Comprendre le scintillement (flicker) : impact sur la qualité de l'énergie et comment les variateurs aident

Cet article examine le sujet du scintillement (flicker), qui peut être vu comme une question de qualité de l'énergie ou de Compatibilité Électromagnétique (CEM) selon votre point de vue. Nous considérerons si les variateurs de vitesse peuvent causer du scintillement et aussi 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. Cela peut aller d'une baisse ou d'un flash occasionnel unique lorsqu'une grosse charge est connectée ou déconnectée soudainement, jusqu'à un scintillement rapide irritant si la tension est modulée à une fréquence dans la gamme où l'œil et le cerveau humain sont particulièrement sensibles, soit environ 0,5 Hz à 20 Hz.

Le scintillement est parfois confondu avec les harmoniques et d'autres problèmes de qualité de l'énergie. Les harmoniques sont par définition à des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence d'alimentation, et elles sont bien trop élevées pour que l'œil y réagisse. Cependant, tant le scintillement que la tension harmonique sont causés par les courants de charge affectant la tension à cause de l'impédance de la source d'alimentation, donc dans les endroits où l'impédance d'alimentation est élevée, à cause d'une longue ligne d'alimentation ou d'un autre facteur, des problèmes de tension harmonique et de scintillement peuvent se produire 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. À la Figure 2, chaque cycle est déformé mais de la même forme, donc aucun scintillement ne se produit.

Les fournisseurs d'énergie électrique doivent s'assurer que leur qualité d'énergie est adaptée à l'usage, et ils ont des directives pour le scintillement. Généralement, ils ne font des mesures que s'il y a une plainte, il y a rarement une quelconque sorte de test de routine des installations sauf pour certains systèmes spéciaux comme les éoliennes.

Les produits électriques fabriqués en grande série peuvent devoir répondre à des normes de produit pour le scintillement. La norme de produit internationale la plus connue est IEC 61000-3-3, ou pour l'Europe EN 61000-3-3, qui donne des tests et des limites pour les produits de courant assigné jusqu'à 16 A par phase. Dans l'Union Européenne, cette norme est harmonisée sous la Directive CEM, donc les équipements dans son champ d'application doivent généralement s'y conformer pour porter le marquage CE et être mis sur le marché dans l'UE. Pour un courant assigné jusqu'à 75 A, la IEC 61000-3-11 s'applique. Les normes ont des limites strictes dans la gamme de fréquence de répétition sensible 0,5 Hz – 20 Hz, mais pas de limites au-dessus de 25 Hz.

Les normes pour le scintillement exigent toutes une mesure et une évaluation qui prennent en compte le comportement dynamique des lampes électriques et la sensibilité de l'œil et du cerveau humain. Les courbes de scintillement (voir plus loin) sont basées sur les ampoules à filament de tungstène. Celles-ci sont plutôt sensibles à la tension à cause de la relation en loi carrée de la tension et de la puissance. D'un autre côté, la masse thermique signifie qu'elles tendent 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 LED ont souvent un régulateur donc elles ne sont pas affectées par la tension, sauf quand elles sont conçues pour être utilisées avec un variateur. Les normes pourraient être mises à jour à l'avenir pour refléter le comportement des lampes modernes, mais le coût des changements en remplaçant l'équipement de test et en re-testant les produits est malvenu. Il est probable que les limites basées sur les ampoules à filament resteront avec nous pendant quelques années encore.

Interharmoniques

Les interharmoniques sont des fréquences indésirables qui ne sont pas des multiples entiers de la fréquence d'alimentation, donc elles se situent entre les harmoniques dans le spectre. Si elles sont proches d'un harmonique vrai, elles peuvent résulter en une modulation apparente de la tension d'alimentation. Dans une charge résistive simple comme une lampe à filament, elles ne causent pas de scintillement car leur fréquence est élevée et la lampe n'est sensible qu'à la moyenne courante de la tension efficace. Cependant, un redresseur ou une autre charge non-linéaire peut générer des fréquences somme-et-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 tension efficace ne l'est pas, et cela ne sera pas mesuré comme scintillement. Ce type de forme d'onde peut se produire avec des variateurs régénératifs ou d'autres contrôleurs de puissance actifs où la fréquence de commutation n'est pas verrouillée en phase avec l'alimentation.

Causes du scintillement

Le scintillement est toujours causé par une variation du courant tiré de l'alimentation, résultant en une variation de la tension d'alimentation qui affecte alors d'autres charges y compris l'éclairage. Il y a de nombreuses sources possibles, la liste ci-dessous montre certaines des plus courantes.

Événements uniques :

1. Démarrage de moteurs direct en ligne. C'est de loin la cause la plus courante de baisses de tension uniques. Un moteur asynchrone absorbe entre 3 et 5 fois son courant assigné au démarrage, et l'effet sur la tension est aggravé par le fait que le courant de démarrage est en retard de phase par rapport à la tension, de sorte que la chute de tension dans l'impédance d'alimentation, qui est généralement principalement inductive, est plus grande que pour une charge résistive.
2. Démarrage de gros dispositifs électroniques tels que des variateurs, avec courant d'appel de charge des condensateurs
3. Démarrage de gros transformateurs avec courant d'appel de magnétisation
4. Démarrage de compresseurs ou pompes avec contre-pression, causant un couple de démarrage élevé

Événements aléatoires fréquents :

1. Fours à arc
2. Postes à souder à l'arc
3. Machines soumises à des pics de charge fréquents et lourds, ex. malaxeurs, presses, etc.

Événements périodiques ou quasi-périodiques :

1. Postes à souder par points automatiques
2. Pompes ou compresseurs alternatifs, ou charges pulsantes similaires.
3. Thermostats ou autres contrôleurs qui fonctionnent par commutation de la charge – surtout avec des commutateurs statiques qui peuvent fonctionner fréquemment.
4. Contrôleurs thyristor ou triac à tir par rafales

L'effet des variateurs de vitesse sur le scintillement

Le variateur lui-même

La seule façon dont un variateur peut causer du scintillement par lui-même est par le courant d'appel de charge des condensateurs quand l'alimentation est appliquée. Les variateurs Control Techniques sont conçus de sorte que le courant d'appel ne dépasse pas le courant d'entrée assigné, donc la baisse de tension ne dépasse pas celle causée par le fonctionnement normal à la puissance assignée.

Le système de contrôle

Si le variateur est dans un système qui cause le variateur à générer une puissance de sortie fluctuant rapidement, alors cela peut causer du scintillement. Cela pourrait être causé par un fonctionnement périodique programmé ou par une stabilité marginale dans une boucle de contrôle en retour. Tout système de contrôle devrait être évalué pour s'assurer qu'il ne causera pas de scintillement excessif.

Dans une machine avec plusieurs axes et des mouvements périodiques rapides, il peut être possible d'arranger le contrôle pour que les pics de puissance se produisent séquentiellement. Cela pourrait multiplier la fréquence de scintillement par le nombre d'axes, ce qui, si cela 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 montent en rampe de manière contrôlée de sorte que le courant moteur est limité, mais aussi le courant d'entrée du variateur est proportionnel à la puissance de sortie, pas au courant de sortie, donc le courant d'entrée monte en rampe seulement quand la vitesse du moteur augmente. Il y a des applications où un variateur vaut la peine purement pour son avantage de démarrer sans causer de chute de tension excessive, si l'alternative serait un renforcement coûteux du système d'alimentation.

Charges pulsantes telles que les pompes alternatives

Le variateur a très peu d'énergie stockée dans son condensateur de bus continu, 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 façon. À moins que des mesures spéciales ne soient prises, le variateur ne compensera pas une charge fluctuante.

Généralement, le variateur ne fait simplement aucune différence au niveau de scintillement causé par une charge pulsante, mais il est possible qu'un variateur aggrave cet effet :

• Premièrement, en réduisant la vitesse, il peut amener la fréquence de pulsation en dessous du point critique de 25 Hz où le scintillement devient perceptible.
• Deuxièmement, si le système de variateur est configuré pour donner un contrôle de vitesse précis avec un couple de charge pulsant, il peut amplifier 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 y en a un. À moins qu'il n'y ait une raison très particulière de contrôler la vitesse précisément dans le cycle de couple, il n'est pas conseillé d'utiliser un contrôle de vitesse en boucle fermée ou une compensation de glissement avec une charge pulsante. Il est en fait préférable de laisser la vitesse varier avec le couple afin de tirer parti de l'énergie mécanique stockée.

Si le contrôle de vitesse en boucle fermée doit être utilisé, il est préférable d'implémenter un contrôleur principalement intégral avec un gain faible. De cette façon, la vitesse moyenne est contrôlée précisément, mais le contrôleur ne résiste pas à la variation périodique naturelle dans un cycle causée par le glissement du moteur asynchrone. Cette suggestion paraît contre-intuitive, car nous tendons à penser qu'un variateur offre un contrôle de vitesse rapide et précis, mais en fait un contrôle rapide réduit le bénéfice du volant d'inertie ou autre inertie dans le stockage d'énergie.

La discussion ci-dessus s'applique avec un moteur asynchrone. Avec un moteur à aimants permanents, la vitesse est intrinsèquement étroitement régulée et les pulsations de couple sont directement reflétées comme puissance d'entrée sans aucune possibilité de glissement du rotor donnant quelque réduction. Il est possible de programmer un algorithme de contrôle spécial dans un variateur qui permet délibérément à la vitesse de chuter dynamiquement quand le couple monte, dans un cycle de rotation, tout en gardant la vitesse moyenne à long terme à la valeur désirée. 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 donner des économies de coûts utiles dans la conception de machines dans certaines applications, par exemple une pompe ou compresseur alternatif multi-cylindres pourrait être remplacé par un monocylindre.

Limites de scintillement

Le scintillement est mesuré en utilisant un « flickermètre » défini dans la norme IEC 61000-4-15. Les limites pour les équipements sont fixées dans des normes telles que IEC 61000-3-3 et IEC 61000-3-11.

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

La Figure 4 montre la limite pour des changements de tension rectangulaires répétitifs simples de IEC 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 pas égaux mais opposés. Il y a d'autres règles pour évaluer d'autres motifs. La figure montre clairement les faibles niveaux permis pour la gamme de fréquences critique entre environ 0,5 Hz et 20 Hz.

Réduction du scintillement

Nous avons déjà considéré les façons dont l'utilisation d'un variateur de vitesse peut aider à réduire le scintillement du démarrage moteur ou d'une charge pulsante.

Les méthodes conventionnelles incluent l'utilisation de pompes alternatives multi-cylindres pour lisser le couple, et les volants d'inertie.

Lorsqu'une grande pulsation de puissance est inévitable, la connexion d'alimentation doit être faite électriquement près de l'arrivée d'alimentation du site afin d'éviter la chute de tension dans les câbles partagés avec d'autres charges. Les circuits d'éclairage devraient aussi être connectés séparément près de l'arrivée d'alimentation.

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