Un nouveau regard sur les bases de la mesure de la qualité du réseau

Comprendre comment les problèmes de qualité du réseau touchent l'installation, comment les détecter et comment les éliminer.

Par Jack Smith

Si la qualité de l'électricité que votre installation consomme n'est pas ce qu'elle devrait être, elle coûte à votre entreprise plus qu'elle ne le devrait. Une mauvaise qualité du réseau raccourcit la durée de vie de votre équipement, déclenche votre équipement automatisé et produit une chaleur parasite qui doit être éliminée. Ironiquement, nombre de ces problèmes prennent leur origine dans l'installation.

Les nombreux visages des problèmes de qualité du réseau

Parmi les problèmes d'électricité qui touchent fréquemment les installations industrielles, on peut citer les baisses et pics de tension, les harmoniques, les transitoires et les déséquilibres de tension et de courant. Parmi les bons outils de correction de ces problèmes, on peut citer les connaissances et les instruments de diagnostic électrique adaptés à chaque tâche.

Vous avez également besoin d'un schéma unifilaire de l'installation. Ce schéma identifie les sources d'alimentation en AC et les charges qu'elles alimentent, ainsi que leurs caractéristiques. C'est votre carte électrique de l'installation. Il est presque impossible d'étudier les problèmes de qualité du réseau sans elle.

Le diagnostic, la mesure, le dépannage, les réparations ou tout autre travail réalisé sur un système électrique ne devrait être réalisé que par du personnel qualifié, qui a été formé à l'exécution de ces fonctions en toute sécurité, en appliquant les bonnes procédures et en utilisant les outils de diagnostic calibrés pour les systèmes électriques auxquels ils sont destinés.

Baisses

Une baisse est une réduction de l'amplitude de tension entre 10 % et 90 % de la tension moyenne quadratique normale (RMS) pendant plus de 8 millisecondes (un demi-cycle à 60 Hz) et moins d'une minute, selon l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE, Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens). Les équipements industriels comme les automates programmables industriels (API), les robots et les variateurs de fréquence (VFD) sont sensibles aux baisses de tension.

Plus de 50 % des événements de baisse de tension ont pour origine le même bâtiment en raison de l'augmentation de la demande de courant, notamment au démarrage d'importantes charges inductives (souvent des moteurs) qui créent des conditions de courant d'appel temporaire. Cependant, les baisses de tension peuvent aussi venir d'événements externes. La plupart des événements externes qui provoquent des baisses de tension sont liés à la nature. Mais certains sont dus à un comportement humain négligeant.

La détection de baisses peut se révéler complexe car il est difficile de prévoir lorsqu'elles se produiront. Vous pouvez utiliser la fonction min. / max. d'un multimètre numérique haute qualité pour détecter les pires cas de baisses uniques de 100 millisecondes ou plus pendant la mise sous tension de la charge. Pour les baisses récurrentes suspectées, utilisez la fonction tendance de Creux et pics sur un ÉnergiMètre haute qualité.

Si vous avez besoin de « documenter » les événements de qualité du réseau pendant une durée plus longue, des enregistreurs d'événements sont disponibles. Ils peuvent enregistrer les baisses, les pics, les coupures, les transitoires et les écarts de fréquence pendant plusieurs semaines.

La correction des problèmes entraînant des baisses renvoie habituellement aux bonnes pratiques de génie électrique. Par exemple, le câblage doit être adapté aux charges qu'il alimente. Réduire l'impédance de la source en limitant la longueur des câbles d'alimentation vers les sous-panneaux. Ne pas monter en cascade des sous-panneaux sous d'autres sous-panneaux. Réduire la charge sur le panneau si besoin et si possible. Les transformateurs ne doivent pas être surchargés. Une telle surcharge peut également augmenter les harmoniques.

D'abord corriger les problèmes de câblage et/ou de charge. Lorsque votre installation est en ordre, vous pouvez alors rechercher d'autres solutions de réduction des baisses, comme les régulateurs de tension et les transformateurs à tension constante.

Harmoniques

Les harmoniques sont des multiples d'une fréquence fondamentale. Elles posent problème lorsqu'elles sont combinées à la forme d'onde électrique fondamentale. Lorsque les harmoniques se mélangent avec la fréquence fondamentale, elles déforment l'onde sinusoïdale.

Les appareils qui conduisent du courant pendant une durée inférieure à toute l'onde sinusoïdale de tension sont des charges non linéaires, et génèrent donc des harmoniques. On compte parmi eux les dispositifs équipés d'un redresseur et les dispositifs générateurs d'impulsions comme les variateurs de fréquence, les ballasts électroniques, les équipements de diagnostic électronique et les sources à commutation.

Comme le courant harmonique circulant via les impédances du système génère une distorsion de tension harmonique, il crée également des chutes de tension. Dans les cas les plus graves, cette distorsion de tension peut entraîner un déclenchement thermique des relais et dispositifs de protection, et des défauts logiques dans les API et les variateurs de fréquence. Lorsque la distorsion de tension augmente, les charges linéaires commencent à consommer du courant harmonique. Dans les moteurs, certains de ces courants harmoniques, principalement les cinquième et onzième harmoniques, créent un contre-couple dans le moteur, provoquant une plus grande consommation de courant, ce qui diminue son efficacité, augmente sa température et réduit sa durée de vie.

Mesurez les harmoniques au point de couplage commun à l'aide d'un ÉnergiMètre ou d'un analyseur d'harmoniques. Pour les simples instantanés, vous pouvez utiliser un multimètre numérique de haute qualité pour la tension harmonique ou une pince multimètre de haute qualité pour le courant harmonique. Cependant, le multimètre numérique et la pince multimètre doivent être TRMS car des outils de diagnostic TRMS sont nécessaires pour mesurer avec précision les formes d'onde déformées.

De nombreux variateurs de fréquence à six impulsions génèrent les cinquième et septièmes harmoniques. Cependant, les variateurs à 12 et 18 impulsions aident à réduire les harmoniques car lorsque le nombre d'impulsions augmente, leur amplitude diminue. D'autres solutions pour réduire les harmoniques générées par les variateurs sont les bobines d'arrêt/filtres d'entrée passifs, les filtres anti-harmoniques et les filtres actifs.

Transitoires

Les transitoires sont des déviations momentanées de la tension au-dessus de l'onde sinusoïdale normale. Leur amplitude peut être de cinq à dix fois la tension nominale du système. Les transitoires sont différents des surtensions. Une surtension est un transitoire haute tension, habituellement associé à la foudre.

La plupart des événements provoquant des transitoires surviennent à l'intérieur de l'installation. Ils incluent la commutation de condensateurs, les interruptions de courant, le fonctionnement de l'électronique de puissance, la soudure à l'arc, les fermetures de contacts et relais et le démarrage ou la déconnexion de charges.

Selon l'US Department of Energy (Ministère de l'énergie américain), voici les causes courantes de déséquilibre de tension :
  • Batterie de transformateur déséquilibrée produisant une charge triphasée trop importante pour la batterie.
  • Distribution inégale de charges monophasées sur le même système d'alimentation.
  • Problèmes non identifiés de courant monophasé phase à terre non identifiés.
  • Circuit ouvert sur le système de distribution principal

Lorsque des tensions transitoires dépassent les caractéristiques d'isolation électrique, la contrainte peut mener à une rupture diélectrique graduelle de l'isolation ou éventuellement à une brusque défaillance. Les transitoires détériorent également les composants à semi-conducteurs. Un seul transitoire haute tension peut perforer une jonction de semi-conducteur et parfois des transitoires basse tension répétitifs peuvent avoir le même effet.

Vous pouvez détecter des transitoires à basse vitesse à l'aide des mêmes outils et techniques que vous utilisez pour détecter des baisses de tension. Presque tous les équipements électroniques fabriqués ces trente dernières années incluent un certain niveau de protection contre les transitoires, habituellement une varistance à oxyde métallique. Les suppresseurs de surtensions transitoires (TVSS) fournissent une protection supplémentaire contre les transitoires. Vous pouvez appliquer une protection TVSS à plusieurs points dans l'installation selon le type d'équipement de protection. Appliquez un équipement de catégorie C au tableau électrique, appliquez un équipement de catégorie B aux panneaux de distribution et appliquez un équipement de catégorie A au niveau des circuits individuels.

Déséquilibre de tension et déséquilibre de courant

Un déséquilibre de tension est la mesure de différences de tension entre les phases d'un système triphasé. Il dégrade les performances et raccourcit la durée de vie des moteurs triphasés. Un déséquilibre de tension aux bornes du stator du moteur provoque un déséquilibre de courant élevé, qui peut être six à dix fois plus important que le déséquilibre de tension. Des courants déséquilibrés mènent à une pulsation du couple moteur, à une augmentation des vibrations et des contraintes mécaniques, à une augmentation des pertes et à une surchauffe du moteur.

Les déséquilibres de tension et de courant peuvent également indiquer des problèmes de maintenance comme des connexions desserrées et des contacts usés.

Vous pouvez relever des mesures de déséquilibre de tension basiques phase à phase à l'aide d'un multimètre numérique de haute qualité et de déséquilibre de courant phase à phase à l'aide d'une pince multimètre de haute qualité. Des mesures de déséquilibre précises et en temps réel nécessitent un ÉnergiMètre triphasé pour permettre de résoudre les problèmes de déséquilibre. Les circuits ouverts et les courants de défaut de terre monophasés sont plus faciles à corriger que l'équilibre de charge, qui nécessite habituellement des modifications correctives de conception au niveau du système.

Conclusion

Les problèmes de qualité du réseau sont très souvent interdépendants. Répondre aux problèmes de qualité du réseau par une approche à l'échelle de toute l'installation, sans perdre de vue la manière dont laquelle ils affectent les charges individuelles. Parfois, régler un problème de qualité du réseau peut aggraver un autre problème. Rechercher l'image globale en utilisant un ÉnergiMètre triphasé vous permet de corriger les causes des problèmes de qualité du réseau, et de ne pas seulement traiter les symptômes.