Harmoniques

03-02-2012 | HVAC

Des déclenchements de commandes mineures aux défaillances de compresseurs et de transformateurs, les harmoniques peuvent avoir un impact sur tous les types d'équipements HVAC

Un technicien a récemment documenté les codes de défaut reçus lorsqu'un circuit de refroidisseur a sauté. Une analyse soigneuse du refroidisseur a révélé que les défauts indiqués ne correspondaient pas à ce qui se passait sur l'appareil. Les diagnostics ont indiqué que le refroidisseur avait subi une « inversion de phase » et quelques temps plus tard, une « surcharge du moteur du compresseur ». De plus, un avertissement de « défaut de variateur de vitesse de la pompe du condensateur » a été reçu.

Il est très peu probable qu'une inversion de phase se soit produite. C'est généralement un problème d'installation. L'enquête a révélé que le compresseur et le variateur de la pompe du condensateur semblaient fonctionner normalement. Alors que le problème provoquant ces déclenchements intempestifs pourrait être un composant dans le panneau de commande lui-même, un autre élément souvent négligé pourrait en être la cause : les harmoniques.

Les courants harmoniques et le système de distribution électrique

Les courants harmoniques circulent dans un circuit à des multiples de la fréquence fondamentale de 60 hertz (Hz). Par exemple, le courant circulant dans un circuit à 180 Hz est la troisième harmonique (60 Hz multiplié par 3). Ces courants ne sont pas directement indiqués sur les multimètres et on ne les découvre généralement pas avant que des problèmes inhabituels de commande et d'équipement ne commencent à apparaître. Comparer les relevés de courant d'un outil de mesure à réponse moyenne avec ceux d'un outil de mesure à valeur efficace vraie sur le même circuit aidera à indiquer des problèmes d'harmoniques. L'outil de mesure à réponse moyenne n'indiquera que le courant à 60 Hz et l'outil de mesure à valeur efficace vraie indiquera une combinaison de courants à 60 HZ et harmoniques. La production et la réflexion de ces courants harmoniques dans le système de distribution électrique peuvent poser des problèmes.

Voici quelques exemples de problèmes d'harmoniques :

  • Mauvais fonctionnement des circuits de commande
  • Arrêts intempestifs des refroidisseurs et systèmes de traitement de l'air (AHU) contrôlés électroniquement
  • Surchauffe des enroulements d'électrovannes, nécessitant un remplacement
  • Surchauffe des transformateurs 480 volts alimentant les systèmes HVAC 208Y/120 volt
  • Surchauffe des moteurs du ventilateur et de la pompe à eau refroidie

Avec une certaine compréhension de base, les techniciens professionnels et ingénieurs d'aujourd'hui peuvent isoler des problèmes d'harmoniques à leur source et atténuer leurs effets en remplaçant l'élément défaillant ou en installant des filtres à harmoniques.

Charge non linéaire
Figure 1. Charge non linéaire. Observer un ensemble monophasé d'ondes sinusoïdales de tension et de courant tracé par un variateur de fréquence (VFD) montre rapidement que la forme d'onde de courant (inférieure) n'est pas du tout conforme à la forme d'onde de tension appliquée. Ces charges non linéaires produisent des courants harmoniques qui circulent dans le système de distribution.
Harmoniques
Figure 2. Harmoniques. Dans cette capture d'écran d'ÉnergiMètre, les fréquences harmoniques apparaissent sur l'axe des harmoniques. Le pourcentage dont la fréquence harmonique spécifique est une composante de la fréquence fondamentale de 60 Hz apparaît sur l'axe vertical. Le curseur a été placé sur la troisième fréquence harmonique, et ce troisième courant harmonique semble représenter environ 25 % de la fréquence de 60 Hz.

Les circuits électroniques modernes doivent convertir le courant alternatif (AC) 60 Hz fourni en courant continu (DC) car l'électronique fonctionne en utilisant une tension et un courant DC. La forme d'onde du courant consommé par ces charges électroniques révèle que la forme d'onde du courant ne correspond pas à la forme d'onde de la tension appliquée. Ainsi, ces charges électroniques sont appelées charges « non linéaires ». Ces charges non linéaires produisent les courants harmoniques réfléchis dans le système. Les courants harmoniques apparaissent sur un large spectre, mais diminuent généralement lorsque les fréquences augmentent. Voir Figure 1.

Alors que des fréquences harmoniques différentes produisent leur propre effet unique sur un circuit, lorsqu'elles sont combinées elles déforment l'onde sinusoïdale 60 Hz d'origine. Une puissance déformée à l'entrée d'un équipement électrique peut parfois entraîner des déclenchements et des alarmes intempestifs dans des circuits de commande. Certains courants harmoniques produisent une chaleur excessive. D'autres harmoniques produisent en fait une inversion de couple dans les moteurs, réduisant l'efficacité et faisant surchauffer les moteurs.

Dépannage

Le dépannage d'un circuit signifie identifier correctement la cause profonde du problème et isoler la source. Si des contrôles de dépannage de routine dans un circuit électrique avec des charges non linéaires ne révèlent pas le problème, envisagez de rechercher des harmoniques.

Pour réaliser le test initial de présence d'harmoniques, mesurez avec une pince multimètre capable d'indiquer la distorsion harmonique totale (THD). La THD donne un chiffre pour indiquer le total des harmoniques présentes. La THD pour la tension ne doit pas dépasser 5 % et peut être facilement lue sur une pince multimètre. La THD pour le courant sera considérablement supérieure. Une THD excessive pour la tension signifie que l'un des problèmes mentionnés précédemment peut se produire et qu'une action corrective doit être entreprise. Pour obtenir des informations plus détaillées, utilisez un ÉnergiMètre pour étudier plus avant l'amplitude et les effets des harmoniques individuelles.

L'ÉnergiMètre mesure le niveau de chaque fréquence harmonique ainsi que tous les autres problèmes liés à la qualité du réseau. Les ÉnergiMètres sont disponibles pour les circuits monophasés et triphasés. Ils sont généralement placés sur le circuit pendant un certain temps pour enregistrer les perturbations dans l'alimentation secteur. Des données peuvent être téléchargées ultérieurement sur un PC pour analyse.

En plus de mesurer des harmoniques, les ÉnergiMètres enregistrent d'autres perturbations pouvant entraîner un dysfonctionnement des circuits de commande. Par exemple, les « pics » sont des augmentations de tension au-dessus des valeurs caractéristiques et peuvent endommager l'équipement. Les « creux » sont des diminutions de la tension appliquée et provoqueront des arrêts intempestifs et des fausses alarmes dans les circuits de variateurs de fréquence (VFD) et automates programmables industriels (API).

La THD et les niveaux d'harmoniques doivent être mesurés au point de couplage commun (PCC). Pendant un dépannage, le PCC est le point auquel les charges non linéaires suspectées de provoquer le problème se connectent au reste du système de distribution. Par exemple, un contrôle rapide du compartiment du centre de commande des moteurs (MCC) alimentant un variateur de fréquence indiquera si le variateur de fréquence crée un potentiel problème d'harmoniques. Recherchez la THD pour la tension approchant 5 % et contrôlez la présence et les niveaux des différentes fréquences harmoniques. Voir Figure 2. La sortie harmonique du variateur de fréquence variera en fonction de la sortie du variateur. Il peut être nécessaire de paramétrer l'ÉnergiMètre pour enregistrer les valeurs pendant une certaine période de temps, car les besoins du système de ventilation varient.

Que faire lorsque vous trouvez des harmoniques excessives ?

Si vous découvrez des harmoniques excessives, étudiez chaque cas individuellement puis prenez des décisions. Vous pouvez acheter des filtres à harmoniques et les placer aussi près que possible de l'équipement produisant les courants harmoniques. Il vaut mieux consulter le fabricant de l'équipement ou un ingénieur consultant externe pour trouver le meilleur filtre à harmoniques pour le problème. Il n'y a pas de « taille unique » en ce qui concerne ces filtres. Vous devez considérer la taille de la charge et les harmoniques particulières générées.

Une autre option consiste à isoler l'équipement à problème à l'aide d'un transformateur de séparation. Déplacer la charge non-linéaire provoquant le problème ou le circuit affecté vers un autre panneau de distribution peut aider. Par exemple, si les commandes affectées sont alimentées depuis le même tableau de contrôle que la charge non linéaire provoquant le problème, déplacer le circuit de commande vers un autre tableau de contrôle peut aider à atténuer le problème. Les problèmes d'harmoniques tendent à diminuer si l'on s'éloigne de la charge non linéaire.

Résumé

Commandes de ventilation
Figure 3. Les commandes de ventilation, comme l'électronique et l'API à gauche de cette armoire, peuvent être touchées par des harmoniques, ce qui se traduira par un mauvais fonctionnement de l'équipement contrôlé.

De4 nos jours, l'équipement électrique HVAC est une combinaison de variateurs de fréquence triphasés alimentant des moteurs de ventilateurs, des compresseurs, des pompes à eau et des ventilateurs de tours de refroidissement. Les circuits de commande contiennent des API et des circuits électroniques propriétaires qui maintiennent les températures, les débits et les pressions. Voir Figure 3. Alors que les variateurs de fréquence sont des exemples de charges non linéaires provoquant de nombreux problèmes d'harmoniques, les autres sources d'harmoniques peuvent aller des photocopieuses de bureaux à une installation voisine branchée sur la même ligne d'alimentation électrique.

Les effets des harmoniques sur les équipements HVAC peuvent se traduire par des déclenchements intempestifs de commandes, ou des défaillances du moteur principal ou du transformateur. Des contrôles initiaux avec deux pinces multimètres peuvent facilement identifier les problèmes potentiels d'harmoniques. Cependant, l'ÉnergiMètre est la clé de la mesure, de l'isolation et de la correction des problèmes d'harmoniques. Les équipements HVAC modernes exigent que les ingénieurs et techniciens comprennent la cause et les effets des harmoniques, et la manière de mesurer et d'interpréter des valeurs d'harmoniques si des problèmes associés doivent être résolus.