L'alimentation et ses perturbations
Phénomènes liés à l'électricité
Le produit «électricité» fait l'objet, d'une norme européenne, l'EN 50 160, qui stipule les limites admissibles de 14 grandeurs ou phénomènes caractérisant ou affectant le signal sinusoïdal à 50 Hz. Cette énergie électrique a une particularité : ses caractéristiques ne dépendent pas uniquement de sa production mais pour une large part de son utilisation. Certains phénomènes peuvent affecter les systèmes de transport ou de distribution (foudre, commutations, signaux de télétransmission, ...) mais ils n'entraînent généralement que des perturbations brèves.
Gare aux pollutions !
Les perturbations générées chez les utilisateurs sont le plus souvent permanentes ou répétitives (harmoniques, surcharges, déséquilibres,...). Sans négliger l'un ou l'autre de ces aspects, on conçoit aisément qu'ils ne peuvent être dissociés. Contrairement à une idée répandue, et même si cela dérange un peu notre ego, nous sommes tous des «pollueurs» du réseau. Cette prise de conscience est d'autant plus nécessaire que le développement actuel des produits générant des perturbations est corollaire à celui des produits sensibles à ces mêmes perturbations. C'est dans ce double rôle que Legrand conçoit et améliore ses produits afin qu'ils soient moins sensibles aux perturbations et qu'ils en génèrent le moins possible. Les courbes et relevés qui suivent illustrent la diversité des phénomènes. Quatorze critères caractérisent la qualité de l'énergie électrique distribuée en basse tension.
La fréquence, l'amplitude et les variations de la tension
La fréquence : Elle doit être de 50 Hz avec une tolérance de ± 1 % pendant 95 % d'une semaine et de + 4 / – 6 % pendant 100 % d'une semaine.
L'amplitude de la tension : La valeur normalisée est de 230 V entre phase et neutre.
Les variations de la tension : 95 % des valeurs mesurées pendant une semaine et moyennées sur 10 mn doivent se situer dans une plage de ± 10 %, soit de 207 V à 253 V.
Chutes de tension et "flicker"
Amplitude des variations rapides de tension : Ces variations proviennent essentiellement des appels de courants des fortes charges. Elles ne devraient pas excéder 5 à 10 % de la tension nominale. Des relevés montrent que des baisses momentanées de 30 % sont tout à fait possibles à l'enclenchement de récepteurs comme les moteurs ou les transformateurs.
Séverité du papillotement : Cette sensation également nommée «flicker» se caractérise, comme son nom l'indique, par des variations de lumière qui peuvent être gênantes au-delà d'un certain niveau. Une formule basée sur le rapport des durées des différents niveaux d'éclairage permet de quantifier le niveau de flicker. Ce phénomène est surtout gênant pour les éclairages à incandescence ou les écrans de certains appareils. Il peut avoir pour cause des charges à variations cycliques.
Creux de tension : Ils sont généralement dus à des défauts survenant chez les utilisateurs, mais le plus souvent à des incidents sur le réseau public. Leur nombre est très variable selon les conditions locales et leur durée n'excède généralement pas une seconde.
Coupure de tension brèves ou longues
Les coupures brèves : On parle de coupure brève, ou microcoupure, lorsque la valeur du signal tombe à 0 V. Là encore, la durée n'excède pas une seconde bien qu'une coupure de 1 mn soit encore considérée comme brève.
Les coupures longues : Ces valeurs de coupures longues ne sont pas quantifiées puisqu'elles dépendent d'éléments tout à fait accidentels. Leur fréquence est très variable en fonction de l'architecture du réseau de distribution ou de l'exposition aux aléas climatiques.
Perturbations de la tension
Les déséquilibres de la tension
Les déséquilibres de tension sont provoqués par les charges monophasées de forte puissance. Ils provoquent des composantes de courant inverses qui peuvent provoquer des couples de freinage et des échauffements des machines tournantes. Il est bien sûr conseillé de répartir au mieux les charges sur les trois phases et de protéger les installations par des détecteurs appropriés. La composante inverse de la tension d'alimentation ne devrait pas excéder 2 % de la composante directe.
Les tensions harmoniques
Dans toute la panoplie des perturbations, les harmoniques ont pour particularité de ne pas montrer d'influence locale directe au même titre que les autres perturbations que sont les transitoires, les surtensions, les microcoupures... dont les effets réciproques entre appareils sont à la fois visibles et identifiables.
Les harmoniques désignent un phénomène global où chaque utilisateur n'apporte qu'une petite fraction de perturbations dégradant le réseau, mais où les effets cumulés sont de moins en moins négligeables. L'étude de phénomènes complexes comme les harmoniques a fait l'objet d'ouvrages complets et ardus.
Les tensions interharmoniques
Le phénomène de tensions interharmoniques désigne des composantes de fréquence situées entre les harmoniques. Elles sont dues aux convertisseurs de fréquence, aux onduleurs, aux machines tournantes pilotées, aux appareils à arc. Leur interaction peut provoquer des phénomènes de flicker, mais c'est surtout vis-à-vis des signaux d'information transmis sur le réseau qu'ils doivent être identifiés et contrôlés.
Utilisation du réseau
Le réseau est utilisé par le distributeur pour la transmission de commandes ou de mesures. Les fréquences de ces signaux varient de quelques dizaines de Hz à plusieurs kHz. En revanche, le réseau ne doit pas être utilisé pour la transmission des signaux d'information des installations privées. Ceux-ci, dits à courant porteurs, utilisent des fréquences de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de kHz. Le niveau de tension qu'ils peuvent générer sur le réseau est également fixé par la norme. Cet article, et ce sera notre conclusion, n'a pas la prétention de traiter complètement de phénomènes aussi complexes et aussi divers que ceux qui affectent les conditions d'alimentation. Son but est de démontrer, comme les précédents articles d'ailleurs, que la CEM est un sujet global : les appareils sont dépendants les uns des autres, comme le sont également les équipements et les installations, le distributeur et l'utilisateur. La meilleure réponse au besoin réel du marché ne peut et ne doit passer que par cette vision totale.
Les harmoniques
Définition des harmoniques : Les harmoniques désignent une déformation du signal sinusoïdal due à l'absorption non linéaire du courant. Autrement dit, les charges générant des harmoniques n'absorbent pas un courant qui est l'image exacte de la tension comme le ferait une résistance. Il en résulte que le signal électrique est déformé et que sa valeur réelle est différente de sa valeur théorique. L'observation à l'oscilloscope montre bien un signal déformé qui ne ressemble plus beaucoup à une sinusoïde, dans certains cas. La difficulté est alors d'estimer la vraie valeur de ce signal et ses éventuels impacts.
Pour quantifier et représenter ces phénomènes, on utilise un artifice mathématique nommé «décomposition en série de Fourier» qui permet de représenter n'importe quel signal périodique sous la forme de la somme d'une onde fondamentale et d'ondes additionnelles, les harmoniques, dont la fréquence est multiple de la fondamentale.
- Les rangs d'harmoniques :
- - rang 1 : 50 Hz (fondamentale)
- - rang 2 : 100 Hz
- - rang 3 : 150 Hz
- - rang 5 : 250 Hz
- - rang 7 : 350 Hz
- - rang 50 : 2500 Hz qui est généralement la limite considérée.
Quel est l'impact ?
Hormis des phénomènes destructeurs mais heureusement rares, comme la rupture du conducteur neutre ou le claquage de condensateurs, les effets instantanés sont généralement très limités avec les appareils modernes.
On peut néanmoins citer des déformations d'images, des distorsions du son, des décalages d'horloges à 50 Hz, des mesures erronées avec des appareils à référence de tension... A long terme, on note surtout des échauffements supplémentaires des conducteurs et des circuits magnétiques (moteurs, transformateurs,...). Si globalement les effets sont difficiles à évaluer, il faut surtout être prudent sur la réduction du conducteur de neutre qui peut se trouver surchargé en harmoniques de rang 3 très fréquentes et qui s'additionnent sur ce conducteur.
Les sources d'harmoniques
- Les principales sources d'harmoniques sont :
- - Tous les appareils modernes possédant une alimentation redressée monophasée suivie d'un découpage (rang 3, 5, 7) : télévision, ordinateur, fax, lampe à ballast électronique,
- - Les gradateurs monophasés utilisant la variation de l'angle de phase (rang 3, 5, 7) : variateurs, régulateurs, démarreurs...
- - Les redresseurs de puissance à thyristors (rang 5, 7) : alimentation de moteurs à vitesse variable, de fours, d'onduleurs...
- - Les machines à circuits magnétique si celui-ci est saturé (rang 3) : transformateurs, moteurs.
- - Les appareils d'éclairage à arc contrôlé (rang 3) : lampes à ballast électromagnétique, lampe à vapeur haute pression, tubes fluos...
- - Les équipements à arc (rang 3, 5) : fours, soudure...
Le rang d'harmonique 3 était jusqu'alors prépondérant, mais il est arrêté par les transformateurs MT/BT et ne remonte donc pas sur le réseau de distribution. Ce n'est plus le cas avec les rangs supérieurs 5 et 7 qui croissent actuellement d'où les limites en % de tension fixées par la norme au point de livraison rang 3 : 5%, rang 5 : 6 %, rang 7 : 5 %, rang : 1,5 %, rang 11 : 3,5 %…
