Comment les variateurs réagissent aux baisses de tension : guide pratique des interruptions d'alimentation

Les réseaux publics d'électricité sont généralement fiables, mais ils subissent des perturbations. Évidemment, une perte totale d'alimentation entraîne l'arrêt de tous les équipements électriques, sauf s'ils disposent d'une alimentation de secours telle qu'un onduleur (UPS) et/ou un générateur de secours. Lorsque l'alimentation revient, l'équipement redémarre depuis l'état d'arrêt de la manière pour laquelle il a été conçu. Cependant, il existe une classe de perturbations qui prend la forme de courtes interruptions ou de baisses de tension où le comportement n'est pas si évident.

Les baisses de tension courtes ne sont pas rares. Elles peuvent être causées par des défauts de ligne déclenchés par la foudre ou la chute d'objets tels que des arbres, etc. Chaque fois qu'un défaut se produit dans le réseau électrique public, une baisse de tension se propage depuis le point de défaut dans tout le système. Les dispositifs de protection de la compagnie d'électricité coupent le circuit défectueux sur une échelle de temps de l'ordre de 200 ms, après quoi l'alimentation est rétablie pour la plupart des consommateurs, parfois après plusieurs tentatives des disjoncteurs de réenclenchement automatique. Cependant, pendant ce temps, les consommateurs d'électricité subissent des baisses de tension de diverses profondeurs selon leur distance électrique par rapport au défaut. Dans l'industrie lourde, des baisses de tension se produisent également lors du démarrage direct en ligne de gros moteurs.

Il est important que les équipements électriques se comportent correctement pendant et après une baisse ou une interruption, un aspect facilement négligé. L'équipement doit traverser une baisse courte ou peu profonde. Si ce n'est pas possible, le comportement correct dépend de l'application. Dans certaines applications, l'équipement doit s'arrêter et attendre d'être redémarré, soit manuellement pour éviter un danger d'un redémarrage inattendu, soit automatiquement mais sous contrôle coordonné pour plusieurs moteurs. D'autres applications nécessitent que l'équipement redémarre automatiquement lorsque l'alimentation revient, de manière contrôlée. L'échec d'un redémarrage correct peut causer une perte de production dans une usine, des urgences comme des personnes coincées dans des ascenseurs, le déclenchement de systèmes de climatisation, et toutes sortes d'appareils électroniques nécessitant une visite de service coûteuse pour les réinitialiser.

Baisses et interruptions

Les baisses et interruptions les plus courtes durent généralement environ 10 ms, soit un demi-cycle du secteur. Tout ce qui dépasse environ 10 s serait considéré comme une perte d'alimentation. La plage de durées où nous devons examiner de près le comportement se situe principalement entre 10 ms et environ 500 ms. Dans cette plage, des erreurs de conception peuvent entraîner un comportement incorrect tel que le blocage ou le plantage de processeurs, ou la corruption de données.

Dans un système triphasé, les défauts n'affectent souvent qu'une seule phase, car la foudre et les objets tombants n'affectent souvent qu'une phase. Le défaut peut cependant se propager aux trois phases. Un défaut phase-terre unique dans le système de transport haute tension apparaît comme un défaut phase-à-phase dans le système de distribution basse tension, après les transformateurs triangle-étoile. Les baisses dues au démarrage de moteurs affectent les trois phases.

Stockage d'énergie et traversée

Dans un circuit électronique typique alimenté par le secteur, il y un condensateur de taille importante connecté dans la ligne d'alimentation continue interne pour lisser la tension redressée, et il stocke généralement assez d'énergie pour faire fonctionner le circuit pendant environ 10 à 20 ms. Pour des baisses ou interruptions plus courtes, il continue de fonctionner normalement, et il peut y avoir un circuit de surveillance de l'alimentation qui détecte une basse tension. Il y a alors le temps d'exécuter une courte routine pour sauvegarder certaines données essentielles dans la mémoire non volatile et mettre le système dans un état connu, à partir duquel il peut redémarrer une fois l'alimentation revenue. Si une traversée jusqu'à environ 100 ms est requise, cela peut être réalisé en ajoutant une capacitance supplémentaire, au-delà de laquelle une batterie ou un onduleur serait nécessaire.

Dans un variateur de vitesse typique, en raison de la puissance élevée traitée, les condensateurs ne stockent pas assez d'énergie pour alimenter la charge nominale même pendant 10 ms. Il n'y a aucune possibilité réaliste de traverser la baisse simplement en utilisant l'énergie stockée dans le condensateur, sauf si la puissance de charge se trouve être très faible à ce moment-là. Dans certaines applications spéciales, des condensateurs externes supplémentaires, des supercondensateurs ou des batteries ont été connectés au bus continu pour assurer la traversée, mais cela est généralement trop coûteux.

D'un autre côté, il peut y avoir une certaine énergie utile stockée mécaniquement dans l'inertie du moteur. Selon l'application, il peut être possible d'utiliser une partie de cette énergie pour maintenir le variateur dans un état viable prêt pour le retour de l'alimentation.

Traversée pour les variateurs

La Figure 1 montre les principaux composants de puissance d'un variateur CA. Les selfs sont optionnelles et ont peu d'effet sur la traversée.

Figure 1 : Composants principaux de puissance d'un VSD CA

Le redresseur est unidirectionnel, la puissance ne peut passer que de l'alimentation CA vers le bus continu. L'onduleur et le moteur sont bidirectionnels, il est donc possible que l'énergie revienne du moteur vers le bus continu du variateur, à condition qu'il y ait aussi assez d'énergie pour maintenir le moteur aimanté.

Le contrôleur du variateur dispose d'une mesure de la tension du bus continu, il peut donc détecter une chute de tension. Une courte interruption de l'alimentation CA a le même effet qu'une baisse, puisque la tension continue chute à mesure que le condensateur se décharge. Il y a plusieurs situations possibles, et le comportement détaillé dépend du mode de contrôle moteur utilisé. Examinons un contrôle en boucle ouverte simple avec un rapport V/f fixe de base.

Dans tous les cas où la tension revient avant que le niveau de détection de perte d'alimentation ne soit atteint, le fonctionnement normal se poursuit. Il y a un bref pic de courant d'entrée lors de la recharge du condensateur sans le bénéfice du circuit de charge douce. Le variateur est conçu pour supporter ce pic sans dommage, mais il est connu que des disjoncteurs peuvent déclencher dans cette situation, surtout lorsque plusieurs variateurs sont alimentés par le même disjoncteur.

Routine de perte d'alimentation :

Il existe un paramètre de mode sélectionnable par l'utilisateur qui donne le choix de trois actions, pouvant être choisies pour répondre aux besoins de l'application :

1. Aucune action (fonction de perte d'alimentation désactivée)
2. Rampe d'arrêt
3. Traversée (ride-through)

Avec l'option 1, le moteur s'arrête par roue libre. Le variateur n'effectue aucune action lorsque la tension chute en dessous du niveau de détection de perte d'alimentation. Si la tension continue de chuter en dessous du niveau de détection de sous-tension, le variateur est désactivé et le moteur s'arrête par roue libre. Si l'alimentation revient, le variateur exécute un redémarrage automatique si les signaux d'activation et de marche sont toujours présents.

L'option 2 serait normalement sélectionnée lorsque l'application nécessite des mouvements multiples coordonnés et qu'il est important que le variateur ne tente pas d'actions indépendantes. Le moteur est rampé jusqu'à l'arrêt lorsque la tension chute en dessous du niveau de détection de perte d'alimentation. Si l'alimentation revient pendant que le variateur décélère le moteur, il continue de ramener le moteur à l'arrêt, sinon le variateur entre en état de sous-tension et s'arrête.

Il y a une différence de comportement détaillé entre certains produits Control Techniques une fois que le variateur a atteint l'arrêt si l'alimentation est revenue :

• Pour Unidrive M700 et produits apparentés : Une fois le moteur à l'arrêt, le variateur entre en état désactivé et nécessite que le signal d'activation soit basculé avant de pouvoir redémarrer.
• Pour Unidrive M100 à M400 et produits apparentés : Une fois le moteur à l'arrêt, tant que les commandes d'activation et de marche sont toujours présentes, le variateur redémarre et rampe la vitesse du moteur vers la consigne de vitesse.

L'option 3 serait normalement sélectionnée lorsque l'application nécessite que le variateur continue en fonctionnement indépendant autant que possible. Le variateur réduit la consigne de vitesse du moteur de manière contrôlée de sorte que le flux moteur est maintenu et l'énergie mécanique stockée dans le moteur et la charge est renvoyée au variateur alors que la vitesse diminue. L'énergie est utilisée pour maintenir le courant d'aimantation du moteur et pour alimenter le circuit de contrôle du variateur. Si l'alimentation revient avant que l'énergie ne soit épuisée, le variateur accélère le moteur vers sa vitesse de consigne.

La chance de traversée réussie dépend clairement de la charge mécanique à ce moment-là et de l'inertie spécifique du moteur et de sa charge.

Notez que si la baisse de tension ne se produit que sur une seule phase d'une alimentation triphasée, l'énergie récupérée n'a qu'à « combler les trous » pour le redresseur pendant les intervalles de tension de phase manquants, ce qui nécessite beaucoup moins d'énergie que pour une baisse triphasée et a le plus de chances de réussir la traversée.

Limite du nombre de tentatives de réinitialisation automatique

Cela peut être réglé sur un nombre souhaité ou illimité.

Redémarrage sur moteur en rotation :

Dans toutes ces options, si le redémarrage automatique est sélectionné, il faut considérer si la routine « rattraper un moteur en rotation » est requise. Lorsque le variateur a maintenu le contrôle du moteur, c'est-à-dire dans un état de rampe ou de traversée, ce n'est pas nécessaire. Cependant, une fois que le déclenchement de sous-tension s'est produit, le moteur n'est plus contrôlé. Il peut continuer à tourner en raison de son inertie et/ou de facteurs externes tels que le flux d'air dans un ventilateur. Dans ce cas, le redémarrage pourrait échouer à moins que l'algorithme de moteur en rotation ne soit activé.

Normes et exigences pour les baisses, interruptions et traversée

Il existe des normes internationales et harmonisées UE pour l'immunité des produits électriques aux baisses et interruptions d'alimentation. Dans l'UE, cela est couvert légalement par la directive CEM. Dans le reste du monde, cela est généralement considéré comme une question de qualité de produit plutôt que de loi CEM. Pour les équipements de moins de 16 A par phase, la norme de test est IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 dans l'UE), mais cette norme donne une large gamme de niveaux de test optionnels et pas de critères de réussite/échec. La norme de produit doit être consultée pour trouver les exigences précises. Une exigence typique peut être tirée de la norme d'immunité générique pour équipements industriels, IEC 61000-6-2 :

L'équipement doit fonctionner comme spécifié pendant la baisse et après, et aucune perte ou corruption de données stockées ne doit se produire. Notez que cela n'exige pas une traversée littérale, au sens de continuer à fournir la puissance de sortie nominale, mais seulement un fonctionnement comme prévu. Le but du test est de trouver des erreurs ou bogues tels que des états bloqués ou des données stockées corrompues après la baisse/l'interruption. Si le test est appliqué à une machine qui incorpore des variateurs, ceux-ci doivent être correctement configurés pour garantir que la machine complète se comporte comme prévu pendant et après les baisses.

Pour les équipements de plus de 16 A par phase, il existe une autre norme de test IEC 61000-4-34. Cette norme est peu utilisée, en raison de la difficulté et du coût de l'équipement de test. Le comportement d'un variateur de forte puissance peut être prédit de manière fiable par simulation et par extrapolation à partir d'un modèle de puissance inférieure.

Une autre norme pour les perturbations d'alimentation vient du Information Technology Industry Council (ITIC) aux États-Unis et est parfois spécifiée pour les équipements informatiques. Elle ne définit pas de méthode de test mais seulement un comportement de tension aux bornes. La courbe ITIC (anciennement courbe CBEMA) montre un fonctionnement continu pour des interruptions jusqu'à 20 ms. Elle ne s'applique qu'aux alimentations monophasées et ne s'adapte pas facilement aux trois phases.

D'après la discussion précédente, on voit qu'un variateur peut être capable d'atteindre cela en mode traversée, à condition qu'une énergie stockée suffisante puisse être récupérée en décélérant la charge, particulièrement avec une alimentation triphasée.

Figure 2 : La courbe ITIC (anciennement CBEMA)