La tension tient la forme

La tension tient la forme
Protéger les
charges sensibles
des ­perturbations
du ­réseau électrique
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revue ABB 1|12
RALPH HOFFMANN – Certains secteurs industriels sont très
fortement automatisés. C’est le cas notamment des usines
automobiles, des complexes chimiques ou des sites de production de semi-conducteurs, véritables bijoux de technologie qui
nécessitent une alimentation électrique de qualité irréprochable.
Or le réseau électrique est le siège de perturbations et de
fluctuations incompatibles avec un outil industriel moderne.
Pour répondre aux besoins de continuité de service et de qualité
de l’électricité, même lors des grosses perturbations, ABB
propose deux produits : le PCS100 AVC et le PCS100 UPS-I.
1 Durée des défauts de tension et valeur moyenne de la tension résiduelle [2]
1000
U/UN (%)
100
10
1
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
Durée (s)
D
ans un contexte d’automatisation menée à marche forcée,
les limites de qualité de l’onde
de tension (NF EN 50160 [1])
peuvent être en deçà des valeurs réelles
endurées par des équipements ultra­
modernes, qui sont de plus en plus
­s ensibles et vulnérables aux dérives de
tension.
Perturbations du réseau électrique
On recense différents types de défauts
de tension sur le réseau électrique : surtensions transitoires, creux et fluctuations (ou flicker), déséquilibres et harmoniques, coupures de différentes durées.
Les creux d’amplitude inférieure à 90 %
de la tension ­
nominale sont les plus
­fréquents. Ils c
­ orrespondent à une chute
de la valeur efficace de la tension, associée à une forme d’onde spécifique ; ce
défaut est caractérisé par sa durée et la
tension résiduelle ➔ 1.
Photo ci-contre
Comment remédier à un creux de tension de
30 % ou à une coupure de 30 s ? En installant le
PCS100 AVC ou le PCS100 UPS-I d’ABB. La
gamme complète de solutions ABB pour la qualité
des réseaux se décline en six produits pour
résoudre les problèmes de fréquence, de tension,
de puissance réactive, de courant, etc.
Creux de tension
Coupures réseau
Creux de commutation (défaut local)
Même si les creux de tension de courte
durée sont principalement dus aux phénomènes atmosphériques (foudre, par
exemple), ils trouvent également leur origine dans les défauts et les manœuvres
d’appareillage sur le réseau. Selon
l ’institut de recherche EPRI (Electric
­
Power
Research
Institute), plus de
92 % des creux de
tension ont une
profondeur de 10 à
30 % et durent
moins d’une seconde. Cette profondeur et cette
durée dépendent de nombreux facteurs,
notamment les caractéristiques du
réseau local (maillage, impédances et
­
schéma de mise à la terre), le niveau de
tension du défaut, la distance au défaut,
la nature des charges et leur tenue aux
sous-tensions, etc.
Fluctuations de tension (flicker)
Surtensions transitoires (défaut local)
Harmoniques et déséquilibres de tension (non illustrés)
Besoins de continuité de service et
de qualité
C’est le degré de sensibilité de la charge
aux défauts de tension qui décide des
mesures de protection à prendre. Certains organismes, comme l’ITIC (Information Technology Industry Council), ou
Les technologies industrielles
modernes nécessitent
une électricité de qualité
­i rréprochable.
En milieu industriel, les creux de tension
ont des conséquences multiples : blessures corporelles, pertes de matières
premières, temps de redémarrage prolongés, dégradation ou défaillance de
machines, interventions de maintenance
et réparations importantes ou coûteuses,
altération de la qualité de production,
manques à gagner, pénalités contractuelles. De tels événements peuvent
­rapidement se chiffrer à plusieurs centaines de milliers de dollars, en particulier dans les secteurs produisant en
continu comme l’industrie électronique,
automobile ou chimique.
des référentiels, comme la spécification
SEMI F47 [3] ou la série de normes­
­ xigences
CEI/TR 61000 [4], stipulent des e
d’immunité des dispositifs et équipements électriques aux défauts de tension. Le graphique ➔ 2 montre les creux
de tension subis par une usine de semiconducteurs sur 10 ans ainsi que les
­niveaux d’immunité des équipements de
production exigés par l’ITIC et la
­normalisation.
Il s’avère que les exigences diffèrent d’un
secteur à l’autre et que, dans ce cas précis, certains creux de tension sont plus
profonds que les valeurs normalisées.
Le plus simple serait d’augmenter ces
valeurs pour les charges individuelles.
Il faudrait pour cela une solution très
décen­tralisée qui ne résoudrait que partiellement le problème, chaque application et appareil (variateurs et alimentations, par exemple) devant être équipés
de dispositifs complètement différents et
La tension tient la forme
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2 Creux de tension subis par une usine de semi-conducteurs sur 10 ans
3 Le PCS100 AVC est une solution ABB
d’amélioration de la qualité de la tension.
100
90
Tension d’entrée (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,01
0,1
1
10
100
Durée (s)
CEI 61000
SEMI F47
surdimensionnés. La conception même
des produits devrait être remise à plat,
entraînant un surcoût considérable. Enfin,
elle ne conviendrait pas aux sites existants.
Autre solution pour remédier aux creux
de tension : optimiser le fonctionnement
du réseau lui-même, ce qui, là encore,
induirait d’énormes coûts. Par définition,
les fluctuations de tension sont souvent
aléatoires, donc imprévisibles en termes
de lieu et de moment d’apparition. Il faudrait alors reconstruire tout le réseau en
mettant en œuvre un concept de protection différent.
La solution la plus utilisée, au niveau
­local, pour protéger des défauts de tension les charges critiques, comme les
serveurs, les sites informatiques et les
équipements de communication, sont
les alimentations sans interruption (ASI)
dynamiques et les systèmes à volant
d’inertie. Or, selon le secteur et le procédé de fabrication, seuls 5 à 20 % des
équipements industriels en bénéficient,
compte tenu des investissements à
consentir et du coût d’exploitation.
Les pertes électriques élevées des ASI
double conversion traditionnelles (4 à
8 %) et les forts besoins de maintenance
des batteries d’accumulateurs ou autres
dispositifs de réserve d’énergie dissuadent les industriels de protéger intégralement leur outil de production des
défauts de tension. Un compromis doit
ainsi être trouvé entre, d’une part, la fréquence des perturbations et leurs conséquences financières, et, d’autre part, les
coûts d’installation et d’exploitation des
équipements de protection.
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revue ABB 1|12
ITIC
Creux de tension
Protection des charges sensibles
La série PCS100 d’ABB compte deux
produits qui protègent efficacement les
charges sensibles des défauts de tension précités : le conditionneur actif de
tension PCS100 AVC et l’alimentation
sans interruption PCS100 UPS-I.
Le PCS100 AVC protège les charges et
équipements industriels des fluctuations
et creux de tension jusqu’à 30 % de profondeur, et des coupures brèves d’une
durée maximale de 30 s en corrigeant
l’onde de tension. Le PCS100 UPS-I
(I pour industriel) est une ASI OFFLINE
(« en attente ») : en cas de défaut de tension, il assure sans délai l’alimentation
des charges et évite l’arrêt complet de la
ligne de production tant que les groupes
électrogènes de secours n’ont pas pris
Des sites industriels subissent des
creux de tension
plus profonds
que les valeurs
normalisées.
le relais. La réserve d’énergie est constituée de batteries d’accumulateurs ou de
supercondensateurs haute performance
nécessitant peu de maintenance. Cette
ASI pour charges industrielles procure
une protection efficace contre les creux
de tension profonds ou les coupures
­a llant jusqu’à 30 s.
Ces deux protections sont installées
dans des usines de semi-conducteurs
du monde entier, de même qu’au sein de
sites de fabrication de tranches de silicium pour la filière photovoltaïque, dans
la construction automobile et de nombreux autres secteurs industriels fonctionnant en continu.
PCS100 AVC : protection contre les
fluctuations de tension
Le PCS100 AVC ➔ 3 comprend deux
étages de conversion placés en dehors
du trajet du courant entre la charge et le
réseau. La tension de correction est
­injectée par un enroulement de transformateur entre le réseau et la charge critique ➔ 4, configuration qui limite tout
risque pour la charge.
Il comporte par ailleurs un circuit bypass redondant qui le déconnecte du
réseau du client en cas de défaut sur ce
dernier. En plus de 12 ans d’exploitation,
aucun circuit by-pass du parc installé,
qui totalise plus de 450 MVA, n’a jamais
failli. De nombreux grands producteurs
mondiaux de semi-conducteurs aux exigences très fortes en matière de disponibilité de leurs sites font confiance à cette
technologie.
La gamme de puissances du PCS100
AVC s’étend de 160 kVA à 20 MVA ;­
­l’appareil est logé soit dans une armoire
pour les réseaux basse tension (BT), soit
dans un conteneur pour les applications
moyenne tension (MT). Il régule directement la tension en une fraction de
­seconde, s’adapte à une large gamme de
tensions et de puissances, et constitue
une plate-forme de conversion éprouvée
4 Le PCS100 AVC comporte deux étages de conversion placés en
dehors du trajet du courant entre la charge et le réseau.
Schéma de principe
Forme d’onde de la tension
d’entrée
Tension
de
compensation
triphasée
Disjoncteur
de tête
Fourniture
client
5 Le PCS100 UPS-I maintient les charges alimentées lorsque
la tension réseau chute à 90 % de sa valeur nominale.
Schéma de principe
Réseau triphasé
Forme d’onde de la tension
de sortie
Transformateur d’injection
Disjoncteur
auxiliaire
Autotransformateur
(alim. 208/220 V
uniquement)
Tension
de charge
triphasée
By-pass
onduleur
Tension en amont
du PCS100 UPS-I
Tension fournie par
le PCS100 UPS-I
Circuit by-pass utilisateur à sécurité intrinsèque (facultatif)
Disjoncteur
Réseau
Transformateur
de distribution
Il corrige rapidement et intégralement
les creux de tension triphasée pouvant
atteindre 70 % de la valeur nominale, et
de tension monophasée, jusqu’à 55 %
de la valeur nominale pendant 30 s. Pour
Les deux protections ABB équipent
des usines du
monde entier.
les creux de tension plus profonds, il
­a ssure une correction partielle qui évite
souvent un délestage. Enfin, tous les
modèles sont capables de corriger en
continu les fluctuations de ±10 % de la
tension réseau, voire d’en supprimer les
déséquilibres.
PCS100 UPS-I : protection contre les
coupures brèves
L’ASI de type OFFLINE PCS100 UPS-I ➔ 5
déconnecte la charge du réseau au moyen
d’un commutateur statique (sectionneur
ultrarapide) et la maintient alimentée
lorsque la tension réseau chute à 90 %
de sa valeur nominale. Cette ASI pour
charges industrielles couvre des tensions
réseau jusqu’à 480 V pour une puissance
nominale de 2,4 MVA.
De configuration parallèle, elle offre plusieurs avantages sur les solutions traditionnelles. En effet, aucun courant de
court-circuit ne pouvant circuler dans le
dispositif, les clients industriels n’ont
UPS-I
Entrée
Sectionneur
réseau
Transformateur
de couplage
Charge
protégée
Onduleur
Redresseur
et fiable à logiciel de commande évolué,
avec un rendement de 97 à 99 %.
Tension en aval
du PCS100 UPS-I
pas à modifier leurs protections existantes. De plus, un défaut interne ou un
courant de court-circuit excessif ne peut
en ­a ucun cas interrompre l’alimentation
entre le groupe électrogène et la charge.
Avec un rendement de 99 %, le coût
d’exploitation du PCS100 UPS-I est également beaucoup plus faible que celui
des ASI traditionnelles.
Batterie
d’accumulateurs
(option)
Supercondensateurs
Avec ces deux produits, les clients ABB
bénéficient d’une continuité de service et
d’une électricité de qualité, même lors
des fortes perturbations du réseau.
Pour en savoir plus sur le PCS100 UPS-I, lire
« Alimentation équilibrée », p. 27.
Pour stocker l’énergie, le PCS100 UPS-I
utilise normalement des supercondensateurs endurant 500 000 cycles et nécessitant très peu de maintenance préventive. Autrement dit, la durée de vie du
dispositif de réserve d’énergie n’est pas
raccourcie par l’utilisation effective de
l’ASI, ce qui est souvent le cas avec les
batteries. Les cycles de charge/décharge
ont un impact très faible sur la durée de
vie de ces supercondensateurs.
Rendement élevé, maintenance limitée
Le rendement type de 98 à 99 % des
PCS100 AVC et UPS-I est synonyme
d’économies d’énergie considérables
par rapport aux solutions traditionnelles
de régulation de la tension. Qui plus est,
ces dernières ont de gros besoins de
maintenance principalement du fait des
dispositifs de stockage d’énergie, en
particulier les batteries. Ce n’est pas le
cas du PCS100 UPS-I qui utilise essentiellement des supercondensateurs à la
maintenance allégée. Le temps moyen
de réparation (MTTR) d’un module de
puissance électronique de la solution
ABB est généralement inférieur à une
demi-heure. La maintenance peut être
réalisée sur site par un électricien qualifié, sans contrat de service onéreux de
longue durée.
Ralph Hoffmann
ABB Automation Products
Power Electronics
Turgi (Suisse)
[email protected]
Bibliographie
[1] Norme NF EN 50160, Caractéristiques de la
tension fournie par les réseaux publics de
distri­bution, février 2011.
[2] Ratering-Schnitzler, B., « Versorgungsqualität aus
Sicht eines Energieversorgers », ETG Kongress
2001, RWE Net AG, Dortmund, 2001.
[3] SEMI F47-0706:2006-05, Specification for
Semiconductor Processing Equipment Voltage
SAG Immunity, Semiconductor Equipment and
Materials International (SEMI), San Jose
(Californie), États-Unis, www.semi.org.
[4] Norme CEI/TR 61000, Compatibilité électro­
magnétique (CEM).
La tension tient la forme
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