Perturbations et CEM liées aux variateurs

Prérequis

Connaissance des principes fondamentaux de l'électricité, des composants électroniques de puissance et des bases de la compatibilité électromagnétique. Familiarité avec le fonctionnement général des moteurs asynchrones et des variateurs de fréquence.

Explication théorique

INTRODUCTION AUX VARIATEURS ET CEM : Les variateurs de vitesse (VSD - Variable Speed Drives ou VFD - Variable Frequency Drives) sont des dispositifs électroniques de puissance qui permettent de contrôler la vitesse et le couple des moteurs électriques, généralement des moteurs asynchrones triphasés. Ils sont omniprésents dans l'industrie pour leur efficacité énergétique et leur capacité à optimiser les processus. Cependant, leur principe de fonctionnement basé sur la commutation rapide de semi-conducteurs (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) est une source majeure de perturbations électromagnétiques (PEM). PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT ET SOURCES DE PERTURBATIONS : Un variateur typique est composé de trois étages principaux : un redresseur (généralement à diodes), un circuit intermédiaire (bus DC) et un onduleur (à IGBT). Le redresseur convertit le courant alternatif du réseau en courant continu. Le bus DC lisse cette tension continue. L'onduleur reconvertit cette tension continue en tension alternative de fréquence et amplitude variables, via la modulation de largeur d'impulsion (PWM - Pulse Width Modulation). Les commutations rapides des IGBT génèrent des harmoniques de courant et de tension à haute fréquence, ainsi que des di/dt et dv/dt élevés. Ces phénomènes sont les principales sources de perturbations. TYPES DE PERTURBATIONS ÉLECTROMAGNÉTIQUES : - HARMONIQUES DE COURANT ET DE TENSION : Le redresseur non linéaire absorbe un courant non sinusoïdal du réseau, générant des harmoniques de courant. Ces harmoniques provoquent des chutes de tension harmoniques dans l'impédance du réseau, déformant la tension d'alimentation. Les harmoniques peuvent entraîner une surchauffe des transformateurs, des câbles, des moteurs, des condensateurs de correction du facteur de puissance, et des déclenchements intempestifs des protections. - BRUITS CONDUITS (CM ET DM) : Les commutations des IGBT génèrent des bruits en mode commun (CM - Common Mode) et en mode différentiel (DM - Differential Mode). Le bruit en mode commun est un courant circulant dans la même direction dans tous les conducteurs d'un câble par rapport à la terre, souvent à très haute fréquence (MHz). Il est principalement causé par les capacités parasites des IGBT par rapport au radiateur et par le couplage capacitif entre les enroulements du moteur et la carcasse. Le bruit en mode différentiel circule dans des directions opposées dans les conducteurs (ex: phase vers neutre) et est lié directement aux fronts de tension et de courant. - BRUITS RAYONNÉS : Les câbles du moteur, agissant comme des antennes, peuvent rayonner les perturbations à haute fréquence générées par l'onduleur. Ces bruits rayonnés peuvent affecter des équipements sensibles situés à proximité, tels que les systèmes de communication, de contrôle ou de mesure. - SURTENSIONS ET SURCOURANTS : Les dv/dt et di/dt très élevés générés par les commutations rapides peuvent provoquer des surtensions aux bornes du moteur dues aux phénomènes d'onde réfléchie dans le câble long (effet de ligne de transmission). Ces surtensions peuvent endommager l'isolation du moteur et réduire sa durée de vie. IMPACTS DES PERTURBATIONS : Les perturbations CEM peuvent avoir de nombreux effets indésirables : dysfonctionnement ou arrêt d'équipements électroniques sensibles, erreurs de communication de données, vieillissement prématuré des équipements électriques (moteurs, transformateurs), surchauffe, déclenchements intempestifs de disjoncteurs, et interférences radioélectriques. SOLUTIONS ET ATTÉNUATION : - FILTRES : Des filtres passifs (bobines de ligne, filtres LC, filtres d'harmoniques) ou actifs peuvent être utilisés pour réduire les harmoniques de courant à l'entrée du variateur. Des filtres CEM (filtres RFI/EMC) sont installés à l'entrée du variateur pour atténuer les bruits conduits. Des filtres dv/dt ou des selfs de sortie moteur peuvent être utilisés pour limiter les surtensions aux bornes du moteur et les courants de mode commun. - CÂBLAGE : Utiliser des câbles blindés pour la liaison moteur-variateur est essentiel pour limiter le rayonnement et le couplage capacitif. Le blindage doit être raccordé à la terre aux deux extrémités (variateur et moteur) avec une continuité à haute fréquence. Séparer les câbles de puissance des câbles de commande et de communication est également primordial. - MISE À LA TERRE : Une mise à la terre de qualité, avec des connexions à faible impédance, est fondamentale pour drainer efficacement les courants de mode commun et assurer la sécurité des personnes et des équipements. - BLINDAGE : L'utilisation d'enceintes métalliques blindées pour les équipements sensibles ou l'installation des variateurs dans des armoires métalliques bien conçues aide à contenir les champs électromagnétiques. - CHOIX DU MATÉRIEL : Opter pour des variateurs intégrant des filtres CEM ou des technologies de réduction d'harmoniques (ex: redresseurs à faible harmonique, variateurs multi-niveaux) peut simplifier l'installation.

Formules

• THD_I = \frac{\sqrt{\sum_{n=2}^{\infty} I_n^2}}{I_1}

  Taux de Distorsion Harmonique du courant (THD_I), où I_n est la valeur efficace de la composante harmonique de rang n et I_1 est la valeur efficace de la composante fondamentale.

• THD_U = \frac{\sqrt{\sum_{n=2}^{\infty} U_n^2}}{U_1}

  Taux de Distorsion Harmonique de la tension (THD_U), où U_n est la valeur efficace de la composante harmonique de rang n et U_1 est la valeur efficace de la composante fondamentale.

• P_pertes = R \cdot I^2

  Pertes par effet Joule dans un conducteur ou un équipement, où R est la résistance et I le courant. Les harmoniques augmentent le courant efficace total, donc les pertes.

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE NUMÉRIQUE : CALCUL DE L'AUGMENTATION DES PERTES DANS UN CÂBLE DUE AUX HARMONIQUES Hypothèses : - Un variateur de vitesse alimente un moteur. - Le courant fondamental (50 Hz) absorbé par le variateur est I_1 = 100 A. - Le redresseur du variateur génère des harmoniques de courant qui se superposent au fondamental. Pour simplifier, nous considérons uniquement la 5ème et la 7ème harmonique, qui sont souvent significatives. - Courant de la 5ème harmonique : I_5 = 20 A. - Courant de la 7ème harmonique : I_7 = 15 A. - La résistance d'une phase du câble d'alimentation du variateur est R = 0.05 Ω. Calcul du courant efficace total (RMS) avec harmoniques : Le courant efficace total I_RMS est donné par la racine carrée de la somme des carrés des courants de chaque harmonique : I_RMS = \sqrt{I_1^2 + I_5^2 + I_7^2} I_RMS = \sqrt{(100 A)^2 + (20 A)^2 + (15 A)^2} I_RMS = \sqrt{10000 + 400 + 225} I_RMS = \sqrt{10625} I_RMS \approx 103.07 A Calcul des pertes par effet Joule dans une phase du câble : - Pertes sans harmoniques (courant fondamental uniquement) : P_fondamentale = R \cdot I_1^2 = 0.05 \cdot (100)^2 = 0.05 \cdot 10000 = 500 W - Pertes avec harmoniques (courant efficace total) : P_totales = R \cdot I_RMS^2 = 0.05 \cdot (103.07)^2 = 0.05 \cdot 10623.4249 \approx 531.17 W Augmentation des pertes : Augmentation = P_totales - P_fondamentale = 531.17 W - 500 W = 31.17 W Pourcentage d'augmentation = (31.17 / 500) * 100 = 6.234 % Conclusion de l'exemple : Malgré un courant efficace total (103.07 A) n'étant que légèrement supérieur au courant fondamental (100 A), les pertes Joule dans le câble augmentent de plus de 6%. Cette augmentation, même si elle semble modeste pour un seul câble, peut entraîner une surchauffe significative des conducteurs, des transformateurs et des équipements en amont sur l'ensemble d'une installation industrielle où de nombreux variateurs sont présents. À long terme, cela réduit la durée de vie des équipements et augmente les coûts énergétiques. APPLICATION INDUSTRIELLE CONCRÈTE : Dans une usine de production agroalimentaire, plusieurs centaines de variateurs de vitesse sont utilisés pour contrôler des convoyeurs, des pompes et des ventilateurs. Sans une gestion adéquate des perturbations CEM, l'usine pourrait rencontrer les problèmes suivants : 1. Dysfonctionnements des capteurs de température, de pression et de niveau qui sont essentiels pour la qualité du produit et la sécurité. 2. Erreurs de communication sur les bus de terrain (Profibus, Ethernet/IP) reliant les automates (PLC) aux E/S déportées et aux interfaces homme-machine (IHM), entraînant des arrêts de production inexpliqués. 3. Vieillissement accéléré de l'isolation des moteurs et des transformateurs en raison des harmoniques de tension et des surtensions dv/dt. 4. Déclenchements intempestifs de disjoncteurs ou de relais thermiques, causant des arrêts de ligne coûteux. 5. Interférences avec les systèmes de radio-communication internes utilisés pour la logistique ou la maintenance. Pour prévenir ces problèmes, l'industriel met en place une stratégie CEM robuste incluant : - L'installation systématique de filtres CEM d'entrée sur chaque variateur. - L'utilisation de câbles blindés pour toutes les liaisons moteur-variateur, avec un raccordement du blindage à 360° aux entrées/sorties du variateur et au bornier moteur. - La mise en œuvre d'un plan de masse et de terre de haute qualité, avec des boucles de terre minimisées. - La séparation physique et l'acheminement dans des chemins de câble distincts pour les câbles de puissance et les câbles de commande/communication. - L'ajout de selfs dv/dt en sortie de variateur pour les moteurs éloignés, protégeant ainsi leur isolation. Cette approche proactive permet de maintenir la fiabilité des équipements, d'assurer la qualité de la production et de respecter les normes CEM applicables (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable).

Méthode de mesure

1. IDENTIFICATION DU POINT DE MESURE : Déterminer si la mesure concerne le côté réseau du variateur (pour les harmoniques) ou le côté moteur (pour les surtensions dv/dt et les courants de mode commun). 2. PRÉPARATION DE L'ÉQUIPEMENT : S'assurer que le variateur est en fonctionnement stable et représentatif de son régime nominal. Choisir des points d'accès sécurisés et adaptés pour les sondes. 3. MESURE DES HARMONIQUES DE COURANT ET DE TENSION (côté réseau) : a. Utiliser une pince ampèremétrique à effet Hall (pour le courant) et des sondes différentielles de tension (pour la tension) connectées à un analyseur de qualité de l'énergie ou un analyseur de spectre. b. Mesurer le courant et la tension sur chaque phase. c. L'analyseur calculera automatiquement le THD_I et THD_U ainsi que les valeurs de chaque harmonique. 4. MESURE DES SURTENSIONS DV/DT (côté moteur) : a. Utiliser des sondes différentielles haute tension avec une bande passante élevée (plusieurs dizaines de MHz) connectées à un oscilloscope numérique rapide. b. Mesurer la tension entre phase et phase, et entre phase et terre aux bornes du moteur. c. Analyser les fronts de montée/descente pour évaluer les dv/dt et les pics de surtension. 5. MESURE DES COURANTS DE MODE COMMUN (côté moteur) : a. Utiliser une pince ampèremétrique à haute fréquence (bande passante jusqu'à plusieurs MHz) ou une sonde de courant mode commun (rogowski ou toroïde) autour de tous les conducteurs de phase et de terre du câble moteur. b. Connecter la sonde à un oscilloscope ou un analyseur de spectre pour visualiser et quantifier les courants haute fréquence. 6. MESURE DES BRUITS RAYONNÉS (autour du variateur et du câble moteur) : a. Utiliser des antennes de mesure (biconique, log-périodique, double conique) connectées à un analyseur de spectre dans une chambre anéchoïque ou un site de mesure extérieur si possible. b. Effectuer des balayages de fréquence sur les plages spécifiées par les normes de CEM (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). 7. ANALYSE ET INTERPRÉTATION : Comparer les résultats aux limites établies par les normes de CEM applicables (ex: IEC 61000-3-2, IEC 61000-3-12 pour les harmoniques, IEC 61000-6-4 pour l'émission industrielle).

Instruments nécessaires

- Analyseur de qualité de l'énergie (Power Quality Analyzer) - Oscilloscope numérique haute bande passante (ex: >200 MHz) - Pince ampèremétrique à effet Hall (pour mesures harmoniques) - Pince ampèremétrique haute fréquence ou sonde de courant mode commun (pour MHz) - Sondes différentielles haute tension (pour mesures dv/dt et tension) - Sondes de tension passives pour oscilloscope (pour visualisations générales) - Analyseur de spectre (pour bruits rayonnés ou fréquences spécifiques) - Antennes de mesure CEM (si mesure du rayonnement) - Équipement de sécurité électrique (testeurs d'isolement, multimètres TRMS)

Procédure de contrôle

1. Vérifier la conformité du câblage (blindage, séparation) selon les recommandations du fabricant du variateur et les normes d'installation. 2. Mesurer les harmoniques de courant et de tension à l'entrée du variateur et sur le réseau pour s'assurer qu'elles sont dans les limites acceptables (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). 3. Mesurer les surtensions dv/dt et les courants de mode commun aux bornes du moteur et s'assurer qu'ils sont compatibles avec l'isolation du moteur et les spécifications CEM du variateur. 4. S'assurer de la qualité de la mise à la terre des équipements et du blindage des câbles. 5. Examiner l'environnement électromagnétique autour de l'installation pour détecter d'éventuelles interférences avec d'autres équipements.

Symptômes de panne

- Dysfonctionnements intermittents ou erreurs de communication sur les systèmes de contrôle (PLC, DCS). - Déclenchements intempestifs de disjoncteurs, de protections différentielles ou de relais thermiques sans surcharge apparente. - Surchauffe anormale de transformateurs, de câbles ou de moteurs. - Bruits parasites sur les équipements audio/vidéo ou les systèmes de communication sans fil à proximité. - Réduction de la durée de vie des équipements (condensateurs, moteurs, transformateurs). - Problèmes de démarrage ou de fonctionnement irrégulier d'autres équipements électriques sensibles.

Causes probables

- Absence ou défaillance de filtres CEM (filtres d'entrée, filtres dv/dt, selfs de sortie). - Mauvais raccordement du blindage des câbles moteur (raccordement unilatéral ou absence de blindage). - Câbles de puissance et de commande/communication acheminés dans le même chemin de câble. - Mise à la terre insuffisante ou mal réalisée (impédance trop élevée, boucles de terre). - Variateur sous-dimensionné ou inadapté à l'environnement électromagnétique. - Moteur non CEM (isolation inadéquate pour les forts dv/dt des variateurs). - Longueur excessive de câble moteur sans adaptation (filtre ou self). - Présence d'autres sources de perturbations non gérées dans l'environnement.

Erreurs fréquentes

- Négliger l'importance du blindage des câbles moteur et son raccordement correct à 360°. - Ignorer les recommandations du fabricant du variateur concernant le câblage et l'installation des filtres. - Utiliser des câbles non blindés ou des câbles de section trop faible pour les liaisons variateur-moteur. - Confondre la protection contre les surintensités avec la protection CEM. - Ne pas séparer les circuits de puissance des circuits de commande et de communication. - Considérer la mise à la terre uniquement sous l'angle de la sécurité des personnes, sans prendre en compte la nécessité d'une mise à la terre à faible impédance pour les hautes fréquences. - Ne pas effectuer de mesures CEM préventives ou correctives lors de la mise en service ou de l'apparition de symptômes.

Précautions de sécurité

- CONSIGNATION : Toujours consigner l'installation électrique (mise hors tension, vérification d'absence de tension, mise à la terre et en court-circuit si nécessaire) avant toute intervention physique sur les variateurs ou les câbles. - ÉQUIPEMENTS DE PROTECTION INDIVIDUELLE (EPI) : Porter les EPI appropriés (gants isolants, lunettes de protection, vêtements de travail ignifugés, chaussures de sécurité) lors des interventions sur des installations sous tension ou potentiellement dangereuses. - HABILITATION ÉLECTRIQUE : Seuls les personnels habilités selon les normes en vigueur (À vérifier selon le pays et l'édition applicable) sont autorisés à intervenir sur les équipements électriques sous tension ou hors tension. - RISQUE ARC ÉLECTRIQUE : Être conscient du risque d'arc électrique lors de travaux sur les tableaux et appareillages de puissance. Utiliser des outils isolés et des procédures de travail sécurisées. - DÉCHARGE DES CONDENSATEURS : Attendre le temps nécessaire à la décharge des condensateurs du bus DC du variateur après la coupure de l'alimentation, car ils peuvent maintenir une tension dangereuse pendant plusieurs minutes. - FORMATION : Assurer une formation continue du personnel sur les risques électriques et les bonnes pratiques de sécurité.

Références

• Norme IEC 61000-3-2 (Limites pour les émissions de courants harmoniques - Équipements <= 16 A par phase) — référence à vérifier
• Norme IEC 61000-3-12 (Limites pour les émissions de courants harmoniques - Équipements > 16 A et <= 75 A par phase) — référence à vérifier
• Norme IEC 61000-6-4 (Norme d'émission pour les environnements industriels) — référence à vérifier
• Guide d'installation CEM du fabricant du variateur (spécifique à chaque modèle) — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Pourquoi les variateurs de vitesse génèrent-ils des perturbations ?

  Les variateurs utilisent la modulation de largeur d'impulsion (PWM) avec des commutations rapides de semi-conducteurs de puissance (IGBT) pour contrôler le moteur. Ces commutations génèrent des fronts de tension et de courant très raides (dv/dt et di/dt élevés) qui sont la source des harmoniques et des bruits haute fréquence (mode commun et différentiel).

• Quelle est la différence entre les bruits en mode commun et en mode différentiel ?

  Les bruits en mode différentiel circulent entre les conducteurs (par exemple, phase et phase, ou phase et neutre) dans des directions opposées, comme le courant utile. Les bruits en mode commun circulent dans la même direction dans tous les conducteurs de puissance du câble par rapport à la terre, souvent à très haute fréquence et sont une cause majeure de perturbations rayonnées et de dysfonctionnements des capteurs.

• Comment puis-je réduire les perturbations à la source ?

  Les principales méthodes incluent l'utilisation de filtres CEM à l'entrée du variateur, de selfs de ligne, de redresseurs actifs ou multi-niveaux pour les harmoniques, et de filtres dv/dt ou selfs de sortie moteur pour les surtensions et les courants de mode commun. Un câblage blindé et une mise à la terre adéquate sont également cruciaux.

• Les câbles blindés sont-ils toujours nécessaires pour les liaisons variateur-moteur ?

  Oui, l'utilisation de câbles blindés est fortement recommandée pour limiter le rayonnement des perturbations haute fréquence et les couplages capacitifs entre le câble et son environnement. Le blindage doit être raccordé des deux côtés (variateur et moteur) avec une faible impédance à haute fréquence.