Tout « Supra » avec votre réseau ?

Rétroaction du réseau dans la gamme de fréquences comprise entre 2kHz et 150kHz

Les appareils et équipements actuels, tels que les alimentations à découpage, les convertisseurs de fréquence, les entraînements contrôlés, les dispositifs de recharge pour les véhicules électriques ou l’éclairage LED, fonctionnent en interne avec des fréquences d’horloge élevées afin de réguler efficacement l’énergie. Ces fréquences peuvent entraîner des interférences transmises par les lignes ou par les champs (couplées) dans le réseau électrique. Dans ce rapport technique, nous expliquons comment vous pouvez détecter ces sources d’interférence dans le réseau à l’aide d’une technologie de mesure appropriée.

L’évolution des technologies énergétiques

Les raisons de l’efficacité énergétique et des économies de coûts

Afin d’utiliser l’énergie de manière plus efficace, nous contrôlons aujourd’hui de nombreuses choses par le biais de l’électronique de puissance. Par exemple, un moteur asynchrone est souvent remplacé par un entraînement commandé par un convertisseur de fréquence, ou un appareil est équipé d’une alimentation à découpage au lieu d’un transformateur.

En règle générale, la nouvelle technologie des appareils, contrairement à l’ancienne, ne tire plus un courant sinusoïdal du réseau. Les appareils de mesure de la qualité de l’énergie décomposent ce courant dans le spectre de toutes les fréquences. Dans la mesure de la qualité de l’énergie, nous divisons maintenant les perturbations du réseau en harmoniques, interharmoniques et, plus récemment, en superharmoniques.

Nous définissons les harmoniques comme des multiples de la fondamentale (exemple 250Hz = 5ème harmonique d’une fondamentale de 50Hz). Si les fréquences se situent entre deux multiples entiers de la fondamentale, nous les appelons intermédiaires ou interharmoniques. Dans la technologie de mesure de la qualité de l’énergie ainsi que dans les normes, tous les interharmoniques d’une gamme sont généralement combinés en une seule valeur (exemple : toutes les fréquences entre >350Hz et <400Hz sont incluses dans le 7ème interharmonique).

Les hautes fréquences supérieures à 2,5 kHz et allant jusqu’à 150 kHz sont souvent appelées supraharmoniques. Oh oui, il y a aussi des sous-harmoniques. Il s’agit de fréquences inférieures à la fondamentale, qui peuvent souvent entraîner des perturbations.

L’image montre un spectre de fréquence de la tension entre le courant continu et 20 kHz dans un réseau public. On peut y voir des harmoniques et des supra-harmoniques qui, dans ce cas, ont été générées par un entraînement commandé par un convertisseur de fréquence. Les niveaux les plus élevés se situent à 10 kHz avec environ 1,8 V.

Fréquences de cycle typiques des systèmes et dispositifs avec lesquels nous devons compter dans nos réseaux aujourd’hui :

  • Variateur de fréquence : 4kHz à 20kHz
  • Convertisseur solaire (400V) : 16kHz à 22kHz
  • Système WK (réseau MT) : 2kHz à 6kHz
  • Mobile électronique : 10kHz à 80kHz
  • Filtres secteur actifs : 8kHz à 20kHz
  • Systèmes UPS : 15kHz à 25kHz
  • Luminaires EVG : 20 kHz à 200 kHz
  • Alimentations à découpage : 30kHz à 300kHz

D’où viennent ces fréquences de commutation élevées dans nos charges électriques ?

Exemple : Un pont redresseur à l’entrée d’une machine à commande numérique redresse les tensions triphasées en une tension continue. Cette tension continue est décomposée en impulsions avec différents temps d’impulsion-pause à une certaine fréquence de cycle pour produire un courant sinusoïdal dans la charge électrique. C’est ce qu’on appelle la « modulation de largeur d’impulsion sinusoïdale ». La vitesse du moteur peut être contrôlée de cette manière. Les charges de très forte puissance, comme une éolienne, ont généralement une faible fréquence de commutation, tandis que les systèmes de faible puissance fonctionnent avec des fréquences de cycle beaucoup plus élevées

L’image montre un diagramme de la structure d’un entraînement commandé par convertisseur de fréquence, qui se compose d’un redresseur, d’une liaison CC et d’un onduleur.

Ces fréquences de cycle et leurs bandes latérales peuvent être détectées dans le courant du réseau ainsi que dans la tension du réseau, qui est cartographiée via l’impédance du réseau.

Dans l’exemple (Fig. 5), nous voyons le spectre de fréquence de la tension d’une charge avec une fréquence de cycle de 4,5 kHz à 2,5 V d’une installation industrielle. Un variateur fonctionne avec cette fréquence de commutation. Cependant, ce n’est pas la seule fréquence représentée dans le réseau énergétique. Il existe d’autres fréquences que nous recevons en tant que réaction de réseau de ce système. La formule permet de calculer tous les multiples de la fréquence de commutation et ses bandes latérales.

f_{μ} = n *f_{T} ± 2_{n} * f_{1}

n = 1, 2, 3…
fμ = fréquence du cycle de l’onduleur
f1 = fréquence fondamentale du réseau (50Hz)

Dans notre exemple, ce système imprime non seulement le 4,5kHz mais aussi tous les multiples de celui-ci. Ici de 9kHz, 13.5kHz ; 18kHz… dans le réseau, ainsi que leurs bandes latérales de +/-100Hz ; +/200 etc.

Quels sont les problèmes auxquels nous sommes confrontés ?

Les problèmes suivants peuvent désormais survenir dans le réseau en raison des supra-harmoniques :

1. Dysfonctionnement des appareils

De plus en plus de charges sont commandées par de très petits signaux de commande à haute fréquence. Or, il peut arriver qu’un signal d’interférence à haute fréquence provenant d’une charge imprime exactement ces fréquences dans le réseau avec lequel un autre appareil est contrôlé. En voici un exemple : Dans un hôtel qui avait équipé toutes les chambres de lampes à variateur tactile, une entreprise industrielle qui produisait à proximité était en mesure d’allumer et d’éteindre ces lampes de manière indépendante. Comme cela se produisait également la nuit, cela était très gênant pour les clients qui passaient la nuit dans l’hôtel. Dans un autre cas, les effets de rétroaction d’un onduleur solaire peuvent entraîner la défaillance d’une ligne de traite automatique pour les vaches d’une ferme. Dans les deux cas, il n’y a pas de dégâts, mais certaines charges de ce réseau ne fonctionnent pas sans faille.

2. Bruits de sonnerie perturbateurs

Un autre problème qui se pose de plus en plus fréquemment dans nos réseaux est celui des bourdonnements ou sonneries dérangeants provenant des charges. Les fréquences du cycle se situent souvent dans la plage d’audition de l’oreille humaine. En règle générale, l’homme peut percevoir des sons jusqu’à un maximum de 16 kHz, mais la sensibilité varie considérablement d’une personne à l’autre. Dans une installation industrielle, nous sommes déjà habitués au fait que dès qu’une machine à commande numérique fonctionne, par exemple, un bruit de sonnerie provenant de l’installation peut être perçu. Cependant, si le voisin d’en face entend une sonnerie provenant d’un transformateur ou d’un appareil d’éclairage, éventuellement même la nuit, cela peut être perçu comme très dérangeant et il faut chercher un remède à cette perturbation.

3. Défaillance ou vieillissement de l’équipement

La charge des fréquences de cycle des autres charges dans le voisinage est également préjudiciable. Les courants de fréquence plus élevée sont fortement atténués par des inductances telles que les transformateurs et ne veulent donc pas s’écouler vers le transformateur du réseau local. Ces fréquences de commutation recherchent plutôt d’autres charges dans le voisinage qui ont une faible impédance pour ces hautes fréquences. En raison de la consommation de courant supplémentaire, ces charges sont davantage chauffées, puisque les pertes augmentent comme le carré du courant P = I²xR. Les condensateurs peuvent être surchargés ou du moins vieillir plus rapidement, car ils ont une impédance très faible pour les hautes fréquences.

XC=\frac{1}{ω*C}
ω=2*π*f

Une consommation de courant accrue signifie toujours une charge thermique plus élevée sur la charge, ce qui entraîne une réduction de la durée de vie. Pourquoi ma lampe LED ne dure-t-elle pas aussi longtemps que ce qui est indiqué sur l’emballage ? Les supra-harmoniques peuvent jouer un rôle.

La propagation du bruit dans le réseau est donc fortement influencée par tous les appareils connectés et allumés à proximité et moins par les impédances de ligne.

Une réaction s’est produite dans la nomenclature de la qualité de la tension.

Pendant longtemps, la gamme de fréquences de 2,5 kHz à 150 kHz a été une zone sans norme. La norme CEM IEC61000-2-2 (Conditions d’environnement – Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites à basse fréquence dans les réseaux publics à basse tension) a déjà réagi et, depuis 2018, a étendu la plage des valeurs limites de 2,5 kHz à 30 kHz. En 2019, des valeurs limites de 30 kHz à 150 kHz ont été introduites et l’écart par rapport à la norme a été complètement comblé. Au-dessus de 150 kHz et jusqu’à au moins 30 MHz, les valeurs limites s’appliquent également aux interférences émises par les appareils et les systèmes. Elles sont vérifiées dans un laboratoire d’essai lors d’un test CEM pour l’homologation de l’appareil.

Cela signifie que nous disposons aujourd’hui d’une gamme complète de niveaux de compatibilité…

Limits of IEC61000-2-2

Gamme de fréquences (kHz) à 50HzNiveau de compatibilité en %
2kHz to 3kHz1,4%
3kHz to 9kHz1,4% to 0,65%
Diminution logarithmique avec une augmentation logarithmique de la fréquence
Gamme de fréquences (kHz) Niveau de compatibilité en dB(yV)
9kHz to 30kHz129,5 to 122 dB(yV)
Valeur limite décroissant linéairement avec le logarithme de la fréquence 9kHz to 30kHz
30kHz to 50kHz122 bis 119 dB(µV)
Valeur limite décroissant linéairement avec le logarithme de la fréquence 30kHz to 50kHz
50kHz to 150kHz113 bis 89 dB(µV)
Valeur limite décroissant linéairement avec le logarithme de la fréquence 50kHz to 150kHz
Voltage mVdB (yV)
1000mV120dB
100mV100dB
10mV80dB

Presque toutes les charges laissent des traces sur le réseau ou, en d’autres termes, « Montrez-moi votre électricité et j’en saurai plus sur vous que vous ne le pensez » : « Montrez-moi votre électricité et j’en saurai plus sur vous que vous ne le pensez ».

J’avais installé un analyseur de puissance (PQ-Box 300) dans ma distribution secondaire au sous-sol et je voulais analyser la raison d’un déclenchement sporadique d’un disjoncteur différentiel.

La photo montre l’emplacement de l’appareil de mesure PQ-Box 300 et des pinces de courant L1, L2, L3, N-conducteur. Une autre pince de courant 5ème de grande taille a également enregistré le courant différentiel de tous les courants au niveau de la connexion au disjoncteur différentiel.

Outre l’analyse de l’appareil défectueux dans la maison qui déclenche mon RCD, j’ai remarqué que de nombreuses charges dans ma distribution laissent des traces dans le spectre de fréquence. J’ai pu identifier clairement de nombreux appareils dans la gamme de fréquences, bien qu’ils n’auraient certainement pas été remarqués dans le courant total de toute la maison avec toutes les charges. Ainsi, j’ai pu voir quand la machine à laver fonctionnait ou quand ma femme utilisait l’aspirateur, ce qui laisse une fréquence claire de 8 kHz dans le spectre.

L’image montre le spectre de toutes les fréquences de la tension jusqu’à 170 kHz sur une période d’une semaine dans une sorte de représentation en 3D. Les gradients de couleur indiquent le niveau des fréquences respectives.

J’ai trouvé intéressant de constater que même de très petites charges, comme l’une des Playsations 4 des enfants, pouvaient être clairement détectées dans le spectre de fréquences à 64 kHz, bien que j’aie effectué mes mesures à deux étages de distance. Ainsi, j’ai pu contrôler l’exigence de l’enfant de ne jouer qu’une heure par jour au maximum, même si je n’étais pas à la maison.

L’image montre la fréquence de 64kHz sur la phase de tension L1 dans la distribution. Comme la chambre d’enfant 1 est également connectée à la phase L1, c’est à ce moment-là que notre adolescent joue. Mais il ne nous laisse pas lui dire ce qu’il doit faire.

Les différentes hauteurs de niveau sont dues à d’autres charges qui sont actuellement allumées et à leur effet de compensation. Comme de nombreux autres appareils de la maison sont allumés à 20h30, par exemple, ils absorbent une partie de l’énergie de la fréquence de 64 kHz et réduisent ainsi le niveau d’interférence que je peux mesurer dans la distribution. À 1 heure du matin, seules quelques charges sont encore actives, les niveaux ont alors un effet plus important et peuvent être mesurés avec des valeurs plus élevées dans la distribution au sous-sol.

L’enfant de 12 ans a une limite de temps d’une heure et cette limite a été clairement dépassée dans ce cas avec 2 heures.

L’image montre la fréquence de 64 kHz sur la tension de la phase L3 de la distribution. Cette phase alimente également la deuxième chambre d’enfant et peut donc être clairement attribuée au fils cadet.

L’analyseur de qualité d’énergie PQ-Box 300 utilise des convertisseurs d’entrée analogiques-numériques 24 bits et un taux d’échantillonnage de 409,6 kHz. Grâce à la résolution extrêmement élevée, même les plus petits niveaux d’interférence de quelques millivolts peuvent être mesurés et attribués avec une grande précision. La plage de mesure des super harmoniques couvre des fréquences allant jusqu’à 170 kHz. Celles-ci peuvent être enregistrées en permanence, sans interruption, sur une longue période de mesure. Pour les problèmes décrits ci-dessus, il est rarement possible de détecter la cause à l’aide d’une courte mesure en ligne. En règle générale, toutes les données de mesure doivent être enregistrées sans restriction pendant au moins une semaine afin de pouvoir, par la suite, attribuer clairement le moment de la perturbation ainsi que la cause en corrélant les différentes valeurs de mesure.

Conclusion

Le retour d’information dans la gamme de fréquences comprise entre 2kHz et 150kHz est en constante augmentation dans nos réseaux énergétiques depuis plusieurs années et cette tendance va se poursuivre, également sous l’impulsion de la transition énergétique. D’autre part, nous contrôlons de plus en plus d’appareils et de systèmes avec de petits signaux. Les interférences mutuelles ne sont pas à exclure. Aujourd’hui, les règles du jeu pour le réseau public sont définies dans la norme CEM IEC61000-2-2, qui régit avec ses valeurs limites jusqu’à 150 kHz si une charge introduit des niveaux d’interférence trop élevés dans le réseau au niveau de la connexion, ou si un appareil perturbé a une immunité à l’interférence trop faible. La technologie de mesure peut le prouver. Si le niveau d’interférence reste inférieur aux valeurs limites et qu’une charge est influencée négativement, l’immunité aux interférences est probablement trop faible. Si la valeur limite de la norme est dépassée, il est presque certain que la source de l’interférence fournit trop de rétroaction dans le réseau.

L’analyseur de réseau de qualité d’énergie PQ-Box 300 utilisé utilise des convertisseurs d’entrée analogiques-numériques de 24 bits et un taux d’échantillonnage de 409,6 kHz. Grâce à la résolution extrêmement élevée, même les plus petits niveaux d’interférence de quelques millivolts peuvent être mesurés et attribués avec une grande précision. La plage de mesure des super harmoniques couvre des fréquences allant jusqu’à 170 kHz. Celles-ci peuvent être enregistrées en permanence, sans interruption, sur une longue période de mesure. Pour les problèmes décrits ci-dessus, il est rarement possible de détecter la cause à l’aide d’une courte mesure en ligne. En règle générale, toutes les données de mesure doivent être enregistrées sans restriction pendant au moins une semaine afin de pouvoir attribuer clairement le moment de la perturbation et la cause plus tard en corrélant les différentes valeurs de mesure.

Auteur
Jürgen Blum, Product Manager Power Quality Mobile

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