Scintillement et qualité de l'alimentation

Ce blog aborde le sujet du flicker, qui peut être vu comme une question de qualité d'alimentation ou de compatibilité électromagnétique (CEM) selon votre point de vue. Nous examinerons si les variateurs de vitesse peuvent provoquer un scintillement et également où ils peuvent aider à résoudre un problème de scintillement.

Le « scintillement » fait référence à l'effet sur l'éclairage électrique lorsque la tension d'alimentation varie rapidement. Il peut s'agir d'un creux ou d'un flash occasionnel lorsqu'une charge importante est connectée ou déconnectée soudainement, jusqu'à un scintillement rapide irritant si la tension est modulée à une fréquence dans la plage où l'œil et le cerveau humains sont particulièrement sensibles, ce qui est environ 0,5 Hz à 20 Hz.

Le scintillement est parfois confondu avec les harmoniques et d'autres problèmes de qualité de l'alimentation. Les harmoniques sont par définition à des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence d'alimentation, et elles sont beaucoup trop élevées pour que l'œil réagisse. Cependant, le scintillement et la tension harmonique sont causés par des courants de charge affectant la tension en raison de l'impédance de la source d'alimentation, donc dans les endroits où l'impédance d'alimentation est élevée, en raison d'une longue ligne d'alimentation ou d'un autre facteur, des problèmes de tension harmonique et de scintillement peuvent se produisent ensemble.

La figure 1 montre une forme d'onde exagérée avec un scintillement simulé à un cinquième de la fréquence d'alimentation. En revanche, la figure 2 montre une cinquième harmonique simulée. Dans la figure 2, chaque cycle est déformé mais a la même forme, donc aucun scintillement ne se produit.

Les fournisseurs d'électricité doivent s'assurer que la qualité de leur alimentation est adaptée à l'usage prévu et ils ont des directives concernant le scintillement. Généralement, ils n'effectuent des mesures qu'en cas de réclamation, il y a rarement des tests de routine des installations, sauf pour certains systèmes spéciaux tels que les éoliennes.

Les produits électriques qui sont fabriqués en grand nombre peuvent devoir répondre aux normes de produit en matière de scintillement. La norme de produit internationale la plus connue est la CEI 61000-3-3, ou pour l'Europe EN 61000-3-3, qui donne des tests et des limites pour les produits jusqu'à 16 A par phase. Dans l'Union européenne, cette norme est harmonisée dans le cadre de la directive CEM, de sorte que les équipements entrant dans son champ d'application doivent généralement s'y conformer afin de porter le marquage CE et d'être mis sur le marché dans l'UE. Pour un courant nominal jusqu'à 75 A, la norme CEI 61000-3-11 s'applique. Les normes ont des limites strictes dans la plage de fréquence de répétition sensible de 0,5 Hz à 20 Hz, mais aucune limite au-dessus de 25 Hz.

Les normes de scintillement exigent toutes une mesure et une évaluation qui tiennent compte du comportement dynamique des lumières électriques et de la sensibilité de l'œil et du cerveau humains. Les courbes de scintillement (voir plus loin) sont basées sur des ampoules à filament de tungstène. Ceux-ci sont plutôt sensibles à la tension en raison de la relation quadratique de la tension et de la puissance. D'autre part, la masse thermique signifie qu'ils ont tendance à lisser les fluctuations rapides. Bien sûr, les ampoules à filament deviennent rares maintenant. Les lampes fluorescentes ont une caractéristique différente avec moins d'effet de lissage. Les lampes à LED ont souvent un régulateur afin qu'elles ne soient pas affectées par la tension, sauf lorsqu'elles sont conçues pour être utilisées avec un gradateur. Les normes pourraient être mises à jour à l'avenir pour refléter le comportement des lampes modernes, mais le coût des changements liés au remplacement des équipements de test et aux nouveaux tests des produits n'est pas le bienvenu. Il est probable que les limites basées sur les ampoules à incandescence seront avec nous pendant quelques années à venir.

Interharmoniques

Les interharmoniques sont des fréquences indésirables qui ne sont pas des multiples entiers de la fréquence d'alimentation, elles se situent donc entre les harmoniques du spectre. S'ils sont proches d'une harmonique vraie, ils peuvent entraîner une modulation apparente de la tension d'alimentation. Dans une charge résistive simple comme une lampe à incandescence, ils ne provoquent pas de scintillement car leur fréquence est élevée et la lampe n'est sensible qu'à la moyenne mobile de la valeur efficace. Tension. Cependant, un redresseur ou une autre charge non linéaire peut générer des fréquences de somme et de différence qui peuvent inclure des basses fréquences si l'interharmonique est proche d'un multiple entier de la fréquence d'alimentation. La figure 3 montre un exemple où l'interharmonique est d'ordre 5,2. L'amplitude de crête est visiblement modulée, mais la valeur efficace. tension n'est pas, et cela ne sera pas mesuré comme un scintillement. Ce type de forme d'onde peut se produire avec des entraînements régénératifs ou d'autres contrôleurs de puissance active où la fréquence de commutation n'est pas verrouillée en phase avec l'alimentation.

Causes du scintillement

Le scintillement est toujours provoqué par une variation de courant prélevé sur l'alimentation, entraînant une variation de tension d'alimentation qui affecte alors d'autres charges dont l'éclairage. Il existe de nombreuses sources possibles, la liste ci-dessous montre certaines des plus courantes.

Événements uniques :

1. Démarrage des moteurs directement en ligne. C'est de loin la cause la plus fréquente de creux de tension uniques. Un moteur à induction consomme entre 3 et 5 fois son courant nominal au démarrage, et l'effet sur la tension est aggravé par le fait que le courant de démarrage est en retard sur la tension en phase de sorte que la chute de tension dans l'impédance d'alimentation, qui est généralement principalement inductive , est plus grand que pour une charge résistive.
2. Démarrage de gros appareils électroniques tels que des variateurs, avec un courant d'appel de charge de condensateur
3. Démarrage de grands transformateurs avec courant d'appel magnétisant
4. Démarrage de compresseurs ou de pompes avec contre-pression, provoquant un couple de démarrage élevé

Événements aléatoires fréquents :

1. Fours à arc
2. Soudeurs à l'arc
3. Machines soumises à de fréquents pics de charge importants, par ex. mélangeurs, presses etc.

Événements périodiques ou quasi périodiques :

1. Soudeuses par points automatiques
2. Pompes ou compresseurs alternatifs, ou charges pulsées similaires.
3. Thermostats ou autres contrôleurs qui fonctionnent en commutant la charge, en particulier avec des interrupteurs à semi-conducteurs qui peuvent fonctionner fréquemment.
4. Contrôleurs à thyristors ou triacs à impulsions

L'effet des variateurs de vitesse sur le scintillement

Le lecteur lui-même

La seule façon dont un variateur peut provoquer un scintillement en lui-même est par le biais du courant d'appel de charge du condensateur lorsque l'alimentation est appliquée. Les variateurs Control Techniques sont conçus pour que le courant d'appel ne dépasse pas le courant d'entrée nominal, de sorte que la chute de tension ne dépasse pas celle causée par un fonctionnement normal à la puissance nominale.

Le système de contrôle

Si le variateur se trouve dans un système qui amène le variateur à générer une puissance de sortie fluctuante rapidement, cela peut provoquer un scintillement. Cela peut être dû à un fonctionnement périodique programmé ou à une stabilité marginale dans une boucle de contrôle de rétroaction. Tout système de contrôle doit être évalué pour s'assurer qu'il ne causera pas de scintillement excessif.

Dans une machine à axes multiples et à mouvements périodiques rapides, il peut être possible d'agencer la commande de manière à ce que les pics de puissance se produisent séquentiellement. Cela pourrait multiplier la fréquence de scintillement par le nombre d'axes, ce qui, s'il dépasse 25 Hz, pourrait éliminer le problème.

La charge

Démarrage du moteur

Le variateur élimine complètement la chute de tension soudaine causée par le démarrage du moteur. Non seulement la fréquence et la tension du moteur augmentent de manière contrôlée afin que le courant du moteur soit limité, mais également le courant d'entrée du variateur est proportionnel à la puissance de sortie, et non au courant de sortie, de sorte que le courant d'entrée augmente uniquement lorsque le moteur la vitesse augmente. Il existe des applications où un variateur vaut la peine uniquement pour son avantage de démarrer sans provoquer de chute de tension excessive, si l'alternative serait un renforcement coûteux du système d'alimentation.

Charges pulsées telles que les pompes à piston

Le variateur a une énergie stockée très limitée dans son condensateur de liaison CC, pas assez pour lisser un cycle de scintillement, donc si la puissance de charge fluctue, le courant d'entrée du variateur fluctue de la même manière. À moins que des mesures spéciales ne soient prises, le variateur ne compensera pas une charge fluctuante.

Habituellement, le lecteur ne fait simplement aucune différence dans le niveau de scintillement causé par une charge pulsée, mais il est possible qu'un lecteur empire cet effet :

• Tout d'abord, en réduisant la vitesse, cela peut faire descendre la fréquence de pulsation en dessous du point critique de 25 Hz où le scintillement devient perceptible.
• Deuxièmement, si le système d'entraînement est configuré pour donner un contrôle de vitesse proche avec un couple de charge pulsé, il peut alors améliorer la fluctuation de puissance, car il empêche le moteur de ralentir et d'accélérer dans le cycle de couple. Cela réduit le bénéfice de l'énergie stockée dans l'inertie de la machine, y compris le volant d'inertie s'il en est équipé. À moins qu'il n'y ait une raison très particulière de contrôler étroitement la vitesse dans le cycle de couple, il est déconseillé d'utiliser une régulation de vitesse en boucle fermée ou une compensation de glissement avec une charge pulsée. Il est en effet préférable de faire varier la vitesse avec le couple afin de profiter de l'énergie mécanique emmagasinée.

Si un contrôle de vitesse en boucle fermée doit être utilisé, il est préférable d'implémenter un contrôleur à prédominance intégrale avec un faible gain. De cette façon, la vitesse moyenne est contrôlée avec précision, mais le contrôleur ne résiste pas à la variation périodique naturelle dans un cycle provoquée par le glissement du moteur à induction. Cette suggestion semble contre-intuitive, car nous avons tendance à penser qu'un variateur de vitesse offre un contrôle de vitesse rapide et précis, mais en fait, un contrôle à action rapide réduit l'avantage du volant ou d'une autre inertie dans le stockage de l'énergie.

La discussion ci-dessus s'applique à un moteur à induction. Avec un moteur à aimant permanent, la vitesse est intrinsèquement étroitement régulée et les pulsations de couple sont directement réfléchies en tant que puissance d'entrée sans aucune possibilité de glissement du rotor donnant une certaine réduction. Il est possible de programmer un algorithme de contrôle spécial dans un variateur qui permet délibérément à la vitesse de chuter dynamiquement à mesure que le couple augmente, dans un cycle de rotation, tout en maintenant la vitesse moyenne à long terme à la valeur souhaitée. Cela tend à maintenir la puissance constante (puissance =couple x vitesse), et c'est la puissance qui détermine le courant d'entrée. Control Techniques a une application brevetée pour cela. Il est possible que cela puisse entraîner des économies de coûts utiles dans la conception des machines dans certaines applications, par exemple, une pompe à piston ou un compresseur à plusieurs cylindres pourrait être remplacé par un monocylindre.

Limites de scintillement

Le flicker est mesuré à l'aide d'un « flickermeter » défini dans la norme IEC 61000-4-15. Les limites d'équipement sont définies dans des normes telles que CEI 61000-3-3 et CEI 61000-3-11.

La mesure du scintillement correspond à la fluctuation de la tension d'alimentation. Pour un test de produit, le système de test doit inclure une impédance d'alimentation secteur simulée, qui est définie dans la norme. Les limites de la CEI 61000-3-3 sont basées sur une alimentation 230 V 50 Hz avec une impédance de (0,4 + j0,25) W, qui simule une alimentation très "faible", c'est-à-dire avec un faible courant de court-circuit.

La figure 4 montre la limite pour les changements de tension rectangulaires répétitifs simples de la CEI 61000-3-3, pour une alimentation 230 V 50 Hz. L'axe des fréquences représente des cycles complets par seconde, c'est-à-dire que chaque cycle comprend deux étapes égales mais opposées. Il existe d'autres règles pour évaluer d'autres modèles. La figure montre clairement les faibles niveaux autorisés pour la plage de fréquence critique entre environ 0,5 Hz et 20 Hz.

Réduire le scintillement

Nous avons déjà examiné les moyens par lesquels l'utilisation d'un variateur de vitesse peut aider à réduire le scintillement dû au démarrage du moteur ou à une charge pulsée.

Les méthodes conventionnelles incluent l'utilisation de pompes à piston multicylindres pour lisser le couple et les volants d'inertie.

Lorsqu'une forte pulsation de puissance est inévitable, la connexion d'alimentation doit être électriquement proche de l'alimentation électrique entrante du site afin d'éviter la chute de tension dans les câbles partagés avec d'autres charges. Les circuits d'éclairage doivent également être connectés séparément à proximité de l'alimentation électrique entrante.

Dans des cas extrêmes, il peut être nécessaire d'installer une nouvelle alimentation avec une impédance plus faible. Compte tenu du coût élevé, il vaut la peine d'explorer la possibilité qu'une utilisation créative des variateurs de vitesse puisse éviter le coût.