Les Perturbations Electromagnétiques dans le Secteur Industriel

SETIT 2009
5th International Conference: Sciences of Electronic,
Technologies of Information and Telecommunications
March 22-26, 2009 – TUNISIA
Les Perturbations Electromagnétiques dans le Secteur
Industriel Libanais et Syrien
Mohamad OUEIDAT* et Hachem WARKOZEK **
*
Université Libanaise – IUT Saida Département Génie Industriel et Maintenance
[email protected]
**
Université de Damas – Faculté de Génie mécanique et électrique
[email protected]
Résumé: La compatibilité électromagnétique (CEM) concerne tous les secteurs de l’électronique et de l’électricité. La
difficulté pour assimiler tous les aspects de la CEM est liée à la spécialisation nécessaire des scientifiques et des
professionnels, dont la compétence s’est généralement affirmée, soit en HF (Télécommunications), soit en BF
(Electrotechnique et Electronique de puissance), soit encore en « numérique » (Traitement et Transmission de signaux,
Informatique industrielle). Alors une bonne cohabitation des matériels électriques et électroniques est assurée par le
respect des normes et leur application. L’objectif de cette étude est d’ouvrir l’accès à la compréhension des phénomènes
de la CEM et à la connaissance pratique des contraintes et des procédures dans les pays en voie de développement et de
montrer la gravité des problèmes liés à la perturbation électromagnétique dans les réseaux industriels libanais et syriens.
Pour cela, des études sur site ont été effectuées, pour mettre en évidence les contraintes créées par les perturbations
électromagnétiques : la recherche des sources de perturbations et leur caractérisation, l’étude de techniques et stratégies
de réduction des perturbations émises, la recherche de techniques et stratégies de protection contre les perturbations
reçues ainsi que la mise en place de procédures de tests in situ et la proposition des solutions possibles.
Mots clés: CEM, Filtrage, Harmoniques, Perturbations Electromagnétiques.
des recherches et des technologies en CEM [1] [2]. On
observe par conséquent un accroissement progressif
des perturbations harmoniques sur les réseaux. Les
avantages des appareils utilisant l’électronique de
puissance
dépassent
considérablement
leurs
inconvénients qu’il faut simplement apprendre à
maîtriser [2] [3].
INTRODUCTION
L’utilisation
croissante
des
équipements
informatiques et de l’électronique de puissance sur les
réseaux électriques contribue à la dégradation de la
tension d’alimentation. En effet, des récepteurs tels
que les moteurs asynchrones et les transformateurs
participent à la distorsion de l’onde sinusoïdale de la
tension, mais ce n’est pas les principaux responsables.
L’électronique de puissance, présente aujourd’hui au
sein de nombreux matériels d’électrotechnique, ainsi
que l’électronique des équipements informatiques
contribue essentiellement à la prolifération de ces
perturbations électriques. Les nouvelles applications
de l’électronique de puissance peuvent parfois avoir
des effets négatifs. Elles sont souvent plus sensibles
aux imperfections de l’onde de tension, et elles sont
dans la plupart des cas elles-mêmes génératrices
d’imperfections.
Cet article présente les études et investigations
effectuées sur quelques sites au Liban et en Syrie. Une
étude préliminaire concernant les différentes charges
utilisées dans chaque site étudié nous a permis de
sélectionner les lieux d’interventions pour effectuer
les mesures souhaitées. L'analyse de ces perturbations
sur le réseau électrique permet de déterminer le niveau
de pollution harmonique du réseau considéré et de
proposer des remèdes possibles.
Les solutions de compensation sont étudiées en
tenant compte des résonances séries ou parallèles qui
peuvent conduire au dysfonctionnement voire à la
destruction des composants ou dispositifs du système.
Pour des raisons d’efficacité, la tendance actuelle
est donc naturellement tournée vers un emploi de plus
en plus large des dispositifs du génie électrique, des
systèmes de communication et des matériels
informatiques qui sont des vecteurs de développement
-1-
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1. Investigation des sites
informatique, informatique industrielle,
thermique, électronique et génie civil) ;
 usine de production (papiers toilettes,
mouchoirs, couches pour bébé…) ;
 usine de cimenterie ;
- en Syrie:
 usine de textile;
 usine de sous vêtements;
 usine de cimenterie.
1.1. Sources des perturbations
Le domaine de la perturbation électromagnétique
est rarement connu dans les pays où les normes de
CEM ne sont pas encore obligatoires. Les industriels
de ces pays sont intéressés par ce domaine mais
malheureusement ne font aucun effort tant que les
normes ne sont pas imposées. La percée technologique
d’application de l’électricité de plus en plus
performante a été rendue possible en grande partie
grâce à l’arrivée sur le marché des composantes
électroniques de puissance tels que les thyristors, les
transistors de forte puissance etc. Ce progrès
considérable tant du point de vue de la souplesse
d’utilisation que des qualités dynamiques et de la
rentabilité a conduit à de nouvelles applications de
l’électronique de puissance qui peuvent parfois avoir
des effets négatifs. Elles sont souvent plus sensibles
aux imperfections de l’onde de tension, et elles sont
dans la plupart des cas elles-mêmes génératrices
d’imperfection. La perturbation harmonique est la
rançon du développement de l’électronique de
puissance à tous les niveaux d’utilisation. Les
appareils qui génèrent des harmoniques vont des
téléviseurs, dont la puissance unitaire est faible mais
qui sont très nombreux, aux applications de très forte
puissance.
Les types de charges employés à l’IUT :
laboratoire mécanique (appareils de soudure à l’arc
électrique, machines de tournage, machines de
fraisage, une machine de sciage, tronçonneuse à meule
etc.), laboratoire électrotechnique (redresseurs
monophasé et triphasé, moteurs asynchrones,
variateurs de vitesse, charges inductives, charges
capacitives, gradateur etc.).
L’usine de cimenterie possède les charges
suivantes: concasseurs, silos pour emmagasiner des
matières après chaque étape et pour mélanger des
matières par des compresseurs à air, systèmes à
courroies pour transporter les matières d’une étape à
l’autre, broyeurs, fours, refroidisseurs, échangeurs de
chaleur, machines de remplissage de ciment dans des
sacs, salles de commande pour surveiller les machines,
bureaux du bâtiment de l’administration générale etc..
De manière générale, les principaux générateurs
d’harmoniques sont : onduleurs, hacheurs, ponts
redresseurs, fours à arc et à induction, variateurs de
vitesse électroniques pour moteur à courant continu ou
pour moteur asynchrone ou synchrone, téléviseurs,
matériels informatiques, lampes à décharges, lampes
fluorescentes à ballast électronique, alimentation à
découpage informatique etc.
Dans les secteurs industriel et domestique on
constate
une
recrudescence
de
générateurs
d’harmoniques imposant un courant alternatif non
sinusoïdal. Les générateurs d’harmoniques sont des
charges non linéaires, c’est-à-dire qu’ils n’absorbent
pas un courant sinusoïdal, bien qu’ils soient alimentés
par une tension sinusoïdale. Ces grandeurs
harmoniques ont des effets différents selon les
récepteurs rencontrés : soit des effets instantanés, soit
des effets à terme dus aux échauffements.
1.3. Problèmes signalés
Les problèmes rencontrés dans les sites sont
nombreux et variés et se traduisent par une perte
partielle de fonctionnalité, une indisponibilité,
déclenchement des dispositifs de protection ou même
une destruction complète de l'appareil. On se limite à
citer quelques problèmes rencontrés sur les sites
étudiés à titre d’exemple.
Pour une grandeur déformée et en régime
permanent, l’énergie dissipée par effet Joule est la
somme des énergies dissipées par chacune des
composantes harmoniques, soit l’application de la
formule générale :
T
Yeff 
1 2
y (t )  dt 
T 0

 Yn2
Les alimentations de secours « UPS », chargées
d’alimenter les différentes salles informatiques pour
éviter toutes pertes d’informations et de coupure
sévère des ordinateurs à l’Institut Universitaire de
Technologie, tombent souvent en panne. Plusieurs
problèmes surviennent car les deux UPS (un triphasé
de 20 kVA et un monophasé de 20 kVA) sont chargés
d’alimenter 150 ordinateurs qui fonctionnent tous en
même temps certains jours de la semaine. En plus de
la puissance élevée demandée par ces ordinateurs, ces
derniers considérés comme des charges sensibles et
polluantes accentuent l’effet des harmoniques sur ce
réseau électrique.
(1)
n 1
1.2. Types de charges
La sélection des sites étudiés dans les deux pays
s’est basée sur les sites industriels lourds (usines de
forte puissance) dans le but d’évaluer les origines des
harmoniques et leurs effets sur le fonctionnement de
l’entreprise d’une part et sur le réseau électrique
d’autre part. Trois sites ont été étudiés dans chaque
pays :
- au Liban :
 Institut Universitaire de Technologie
comprenant
plusieurs
laboratoires
(mécanique, électrique, automatique,
Un variateur (redresseur de puissance à thyristors)
entraînant un moteur DC affichent sur ses courbes des
valeurs élevées du taux de distorsion harmonique
global des tensions (entre 9% et 10%) qui peuvent
-2-
SETIT2009
conduire à des effets et problèmes quasi certains. Les
taux de distorsion des courants d’un variateur-moteur
sont élevés et le facteur de puissance est mauvais (≈
0,5). Les mesures effectuées au niveau d’un autre
variateur de fréquence ont affiché des valeurs
alarmantes du taux de distorsion harmonique global
des tensions supérieures à 10% pouvant conduire
certainement à des effets et problèmes de
dysfonctionnement dus à ces harmoniques. Les taux
de distorsion des courants sont élevés et le facteur de
puissance est de l’ordre de 0,67.
P1 : Puissance active de la composante fondamentale
S1 : Puissance apparente de la composante
cos 1
U (V)
T1
T2
M1
M2
F
G
H
Les perturbations électromagnétiques sont la cause
directe de dysfonctionnement des ordinateurs (plus de
15 PC) et influent à moyen et long terme sur les
alimentations de secours en accélérant le
vieillissement des composants.
Après avoir étudié pour chaque site l’installation et
son alimentation, on a procédé à une sélection des
lieux d’interventions. Nous allons présenter dans la
suite une partie des résultats effectués dans une usine
et on va interpréter et analyser l’ensemble des résultats
des tous les sites déjà cités. Les tableaux 1 à 4
présentent respectivement les différentes grandeurs
électriques : tension d’alimentation entre phases,
courant maximal de fonctionnement, courant de
fonctionnement (entre 8 heures et 14 heures), courant
à vide ou à faible charge (éclairage), puissance active,
puissance apparente, puissance réactive, facteur de
puissance, tensions harmoniques, THDV, courants
harmoniques, THDI. T 1, T2, M1, M2, F, G et H sont des
transformateurs d’alimentation électrique à l’usine
étudiée.
T1
T2
M1
M2
F
G
H
THD (%)  100 
n 2
T1
T2
M1
M2
F
G
H
f (Hz)
49.94-50.06
49.95-50.03
49.98-50.05
49.96-50.02
49.86-50.02
49.87-50.05
49.88-50.02
S (kVA)
Q(kVAR)
FP
370 - 650
130 - 450
50 - 710
75 - 240
125 - 680
160 - 480
82 - 345
410 - 720
150 - 550
80 - 750
80 - 300
190 - 880
263 - 700
175 - 425
170 - 320
75 - 220
40 - 116
58 - 180
120 - 550
180 - 520
95 - 240
0.6 - 0.92
0.7 - 0.88
0.74 - 0.8
0.65 - 0.85
0.75 - 0.82
0.68 - 0.72
0.82 - 0.97
0.4 - 1.1
1.8 - 2.2
0.1 - 0.8
0.1 - 0.2
0-1
0.3 - 1
0.3 - 0.87
V5 ou V7
(%)
0.4 - 1.6
1.2 - 1.8
0.1 - 0.6
1.2 - 2
0-1
0.2 - 1
0 – 1.9
V11 ou V13
(%)
0.2 - 0.5
0.5 - 1.1
--0.3 - 0.5
-------
THDV (%)
1-2
1 - 2.5
0.2 - 0.8
1.3 - 2.5
0.1 - 1
0.2 - 1
1.5 - 2.8
Tableau 3 : Moyenne prélevée (sur 24 heures) des
Taux de distorsion de la tension
I3 (%)
T1
T2
M1
M2
F
G
H
(2)
5-6
20 - 26
0.5 - 2.5
4 - 12
1-3
1-3
0.2 - 2
I5 ou I7
(%)
4-5
8 - 10
0.4 - 1.8
4-8
0 - 2.7
0.5 - 2.5
2 - 7.5
I11 ou I13
(%)
1-3
1.5 - 2
0.2 - 1.2
5-8
0 - 0.4
0.1 - 0.5
0.1 – 0.8
THDI (%)
18 - 22
25 - 30
2-9
20 - 30
1-3
1 - 6.5
5-9
Tableau 4 : Moyenne prélevée (sur 24 heures) des
Taux de distorsion du courant
Y1
P P
FP   1  FD  cos 1  FD
S S1
Ifaiblecharge
(A)
200
50
100
130
200
-
P (kW)
V3 (%)
Rappelons que le Taux de Distorsion Harmonique
est défini par la formule présentée dans l’équation (2),
et le facteur de puissance est le rapport de la puissance
active P à la puissance apparente S, formule présentée
dans l’équation (3) :
2
n
Icharge
(A)
1000
800
1000
420
250
420
300
Tableau 2 : Variations des grandeurs électriques de
puissance de l’usine
D’autre part, la nécessité d’effectuer la mesure de
courant avec un ampèremètre RMS (Root Mean
Square) intégrant les rangs harmoniques (valeur
efficace) [3] conditionne le choix des instruments de
mesure. Les mesures ont été effectuées à l’aide d’un
instrument de mesure (analyseur de puissance triphasé
spécifique programmable), des sondes de tension
triphasées, des pinces ampérométriques de courant.
Les résultats sont ensuite exploités à l’aide d’un
logiciel adapté via la voie RS232 de l’ordinateur.

370 - 396
375 - 395
380 - 397
380 - 404
352 - 380
350 - 398
380 - 406
Imax
(A)
1150
900
1100
470
350
1110
650
FP dans le
Tableau 1 : Variations des grandeurs tension,
courants et fréquence électriques de
l’usine
2. Présentation des résultats des mesures
Y
fondamentale
: Facteur de déphasage égale à
cas d’une charge linéaire.
Les taux de distorsion des tensions sont inférieurs
à 3% en présence du producteur d’électricité (EDL) et
inférieurs à 5% en cas d’alimentation par le
générateur ; ces valeurs sont acceptables. Les taux de
distorsion des courants atteignent des valeurs de 30%,
valeurs conduisant à des perturbations et des pertes
(3)
avec :
FD : Facteur de déformation
-3-
SETIT2009
supplémentaires.
matériel en état de repli en cas de nécessite ; certains
variateurs sont sensibles aux harmoniques en raison de
ce dispositif : lorsqu’une tension harmonique présente
sur le réseau est en opposition de phase au niveau de
la crête du signal 50 Hz, le système de sécurité
l’interprète comme un creux de tension et bloque alors
le fonctionnement du variateur. D’autres incidents
peuvent survenir en présence de ces harmoniques
causant des anomalies provoquant le fonctionnement
des protections.
La figure 1 représente un exemple du spectre des
courants de phases fournis par une alimentation de
secours. On signale le taux élevé d’harmonique de
rang 3 et le déséquilibre entre les courants de phase.
Les mesures effectuées sur le bâtiment de
l’administration générale d’une usine, affichent des
bonnes valeurs des grandeurs mesurées avec un
facteur de puissance de l’ordre de 0,75. Ce bâtiment
est composé plutôt des charges non linéaires telles que
les tubes fluorescents et les matériels informatiques
(PC, imprimantes, modems, etc.) et ne comporte pas
de condensateurs de compensation de puissance
réactive. Ces résultats sont rarement rencontrés car on
s’attendait à des taux de distorsion des tensions et
courants élevés vu les charges en question ; mais ceci
s’explique par le fait que la pollution harmonique
créée par certaines charges est compensée par d’autres
charges polluantes voisines.
Figure 1 : Spectre des courants fournis par un UPS
La figure 2 représente le spectre du courant
absorbé par le climatiseur avec 39% de taux
d’harmonique de rang 3 et 42% du taux de distorsion
global THDI. Il existe 30 climatiseurs de ce type à
l’institut de technologie.
Les condensateurs de compensation de puissance
réactive sont choisis arbitrairement et souvent
surdimensionnés. D’autre part, les transformateurs
fonctionnent entre 10% - 60% de ses caractéristiques
nominales. Par conséquent, le phénomène de
résonance due aux valeurs élevées des réactances des
transformateurs et des condensateurs s’accentue en
basse fréquence. Ce qui entraîne une augmentation des
taux de distorsion de tension et courant. Signalons que
lors
du
branchement
des
condensateurs
supplémentaires pour améliorer le facteur de
puissance d’une installation, le phénomène de
résonance a causé la destruction de ces condensateurs.
Nous avons remarqué dans plusieurs sites que
certains déclenchements des dispositifs de protection
sont dus aux harmoniques conduisant à un arrêt de la
production donc à des pertes d’argent non
négligeables. Certaines usines disposent des
générateurs en mauvais état fonctionnant à 30%
maximum de leur puissance nominale. L’inexistence
des schémas électriques des installations apparaît
également chez plusieurs industriels et cause une
difficulté au niveau d’intervention des mesures ou au
niveau d’explication des résultats. Les tableaux
électriques, généralement remplis par des dispositifs,
posent des difficultés remarquables et demandent un
temps supplémentaire pour les techniciens de
maintenance.
Figure 2 : Spectre du courant d’un climatiseur
3. Analyse et Interprétation des résultats
de mesures des sites étudiés
Une des usines étudiées a une originalité est qu’il
est autonome complètement indépendant du
producteur d’électricité. Il dispose de quelques
générateurs de puissances différentes. Il s’agit d’une
usine pratiquement neuve fonctionnant sur un gros
générateur surdimensionné. Le petit générateur tombe
en panne une ou deux fois par an à cause des pertes
supplémentaires (pertes Joules dans le cuivre) dans les
enroulements statoriques en présence des courants
harmoniques dont les pertes sont proportionnelles à
(hIh)2 [4] [5].
Les chutes de tension mesurées sont en général
inférieures à 5%, valeur limite imposée en basse
tension ; dans certains cas, elles ont atteint 5.3%.
Le variateur-moteur du concasseur de l’usine de
cimenterie présente un taux de distorsion global de la
tension de 8% environ qui peut conduire souvent au
dysfonctionnement du variateur. En effet, les
variateurs sont équipés d’un capteur de détection de la
tension pour surveiller en permanence la présence
d’un éventuel creux de tension afin de mettre le
4. Recommendations
Le taux de distorsion global et les taux
d’harmoniques mesurées indiquent que certains
départs méritent d’être étudiés (cas des départs T2 et
-4-
SETIT2009
M2 du tableau 4) pour proposer des solutions
adéquates telles que le filtrage passif ou actif [6] [7]
[8] [9]. La solution du filtre passif accordé aux
harmoniques gênants de rangs 3, 5 ou 7 a donné des
résultats
satisfaisants.
D’autres
propositions
concernent la possibilité de :
Conditions", IEEE Transactions on Ind. Applic., 1995,
vol. 31, No. 3.
[8] S. Fukuda, T. Endoh, "Control Method for a
Combined Active Filter System Employing a Current
source Converter", IEEE Transactions on Ind. Applic.,
1995, vol. 31, No. 3.
- faire fonctionner les transformateurs entre 70 % 80% de leurs puissances nominales.
[9] M. Oueidat, D. SADARNAC, "Nécessité du
filtrage face aux évolutions techniques", 16èmes
Journées
Tunisiennes
d’Electrotechnique
et
d’Automatique, JTEA’96, Nabeul - Tunisie, Novembre
1996, pp. 13 - 18.
- effectuer des modifications dans l’installation
pour séparer les charges sensibles des charges très
polluantes.
- optimiser l’emplacement des condensateurs de
compensation de puissance réactive par une étude
appropriée dans chaque cas en utilisant un logiciel de
simulation.
5. Conclusion
Les interventions et expertises réalisées au Liban
et en Syrie ont montré la nécessité de connaître le
phénomène des perturbations électromagnétiques
rayonnées et conduites dans le secteur industriel afin
de sensibiliser les industriels aux problèmes créés par
ces perturbations. Cette étude a éclairé la situation
actuelle de l’industrie dans les pays moins développés
et a montré que le manque des personnels qualifiés
dans ce domaine conduit à des dégâts matériels non
négligeables.
REMERCIEMENTS
Les auteurs remercient les industriels pour leurs
collaborations pendant la durée du travail entre 20032005. Ce travail est supporté par le programme de
coopération et recherche scientifique libanais-syriens.
REFERENCES
[1] T. DEFLANDRE, P. MAURAS, "Les harmoniques
sur les réseaux électriques", Editions Eyrolles, 1998.
[2] M. Oueidat, "faisabilité d'une structure
multifonction: Filtre Actif - Chargeur - Onduleur",
Thèse de doctorat Paris VI – SUPELEC, 1997.
[3] Rapport du groupe de travail 36-05, "Les
perturbations électromagnétiques basse et haute
fréquence", Intersections Le magazine Schneider
electric de l’enseignement technologique et
professionnel, Juin 2000.
[4] W.J. WANG, L. PIERRAT, "Summation of
harmonic currents produced by AC/DC power
converters with randomly fluctuating loads", IEEE
Transactions on Power Delivery, 1994, vol. 9, No. 2.
[5] V.E. WAGNER, "Effect of harmonics on
equipment", IEEE Transactions on Power Delivery,
1993, vol. 8, No. 2.
[6] S. BERNARD G. TROCHAIN, Etude de cas Elf
Aquitaine, "système d'onduleurs centralisé", 1997.
[7] G. W. Massey, "Power Distribution System Design
for Operation Under Non sinusoidal Load
-5-