Mutations de l'analyse de qualité d'alimentation électrique

L'analyse de qualité d'alimentation électrique est désormais identifiée comme un élément majeur de l'audit énergétique moderne.

L'analyse de qualité d'alimentation électrique continue de prendre de l'importance alors que notre société est de plus en plus dépendante de l'énergie électrique, et que cette énergie est de plus en plus souvent issue de sources d'énergie renouvelables qui ne sont pas disponibles en permanence. Grâce à cette pratique, on peut prendre des dispositions pour garantir que les systèmes électriques des sites à forte consommation d'énergie fonctionnent correctement, et que leurs coûts de fonctionnement restent aussi bas que possible. Le volume de données croissant à saisir et à traiter pour assurer cela, nécessite des équipements de test toujours plus sophistiqués.

Au cours des quinze dernières années l'objectif de l'analyse qualité d'alimentation électrique a évolué. La législation et les recommandations de l'industrie, telles que la norme EN5160, mise en place au début des années 90, ont forcé les fournisseurs d'énergie à maintenir la qualité d'alimentation électrique à un niveau acceptable. Puis, au cours des années suivantes, un certain nombre d'autres normes ont été introduites (comme IEC61000-4-30, IEC61000-4-15 et IEC61000-4-7) qui ont défini les techniques de test précises à utiliser pour réaliser des mesures de qualité d'alimentation électrique, afin d'éviter toute ambiguïté. Jusque là, les opérateurs pouvaient obtenir des résultats très différents selon le processus de test utilisé. Ce n'est qu'à partir de 2007/2008 que l'on a commencé à voir apparaître l'analyse qualité d'alimentation électrique sous sa forme actuelle, alors que les sociétés ne voulaient plus seulement contrôler les caractéristiques de l'alimentation électrique fournie par leur fournisseur d'énergie, mais désiraient aussi analyser l'efficience de leurs propres systèmes électriques, pour identifier d'éventuelles pertes liées à une mauvaise qualité d'alimentation électrique.

Raisons d'analyser la qualité d'alimentation électrique

En réalisant une analyse qualité d'alimentation électrique complète, on peut désormais identifier les changements du système, et lui apporter des améliorations ou des corrections, pour maintenir l'efficacité opérationnelle des générateurs, des transformateurs et de l'infrastructure de communication, tout en assurant leur fiabilité à long terme. L'espace entre opérations de maintenance peut être allongé, et il est possible d'éviter les coûteux temps d'arrêt imputables aux pannes d'alimentation.

Origines des problèmes de qualité d'alimentation

Il existe un certain nombre de facteurs différents qui peuvent être à l'origine de problèmes de qualité d'alimentation ou de pertes d'énergie électrique. Il s'agit notamment des distorsions harmoniques, des défauts d'équilibrage de charge, des fluctuations de tension, des coupures d'alimentation et des charges réactives. En adressant chacun de ces facteurs, les entreprises peuvent disposer d'une alimentation électrique plus fiable, et implanter des systèmes plus efficaces et mieux équilibrés, et ainsi réduire l'impact de manière significative. Les sources de problème de qualité d'alimentation électrique sont notamment :

1. Déséquilibre de phases - Les déséquilibres sont le résultat de charges inégales sur les trois phases d'un système électrique triphasé. Un déséquilibre de courant peut se traduire par un déséquilibre de tension, qui peut par exemple provoquer la surchauffe d'un moteur et réduire la durée de vie de l'équipement. Une fois identifié, le déséquilibre de phases peut souvent être corrigé en redistribuant les charges sur les différentes phases, de sorte que les courant soient identiques pour chaque phase. Le déséquilibre de phases peut aussi être réduit en installant des transformateurs spéciaux ou des compensateurs électroniques VAR statiques. 
   
   
2. Harmoniques - La déformation harmonique des signaux de courant est provoquée par des charges non linéaires. La présence de courants harmoniques dans un système peut conduire à la surchauffe des transformateurs, des moteurs et des conducteurs, au déclenchement des disjoncteurs ou des relais de protection, et à la défaillance prématurée des équipements électriques. Si des harmoniques sont présentes dans un système, elles peuvent être combattues en installant un filtre d'harmoniques.
   
   
3. Commutation de charge - Dans de nombreux cas, la commutation de charge est une source majeure de problèmes de qualité d'alimentation électrique. Quand une charge est branchée, le courant drainé peut parfois provoquer une baisse de tension, susceptible d'entraîner des dysfonctionnements dans d'autres parties du système. La capacité de capturer les signaux de tension, de courant et de fréquence, simultanément et rapidement, permet d'analyser les différentes interactions susceptibles de causer des problèmes afin de résoudre ceux-ci.
   
   
4. Tensions transitoires - Les tensions transitoires peuvent être particulièrement nocives pour un système électrique. Elles peuvent prendre la forme d'un pic de signal provoqué par une décharge électrostatique, ou être de nature oscillatoire du fait d'une brusque variation du courant ou de la tension. Ces phénomènes, s'ils sont mis en évidence, peuvent être traités en installant un limiteur de courant ou un filtre inductif dans le circuit.

Sources de perte d'énergie

Idéalement l'énergie électrique doit être transférée et utilisée de telle sorte qu'un minimum de pertes se produise pendant le transport, et que toute l'énergie soit utilisée aussi efficacement que possible. Dans un système triphasé. ceci se fait en s'assurant que les formes d'onde de tension et de courant soient purement sinusoïdales, et qu'il n'y ait pas de déphasage entre la tension et le courant. Si ces conditions ne sont pas remplies, des pertes se produiront quelque part dans le système, et l'énergie ne sera pas utilisée de manière optimale. Les principales sources de pertes sont notamment :

1. Déperdition d'énergie due à la résistance du câblage - Une source inévitable de pertes est la résistance du système de câblage. Même si les conditions ci-dessus sont remplies, les câbles en cuivre donnent naissance à des pertes. Une pratique courante est de considérer que moins de 3% de l'énergie consommée doit être dissipée dans le câblage. L'utilisation de conducteurs cuivre de section supérieure permet de réduire ces pertes. 
   
   
2. Pertes par puissance réactive - La puissance réactive apparaît quand il existe un déphasage entre la tension et le courant. Par exemple, cela se produit lorsque l'on utilise des charges inductives comme des moteurs. A cause de la charge inductive, le courant va se décaler par rapport à la tension. De l'énergie réactive va alors traverser le système. Cette énergie réactive ne contribue pas elle-même au travail effectif produit par la charge. Elle ne fait que passer dans un sens, puis dans l'autre, dans le système. À première vue, elle peut sembler inoffensive, mais souvent les fournisseurs d'énergie appliquent une pénalité en cas de présence de charge réactive élevée ; par exemple quand le déphasage (cos Q) entre la tension et le courant devient trop important. Etant donné que le fournisseur d'énergie doit fournir des VA (tension x courant), mais que l'utilisateur ne paye que des watts (W=V x A x cos Q), le fournisseur préfère que cos Q soit proche de 1. En outre, des pertes supplémentaires se produisent en présence d'énergie réactive, à cause du courant traversant le système ; celui-ci génère des pertes additionnelles à cause de la résistance du câblage.
   
   
3. Mauvais équilibrage des phases - En cas de déséquilibre entre les charges d'un système triphasé, de l'énergie est consommée sans contribuer efficacement au travail fourni, mais elle est néanmoins incluse dans les kWh que facture le fournisseur d'énergie.
   
   
4. Puissance harmonique - L'énergie harmonique ne contribue pas efficacement au travail (à moins qu'elle ne serve au chauffage), mais là encore, cette énergie impacte la facture d'énergie.
   
   
5. Courant neutre - Du fait du déséquilibrage et des harmoniques, du courant rentre par le neutre. Ce courant contribue aussi à la déperdition d'énergie dans le câblage, et peut potentiellement conduire à une situation dangereuse, puisque les conducteurs de neutre ne sont pas prévus pour porter du courant, et sont donc en général de plus petites dimensions.

Outils d'analyse

Au départ, les outils portables d'analyse de qualité d'alimentation électrique utilisés pour le dépannage étaient tous monophasés, car la technologie semiconducteurs ne permettait tout simplement pas d'offrir les transformées de Fourier rapides (FFT) nécessaires à une utilisation multiphasée. Des appareils triphasés sont apparus par la suite, avec l'arrivée sur le marché de puces à plus haut niveau d'intégration. La nouvelle génération d'analyseurs désormais disponible dispose de beaucoup plus de fonctionnalités et de caractéristiques que leurs ancêtres. Cela signifie que l'on peut maintenant analyser des formes d'onde plus longues et un plus grand nombre de paramètres.

Conforme aux normes IEC61000-4- 30 Classe A (435-II) et IEC61000-4-30 Classe S (434-II), les Fluke 434-II et 435-II permettent d'identifier, de prévoir, d'empêcher et de résoudre les problèmes dans les systèmes électriques triphasés ou monophasés. Ainsi, une analyse plus complète de l'alimentation électrique peut être entreprise, rapidement et sans nécessiter de moyens humains excessifs. La fonction de capture d'événements, disponible sur le 435-II, permet, en cas d'événement marquant ou de distorsion de tension, d'enregistrer automatiquement les signaux de tension et de courant des trois phases et du neutre.

L'appareil se déclenche également si un certain niveau de courant est dépassé. Jusqu'à 999 variations à la baisse ou à la hausse, interruptions ou coupures, peuvent ainsi être capturées automatiquement, sans installation complexe. La fonction moniteur (supervision) propose un affichage de type tableau de bord, avec affichage en temps réel des valeurs de tension efficace, harmoniques, scintillement, interruptions, micro-variations de tension, déséquilibrage, fréquence et signalisation réseau, avec indication de la conformité de chaque paramètre par rapport aux limites de la norme EN50160. Des barres de couleur affichent clairement quels paramètres sont hors de leurs limites hautes ou basses.

Estimation du coût des pertes d'énergie

L'impact financier pour une entreprise d'une mauvaise qualité d'alimentation électrique peut être classé en plusieurs catégories. Il peut s'agir de temps d'arrêt dans une usine ou une unité de production, réduisant ainsi le niveau de productivité. Il peut aussi s'agir des coûts de remplacement d'appareils électriques dont la durée de vie s'est trouvée raccourcie. Plus particulièrement, cela peut se traduire par des coûts opérationnels supérieurs, du fait de l'utilisation de systèmes électriques inefficaces.

Fluke a développé un algorithme de mesure propriétaire (UPM, pour Unified Power Measurement), pour sa série 430, afin de pouvoir estimer le coût des pertes d'énergie imputables aux problèmes de qualité d'alimentation électrique. Les calculs sont effectués en tenant compte des paramètres spécifiques inhérents au fournisseur d'énergie, pour évaluer financièrement le coût précis des pertes. Cette fonction permet d'effectuer des mesures de puissance active et réactive, pour analyser les problèmes de déséquilibrage et d'harmoniques présents dans le système, et déterminer le coût des taxes correspondantes.

Autres défis de l'analyse qualité d'alimentation électrique

L'augmentation de la fréquence d'alimentation électrique à 400Hz, signifie que les transformateurs et les moteurs peuvent être beaucoup plus petits et plus légers que ceux prévus pour fonctionner à 50 ou 60 Hz. Ceci peut s'avérer très intéressant dans le cas d'applications à encombrement restreint, dans l'avionique ou le militaire, ou dans d'autres systèmes compacts.

L'analyseur d'énergie portatif Fluke 437-II permet de réaliser des mesures de qualité d'alimentation électrique pour ce type de systèmes, ainsi que pour les systèmes 50/60 Hz, tout en anticipant sur la migration à des fréquences plus élevées. Cet appareil est particulièrement bien adapté pour l'aéronautique, la défense et autres applications critiques avec des contraintes d'encombrement. Il permet d'afficher simultanément à l'écran jusqu'à 150 paramètres de qualité d'alimentation électrique, et d'enregistrer ces paramètres toutes les 0.25 seconde sur la carte SD intégrée au système.
Les trois analyseurs d'énergie portables série 430 sont disponibles à la location chez Livingston, partout en Europe. Ceci permet aux entreprises de disposer d'outils d'analyse d'alimentation électrique de pointe, sans avoir à investir des montants importants, tout en bénéficiant d'une souplesse pour changer de modèle si nécessaire, ou pour augmenter (diminuer) le nombre d'appareils utilisés à chaque étape pour répondre aux besoins.