricité, citons les fours à arc électrique, les moteurs à haute puissance avec des cycles d'arrêt et de démarrage très rapides, les scies et les machines à souder à haute puissance. Le scintillement ne doit pas être sous-estimé car il peut affecter l'environnement de production. La fatigue et une moindre concentration du personnel sont par exemple des conséquences bien connues. En outre, les fluctuations de tension peuvent également perturber les équipements électriques et électroniques, et provoquer ainsi des effets néfastes dans les processus de production. Il existe sur le marché des appareils spécifiques pour mesurer le scintillement.