Concevoir des systèmes d'alimentation sûrs et fiables pour l'alimentation électrique dans les mines

Dans les mines du monde entier, les équipements électriques transportent, concassent et broient la roche, acheminent les matières premières, éclairent les galeries sombres, font fonctionner les pompes et les ventilateurs, et alimentent les foreuses, les machines de coupe, les capteurs de poussières et les treuils. La défaillance des équipements entraîne des arrêts de production coûteux, et c'est pourquoi une haute fiabilité est attendue malgré les vibrations, les chocs et l'exposition aux produits chimiques, à la poussière, à la chaleur et à l'humidité.

Le développement de réseaux d'alimentation électrique pour cet environnement tout en garantissant la sécurité des travailleurs constitue un défi, toutefois facilité par la disponibilité de produits électriques commerciaux certifiés conformes aux normes internationales de fonctionnement et de sécurité. Pour simplifier la conception système et garantir la compatibilité entre les composants, les concepteurs peuvent se tourner vers une source unique pour la plupart des équipements nécessaires à la création d'une solution complète.

Cet article décrit brièvement les exigences environnementales et de qualité d'alimentation électrique que l'exploitation minière impose aux équipements électriques. Il présente ensuite des solutions spécialisées de SolaHD et explique comment elles peuvent être appliquées dans le cadre d'une approche à plusieurs niveaux pour garantir la qualité d'alimentation électrique et la sécurité des travailleurs.

Les enjeux du génie électrique souterrain

Dans les mines, les équipements sont exposés à des liquides corrosifs, à des poussières combustibles, à des saletés, à des produits chimiques agressifs, à de fortes vibrations, à des impacts aléatoires, à des pointes de puissance et à des variations extrêmes de température. Cependant, les équipements et leurs systèmes électriques doivent être sûrs et fiables.

Aux États-Unis, la sécurité est renforcée par la supervision d'institutions telles que la MSHA (Mine Safety and Health Administration) et la loi Federal Mine Safety and Health Act de 1977. Une autre norme américaine est la norme NEC (National Electrical Code), ou NFPA (National Fire Protection Association) 70. Cette norme couvre l'installation sécurisée des câbles et des équipements électriques. L'article 500 du NEC exige l'installation d'équipements conformes au code, testés et approuvés pour des dangers spécifiques, y compris ceux présents dans les mines et leurs environs.

Garantir la qualité d'alimentation électrique implique de comprendre l'architecture électrique de base et les problèmes associés.

Les mines s'approvisionnent généralement en électricité à partir du réseau CA, bien que l'alimentation CC haute tension, fournie par la conversion CA/CC ou par des micro-réseaux CC sur site, soit également utilisée. Les alimentations secourues (UPS) sont un exemple. Les systèmes suivent une conception de base : l'énergie haute tension du réseau CA alimente les transformateurs haute tension qui alimentent une sous-station principale. La sous-station principale distribue l'énergie à plusieurs sous-stations secondaires et directement aux plus grandes charges de moteurs de la mine. Les sous-stations secondaires alimentent les charges moyenne tension et les transformateurs moyenne/basse tension connectés à d'autres équipements.

Bien qu'un tel réseau d'approvisionnement soit typiquement stable, des problèmes de qualité d'alimentation électrique se produisent souvent. Ces problèmes se présentent sous la forme de coupures de courant, de baisses de tension, de chutes de tension, de surtensions, de transitoires de tension, de distorsions harmoniques et de bruit électrique (Figure 1).

Figure 1 : Les formes d'onde représentent les problèmes de qualité d'alimentation électrique. (Source de l'image : auteur, utilisant des informations de SolaHD)

Considérons les causes et les effets de ces problèmes de qualité d'alimentation électrique :

Coupures de courant : Il s'agit de pertes de puissance complètes pendant une période prolongée, généralement causées par un accident ou une panne d'équipement dans le réseau de production ou de distribution du fournisseur d'énergie électrique. Les coupures de courant peuvent provoquer des défaillances matérielles et des pannes d'équipements informatiques, interrompre les opérations et réduire la durée de vie des équipements électriques.

Baisses de tension : Elles décrivent ce qui se passe lorsque la tension fournie est inférieure aux niveaux minimum normaux pendant une période prolongée. Elles se produisent lorsqu'une surcapacité ou d'autres problèmes de réseau obligent le fournisseur d'énergie électrique à réduire la tension pour faire face à la demande. Les effets des baisses de tension sont similaires à ceux des coupures.

Chutes de tension : Les chutes de tension et les conditions de sous-tension sont les perturbations de qualité d'alimentation électrique les plus fréquentes dans le secteur minier. Elles se produisent lorsqu'une augmentation significative de la charge sollicite l'alimentation, provoquant une chute de la tension d'alimentation en dessous d'un niveau seuil. L'IEEE définit une chute comme une réduction de tension de 10 % à 90 % en dessous de la tension normale de 60 hertz (Hz). Un événement de chute de tension dure moins d'une minute mais plus de 8 millisecondes (ms). Les sous-tensions durent plus d'une minute.

Les chutes de tension et les sous-tensions peuvent provoquer le déclenchement intempestif d'un disjoncteur, un dysfonctionnement et un arrêt de l'équipement, ou une panne prématurée de l'équipement. La poursuite du fonctionnement augmente le risque de combustion ou d'explosion. Les signes de ces problèmes incluent des lumières qui baissent ou qui vacillent, des unités CVC qui fonctionnent mal, des moteurs qui chauffent et des systèmes de contrôle d'automatisation et des ordinateurs qui se bloquent ou s'arrêtent.

Surtensions : Une pointe d'énergie ou surtension est une augmentation temporaire du niveau de tension pendant une durée s'étendant d'un demi-cycle de fréquence à quelques secondes. Ces perturbations peuvent être causées par l'arrêt de moteurs électriques haute puissance et par le cyclage normal des systèmes CVC. Une exposition répétée aux surtensions peut solliciter et affaiblir les systèmes et provoquer de faux déclenchements de disjoncteurs et d'autres dispositifs de protection.

Un autre problème associé aux surtensions est la dégradation de l'isolation. La détérioration de l'isolation compromet le fonctionnement sûr du système électrique de la mine en servant de catalyseur à des incendies ou en déclenchant des explosions de méthane ou de poussière de charbon.

Transitoires de tension : Les transitoires ou pointes de tension résultent d'augmentations soudaines et significatives de la tension provoquées par des facteurs externes tels que la foudre et la commutation du réseau électrique. Ils peuvent également provenir de l'intérieur de la mine en raison de courts-circuits, du déclenchement de disjoncteurs et du démarrage d'équipements lourds.

Les équipements électroniques sensibles sont les plus exposés aux transitoires de tension qui peuvent entraîner le blocage ou la panne du système, corrompant ou supprimant des données précieuses.

Distorsions harmoniques : Des problèmes de tension surviennent lorsque des multiples de la fréquence fondamentale (comme 180 Hz dans un système de 60 Hz) apparaissent dans l'onde sinusoïdale d'alimentation. La distorsion harmonique est due aux caractéristiques non linéaires de dispositifs tels que les variateurs de vitesse (VSD) et les charges sur le système électrique. Les harmoniques entraînent un échauffement accru des équipements et des conducteurs, un mauvais démarrage des VSD et des pulsations de couple dans les moteurs. Les autres symptômes de la distorsion harmonique dans un système électrique minier incluent des interférences avec le système de communication de la mine, le vacillement des lumières, le déclenchement des disjoncteurs et le desserrement des connexions électriques.

De nombreux moteurs électriques sont présents dans les mines, dont la plupart sont équipés de VSD non linéaires, ce qui en fait la principale source d'harmoniques dans une exploitation minière. De plus, l'utilisation d'un redresseur à deux alternances dans les moteurs améliore le rendement mais génère des harmoniques considérables.

Bruit électrique : Il s'agit d'une perturbation à faible amplitude, faible courant et haute fréquence générée à l'intérieur et à l'extérieur de la mine. Les sources incluent les éclairs lointains, les alimentations à découpage, les circuits électroniques, les contacts de balais de moteur médiocres et le câblage défectueux.

Les signaux de bruit se superposent aux formes d'onde de tension et peuvent provoquer des problèmes informatiques et des effets indésirables dans les circuits des systèmes de commande.

Résoudre les problèmes de qualité d'alimentation électrique

Le meilleur moyen de relever les défis critiques d'une demande continue d'énergie de haute qualité dans le secteur minier, tout en garantissant la robustesse et de hauts niveaux de sécurité électrique, est d'adopter une approche à plusieurs niveaux en utilisant des équipements certifiés qui incluent des alimentations secourues, des dispositifs de conditionnement de puissance, des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD), des transformateurs et des alimentations.

Le Tableau 1 répertorie les équipements optimaux pour contrôler un problème particulier de qualité d'alimentation électrique.

Tableau 1 : Divers dispositifs de protection sont nécessaires pour faire face à tous les problèmes de qualité d'alimentation électrique susceptibles de survenir dans l'environnement minier. (Source de l'image : SolaHD)

Il est utile de travailler avec un fournisseur unique, tel que SolaHD, pour une approche de qualité d'alimentation électrique à plusieurs niveaux afin de simplifier les processus de conception, d'acquisition et de déploiement, et de garantir la compatibilité. Par exemple, l'alimentation secourue autonome SDU500B de l'entreprise fournit une alimentation de secours pendant 4 minutes (min) et 20 secondes (s) à pleine charge et 14 min et 30 s à demi-charge en cas de coupure de courant (Figure 2). Comme illustré dans le Tableau 1, cette alimentation secourue prend également en charge l'alimentation principale en cas de baisses de tension, de chutes de tension, de surtensions, de transitoires de tension et d'harmoniques.

Figure 2 : L'alimentation secourue autonome SDU500B fournit une alimentation de secours pendant 4 min et 20 s à pleine charge. (Source de l'image : SolaHD)

L'alimentation secourue est montée sur rail DIN et utilise des batteries au plomb-acide scellées (SLA) sans maintenance, qui sont complètement chargées en huit heures. Elle fournit une sortie de 300 watts (W), 120 volts (V) avec une onde sinusoïdale simulée de 50 Hz à 60 Hz et un temps de transfert inférieur à 8 ms. L'alimentation secourue peut fonctionner sur une plage de températures de 0°C à 50°C et elle constitue un « composant reconnu » pour une utilisation dans les environnements dangereux classés par zone conformément à la norme E491259, ce qui la rend adaptée aux opérations minières.

Les dispositifs de conditionnement de puissance de SolaHD peuvent également réguler une tension à ±1 % pour des variations d'entrée jusqu'à +10/-20 %, fournissent une atténuation supérieure du bruit et sont conçus pour résister aux environnements électriques les plus difficiles.

Les dispositifs de conditionnement de puissance utilisent une technique de conception de transformateur appelée ferrorésonance qui crée deux chemins magnétiques distincts dans le dispositif avec un couplage limité. L'un des avantages de cette conception est que le courant d'entrée contient un courant harmonique négligeable par rapport au fondamental. Le côté sortie du transformateur comporte un circuit oscillant résonant parallèle et tire l'énergie du primaire pour remplacer l'énergie fournie à la charge.

Le régulateur câblé MCR 120 VA 63-23-112-4 de SolaHD, par exemple, est un dispositif de conditionnement de puissance qui fournit une sortie de 120 V (± 3 %) à partir d'une entrée de 120 V, 208 V, 240 V ou 480 V. Il garantit un excellent filtrage du bruit et une protection contre les surtensions ainsi qu'une régulation de tension. L'atténuation du bruit est de 120 décibels (dB) en mode commun et de 60 dB en mode transverse. La protection contre les surtensions est testée selon ANSI/IEEE C62.41 classes A et B. Le régulateur câblé MCR constitue un bon choix lorsque des baisses de tension, des chutes de tension, des surtensions, des transitoires, des harmoniques et du bruit électrique sont attendus.

Les SPD offrent une protection contre les transitoires de tension endommageant les équipements. Le suppresseur de surtension transitoire (TVSS) STV25K-24S de SolaHD est un dispositif à montage sur rail DIN qui fonctionne à partir d'une entrée de 240 V (jusqu'à 20 A) et fournit une protection au point d'utilisation en utilisant une varistance à oxyde métallique (MOV) (Figure 3).

Figure 3 : Le SPD TVSS STV25K-24S est un dispositif à montage sur rail DIN qui fonctionne à partir d'une entrée de 240 V (jusqu'à 20 A) et fournit une protection contre les surtensions au point d'utilisation. (Source de l'image : SolaHD)

Le SPD de SolaHD convient à une installation dans les armoires de commande dans les environnements industriels difficiles tels qu'une exploitation minière. Le dispositif fournit 25 000 A de protection contre les surtensions par phase. Le temps de réponse à un transitoire est inférieur à 5 nanosecondes (ns). Le SPD intègre un fusible thermique pour empêcher la surchauffe de la varistance MOV causée par des niveaux de courant excessifs.

Spécification des transformateurs d'isolement et des alimentations

En plus d'élever ou d'abaisser une tension CA d'entrée à une valeur de sortie appropriée, les transformateurs d'isolement peuvent protéger les dispositifs connectés au côté secondaire contre les harmoniques et le bruit électrique.

Un exemple est l'E2H112S de SolaHD. Ce transformateur d'isolement est un type sec écoénergétique doté d'un blindage contre les intempéries. Il dispose d'une entrée primaire de 480 V (jusqu'à 135 A), offre 208 V ou 120 V à partir du secondaire (jusqu'à 315 A) et est répertorié à 112,5 kilovolts-ampères (kVA) (Figure 4). Le transformateur atténue également les harmoniques et le bruit électrique.

Figure 4 : Le transformateur d'isolement E2H112S prend une entrée de 480 V côté primaire et fournit 208 V ou 120 V côté secondaire. Le transformateur atténue également les harmoniques et le bruit électrique. (Source de l'image : SolaHD)

Le transformateur doit être protégé contre les courants d'appel par un disjoncteur. Une bonne pratique de conception consiste à sélectionner un disjoncteur avec une temporisation appropriée pour éviter les déclenchements intempestifs. Ce phénomène se produit lorsque le courant d'appel est élevé mais d'une durée insuffisante pour endommager le transformateur.

Les alimentations sont essentielles à tout système d'alimentation électrique, car elles fournissent un courant alternatif ou continu aux équipements et contribuent à filtrer le bruit électrique de l'alimentation principale. Les versions à montage sur rail DIN sont compactes et permettent des gains d'espace. Des modèles CA monophasés et triphasés sont disponibles. Il est également possible de spécifier des dispositifs capables de supporter des chutes de tension jusqu'à la moitié de la tension de ligne sans interruption de la puissance de sortie.

SolaHD propose une gamme d'alimentations à rail DIN, telles que l'alimentation CA/CC SDN5-24-100C (Figure 5). Cette alimentation monophasée est conforme à la spécification E234790 pour environnements dangereux. Elle peut accepter une entrée de 85 VCA à 264 VCA ou une entrée de 90 VCC à 375 VCC, fournissant une sortie nominale de 24 V. Le courant de sortie est de 5 A. L'ondulation de tension sur la sortie est inférieure à 50 millivolts (mV) crête-à-crête. L'alimentation offre une haute immunité aux interférences électromagnétiques (EMI) et présente une plage de températures de fonctionnement de -25°C à +60°C. Elle est compacte, avec un format de 123 mm x 50 mm x 111 mm, et offre une protection contre les courts-circuits continus, les surcharges continues et les circuits ouverts continus.

Figure 5 : L'alimentation à montage sur rail DIN compacte SDN5-24-100C mesure 123 mm x 50 mm x 111 mm. (Source de l'image : SolaHD)

Conclusion

Les mines sont des environnements exigeants, tant sur le plan physique qu'électrique, dans lesquels la qualité d'alimentation électrique et la sécurité des travailleurs doivent être garanties. Les concepteurs doivent adopter une approche à plusieurs niveaux où chaque composant du système d'alimentation électrique peut fonctionner de manière fiable tout en atténuant les problèmes de qualité d'alimentation électrique. Les équipements électriques doivent également respecter les réglementations de sécurité en vigueur. En travaillant avec un seul fournisseur, les concepteurs peuvent rapidement construire un réseau électrique qui améliore la fiabilité du site, réduit les coûts de maintenance, garantit la sécurité et atténue les problèmes de qualité d'alimentation électrique avant qu'ils n'affectent les opérations.