Utiliser des solutions d'atténuation des problèmes de qualité de l'énergie pour protéger l'infrastructure électrique des stations d'épuration

Les coûts d'électricité peuvent représenter jusqu'à 40 % du budget d'exploitation d'une station d'épuration. Il est donc essentiel que l'usine fonctionne avec le plus haut rendement. Toutefois, les pompes, les entraînements de moteurs, les équipements d'éclairage et les compresseurs de l'usine sont sujets à des problèmes de qualité de l'énergie (Power Quality, PQ) tels que la distorsion harmonique, l'encoche de ligne, les chutes et les pics de tension et le bruit électrique. Ces problèmes de qualité de l'énergie entraînent des inefficacités, des pannes et des dommages aux équipements.

L'équipement d'atténuation PQ résout les problèmes dans les stations d'épuration. Des produits tels que les transformateurs d'isolement d'entraînement, les régulateurs câblés, les conditionneurs de lignes électriques, les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) et les filtres de suivi actifs contribuent à améliorer l'efficacité, à éviter les pannes et à protéger les équipements électriques de valeur contre les dommages.

Cet article décrit brièvement les problèmes de qualité de l'énergie auxquels sont confrontés les concepteurs d'équipements électriques dans une station d'épuration. Il présente ensuite les équipements d'atténuation PQ de SolaHD qui peuvent être appliqués pour atténuer ces problèmes et maximiser l'efficacité.

Problèmes de qualité de l'énergie

Bien que l'approvisionnement énergétique d'une station d'épuration (Figure 1) soit généralement fiable, des problèmes de qualité de l'énergie surviennent souvent. Ces problèmes se manifestent par des distorsions harmoniques indésirables, des chutes et des pics de tension et du bruit électrique.

Figure 1 : L'approvisionnement en énergie d'une station d'épuration peut être sujet à des problèmes de qualité de l'énergie, susceptibles de provoquer des inefficacités, des pannes et des dommages matériels. (Source de l'image : SolaHD)

Les problèmes de qualité de l'énergie dans une station d'épuration peuvent provenir de sources externes telles que la foudre, ou de sources internes telles que l'équipement électrique lui-même. Par exemple, les variateurs de vitesse de moindre qualité peuvent générer des distorsions harmoniques créées lorsqu'une charge non linéaire consomme du courant par impulsions (Figure 2). Les harmoniques forcent les conducteurs à transporter des courants à des fréquences autres que les 60 Hz de l'alimentation standard.

Figure 2 : Les harmoniques sont créés lorsqu'une charge non linéaire consomme du courant par impulsions et force les conducteurs à transporter des courants à des fréquences autres que les 60 Hz de l'alimentation standard. (Source de l'image : SolaHD)

En consommant un courant non linéaire à des points spécifiques le long de l'onde sinusoïdale de tension, au lieu de l'onde sinusoïdale complète, l'équipement électrique génère des fréquences harmoniques qui sont un multiple entier de la fréquence fondamentale. Les harmoniques basse fréquence (par exemple, 180 Hz, 300 Hz ou 420 Hz) sont causés par des distorsions de courant basse fréquence et des courants déphasés circulant dans le système électrique. Les harmoniques haute fréquence (entre 1 kHz et 3 kHz) sont causés par la commutation de forts courants dans des charges à commutation électronique non linéaires haute puissance.

Un autre phénomène harmonique, l'encoche de ligne, est causé par la commutation des redresseurs de courant dans les équipements d'épuration, tels que les entraînements de moteurs CC, les démarreurs moteurs et les alimentations. L'encoche de ligne est généralement créée par la commutation dans les redresseurs commandés au silicium (SCR). Pendant le bref instant où le courant est transféré d'un SCR conducteur à un autre, un court-circuit est créé. Le nouveau SCR commence la conduction tandis que le SCR précédent poursuit la conduction pendant une brève période. Cela provoque un court-circuit phase-phase, généralement de quelques microsecondes (µs), suffisamment long pour diminuer la tension. L'encoche de ligne peut se produire à tout moment pendant le demi-cycle CA, car l'angle de commutation n'est pas constant puisqu'il change pour répondre aux exigences de la charge.

Bien qu'il existe plusieurs sources externes et internes de problèmes de qualité de l'énergie, environ 80 % sont causés par des chutes de tension. L'IEEE définit une chute comme une réduction de tension de 10 % à 90 % en dessous de la tension normale à 60 hertz (Hz). La durée d'un événement de chute de tension est inférieure à 60 secondes (s) mais supérieure à 8 millisecondes (ms) (Figure 3).

Figure 3 : Une chute de tension est une réduction de tension de 10 % à 90 % et est responsable de 80 % des problèmes de qualité de l'énergie. (Source de l'image : SolaHD)

Bien que les pics de tension soient moins fréquents que les chutes, ils sont tout aussi gênants. Un pic de tension est une condition de surtension avec une augmentation temporaire du niveau de tension d'un demi-cycle de fréquence à quelques secondes (Figure 4). Ces perturbations peuvent être causées par l'arrêt de charges d'équipement importantes dans la station d'épuration ou par d'autres événements tels que la commutation de condensateurs PFC (correction du facteur de puissance).

Figure 4 : Un pic de tension est une augmentation temporaire du niveau de tension d'une durée s'étendant d'un demi-cycle de fréquence à quelques secondes. (Source de l'image : SolaHD)

Bruit et autres problèmes de tension

Les équipements électriques et les systèmes de distribution peuvent introduire d'autres problèmes de tension, notamment des transitoires de tension, des interruptions et des déséquilibres. Également connus sous le nom de pointes de tension, les transitoires sont des augmentations substantielles de la tension qui ne durent que quelques microsecondes (Figure 5). La foudre, la commutation mécanique, la commutation de condensateurs ou de batteries de condensateurs, la remise sous tension de systèmes électriques après une défaillance, la commutation de transformateurs et l'arrêt soudain de certains équipements sont autant de sources de transitoires.

Figure 5 : Les transitoires sont des augmentations substantielles de la tension qui ne durent que quelques microsecondes. (Source de l'image : SolaHD)

Les interruptions de tension sont des perturbations de l'alimentation qui durent de quelques secondes à quelques dizaines de secondes. Les interruptions de plus de cinq secondes sont généralement appelées interruptions prolongées. Les causes typiques sont des accidents ou des pannes d'équipement dans le réseau de production ou de distribution du fournisseur d'énergie.

Le déséquilibre de tension est l'un des problèmes les plus fréquents dans les systèmes triphasés. Une condition d'équilibre normale s'observe lorsque les trois tensions de phase sont identiques en amplitude et que les angles de phase sont décalés de 120°. Si une phase devient trop chargée par rapport aux autres, la tension sera plus faible sur cette phase, provoquant un déséquilibre.

Le bruit de commutation électrique peut être généré par n'importe quel équipement lorsqu'il est allumé ou éteint en raison de l'afflux ou du reflux de tension ou de courant. Le bruit crée des variations rapides de tension qui produisent des effets indésirables ou endommagent les circuits électroniques (Figure 6).

Figure 6 : Le bruit électrique produit des variations rapides de tension qui peuvent endommager les circuits électroniques. (Source de l'image : SolaHD)

Impact des problèmes de qualité de l'énergie sur les équipements d'usine

Les problèmes de qualité de l'énergie se manifestent de diverses manières affectant l'efficacité, la fiabilité et la longévité des équipements des stations d'épuration. Par exemple, les harmoniques peuvent avoir un impact sur les équipements des stations d'épuration en surchauffant les transformateurs et les conducteurs neutres, en déclenchant les disjoncteurs, en créant un courant neutre élevé, en réduisant les capacités du système et même en desserrant les connecteurs électriques.

L'encoche de ligne crée des harmoniques haute fréquence qui peuvent endommager l'électronique de communication et de logique sensible dans une installation de traitement de l'eau. Le flux de courant supplémentaire généré par l'encoche surcharge également les filtres d'interférences électromagnétiques (EMI) et les filtres antiparasites. En outre, l'encoche de tension peut créer des pertes supplémentaires dans les condensateurs PFC et entraîner des températures de fonctionnement élevées.

Les problèmes rencontrés durant une chute de tension incluent les pompes à eau utilisant des moteurs CA avec une charge de couple constante, consommant plus de courant, réduisant l'efficacité et déclenchant parfois des relais de surcharge.

Les pics de tension n'entraînent généralement pas de panne immédiate de l'équipement, mais les systèmes peuvent être trop sollicités et affaiblis par une exposition répétée. Les pics peuvent également provoquer des déclenchements intempestifs des disjoncteurs et autres dispositifs de protection. Un autre problème associé aux pics de tension est la dégradation de l'isolation, qui peut compromettre le fonctionnement sûr d'une station d'épuration en provoquant des incendies.

Les coupures de courant interrompent les opérations des stations d'épuration et peuvent réduire la durée de vie des équipements électriques. En outre, de nombreux circuits de commande de moteur et systèmes de contrôle de processus ne sont pas conçus pour redémarrer automatiquement après une interruption de tension.

Le déséquilibre de tension peut entraîner de sérieux dommages matériels. Par exemple, lorsqu'un moteur à induction est alimenté par une tension déséquilibrée, les courants de ligne sont généralement plusieurs fois supérieurs à l'amplitude du déséquilibre de tension. Cela signifie qu'un moteur alimenté avec un déséquilibre de tension de 5 % peut présenter un déséquilibre de courant de 20 % à 30 %. Le courant additionnel provoque des pertes résistives (I²R) dans le moteur, résultant en une augmentation de température de plusieurs dizaines de °C.

Le bruit électrique est un problème sérieux pour les commandes et les capteurs à semi-conducteurs présents dans les stations d'épuration, car ils fonctionnent à des vitesses rapides et à des niveaux de puissance extrêmement faibles. Plus la tension de signal est faible, moins l'amplitude de la tension de bruit pouvant être tolérée est importante.

Atténuer les problèmes de qualité de l'énergie

L'atténuation des harmoniques peut être réalisée à l'aide de transformateurs d'isolement d'entraînement qui remplissent trois fonctions essentielles : changement de tension, réduction du courant à la terre induit par l'entraînement et réduction du bruit de mode commun. Les transformateurs doivent être capables de résister à la chaleur des charges non linéaires. Un exemple est le transformateur d'isolement d'entraînement 23-22-112-2 de SolaHD. Ce transformateur prend une entrée de 120 V ou 240 V, fournit une sortie de 120 V et offre une distorsion harmonique de sortie (à pleine charge dans la plage d'entrée) de 3 % du contenu RMS total. La valeur efficace, ou RMS, d'un harmonique décrit la puissance moyenne de la composante harmonique sur une période.

Le transformateur d'isolement d'entraînement a une sortie presque exempte d'harmoniques grâce à l'ajout d'une bobine de neutralisation (Figure 7). Pour comprendre le fonctionnement, considérez le dispositif comme un transformateur conventionnel avec la bobine de neutralisation déconnectée. La bobine maintenant en circuit ouvert subit une tension induite lorsqu'une partie du flux magnétique traverse la branche centrale du noyau vers les branches extérieures. Cette tension présente une quantité élevée d'harmoniques impairs en raison du flux de fuite de l'enroulement de sortie.

Figure 7 : Le transformateur d'isolement d'entraînement 23-22-112-2 présente une sortie presque exempte d'harmoniques grâce à l'ajout d'une bobine de neutralisation. (Source de l'image : SolaHD)

Le flux de fuite peut revenir à l'enroulement de sortie par deux chemins. Un chemin contourne la bobine de neutralisation et l'autre est relié à la bobine de neutralisation. En contrôlant la réluctance de ces chemins magnétiques, il est possible de contrôler le degré de flux secondaire couplé à la bobine de neutralisation. La bobine de neutralisation est connectée avec sa polarité additive à la bobine secondaire (ou de sortie).

La sortie de ce transformateur d'isolement a une tension constante et est presque totalement exempte d'harmoniques. Les harmoniques sont toujours présents dans la bobine de neutralisation. Cependant, comme le flux provenant de l'enroulement secondaire induit ces harmoniques, les harmoniques dans chaque bobine sont déphasés d'environ 180°, ce qui entraîne leur annulation.

SolaHD propose également le régulateur câblé MCR de 250 VA 63-23-125-4 (Figure 8) pour la réduction des harmoniques. Le régulateur offre des entrées de 120 V, 208 V, 240 V ou 480 V avec une sortie de 120 V. La distorsion harmonique de sortie (à pleine charge dans la plage d'entrée) est de 3 % du contenu RMS total.

Figure 8 : Le régulateur câblé MCR 63-23-125-4 délivre une distorsion harmonique de sortie de 3 % du contenu RMS total. (Source de l'image : SolaHD)

Le régulateur câblé est construit à l'aide de la technologie de transformateur ferrorésonant de SolaHD. La ferrorésonance est une technique de conception de transformateur qui crée deux chemins magnétiques distincts dans le dispositif avec un couplage limité entre eux. L'un des avantages de la 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 transformateur ferrorésonant forme un circuit non linéaire dans lequel la résonance est utilisée pour réduire les variations de tension d'alimentation afin de fournir une tension plus constante à la charge.

La réluctance du transformateur change brusquement au-dessus d'une certaine densité de flux magnétique (saturation). Le transformateur permet à un chemin magnétique (le chemin résonant) d'être en saturation tandis que l'autre reste insaturé. De cette manière, les variations ultérieures de la tension primaire ne modifient pas la tension saturée ou secondaire, et la régulation est effectuée.

Les conditionneurs de puissance sont déployés pour protéger les systèmes de traitement critiques contre les chutes de tension.

Les régulateurs de tension et les alimentations avec immunité aux chutes de tension offrent également une protection contre les chutes de tension d'alimentation.

Les pics de tension peuvent être gérés par des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD), qui peuvent être installés au niveau du branchement, des panneaux de dérivation ou à proximité des charges électroniques sensibles dédiées. Lorsque la tension augmente, le SPD dévie le courant vers le fil de terre. L'alimentation est efficacement court-circuitée à la terre pour les impulsions transitoires dépassant un seuil tandis que le flux de courant normal n'est pas affecté.

Le SPD STCHSP121BT1RU (Figure 9) de SolaHD offre une suppression des surtensions pour les lignes de signaux basse tension et d'alimentation CA. Le suppresseur est doté d'un filtrage du bruit en mode commun et en mode normal et d'une protection par varistance à oxyde métallique (MOV). Le temps de réponse à un transitoire est inférieur à 5 nanosecondes (ns) et la résistance au courant de pointe maximum est de 39 kiloampères (kA). Les SPD offrent également une protection contre les tensions transitoires dues à des événements tels que la foudre, bien qu'ils ne remplacent pas un système complet de protection contre la foudre.

Figure 9 : Le suppresseur SPD STCHSP121BT1RU filtre le bruit en mode commun et en mode normal, et offre une protection MOV. (Source de l'image : SolaHD)

L'atténuation du bruit est mise en œuvre à l'aide de filtres de suivi actifs tels que le STFV025-24L de SolaHD. Cette unité suit en permanence la ligne d'alimentation CA d'entrée et réagit lorsqu'elle détecte un bruit haute fréquence. Le filtre élimine le bruit basse tension/haute fréquence via un filtre LC (inductance-condensateur) passe-bas. Les filtres LCR (LC-résistance) sont utilisés pour la réduction du bruit à basse énergie et haute fréquence. Les inductances situées sur chaque phase et les conducteurs neutres sont dimensionnés pour gérer la consommation de courant maximum sur la ligne. Le temps de réponse pour le STFV025-24L est < 5 ns et la réduction transitoire pour une onde sinusoïdale amortie de catégorie A typique (6 kV, 200 A, 100 kHz) est < 10 V crête.

Conclusion

Il est essentiel de prévenir les problèmes de qualité de l'énergie pour améliorer l'efficacité, éviter les pannes et protéger les équipements électriques de valeur contre les dommages. Ces problèmes incluent la distorsion harmonique, les chutes et les pics de tension, les tensions transitoires et le bruit électrique. Leur traitement nécessite une approche à plusieurs niveaux. En travaillant avec un fournisseur comme SolaHD, capable de fournir une gamme d'équipements de protection, notamment des transformateurs d'isolement d'entraînement, des régulateurs câblés, des conditionneurs de puissance, des SPD et des filtres de ligne actifs, il est plus facile de fournir les mesures de protection nécessaires.