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Optimisation des performances des variateurs de fréquence et des alimentations sans interruption

Si vous être en train d'installer un variateur de fréquences (VFD) ou une alimentation sans interruption (UPS), ou si vous possédez déjà ces équipements, il est conseillé de surveiller certains paramètres de qualité d'énergie afin d'optimiser les performances de vos équipements. Pour déterminer quels paramètres de qualité d'énergie mesurer, et quand, commencez par comprendre les problèmes de qualité de l'électricité associés à ces équipements puisqu'ils absorbent le courant d'alimentation par impulsions brèves. Les systèmes VFD et UPS sont sensibles aux problèmes de qualité de l'électricité du secteur qui les alimente ; ils produisent également des courants harmoniques qui se répercutent sur le système de distribution.

Il est donc préférabe de surveiller la qualité de l'électricité avant l'installation et de vérifier que l'électricité fournie aux équipements répondra aux exigences du fabricant. Rassemblez des données spécifiques pour les fabricants des équipements afin qu'ils puissent analyser les harmoniques et concevoir des filtres qui limiteront la quantité de courants harmoniques se répercutant sur le système de distribution. Enfin, surveillez la qualité de l'électricité pendant le fonctionnement du système pour vous assurer que le VFD ou UPS ne dépasse pas les limites de distorsions harmoniques sur le système de distribution. Utilisez également vos données de surveillance avant l'installation pour vous assurer que la capacité d'alimentation est adaptée.

Figure 1. Sélectionnez « Volts/Amps/Hertz » dans le menu principal du Fluke 435 pour observer les relevés VRMS et Hz. Même si tous les paramètres doivent être observés afin de détecter toute incohérence, assurez-vous particulièrement que les exigences du fabricant sont respectées.

Avant d'installer un VFD ou UPS, mesurez les paramètres de qualité d'énergie du circuit d'alimentation et du circuit de dérivation qui alimenteront le VFD ou UPS. Comparez vos données aux spécifications du fabricant pour vous assurer de leur conformité. (Pensez à sauvegarder toutes les données enregistrées afin d'établir des points de références pour un usage ultérieur !)

Comme exemple, voici les exigences d'alimentation pour un fabricant type :

  • Entrée de tension entre +10 % et -10 %
  • Fréquence de 60 Hz (±5 Hz)
  • Continuité de creux de tension maximal de 0 % pour 1 cycle et jusqu'à 60 % de creux de tension pour 10 cycles.
  • Facteur de puissance décalé d'au moins 0,92 à pleine charge avec une tension d'entrée nominale

Une augmentation de tension ou une tension d'arrivée trop élevée peut provoquer des problèmes de surtension. Une baisse de tension peut provoquer des problèmes de sous-tension sur l'équipement et interrompre le fonctionnement du VFD ou UPS.

Pour vous assurer que le système répond aux spécifications du fabricant, utilisez un enregistreur ou un analyseur de qualité du réseau électrique afin de surveiller et enregistrer les données. Enregistrer des données sur un laps de temps donné indiquera ce que l'on peut attendre au cours d'un cycle complet des installations. Les données peuvent ensuite être téléchargées sur un PC et analysées. Cependant, si vous utilisez un enregistreur/analyseur, comme l'analyseur de qualité d'électricité Fluke 435 vous pouvez effectuer des vérifications immédiates sur l'alimentation pendant l'enregistrement :

Figure 2. Les baisses et hausses de tension peuvent être analysées en détail en sélectionnant le Tableau d'événements après l'enregistrement des fluctuations de la tension à l'aide de la fonction « Dips and Swells » (Baisses et hausses). Consultez le type d'événement (baisse ou hausse), le niveau de tension atteint, la durée passée à ce niveau, et le type de changement (vers le haut ou vers le bas).
  • Sélectionnez « Volts/Amps/Hertz » dans le menu principal et vérifiez si les relevés VRMS et Hz se situent à ±10 % des spécifications de la tension et à ±5 Hz pour la fréquence. (Voir Figure 1)
  • Sélectionnez « Power and Energy » (Puissance et énergie) dans le menu principal et vérifiez si le facteur de puissance de déplacement (DPF) correspond aux spécifications. Le DPF est le facteur de puissance de la fréquence fondamentale tandis que le facteur de puissance tient compte des harmoniques. Le DPF s'applique généralement aux spécifications du fabricant. (Voir Figure 3)
  • Même si cela n'est pas obligatoire, il est conseillé de surveiller l'alimentation afin de détecter des distorsions harmoniques déjà créées sur le système par d'autres sources. Dans de nombreux cas, il est nécessaire de procéder à une identification pour isoler le VFD ou UPS sur sa propre source d'alimentation afin de minimiser les perturbations entrantes. Il est fortement recommandé de disposer des données harmoniques pour prendre une décision avant l'installation et, comme toujours, d'enregistrer ces données pour des comparaisons futures.
  • Une fois l'enregistrement terminé, sélectionnez « Dips and Swells » (Baisses et hausses) dans le menu principal pour vérifier que les baisses (creux) ne dépassent pas les spécifications du fabricant. Utilisez le tableau « Events » (Événements) pour déterminer l'amplitude et la durée du creux. (Voir Figure 2)

Soyez conscient des situations particulières à votre équipement. Par exemple, il est possible qu'un système UPS statique ait des exigences supplémentaires sur l'alimentation. Même si la gamme de tension acceptable peut varier selon le fabricant et permettre une tension aussi basse que 30 % de la tension nominale, il est possible que les batteries de certaines unités ne se chargent plus à partir de 15 % en dessous de la tension nominale. Assurez-vous de connaître les limites de votre équipement en consultant les spécifications du fabricant.

Une fois que le VFD ou UPS est en fonctionnement, il présente de nouveaux problèmes de qualité du réseau électrique que les ingénieurs et techniciens se doivent de comprendre. Découvrez comment surveiller et être prêt à corriger les effets sur les systèmes de distribution électrique de la puissance des harmoniques créés par le VFD ou UPS et la distorsion harmonique totale (TDH) qui en résulte. Les ingénieurs et les techniciens doivent comprendre la façon dont la tension est déformée, déterminer le point de mesure de la TDH, et comprendre que des limites sont définies en fonction de l'onde sinusoïdale de la distorsion de la tension de distribution.

Figure 3. En sélectionnant « Power and Energy » (Puissance et énergie) dans le menu principal, le facteur de puissance de déplacement (DPF) peut être observé pour s'assurer que les spécifications de l'alimentation du VFD sont respectées. Utilisez le DPF sauf si le fabricant précise que le facteur de puissance doit prendre en compte les fréquences harmoniques ; dans ce cas, utilisez la valeur du facteur de puissance. Veuillez noter que le symbole de bobine inductive sur la ligne kVAR indique que le facteur de puissance du courant est retardé.

Les systèmes VFD et UPS statiques fonctionnent en convertissant l'alimentation AC entrante en DC. Ensuite, en désactivant et activant la puissance DC, une forme d'onde à tension et fréquence variables peut être produite. Les systèmes UPS enclenchent la puissance DC pour fournir une énergie « propre » sur la fréquence fondamentale vers ses charges critiques. Les VFD modifient la fréquence et la tension pour ajuster la vitesse d'un moteur AC. La conversion d'AC en DC dans la plupart des VFD et systèmes UPS est effectuée par un circuit redresseur. Un condensateur est situé à la sortie du circuit redresseur. L'alimentation pour la commutation DC provient de ce condensateur.

Le condensateur tire le courant du secteur (via le circuit redresseur), pour se charger pendant les pics des demi-cycles positifs et négatifs. Ce tirage d'impulsions brèves de courant entraîne une chute de tension. Il provoque également l'aplatissement de l'onde sinusoïdale entrante. En outre, des courants harmoniques sont créés par le circuit redresseur. Ces courants harmoniques retournent dans le système de distribution, ce qui entraîne une distorsion de la tension et du courant des ondes sinusoïdales dans le système de distribution.

Qu'est-ce que cela signifie réellement pour l'ingénieur et le technicien ? La distorsion harmonique doit être surveillée lors du démarrage du VFD et de l'UPS, elle doit également être corrigée si les limites sont dépassées. Comme indiqué plus haut, si vous informez le fabricant de votre équipement, il pourra mener des études sur les harmoniques et concevoir des filtres pour limiter la distorsion des harmoniques créées par le VFD ou UPS en fonctionnement.

Une fois que les filtres d'harmoniques sont installés et que les systèmes fonctionnent, surveillez et enregistrez la distorsion harmonique créée par le VFD ou UPS. Puisque les recommandations de la norme IEEE sont basées sur le point de couplage commun, c'est ce point-ci du système qu'il fautseillé de configurer et surveiller. Le PCC (point de couplage commun) est généralement le point où l'alimentation de la charge du VFD ou UPS quitte un bus mis sous tension par une source d'énergie.

Par exemple, pour mesurer les effets des harmoniques générés par le VFD ou UPS, configurez le Fluke 435 sur le PCC, puis sélectionnez « Harmonics » (harmoniques) dans le menu principal. Un graphique à harmoniques affiche l'amplitude de chaque courant harmonique par rapport à la fréquence fondamentale de 60 Hz. Selon le type de variateur ou de circuit redresseur dans le VFD ou UPS, les techniciens doivent s'attendre à de plus grandes amplitudes à certaines fréquences harmoniques. Par exemple :

  • On peut escompter qu'un variateur 6 impulsions génère des harmoniques plus importantes aux fréquences harmoniques 5, 7, 11, 13, etc.
  • On peut escompter qu'un variateur 18 impulsions génère des harmoniques plus importantes aux fréquences harmoniques 17, 19, 35, 37, etc.
  • On peut escompter qu'une alimentation à découpage génère des harmoniques plus importantes aux fréquences harmoniques 3, 5, 7, 9, etc.

Dans tous les cas, vous devriez observer une diminution de l'amplitude des harmoniques à mesure que le rang d'harmonique augmente. Cependant, soyez particulièrement attentif aux amplitudes anormales à toute fréquence harmonique observées sur le graphique à harmoniques. Cela peut indiquer que les harmoniques VFD ou UPS créent une situation de résonance avec les condensateurs de correction de facteur de puissance dans le système. Une action corrective doit être entreprise pour prévenir cette situation dangereuse.

Après avoir consulté le graphique à harmoniques pour vérifier la présence ou non de fréquences harmoniques, et vous être assuré qu'il n'y a pas d'anomalies, sélectionnez la fonction « Meter » (Multimètre) pour visualiser la distorsion harmonique totale de la tension. Celle-ci ne doit pas excéder 5 %. (voir Figure 4). Si c'était le cas, déterminez la solution la mieux adaptée pour ramener la TDH dans les limites acceptables. Cela peut consister à utiliser des filtres d'harmonique, des transformateurs d'isolation, ou à déplacer les charges vers d'autres circuits d'alimentation ou de dérivation.

Figure 4. Après avoir observé le graphique à barres des harmoniques, sélectionnez le tableau des harmoniques sur le Fluke 435 pour vérifier que la distorsion harmonique totale (TDH) est conforme aux recommandations de la norme IEEE 519-1992, c'est-à-dire qu'elle n'est pas supérieure à 5 % au point de couplage commun (PCC).

N'oubliez pas que la surveillance, surtout au PCC, est un concept global et sur le long terme. Ne vous contentez pas simplement d'établir les conditions d'installation. Surveillez périodiquement, et élargissez votre vision à tout le système d'alimentation. Évaluez votre demande maximale totale. Elle changera énormément dans le long terme, à mesure que de nouveaux appareils et charges sont ajoutés, ils peuvent altérer ce qui était alors une alimentation nette pour votre VFD ou UPS.

L'essentiel à retenir pour l'installation, le fonctionnement et l'entretien des VFD et des systèmes UPS est de fournir une puissance nette, fiable et de qualité à ces équipements lors de leur fonctionnement et de minimiser la répercussion des distorsions harmoniques sur le système de distribution. Utilisez des analyseurs de qualité du réseau électrique pour surveiller et enregistrer les paramètres clés de qualité d'énergie avant l'installation, pendant le démarrage et dans des conditions de fonctionnement normales. Les ingénieurs et techniciens, qui travaillent en collaboration avec les fabricants, peuvent exploiter les données observées en matière de qualité d'énergie pour atteindre l'objectif ultime : optimiser les performances des VFD et UPS.