Maintenir la qualité de l'alimentation électrique dans les systèmes automatisés

Comme nous l'avons vu dans un précédent article de DigiKey sur les spécificités de l'alimentation électrique, il existe une demi-douzaine de problèmes affectant l'alimentation (notamment les surtensions, les coupures, l'instabilité de fréquence et le bruit) qui peuvent résulter des fluctuations dans le réseau électrique local. Pour compliquer davantage les choses, des fluctuations peuvent également provenir de chaque équipement d'automatisation électriquement alimenté. Heureusement, il existe une multitude de composants qui peuvent résoudre ces problèmes de régularité d'alimentation électrique. Ces alimentations et d'autres composants électriques permettent aux machines de fonctionner au mieux de leurs capacités, et empêchent également les machines d'avoir un impact négatif sur le réseau électrique local.

Figure 1 : Cette alimentation monophasée série CP de PULS se monte sur rail DIN, ce qui est fréquent dans l'automatisation industrielle. Les fonctionnalités standard incluent une haute immunité aux transitoires et aux pointes de puissance, ainsi que de faibles émissions électromagnétiques, un contact de relais CC-OK, une réserve de puissance de sortie de 20 % (dont il sera question plus loin dans cet article) et une pointe de courant d'appel minimale. L'alimentation à revêtement spécial exécute également des fonctions de correction du facteur de puissance (PFC) active. (Source de l'image : EE World)

Les deux principaux types de problèmes de qualité d'alimentation provenant des équipements sont le bruit et les perturbations harmoniques.

Le bruit électrique dans l'alimentation électrique fait référence aux variations de tension à haute fréquence. La haute fréquence est relative — mais indique toujours des fréquences considérablement plus élevées que la fréquence CA du système. Dans le domaine temporel, un courant CA devrait apparaître comme une onde sinusoïdale lisse. Le bruit rend l'onde irrégulière et abrupte.

Il y a toujours un certain bruit dans l'alimentation électrique des machines, causé par la résistance des fils conducteurs impliqués. Un tel bruit est appelé bruit thermique et constitue généralement une perturbation négligeable. Le bruit plus important et potentiellement nuisible est causé par des charges locales telles que des machines à souder et des moteurs électriques. Le bruit de tels composants et systèmes est souvent difficile à quantifier — et constitue le plus grand risque de provoquer la surchauffe, l'usure et même la défaillance des sous-composants des équipements concernés.

Les harmoniques électriques sont des perturbations de tension ou de courant à des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence CA du système. Elles sont causées par des charges non linéaires telles que les redresseurs, les alimentations d'ordinateurs, l'éclairage fluorescent et certains types de moteurs électriques à vitesse variable. Les harmoniques de courant ont tendance à être plus importantes que les harmoniques de tension, et ont en fait tendance à entraîner ces dernières.

Figure 2 : Les formes d'ondes harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence de certaines formes d'ondes fondamentales qui (dans les systèmes d'alimentation électriques) peuvent se combiner avec la forme d'onde fondamentale et causer des problèmes. Les harmoniques proviennent généralement d'une charge électrique ou d'une pièce connectée de machine. (Source de l'image : Design World)

Ces harmoniques électriques (dues à la façon dont elles induisent la production de chaleur) peuvent dégrader considérablement le rendement et la durée de vie des moteurs électriques. Elles peuvent également causer des vibrations et des pulsations de couple dans la sortie mécanique des moteurs électriques, ce qui réduit la durée de vie des sous-composants de transmission de puissance intégrés dans les moteurs, en particulier les roulements de support d'arbre.

Paramètres clés du système d'alimentation

Deux spécifications importantes pour les alimentations sont le facteur de puissance et le temps de maintien.

Le facteur de puissance est un rapport sans dimension utilisé pour décrire la différence entre la puissance active et la puissance apparente dans les systèmes CA. La puissance apparente est la combinaison de la puissance active et de la puissance réactive. La puissance réactive est tirée du réseau, stockée momentanément, puis restituée sans être consommée. Cela est généralement causé par des charges inductives ou capacitives, ce qui entraîne un déphasage du courant et de la tension. La puissance réactive augmente la charge sur les systèmes de distribution, réduit la qualité de l'alimentation et entraîne une hausse des coûts énergétiques.

Idéalement, un système a un facteur de puissance de 1, ce qui signifie qu'il n'y a aucune puissance réactive dans le système. Les conceptions dont le facteur de puissance est inférieur à 0,95 entraînent une augmentation de la charge sur le réseau de distribution et peuvent induire des charges de puissance réactive.

Figure 3 : Module d'alimentation CA/CC 85-100 W série TML 100C de Traco Power. La correction du facteur de puissance (PFC) active garantit un facteur de puissance supérieur à 0,95 (pour 230 V_CA) et supérieur à 0,99 (pour 115 V_CA). (Source de l'image : Traco Power)

Le temps de maintien est la durée pendant laquelle une alimentation peut continuer à fournir du courant dans ses limites de tension spécifiées après une coupure de courant. Prenons le cas des alimentations secourues (UPS) et des générateurs, qui sont des types d'alimentation de secours utilisés pour garantir la continuité des opérations automatisées pendant les microcoupures et les pannes Comme nous le verrons plus en détail dans la dernière partie de cet article, une alimentation secourue doit fournir du courant pendant une période significative. Mais selon la conception de l'alimentation secourue, ces systèmes peuvent introduire un délai allant jusqu'à 25 ms entre une panne d'alimentation électrique et l'initiation de la distribution de puissance par l'alimentation secourue.

Le temps de maintien de l'alimentation permet à l'alimentation de combler cette lacune, en utilisant dans une grande mesure l'énergie stockée dans les condensateurs. En fait, les alimentations à découpage ont tendance à avoir des temps de maintien plus longs que les alimentations linéaires en raison de leurs condensateurs à tension plus élevée.

Autres fonctionnalités permettant de résoudre les problèmes d'alimentation induits par les machines

La mise à la terre, l'isolation et les convertisseurs de puissance à filtres constituent la base d'une alimentation de qualité.

Mise à la terre : Une mise à la terre correcte est essentielle pour qu'une alimentation fonctionne correctement. Elle fournit une tension de référence (à partir de laquelle toutes les autres tensions sont mesurées) et un trajet de retour pour le courant électrique. Consultez l'article de DigiKey traitant de la détection des défauts à la terre et de la protection appropriée pour en savoir plus sur ce sujet.

Isolation : Bien que les alimentations non isolées puissent être plus écoénergétiques et plus compactes, l'isolation entre la tension d'entrée et de sortie protège contre les tensions dangereuses atteignant la sortie en cas de défaillance d'un composant. L'isolation peut également être nécessaire pour protéger les opérateurs contre les tensions dangereuses ou pour protéger les équipements contre les transitoires et les ondulations.

Les différentes formes d'isolation incluent :

• Isolation physique entre les composants
• Couplage inductif via un transformateur — Convertisseurs de puissance qui changent la tension d'un système électrique
• Couplage optique — Mieux adapté au transfert des signaux entre les différentes parties d'un système d'alimentation tout en fournissant un très haut niveau d'isolation

Figure 4 : Les alimentations fonctionnent souvent comme des convertisseurs de puissance pour 1) changer la tension ou la fréquence d'une source CA ou 2) redresser ou convertir le courant alternatif en courant continu. Exemple : ce convertisseur CA/CC 48 V, 400 W à modulation d'impulsions en fréquence (PFM) de Vicor Corp. intègre un filtrage et une protection contre les surtensions transitoires. Avertissement : le convertisseur Vicor Integrated Adapter (VIA) n'accepte que les entrées provenant d'une source externe de courant alternatif sinusoïdal redressé, avec un facteur de puissance maintenu par le module. Les harmoniques sont conformes à la norme CEI 61000-3-2 et le filtrage interne permet de respecter les exigences applicables en matière de surtension et d'EMI. (Source de l'image : Vicor Corp.)

Filtres électriques et suppression des surtensions : La suppression des surtensions élimine les transitoires et les ondulations, protégeant ainsi les équipements électriques des effets de ces conditions de surtension. Par contraste, les filtres électriques lissent la tension système pour éliminer le bruit et les harmoniques. Pour en savoir plus sur les filtres des alimentations industrielles utilisées dans les grands aéronefs (avec des sources électriques de 400 Hz), consultez l'article relatif au fonctionnement des alimentations sur une source de 400 Hz sur digikey.fr. Vous pouvez aussi envisager un autre type de filtre électrique, particulièrement fréquent dans les installations automatisées proches du point d'utilisation — les filtres LC — pour compléter les entraînements des moteurs. Les filtres LC sont un type de circuit résonant (également appelé circuit accordé) avec une inductance L et un condensateur C pour générer une sortie à une fréquence déterminée. Les filtres LC pour les moteurs servent généralement à convertir la tension de sortie PWM rectangulaire d'une commande en une onde sinusoïdale lisse avec une faible ondulation résiduelle. Les avantages incluent l'allongement de la durée de vie des moteurs en évitant les valeurs dv/dt élevées, les surtensions, la surchauffe et les pertes de courants de Foucault.

Figure 5 : Le filtre à ondes sinusoïdales LC de Schaffner EMC Inc. permet aux commandes de moteur de délivrer des ondes sinusoïdales lisses dans les enroulements de moteur connectés sans pics de tension. Le filtre permet également des installations avec des câbles moteur plus longs. (Source de l'image : Schaffner EMC Inc.)

Les parasurtenseurs fonctionnent soit en bloquant ou en court-circuitant le courant, soit en combinant des mesures de court-circuit et de blocage des surtensions.

Protection contre les surtensions par blocage : Le courant peut être bloqué avec des inductances qui atténuent les variations soudaines de courant. Cependant, la plupart des parasurtenseurs court-circuitent lorsqu'une surtension se produit et renvoient le courant vers les lignes de distribution d'électricité, où il est dissipé par la résistance des lignes de circuit.

Protection contre les surtensions par court-circuit : Le court-circuit rapide (déclenché lorsque la tension dépasse un niveau donné) se produit avec un éclateur, un tube à décharge ou un dispositif à semi-conducteur. Ce n'est que rarement (lors de surtensions importantes ou très prolongées) que les lignes électriques ou les composants internes du parasurtenseur fondent à cause des surtensions. Les condensateurs peuvent également atténuer les brusques variations de tension.

Les spécifications clés des parasurtenseurs sont la tension de blocage, le temps de réponse et l'efficacité énergétique. La tension de blocage est la tension maximum autorisée pouvant traverser le parasurtenseur. En général, les dispositifs de 120 V ont une tension de blocage de 220 V. L'efficacité énergétique (généralement en joules) est la puissance maximum qui peut être absorbée avant que les composants dans le parasurtenseur ne grillent et ne tombent en panne.

Une spécification importante mais souvent négligée pour les parasurtenseurs est ce qui se passe lorsque le parasurtenseur tombe en panne. Si une surtension dépasse l'efficacité énergétique du protecteur et que les sous-composants internes tombent en panne, ce protecteur ne pourra plus protéger contre d'autres surtensions. Mais cela ne signifie pas que le courant est coupé : certains parasurtenseurs (comme ceux conçus pour protéger les serveurs ou d'autres dispositifs de stockage électronique) continueront à fournir du courant après une panne. La seule indication que la protection contre les surtensions n'existe plus peut être un voyant d'avertissement. D'autres parasurtenseurs coupent quant à eux le courant ou réduisent la transmission de puissance lorsqu'ils tombent en panne.

Les alimentations secourues complètent les générateurs dans les applications critiques

Des alimentations secourues et des générateurs pour l'alimentation de secours garantissent la continuité des opérations pendant les pannes et les microcoupures. Les alimentations secourues utilisent des batteries et sont généralement conçues pour fournir du courant pendant des périodes allant de quelques minutes à quelques heures. Les générateurs utilisent un moteur pour produire de l'énergie pendant des périodes prolongées, limitées uniquement par le carburant disponible.

Les alimentations secourues fournissent une réponse instantanée en cas de panne de courant, garantissant ainsi une alimentation électrique ininterrompue. Les générateurs, en revanche, ont un temps de démarrage d'au moins plusieurs secondes. Pour les applications exigeant une alimentation continue, une alimentation secourue doit être combinée à un générateur pour fournir de l'énergie pendant que le générateur démarre.

Figure 6 : Cette alimentation secourue (UPS) 24 V_CC, 5 A se monte sur rail DIN et fournit jusqu'à 25 minutes d'alimentation de secours à pleine charge. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Les alimentations secourues protègent les équipements contre les coupures de courant. Les alimentations secourues hors ligne ou dépendant de la tension et de la fréquence sont les plus rentables mais présentent deux inconvénients majeurs :

• En conditions normales, les alimentations secourues hors ligne conduisent le courant directement de la batterie à la sortie. Lorsque le circuit de l'alimentation secourue détecte une coupure de courant, un commutateur connecte la batterie à la sortie via un onduleur. Cela signifie que le courant peut être interrompu pendant 25 ms maximum.
• Les alimentations secourues hors ligne n'offrent également que peu ou pas de protection contre d'autres problèmes de qualité d'alimentation, tels que les surtensions et le bruit.

Par contraste, une alimentation secourue interactive en ligne ou indépendante de la tension (VI) fonctionne essentiellement de la même manière qu'une alimentation secourue dépendante de la tension et de la fréquence, mais elle est dotée d'un stabilisateur de tension supplémentaire pour améliorer la qualité de la sortie d'alimentation en fonctionnement normal. Ces systèmes présentent toujours un temps de basculement pendant lequel l'alimentation est interrompue, mais ce temps ne dépasse généralement pas 5 ms environ, ce qui est bien inférieur au temps de maintien de la plupart des alimentations.

Les alimentations secourues en ligne, également appelées alimentations secourues indépendantes de la tension et de la fréquence, vont encore plus loin dans la sophistication de l'alimentation électrique pour offrir la meilleure protection. Dans les alimentations secourues, la charge n'est pas directement connectée au secteur, mais est toujours tirée de la batterie du système, qui est continuellement chargée par le secteur. L'alimentation CA secteur est transformée en tension de batterie et redressée en courant continu, afin de pouvoir charger la batterie. L'énergie de la batterie est alors inversée pour produire du courant alternatif et élevée par un autre transformateur jusqu'à la tension secteur. Cela signifie que les problèmes de qualité d'alimentation n'affectent pas la sortie et que de très hauts niveaux de qualité et de protection de l'alimentation sont assurés. Toutefois, cela résulte également en un rendement énergétique considérablement inférieur et un coût initial plus élevé pour les alimentations secourues.

Pour toutes les charges, sauf les plus sensibles et les plus critiques, une alimentation secourue hors ligne couplée à une alimentation avec un temps de maintien suffisant constitue un meilleur choix.

Conclusion

Déterminer les exigences d'une conception en matière de qualité d'alimentation est la première étape pour prévenir les temps d'arrêt et les coûts de maintenance dus à des alimentations impropres, au bruit électrique et aux harmoniques. Ces exigences varient considérablement en fonction de la conception de la machine et de ses fonctions. Cependant, une fois ces paramètres définis, les ingénieurs de conception peuvent spécifier correctement les alimentations avec des options de filtres, de suppression des surtensions, d'alimentation de secours et de conditionnement de puissance. Cela peut améliorer considérablement la fiabilité des équipements automatisés.