Règles simples pour résoudre les mystères de la qualité de l’énergie
ABSTRAIT
Le typique Problème de qualité de l'énergie Tout commence par un appel paniqué à l'ingénieur ou au responsable de l'atelier électrique de l'usine, signalant un dysfonctionnement ayant interrompu la production ou provoqué la réinitialisation d'un système informatique. A posteriori, les investigations de type forensique sont probablement la méthode la plus complexe pour remonter à la source d'un problème lié à la qualité de l'énergie. Le respect de quelques règles simples permet aux personnes chargées de ces responsabilités d'atténuer rapidement la plupart de ces problèmes. Cela ne requiert qu'une connaissance de base de l'électricité et de la façon dont les différents paramètres interagissent en présence de variations dues aux charges, aux commutations du réseau et à d'autres facteurs influençant la qualité de l'énergie. Un système de surveillance de la qualité de l'énergie capable de recueillir les informations nécessaires de manière fiable est également indispensable.
ARRIÈRE-PLAN
L'augmentation des problèmes liés à la qualité de l'énergie est évidente avec des incidents aussi visibles que les récentes perturbations des bourses et du système de contrôle du trafic aérien aux États-Unis. Pour ceux qui s’occupent quotidiennement de la qualité de l’énergie, cela n’est pas une surprise. La dépendance accrue à l’égard d’équipements informatiques et autres équipements électroniques ayant une moindre tolérance à divers types de phénomènes de qualité de l’énergie est un facteur important.
Cette susceptibilité accrue est due à plusieurs facteurs, notamment la baisse des niveaux de tension logique, l'augmentation des fréquences d'horloge, l'interconnexion des équipements via des réseaux locaux et l'augmentation du pourcentage de non-Charge linéaireTout aussi important est le processus de restructuration au sein des secteurs industriel, commercial et des services publics d'électricité, qui a dispersé, voire supprimé, les experts en qualité de l'énergie au sein de ces organisations. Il en résulte une augmentation du nombre de problèmes à résoudre pour des personnes moins expérimentées.
Il existe deux approches différentes pour résoudre les problèmes liés à la qualité de l’énergie : la maintenance préventive/prédictive et les enquêtes de type médico-légal. En raison du manque de compréhension et de la charge de travail accrue, les enquêtes après coup semblent encore prédominer, même si elles sont clairement les plus difficiles à résoudre. Les deux approches peuvent utiliser des règles simples qui aideront à résoudre la plupart des problèmes liés à la qualité de l’énergie. Même si les causes les plus complexes nécessiteront probablement la connaissance d’une personne expérimentée, il s’agit heureusement d’une minorité de cas.
Avant d’aborder les règles et procédures simples, un ensemble commun de termes doit être défini. En Amérique du Nord, la source prédominante de ces normes est la pratique recommandée IEEE 1159 sur la surveillance de la qualité de l'énergie [1]. En Europe, la norme EN50160 couplée aux documents UNIPEDE sur les caractéristiques de tension sont de bonnes sources. Bien que les deux soient très utiles, la norme IEEE 1159 propose actuellement un ensemble plus complet de définitions des phénomènes de qualité de l'énergie ; elle sera donc utilisée ici, telle que définie dans l'Annexe A.
APPROCHE DE MAINTENANCE PRÉVENTIVE
La maintenance préventive ou l'approche proactive a été utilisée par de nombreuses entreprises pour éviter des charges financières importantes liées à une perte de productivité. Qu'il s'agisse de surveiller les sorties d'un onduleur hors ligne ou les niveaux d'harmoniques d'un transformateur qui doit être déclassé pour éviter de raccourcir sa durée de vie, cette approche est clairement la méthode préférée. Cependant, il est souvent difficile de le mettre en œuvre, car beaucoup n’en voient les bénéfices qu’après la catastrophe.
La réalisation d'un programme de surveillance de la maintenance préventive implique généralement les étapes suivantes : planifier/préparer, inspecter, surveiller, analyser et mettre en œuvre une solution. Il s’agit souvent d’un processus itératif, car la première solution ne peut atténuer qu’une partie du problème. L’analyse des données est l’une des tâches les plus difficiles pour les personnes les moins expérimentées. De nombreux articles ont été rédigés sur les autres étapes, la discussion suivante se concentrera donc sur l'étape d'analyse. Le programme de maintenance préventive suivant se concentre sur les conditions d'état stable, bien que de nombreuses règles s'appliquent également aux conditions intermittentes.
On suppose qu’un moniteur de qualité d’énergie capable d’effectuer une enquête précise est utilisé. Pour ce faire, le moniteur doit avoir la capacité de capturer simultanément les variations RMS cycle par cycle, les transitoires jusqu'au niveau de la microseconde et la distorsion harmonique au moins jusqu'au quatrième dixième. Les entrées de tension de mesure doivent être des entrées différentielles à haute impédance qui peuvent être utilisées dans des circuits en étoile et en triangle sans supposer des conditions équilibrées.
Les transformateurs de courant doivent avoir une bande passante adéquate pour capturer les formes d'onde en régime permanent et transitoire. Ce n'est souvent pas le cas lorsque les TC sont fixés au secondaire des transformateurs de courant de mesure. Aujourd'hui, les transitoires de tension sont souvent limités par des dispositifs de suppression de surtension. La détection fiable des transitoires passe donc par le déclenchement et la surveillance des transitoires de courant.
La période de surveillance devrait durer au moins un cycle économique. Un « cycle économique » correspond au temps nécessaire à l'installation pour répéter le modèle de fonctionnement. Dans les sites industriels où fonctionnent trois équipes identiques, sept jours par semaine, la surveillance peut ne prendre que huit heures. La plupart des établissements constateront qu'un cycle économique dure une semaine. Il peut être nécessaire de répéter l'enquête plusieurs fois par an en raison des changements saisonniers, tels que l'augmentation de l'ESD pendant les mois d'hiver dans les climats plus froids. Une surveillance doit également être effectuée à différents endroits de l'installation. En règle générale, l'enquête commence au point de couplage commun (PCC), qui est l'endroit où le service public d'électricité rencontre le service du bâtiment. Ensuite, la surveillance est effectuée au niveau des panneaux de distribution à chaque étage, suivis des prises à la fin de chaque circuit de dérivation. Les données relatives aux charges critiques de l'installation doivent également être incluses. Même si cela peut sembler beaucoup de données, disposer de cette base de référence et de ce profil de l'installation sera extrêmement utile lorsque de futures perturbations se produiront.
Une fois les données collectées, elles sont généralement transférées vers des ordinateurs de bureau ou portables pour analyse à l’aide de logiciels PC. Les limites des valeurs acceptables peuvent être trouvées dans des publications telles que la FIPS PUB 94 – Guideline on Electrical Power for ADP Installations, présentée à l'Annexe B. Les agences de sécurité locales ou les spécifications du fabricant de l'équipement doivent être respectées, surtout si elles sont plus restrictives.
L’effet d’un dépassement de ces limites dépend de la sensibilité de l’équipement, de la « rigidité » du système électrique et des autres facteurs présents en même temps. Ce ne sont pas des limites absolues, mais plutôt des références pour poser des questions. Il est recommandé que la tension neutre-terre dans un système monophasé de 120 V soit comprise entre 0,5 et 3 Vrms. [2] Si la tension est proche de zéro volt, la présence d'une liaison neutre-terre illégale doit être suspectée. Si la tension est très élevée, il convient de rechercher l'absence d'une connexion neutre ou à la terre fiable.
La présence d'une modulation (ou fluctuation) de tension peut entraîner un léger scintillement, en fonction de la fréquence de la modulation. Selon la norme EN60868, une variation inférieure à 1 % à 9 Hz avec un éclairage à incandescence peut être perceptible.[3] Dans NEMA MG-1 et IEEE Std 112, ils recommandent un déclassement de 10 % d'un moteur électrique avec seulement un déséquilibre de tension de 3 % [4,5]. Avec la prolifération de charges non linéaires, telles que les PC et les imprimantes, placées dans les installations souvent sans tenir compte du maintien d'une charge équilibrée, un déséquilibre de tension de 3 % n'est pas rare.
L'analyse de plusieurs autres paramètres est utile. Il convient d'examiner la distorsion harmonique du courant et de la tension. Les normes IEEE 519 (Recommandations relatives aux harmoniques dans les systèmes électriques) et IEC 1000-4-7 doivent être consultées pour connaître les limites spécifiées pour les amplitudes harmoniques individuelles et la valeur de distorsion harmonique totale. La distorsion harmonique est-elle suffisamment importante pour justifier une réduction de puissance des transformateurs et autres dispositifs inductifs ?
Un examen du spectre harmonique d'une FFT ou d'une DFT peut donner des indices sur le type d'équipement qui fonctionne sur le circuit et sur son fonctionnement correct. Par exemple, s’il y a un pourcentage élevé d’harmoniques paires, cela suggérerait la présence d’un redressement demi-onde. Si l’équipement du circuit l’utilise, cela peut être une valeur acceptable. Cependant, si l'équipement ne dispose que de redresseurs double alternance dans les alimentations, cela peut indiquer qu'une partie du circuit en pont semi-conducteur ne fonctionne pas correctement.
Les harmoniques des convertisseurs multipolaires apparaissent généralement sous forme de paires d'harmoniques, h=p*n+/-1, où h est le numéro d'harmonique, p le nombre de pôles et n est un nombre entier à partir de un. Par exemple, un convertisseur à six pôles (pont redresseur triphasé pleine onde) aurait des harmoniques aux 5ème et 7ème, 11ème et 13ème, 17ème et 19ème, et ainsi de suite.
Deux autres paramètres à prendre en compte sont l'impédance de la source et de la charge. L'impédance de la source est considérée comme l'impédance équivalente de toutes les impédances du câblage et du transformateur (plus toutes les charges) tournées vers la source. L'impédance de charge est définie ici comme l'impédance équivalente de toutes les charges et circuits éloignés de la source.
Une approximation raisonnable de ces valeurs peut être dérivée en utilisant les formules présentées dans la norme IEEE Std 1100, Pratiques recommandées pour la mise à la terre et l'alimentation des équipements électroniques sensibles, également connue sous le nom de Livre d'Émeraude [6]. Basé sur la loi d'Ohm, qui stipule que tension = courant * impédance, l'impédance de charge est égale à V ligne-neutre divisé par I ligne-neutre. Bien que la valeur ne soit pas une valeur exacte à moins que des signaux provenant de l'ensemble du spectre de fréquences soient présents, elle est utile pour déterminer l'effet de l'activation et de la désactivation des charges.
De même, l'impédance de la source est une approximation obtenue en prenant la différence entre deux tensions à des instants différents et en divisant cette valeur par la différence entre deux courants en même temps, ou (V1-V2)/(I1-I2). Cela donnera une valeur utile pour déterminer la « rigidité » de la source. Il peut également être utilisé pour calculer la gravité d’un affaissement lorsque diverses charges sont activées. Par exemple, si l'impédance de la source est de 1 ohm sur un circuit de 120 Vrms avec une charge normale de 10 A, la commutation d'une charge ayant une impédance de 11 ohms entraînera un affaissement jusqu'à 100 V. Les valeurs d'impédance de la source supérieures à un ohm doivent être étudiées.
Si l'analyseur de qualité d'énergie utilisé enregistre les amplitudes harmoniques et les angles de phase au fil du temps dans diverses conditions de charge, les impédances harmoniques peuvent également être calculées. Cela peut être utile pour identifier les résonances potentielles avec les impédances du système, telles que les condensateurs de correction du facteur de puissance.
Pendant la période de surveillance de la maintenance préventive, il est également possible d'obtenir des données sur la fréquence d'apparition de phénomènes de qualité d'énergie qui ne sont pas des conditions stables, tels que les creux, les pointes, les transitoires et les interruptions. Ces données peuvent être soit comparées directement aux spécifications de sensibilité si elles sont fournies par le fabricant de l'équipement, soit comparées statistiquement aux différents résultats d'enquêtes publiés ces dernières années. La manière d’analyser la cause de la perturbation sera abordée dans la section suivante.
En Amérique du Nord, il existe trois études récentes qui sont utiles pour comparer avec ce qui est considéré comme « normal », en ce qui concerne la fréquence des différents types de phénomènes de qualité de l’énergie. L'enquête du National Power Laboratories (NPL) a été réalisée au point d'utilisation, l'étude de l'Association canadienne de l'électricité (CEA) a été réalisée au point de couplage commun et l'enquête de l'Electric Power Research Institute (EPRI) a été réalisée. aux niveaux de tension de distribution. [7] La plupart des pays européens ont également réalisé de telles enquêtes, comme l'étude Enel en Italie, l'étude East Midlands en Angleterre et l'étude IQF en France.
En résumé, le programme de maintenance préventive peut identifier les paramètres susceptibles d'entraîner une dégradation du système à long terme ou de rendre le système vulnérable aux phénomènes de qualité de l'énergie, tels qu'une faible tension nominale de ligne qui peut être corrigée en changeant la prise du transformateur. Avec de nombreux moniteurs de qualité d'énergie et logiciels disponibles sur le marché aujourd'hui, un tel programme ne nécessite pas beaucoup de temps ni d'efforts de la part de l'utilisateur.
RÉSUMÉ
L'utilisation d'un moniteur de qualité de l'énergie pour effectuer des enquêtes de maintenance préventive et/ou des enquêtes après coup nécessite la connaissance des lois d'Ohm et de Kirchoff. Les données recueillies lors de l'enquête sont comparées à des limites acceptables afin de déterminer quels paramètres pourraient affecter le bon fonctionnement de l'équipement. Pour l'enquête médico-légale, la direction des phénomènes de qualité de l'énergie est déterminée en premier lieu (source ou charge générée). Ensuite, en analysant les caractéristiques des formes d'onde de tension et de courant et en les comparant à celles produites par différents types de charges ou de fonctionnement du système, la source peut dans de nombreux cas être rapidement localisée.