Qualité de l'énergie dans les moteurs : creux de tension et harmoniques

Le bon fonctionnement d'un moteur électrique ne dépend pas seulement du moteur lui-même, mais aussi de la qualité de l'énergie qui l'alimente. Dans des conditions idéales, la tension venant du réseau doit présenter une amplitude constante, être équilibrée et avoir une forme d'onde propre. Or, dans les installations réelles, la situation est le plus souvent différente : la tension subit des chutes soudaines, la forme d'onde se déforme, des déséquilibres apparaissent entre les phases. Tous ces phénomènes défavorables sont regroupés sous le titre de « qualité de l'énergie » et affectent directement les performances, la durée de vie et la fiabilité des moteurs. Dans cet article, nous traitons de ce que signifie la qualité de l'énergie, des effets du creux de tension (sag) et de la distorsion harmonique sur les moteurs, ainsi que des moyens d'améliorer la qualité de l'énergie, avec l'expérience de DRG Motor en matière de moteurs asynchrones.

Qu'est-ce que la qualité de l'énergie ?

La qualité de l'énergie est une notion qui définit à quel point la tension et le courant d'une installation électrique sont proches de leurs valeurs idéales. Une alimentation idéale fournit une tension d'amplitude constante, de fréquence constante, équilibrée et de forme sinusoïdale pure. En réalité, les creux de tension, les harmoniques, les déséquilibres et les surtensions transitoires altèrent cet idéal. Les problèmes de qualité de l'énergie affectent les moteurs autant que les équipements sensibles.

Pourquoi les moteurs sont-ils affectés par la qualité de l'énergie ?

Les moteurs asynchrones sont sensibles à l'amplitude et à la forme d'onde de la tension. À tension réduite, le couple diminue ; avec une forme d'onde déformée, des pertes et un échauffement supplémentaires apparaissent ; avec une alimentation déséquilibrée, une perte de rendement se produit. Pour examiner la logique de fonctionnement de base du moteur, vous pouvez consulter notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique ; cela facilite la compréhension des effets de la qualité de l'énergie.

Un moteur convertit l'énergie électrique qu'il reçoit du réseau en énergie mécanique par l'intermédiaire d'un champ magnétique. Cette conversion exige que l'alimentation soit propre et stable. Lorsque la tension se dégrade, le champ magnétique à l'intérieur du moteur se dégrade également et la conversion devient inefficace. De plus, le moteur ne peut pas se protéger lui-même contre ces dégradations ; il continue à fonctionner sous une alimentation dégradée et s'use avec le temps. C'est pourquoi la qualité de l'énergie est un facteur qui détermine la santé du moteur tout en restant extérieur à celui-ci. Plus l'infrastructure énergétique de l'installation est saine, plus les moteurs fonctionnent longtemps et sans problème.

Principaux problèmes de qualité de l'énergie

Les principaux problèmes de qualité de l'énergie qui concernent les moteurs sont les suivants : creux de tension (sag/dip), surtension transitoire, distorsion harmonique, déséquilibre de tension et écarts de fréquence. Chacun d'eux produit un effet défavorable différent sur le moteur et se corrige par des mesures différentes.

Qu'est-ce qu'un creux de tension (sag) ?

Le creux de tension est la chute de la tension du réseau sous sa valeur nominale pendant une courte durée. Il dure généralement une petite fraction de seconde, mais son effet sur les moteurs est important malgré cette brièveté. Les creux de tension peuvent être provoqués par l'enclenchement de charges importantes, par des défauts sur le réseau ou par l'effet d'un court-circuit à proximité.

Effet du creux de tension sur le moteur

Le couple d'un moteur asynchrone est proportionnel au carré de la tension. C'est pourquoi une baisse de tension entraîne une baisse bien plus marquée du couple. Par exemple, lorsque la tension chute sensiblement, le couple produit par le moteur peut descendre à un niveau incapable d'entraîner la charge. Dans ce cas, le moteur ralentit et peut même s'arrêter.

Cette relation quadratique explique pourquoi les creux de tension sont aussi dangereux pour les moteurs. Une baisse moyenne de la tension se transforme en une perte de couple bien plus importante. Sur un moteur qui travaille près de sa charge, c'est-à-dire avec une faible marge de couple, cette perte descend sous le seuil critique et fait que le moteur ne peut plus entraîner la charge. Alors que les charges à forte inertie surmontent plus facilement les creux courts, les applications sensibles exigeant un couple continu sont sérieusement affectées par ces baisses. C'est pourquoi il est judicieux, lors du dimensionnement du moteur, de laisser une marge de couple face aux creux de tension prévisibles.

Ralentissement et arrêt pendant le creux

Si un moteur en charge ne peut pas produire un couple suffisant pendant un creux de tension, sa vitesse diminue. Si le creux est bref, le moteur peut réaccélérer ; mais si le creux est profond ou long, le moteur peut s'arrêter. Sur une ligne de production qui doit fonctionner en continu, un tel arrêt peut interrompre l'ensemble du processus.

Redémarrage après le creux

Lorsque la tension revient à la normale, les moteurs ralentis ou arrêtés tentent de réaccélérer. Pendant ce redémarrage, les moteurs appellent un courant élevé. Si de nombreux moteurs redémarrent en même temps dans une installation, cette demande de courant simultanée peut solliciter davantage le réseau et provoquer une seconde chute de tension.

Les creux de tension affectent aussi les bobines des contacteurs du circuit de commande du moteur. Lorsque la tension descend sous un certain niveau, le contacteur peut retomber et le moteur peut s'arrêter involontairement. Cette situation provoque une interruption de production même si le creux est très bref. Le choix du contacteur et la conception de la tension de commande sont déterminants à cet égard ; le choix du coffret et du contacteur doit être effectué correctement.

Qu'est-ce que la distorsion harmonique ?

Les harmoniques sont des composantes de tension et de courant indésirables qui sont des multiples de la fréquence fondamentale. Elles altèrent l'onde sinusoïdale idéale et déforment la forme d'onde. Les harmoniques sont généralement produites par des charges non linéaires ; les variateurs de fréquence, les redresseurs et les appareils électroniques en sont les principales sources. Les effets des harmoniques constituent un sujet de plus en plus important dans les installations modernes.

Échauffement supplémentaire provoqué par les harmoniques dans le moteur

Un moteur alimenté par une tension riche en harmoniques subit des pertes supplémentaires dues aux composantes situées hors de la fréquence fondamentale. Ces pertes produisent une chaleur supplémentaire dans les bobinages et dans le noyau de fer. Le moteur fonctionne plus chaud à charge égale. Une température élevée continue raccourcit la durée de vie de l'isolation et peut conduire à une défaillance précoce du moteur.

Les composantes harmoniques de fréquence élevée accentuent des phénomènes tels que l'effet de peau (skin effect) dans les conducteurs du moteur et augmentent encore les pertes. Les harmoniques peuvent en outre provoquer des ondulations de couple et des vibrations supplémentaires dans le moteur ; cela accélère l'usure mécanique et augmente le bruit. Une conséquence importante de l'élévation de température est l'accélération du vieillissement du matériau isolant. En règle générale, une augmentation continue de la température du bobinage correspond à un raccourcissement sensible de la durée de vie attendue du moteur. C'est pourquoi faire fonctionner les moteurs travaillant dans des environnements riches en harmoniques à charge légèrement réduite (déclassement) peut être un moyen de préserver leur durée de vie.

Effet des harmoniques sur le rendement

Les pertes supplémentaires n'entraînent pas seulement un échauffement, mais aussi une baisse de rendement. Un moteur qui travaille dans un environnement riche en harmoniques appelle plus d'énergie au réseau pour accomplir le même travail. Cette situation augmente les coûts énergétiques à long terme. C'est pourquoi les harmoniques sont réduites à la source ; la santé du moteur comme l'efficacité énergétique en dépendent.

Relation entre variateur de fréquence et harmoniques

Les variateurs de fréquence offrent un grand avantage en matière d'économie d'énergie et de contrôle de vitesse ; toutefois, de par leur principe de fonctionnement, ils peuvent injecter des harmoniques dans le réseau. C'est pourquoi, lorsque l'économie d'énergie avec un variateur de fréquence est obtenue, la gestion des harmoniques est également planifiée. Cet équilibre peut être établi avec des mesures de filtrage appropriées.

Déséquilibre de tension

Dans un système triphasé, l'écart de tension entre les phases provoque de sérieux problèmes dans le moteur. Même un faible déséquilibre peut augmenter sensiblement la température du bobinage et abaisser le rendement. L'effet du déséquilibre de tensionest l'une des dimensions de la qualité de l'énergie les plus souvent négligées mais les plus nuisibles.

Sources du déséquilibre

Le déséquilibre de tension provient généralement d'une répartition inégale des charges entre les phases. La concentration de charges monophasées sur une seule phase rompt l'équilibre entre les phases. Les connexions desserrées et les différences de résistance des câbles contribuent également au déséquilibre. Une répartition équilibrée des charges entre les phases réduit fortement ce problème.

Surtensions transitoires

À l'inverse du creux de tension, la tension peut dans certains cas monter soudainement au-dessus de sa valeur nominale. Le déclenchement de charges importantes ou des impulsions d'origine atmosphérique peuvent provoquer cette situation. La surtension sollicite l'isolation du moteur et accélère son vieillissement à long terme. Les organes de protection prennent des mesures contre ces impulsions.

Les impulsions de tension très brèves mais de forte amplitude (transitoires) constituent en particulier une menace insidieuse pour l'isolation du moteur. Prises isolément, ces impulsions peuvent ne pas détériorer immédiatement le moteur, mais, en se répétant, elles accumulent des micro-dommages dans l'isolation. Avec le temps, ces dommages se conjuguent et conduisent au claquage de l'isolation et à un court-circuit. Sur les moteurs pilotés par variateur, la commutation rapide en sortie du variateur peut aussi provoquer des pics de tension aux bornes du moteur ; dans ce cas, on utilise une classe d'isolation de moteur appropriée et, si nécessaire, des filtres de sortie.

Résumé des problèmes de qualité de l'énergie

Rôle des relais de protection dans la qualité de l'énergie

Les relais de protection moteur modernes peuvent surveiller non seulement la surcharge, mais aussi le creux de tension, le déséquilibre et la perte de phase. La perte de phase et le déséquilibre : dans ces situations, ils mettent le moteur hors circuit et évitent les dommages. Ces relais constituent la première ligne de défense contre les problèmes de qualité de l'énergie.

Mise à la terre et qualité de l'énergie

Une bonne mise à la terreréduit l'effet du bruit et des courants de fuite et permet aux organes de protection de fonctionner correctement. Un dispositif de mise à la terre solide est à la base des travaux d'amélioration de la qualité de l'énergie.

Moyens d'améliorer la qualité de l'énergie

Il existe plusieurs approches fondamentales pour améliorer la qualité de l'énergie : renforcer la ligne d'alimentation, répartir les charges de façon équilibrée entre les phases, utiliser des filtres d'harmoniques, réaliser une compensation d'énergie réactive et choisir correctement les organes de protection. L'application conjointe de ces mesures allonge la durée de vie du moteur et améliore la continuité de l'exploitation.

Les travaux d'amélioration doivent toujours commencer par un diagnostic correct du problème. Par exemple, renforcer la ligne d'alimentation ne donne pas le résultat attendu lorsque le véritable problème est la distorsion harmonique ; de même, installer un filtre d'harmoniques ne résout pas un problème de déséquilibre. C'est pourquoi on mesure d'abord, on détermine le problème dominant et on choisit la mesure adaptée. Comme plusieurs problèmes coexistent dans la plupart des installations, la solution exige généralement l'application conjointe de plusieurs mesures. Il faut aussi tenir compte des interactions entre les mesures ; par exemple, un risque de résonance peut apparaître entre les condensateurs de compensation et les harmoniques.

Énergie réactive et compensation

Les moteurs asynchrones appellent de l'énergie réactive pour fonctionner. Cette énergie réactive charge inutilement le réseau et contribue aux chutes de tension. La compensation, en fournissant l'énergie réactive sur place au moyen de condensateurs, réduit la charge du réseau et améliore la qualité de la tension. Toutefois, l'interaction entre la compensation et les harmoniques est gérée avec soin.

La fourniture de l'énergie réactive sur place réduit le courant dans la ligne d'alimentation ; cela atténue la chute de tension sur la ligne et permet à une tension plus élevée d'atteindre les bornes des moteurs. Ainsi, la compensation peut aussi atténuer indirectement les effets du creux de tension. Cependant, dans un environnement riche en harmoniques, les condensateurs de compensation peuvent entrer en résonance avec certaines fréquences harmoniques et, au lieu d'abaisser la tension, l'élever. Pour maîtriser ce risque, on préfère dans les installations comportant des harmoniques des armoires de compensation à réactance (detuned). C'est pourquoi la conception de la compensation est traitée avec l'ensemble de la qualité de l'énergie.

Stratégie de redémarrage échelonné

Le démarrage simultané de tous les moteurs après un creux de tension peut provoquer des problèmes secondaires. C'est pourquoi, dans les grandes installations, on fait redémarrer les moteurs de façon échelonnée, selon un ordre déterminé. Cette stratégie évite la chute de tension provoquée par le courant de démarrage simultané et permet au système de se rétablir plus régulièrement.

Qualité de l'énergie dans les applications sensibles

Certains procédés de production ne supportent même pas un bref arrêt du moteur. Dans ces applications, qui doivent fonctionner en continu et sans interruption, la qualité de l'énergie devient encore plus critique. Les systèmes de convoyage et les autres applications exigeant un flux continu : un creux de tension peut y arrêter toute la ligne.

Gestion de la qualité de l'énergie dans les installations industrielles

D'une manière générale, dans les installations utilisant des moteurs électriques industriels , la qualité de l'énergie est traitée comme un sujet d'ingénierie distinct. Le profil de charge de l'installation, le nombre de moteurs et leur sensibilité déterminent les mesures de qualité de l'énergie nécessaires. Une gestion bien conçue de la qualité de l'énergie réduit fortement les arrêts imprévus.

Surveillance et mesure

La première étape pour résoudre les problèmes de qualité de l'énergie consiste à les mesurer et à les surveiller. La mesure régulière de paramètres tels que la tension, le niveau d'harmoniques et le déséquilibre permet de repérer tôt les problèmes cachés. Les améliorations réalisées sans données de mesure n'atteignent le plus souvent pas leur but.

Comme les problèmes de qualité de l'énergie sont le plus souvent intermittents et passagers, il est difficile de les saisir par une mesure ponctuelle. C'est pourquoi les appareils de mesure à enregistrement continu révèlent quand et dans quelles conditions les problèmes se produisent. Par exemple, le creux de tension qui survient au moment de l'enclenchement d'une machine donnée ne peut être mis en relation que grâce à un enregistrement continu. Ces données permettent à la fois de trouver la source du problème et de vérifier si l'amélioration appliquée a été efficace. La mesure est à la fois l'étape initiale et l'étape de vérification de la gestion de la qualité de l'énergie.

Apports d'une bonne gestion de la qualité de l'énergie

Une qualité de l'énergie bien gérée permet aux moteurs de fonctionner plus frais, de préserver le rendement, de réduire les arrêts imprévus et d'allonger la durée de vie des équipements. La qualité de l'énergie est un élément d'infrastructure invisible mais qui affecte directement chaque moteur. L'investissement qui lui est consacré est un investissement dans la santé de l'ensemble du parc de moteurs.

Des solutions de moteurs résistants aux problèmes de qualité de l'énergie avec DRG Motor

DRG Motor évalue ses moteurs asynchrones en tenant compte des conditions réelles des installations. DRG Motor apporte un soutien d'ingénierie pour le choix de moteurs résistants aux creux de tension et aux environnements riches en harmoniques, ainsi que pour la protection correcte et la compatibilité avec les variateurs. Pour déterminer ensemble le moteur le plus adapté aux conditions de qualité de l'énergie de votre installation et obtenir une exploitation sans interruption, contactez l'équipe DRG Motor.