CEM et filtres dans les systèmes de moteurs à variateur de fréquence

Un variateur de fréquence permet de réaliser d'importantes économies d'énergie en réglant souplement la vitesse du moteur ; mais cet avantage s'accompagne d'un effet secondaire invisible : le bruit électrique. Le variateur entraîne le moteur en transformant la tension fixe du réseau en impulsions qui s'ouvrent et se ferment très rapidement. Cette commutation rapide produit des parasites à haute fréquence qui se propagent à la fois par les câbles et par rayonnement dans l'air. Ces parasites peuvent perturber les appareils sensibles du même site, fausser les systèmes de mesure et même raccourcir la durée de vie du moteur lui-même. C'est là qu'interviennent la CEM, c'est-à-dire la compatibilité électromagnétique, et les filtres. Dans cet article, nous traitons de l'origine du bruit électrique produit par le variateur, des courants de mode commun, des filtres d'entrée et de sortie, de l'importance du câble blindé et de la mise à la terre, ainsi que de la façon de bâtir un système de moteur à variateur sain, avec le regard d'ingénieur de DRG.

Qu'est-ce que la CEM et pourquoi est-elle importante ?

La compatibilité électromagnétique (CEM) signifie qu'un appareil n'émet pas vers son environnement de bruit électrique au-delà d'un niveau acceptable et qu'il n'est pas non plus perturbé par le bruit des autres appareils. Dans un site, des dizaines d'appareils partagent le même environnement ; si l'un produit des parasites excessifs, les autres peuvent tomber en défaut. Les variateurs étant de puissantes sources de bruit, la conformité CEM revêt une importance particulière dans les systèmes à variateur.

Pourquoi le variateur produit-il du bruit ?

Les variateurs modernes utilisent la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour entraîner le moteur. Dans cette méthode, la tension s'ouvre et se ferme très rapidement, des milliers de fois par seconde. À chaque ouverture et fermeture, la tension varie avec un front extrêmement raide ; ce sont ces fronts raides qui produisent du bruit électrique sur une large bande de fréquences. Plus la commutation est rapide, plus le moteur est entraîné efficacement, mais plus le bruit augmente également. C'est une question d'équilibre inévitable.

La physique fondamentale est ici la suivante : plus une tension varie en un temps court, plus elle rayonne d'énergie sur un large éventail de fréquences. Les impulsions produites par le variateur s'élevant en quelques microsecondes, le bruit qui en résulte couvre une large bande allant des kilohertz aux mégahertz. Il est donc impossible de supprimer entièrement le bruit du variateur avec un seul filtre ; il faut traiter les différentes zones de fréquence par des mesures différentes. C'est cette approche par couches qui est au fondement de la conception CEM.

Bruit conduit et bruit rayonné

Le bruit du variateur se propage par deux voies. La première est le bruit conduit ; le parasite revient vers le réseau par les câbles de puissance et atteint les autres appareils raccordés à la même ligne. La seconde est le bruit rayonné ; le parasite se disperse dans l'air depuis les câbles et l'appareil, comme une véritable antenne, et perturbe les câbles de signal voisins. Une solution CEM efficace vise à fermer ces deux voies.

Courant de mode commun : le danger caché

Dans les systèmes à variateur, le problème le plus insidieux est le courant de mode commun. La forme d'onde PWM fait que la somme des trois phases n'est pas nulle ; il en résulte un courant à haute fréquence qui circule à travers le carter du moteur, la ligne de terre et les capacités du câble. Le courant de mode commun émet des parasites et peut en outre endommager les roulements du moteur. Nous avons traité de la tension d'arbre et des dommages aux roulements provoqués par ce courant dans notre article câble moteur long, du/dt et onde réfléchie .

Ce qui rend le courant de mode commun insidieux, c'est qu'il n'apparaît le plus souvent pas dans les mesures habituelles. Les courants de phase semblent équilibrés, le moteur paraît fonctionner correctement ; mais en arrière-plan, un courant à haute fréquence circule par les lignes de terre, émet des parasites et accumule une tension sur l'arbre. Le moyen de maîtriser ce courant caché est de lui offrir délibérément un chemin de retour court, contrôlé et de faible impédance. Le câble blindé et une mise à la terre correcte font exactement ce travail : au lieu de laisser le courant libre, ils le canalisent vers une voie sûre.

Filtre d'entrée (filtre CEM)

Le filtre CEM d'entrée, placé côté réseau du variateur, empêche le bruit conduit de revenir vers le réseau. Ce filtre est un circuit composé de bobines et de condensateurs ; il filtre les parasites à haute fréquence et empêche un courant non propre d'atteindre les autres appareils de la ligne. De nombreux variateurs intègrent un filtre CEM de base ; dans les environnements plus difficiles, on ajoute un filtre externe.

Les problèmes côté sortie

Le bruit ne pose pas seulement problème côté réseau, mais aussi sur le câble de sortie entre le variateur et le moteur. Si le câble est long en particulier, les impulsions PWM se réfléchissent le long du câble et peuvent porter la tension aux bornes du moteur à des niveaux dangereux. Cette situation sollicite l'isolation du moteur et peut conduire avec le temps à un défaut de bobinage. Des filtres distincts sont indispensables côté sortie.

Filtre du/dt

Le filtre du/dt adoucit les fronts raides des impulsions de sortie. Autrement dit, il limite la rapidité de montée de la tension. Cet adoucissement réduit les réflexions qui se forment le long du câble et abaisse les surtensions aux bornes du moteur. Sur les câbles de longueur moyenne, le filtre du/dt assure le plus souvent une protection suffisante et allonge la durée de vie de l'isolation du moteur.

Filtre sinus

Le filtre sinus est une solution plus puissante que le filtre du/dt. Ce filtre transforme la sortie impulsionnelle produite par le variateur en une onde sinusoïdale presque propre. Le moteur fonctionne alors comme s'il était alimenté directement par un réseau propre. Sur les câbles très longs, dans les applications sensibles ou lorsque le bruit et l'échauffement du moteur sont critiques, on privilégie le filtre sinus. Son coût est plus élevé, mais la protection qu'il apporte est également plus complète.

Comparaison des types de filtres

L'importance du câble blindé

Entre le variateur et le moteur, on utilise impérativement un câble blindé. Le blindage emprisonne le bruit rayonné depuis le câble vers l'air et offre un chemin de retour contrôlé aux courants à haute fréquence. Ne pas utiliser de câble blindé peut réduire à néant tout l'effort de filtrage ; car le bruit se disperse alors alentour comme depuis une antenne non maîtrisée.

Le rôle déterminant de la mise à la terre

L'aspect peut-être le plus critique mais le plus négligé de la CEM est la mise à la terre. Le blindage du câble blindé est mis à la terre aux deux extrémités par une large surface de contact. Une mise à la terre réalisée par un mince fil est inefficace aux hautes fréquences. Une mise à la terre correcte offre au courant de mode commun un chemin de faible impédance et empêche le bruit d'atteindre les circuits sensibles. Une mauvaise mise à la terre rend inopérant même le filtre le plus coûteux.

Cheminement et séparation des câbles

Le passage des câbles de puissance et des câbles de signal dans le même chemin, parallèles et proches les uns des autres, provoque le transfert des parasites vers les lignes de signal. C'est pourquoi le câble de sortie du variateur est tenu aussi loin que possible des câbles de signal et de communication sensibles ; s'il doit les croiser, le croisement se fait à angle droit. Un simple agencement de câbles peut déjà réduire fortement les problèmes de parasites.

L'effet sur les autres appareils

Dans un système où la CEM est négligée, les symptômes sont parfois surprenants : les capteurs proches font des lectures erronées, les lignes de communication se coupent, des cartes électroniques sensibles se réinitialisent ou les appareils de mesure affichent du bruit. Le plus souvent, l'origine de ces problèmes reste longtemps inaperçue. Une solution CEM bien conçue prévient ce type de défauts cachés et apporte la sérénité à l'ensemble du site.

L'effet de la fréquence de commutation

La fréquence de commutation du variateur influe à la fois sur la performance et sur le bruit. Une fréquence de commutation élevée fait tourner le moteur plus silencieusement et plus régulièrement, mais produit davantage de parasites à haute fréquence et de courant de mode commun. Une fréquence de commutation faible réduit quant à elle les parasites mais peut accroître le bruit du moteur. Le choix de la bonne fréquence se fait selon l'application et la stratégie de filtrage.

Ce choix est en réalité un art de l'équilibre. Si l'on souhaite un moteur très silencieux, on augmente la fréquence de commutation, mais il faut alors davantage recourir au filtre de sortie. Si le souci des parasites prime, on abaisse la fréquence, mais le ronflement audible émis par le moteur augmente cette fois. La bonne décision dépend de l'environnement dans lequel le moteur est utilisé : dans les espaces clos où le bruit compte, le silence passe au premier plan, tandis que là où l'électronique sensible est dense, réduire les parasites au minimum devient la priorité.

Limites de longueur de câble

Les fournisseurs de variateurs indiquent généralement une longueur maximale pour le câble blindé. Lorsque cette limite est dépassée, les problèmes de réflexion et de bruit s'aggravent. Dans les applications nécessitant une grande distance, l'utilisation d'un filtre de sortie devient presque obligatoire. Nous avons examiné en détail les effets de la longueur de câble sur le moteur dans notre article câble moteur long et onde réfléchie .

Mesures contre les courants de roulement

Le courant de mode commun accumule une tension sur l'arbre du moteur et peut se décharger à la terre à travers les roulements ; ces petites étincelles érodent avec le temps la surface des roulements. On prend contre cela des mesures comme un roulement isolé, une brosse de mise à la terre d'arbre ou un filtre de sortie. Ces mesures allongent directement la durée de vie des moteurs entraînés par variateur.

Les signes des dommages dus aux courants de roulement sont le plus souvent remarqués tardivement. Vient d'abord un léger bruit, puis des vibrations croissantes et enfin une défaillance prématurée du roulement. Les cavités microscopiques formées à la surface du roulement se transforment avec le temps en un motif régulier qui se manifeste dans le spectre vibratoire. C'est pourquoi, sur les moteurs entraînés par variateur, la surveillance des vibrations est aussi un moyen de savoir si les mesures CEM sont efficaces. Limiter d'emblée la tension d'arbre prévient cette cascade de dommages dès l'origine.

Les étapes d'une conception de système saine

Un bon système de moteur à variateur se conçoit correctement dès le départ : un filtre CEM d'entrée adapté, un filtre de sortie choisi selon la longueur du câble, un câble blindé de qualité, une mise à la terre à large surface aux deux extrémités et la séparation des câbles de puissance et de signal. Ces étapes paraissent modestes prises une à une, mais réunies elles protègent le système à la fois des parasites et des défaillances prématurées.

L'implantation dans l'armoire

La CEM ne concerne pas seulement les câbles, mais aussi l'implantation à l'intérieur de l'armoire. Si le variateur, le filtre et les autres organes de commande sont réunis dans une même armoire, leur position relative influe sur la propagation des parasites. Le filtre doit être placé aussi près que possible de l'entrée du variateur ; le câble entre le filtre et le variateur est maintenu court. Un câble intermédiaire long réduit fortement l'effet du filtre. Le corps métallique de l'armoire fait lui aussi office de blindage et limite les parasites lorsqu'il est correctement mis à la terre.

Essai et validation

Après l'installation d'un système à variateur, il est de bonne pratique de valider la performance CEM. On observe si les appareils voisins sont perturbés, si les lignes de communication sont stables et si la température du moteur évolue normalement. Lorsqu'un problème survient, l'origine se trouve le plus souvent dans la mise à la terre ou le cheminement des câbles. Un contrôle systématique facilite la résolution en isolant les parasites un à un.

Le lien avec le rendement

Une solution CEM bien conçue ne fait pas que prévenir les parasites ; elle réduit aussi les pertes inutiles. Des courants de mode commun non maîtrisés et des surtensions excessives créent dans le système des pertes supplémentaires, même modestes. Un entraînement propre laisse aussi de la place à un fonctionnement efficace du moteur. Vous trouverez les origines des pertes de rendement dans notre article pertes de rendement d'un moteur électrique .

Préserver l'économie d'énergie

Le but premier de l'utilisation d'un variateur est l'économie d'énergie ; mais si la fiabilité du système est compromise par des problèmes de parasites, cette économie reste dans l'ombre. Un filtrage correct rend sûre et durable l'économie apportée par le variateur. Nous avons traité du rôle du variateur de fréquence dans l'économie d'énergie dans notre article économie d'énergie avec un variateur de fréquence .

Normes et classes de conformité

La CEM n'est pas un sujet arbitraire ; la quantité de bruit qu'un appareil peut émettre et celle qu'il doit supporter sont définies par des classes de conformité précises. Un variateur est choisi dans la classe adaptée à l'environnement où il sera utilisé et amené à cette classe par les filtres nécessaires. Les environnements résidentiels et tertiaires légers exigent des limites plus strictes, tandis que dans les environnements de l'industrie lourde les limites sont un peu plus souples. L'essentiel est de fixer un objectif de conformité adapté à l'environnement réel de fonctionnement du système et de bâtir la stratégie de filtrage en conséquence. Un mauvais choix de classe conduit soit à un coût inutile, soit à une protection insuffisante.

La CEM en milieu industriel

Dans les sites de l'industrie lourde, de nombreux variateurs, moteurs et systèmes de commande sensibles fonctionnent ensemble. Dans un environnement électrique aussi dense, la CEM n'est pas un détail facultatif mais le fondement de la fiabilité du système. Vous pouvez découvrir les moteurs industriels de DRG conçus pour fonctionner en compatibilité avec les variateurs dans notre article moteurs électriques industriels .

À quoi sert une réactance moteur ?

La réactance moteur est une simple bobine ajoutée à la sortie du variateur, qui adoucit les variations brusques de courant. Elle n'assure pas une protection aussi complète qu'un filtre du/dt ou sinus, mais elle constitue une solution intermédiaire économique sur les câbles de longueur moyenne. En limitant l'ondulation de courant, elle protège le variateur et réduit quelque peu les surtensions atteignant le moteur. Dans les applications au budget limité et où la longueur de câble n'est pas excessive, la réactance moteur offre le plus souvent un point d'équilibre suffisant. Le choix de la solution nécessaire se décide en évaluant ensemble la longueur du câble et la sensibilité de l'application.

Erreurs fréquentes

Voici les erreurs CEM que nous rencontrons le plus souvent sur le terrain : utiliser un câble ordinaire au lieu d'un câble blindé, mettre le blindage à la terre par une seule extrémité ou par un fil mince, tirer les câbles de puissance et de signal côte à côte, faire l'impasse sur le filtre de sortie et croire suffisant le filtre intégré du variateur. Chacune de ces erreurs conduit à des défauts difficiles à diagnostiquer par la suite.

Un entraînement propre et fiable avec DRG Motor

Un système de moteur à variateur, lorsqu'il est établi avec les bons filtres et un câblage soigné, fonctionne silencieusement et efficacement et va au bout de sa durée de vie ; lorsqu'il est négligé, il devient la source de défauts difficiles à diagnostiquer et de pertes d'énergie cachées. Chez DRG, outre nos moteurs conçus pour fonctionner en compatibilité avec les variateurs, nous offrons un accompagnement d'ingénierie sur le choix du filtre, le câblage et le schéma de mise à la terre adaptés à votre système. Si vous rencontrez des problèmes de parasites, de bruit ou de roulements dans votre application à variateur, contactez-nous ; établissons votre système sur des bases saines dès le départ. DRG Motor est à vos côtés avec des solutions d'entraînement propres et fiables.