Power Quality pour l'industrie 4.0 : systèmes d'entraînement au fonctionnement parfait, fiables et efficaces.

La technique d'entraînement est la branche la plus importante de la construction de machines et d'installations. Malgré une forte pression sur les coûts, la technique d'entraînement « Made in Germany » est très demandée et s'impose sur le marché mondial grâce à une excellente qualité qui va de pair avec une conception intelligente et une grande efficacité.

◼︎Vaste gamme de produits standard aux formes les plus variées

◼︎Concepts de CEM spécifiques à chaque application et conception des filtres au laboratoire de test BLOCK ou sur site

◼︎Fabrication flexible et développement de solutions spéciales

◼︎Fabrication essentiellement interne et normes de qualité testées

◼︎Respect de toutes les normes internationales courantes

L'intégration de systèmes électroniques de puissance dans la technique d'entraînement, et par conséquent dans le processus de production et dans la technique des bâtiments, a très fortement augmenté. Ces applications sont particulièrement flexibles et peu énergivores. Pour atteindre les objectifs mondiaux en matière de politique climatique, il faudra, par exemple, utiliser à à l'avenir davantage de systèmes d'entraînement commandés par convertisseur de fréquence.

Les exigences ainsi que la complexité des systèmes et installations modernes ont également augmenté en raison de la part croissante d'électronique de puissance et de microélectronique. BLOCK dispose d'une vaste gamme d'inductances et de filtres qui garantissent que la technique d'entraînement fonctionne également de manière fiable, efficace et sans perturbation dans le cadre de l'industrie 4.0.

Compatibilité électromagnétique : l'absence de perturbations dans le respect des normes

Un système d'entraînement à électronique de puissance comprend bien plus qu’un convertisseur de puissance, un câble moteur et un moteur. Pour garantir que l'installation mécanique fonctionne de manière fiable et sans perturbation, des composants de Power Quality supplémentaires doivent être intégrés au système. En effet, les fabricants de systèmes et d'installations doivent assurer la compatibilité électromagnétique (CEM) du système d'entraînement et de l'ensemble de l'installation et la certifier avec le label CE.

« CEM » désigne la capacité à ne pas perturber d'autres appareils par des effets électriques ou électromagnétiques non désirés, ou à ne pas être perturbé par d'autres appareils et systèmes. Si ces perturbations se produisent, on parle souvent de problèmes de CEM.

Les convertisseurs de fréquence peuvent être la source de différents effets de CEM. La transformation de la fréquence du réseau et de la tension secteur CA, tout d'abord en tension continue, puis en tension modulée en largeur d'impulsion (MLI), transférera une grande partie de la puissance totale de l'installation vers un moteur (dans la plupart des cas électrique).

Comment les harmoniques et les émissions parasites conduites altèrent la qualité du réseau et l'efficacité du système

Les convertisseurs de fréquence sont composés d'un circuit redresseur d'entrée qui transforme la tension secteur CA en tension continue. La capacité du circuit intermédiaire en aval lisse encore la tension continue et sert également d'accumulateur d'énergie. Elle est brièvement chargée par le circuit redresseur (redressement de pont 1~ B2-/3~ B6). Il en résulte des pics dans le signal de courant côté réseau. Outre la fréquence de base du réseau, elles sont également dotées de composantes de fréquence superposées et sont appelées « harmoniques » ou « vibrations harmoniques ». Les harmoniques peuvent être représentées et analysées dans un spectre d'amplitude via une transformée de Fourier. Ces harmoniques conduisent à des chutes de tension non linéaires aux impédances du réseau en amont, et par conséquent à des distorsions de tension de la zone du réseau alimentée par le même transformateur. De telles perturbations du réseau causent des dommages ou nuisent au fonctionnement du transformateur ainsi que d'autres consommateurs. Un degré élevé de courants harmoniques est également synonyme de puissance réactive supplémentaire, également appelée puissance réactive de distorsion. Cette puissance réactive doit être fournie par le fournisseur d'énergie et peut être facturée. Des seuils pour les courants harmoniques sont définis dans les normes applicables, telles qu'IEC 61000-3-2/-3-12 ou IEEE 519.

Inductances de ligne et filtres anti-harmoniques : des concepts de solutions passifs permettent de respecter les seuils des courants harmoniques et réduisent la part de la puissance réactive

Inductances de ligne

Les inductances de ligne réduisent les perturbations à basse fréquence (harmoniques) et délestent le réseau d'alimentation en compensant la puissance réactive de distorsion. La limitation du courant de démarrage protège les consommateurs raccordés, ce qui prolonge leur durée de vie. La gamme de produits standard regroupe des séries avec des tensions de court-circuit de 3 %, 4 % et 5 %.

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Filtres anti-harmoniques passifs

Les filtres anti-harmoniques passifs de BLOCK réduisent les courants harmoniques et par là même, la puissance réactive de distorsion, parce qu'ils sont exactement adaptés aux principales fréquences d'harmoniques. La qualité du signal de courant est indiquée en pourcentage par la valeur THDi (Total Harmonic Distortion). Si une valeur THDi de 30 à 40 % est atteinte avec une inductance de ligne dans des applications industrielles standard, des filtres anti-harmoniques BLOCK peuvent la réduire à <= 7 %. Les filtres anti-harmoniques BLOCK contribuent donc non seulement à l'amélioration de la Power Quality, mais également à la stabilisation du réseau.

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Les processus de commutation à haute fréquence influencent la qualité du réseau en raison d'interférences radio

Les courants et les tensions de forme autre que sinusoïdale comportent des parts aux fréquences plus élevées. Elles sont nommées harmoniques dans la plage de fréquences de 0 à 2 000 Hz et interférences radio dans la plage de fréquences de plus de 150 kHz. Les interférences radio sont divisées en émissions parasites conduites (150 kHz à 30 MHz) et en émissions parasites rayonnées (plus de 30 MHz). Les opérations de commutation haute fréquence (fréquences d'horloge) avec flancs très raides dans la plage des kHz à la sortie du convertisseur de fréquence provoquent de telles interférences radio. Plus la fréquence est élevée et plus le flanc montant est raide (commutation dure), plus des interférences radio sont probables. Des normes et des seuils doivent être respectés selon l'environnement d'utilisation de l'appareil ou de l'installation (zones résidentielles ou industrielles). Seules des mesures de filtrage appropriées sont efficaces pour supprimer les interférences radio.

Filtres CEM

Les filtres CEM passifs sont utilisés pour supprimer les perturbations électromagnétiques entre le réseau et le convertisseur de fréquence sur la plage de fréquences comprises entre 150 kHz et 30 MHz. Ils permettent de respecter les seuils exigés par les normes pour les zones résidentielles et industrielles. Nous proposons une vaste gamme de filtres ainsi que des mesures, sur site ou dans notre propre laboratoire de CEM accrédité. Dans un filtre de réseau, le filtre CEM passif peut être associé à une inductance de ligne. Ceci permet également de réduire les perturbations basse fréquence (harmoniques).

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Des courants de fuite fonctionnels peuvent entraîner des temps d'arrêt

Les courants de fuite peuvent être dus à une isolation endommagée (courant résiduel). Ils s'écoulent alors par le système de liaison équipotentielle (masse). Un disjoncteur de courant de fuite en amont peut les interrompre efficacement. Ce système de sécurité sert à la protection des personnes et à la protection contre les incendies. D'autre part, les courants de fuite peuvent également être dus à des capacités antiparasites reliées à la masse, ainsi qu'à des capacités indésirables/parasitaires dans le système. Les courants de fuite dits fonctionnels entraînent des temps d'arrêt au niveau des installations en déclenchant les systèmes de protection en amont (disjoncteurs). Dans les systèmes d'entraînement commandés par convertisseur de fréquence, des capacités parasitaires génèrent des courants de fuite affectés par la fréquence d'horloge de l'ordre du kilohertz via le câble moteur ainsi que sur le moteur. Ici, la source est la capacité du circuit intermédiaire. Les capacités antiparasites dans le filtre CEM et le convertisseur de fréquence génèrent des courants de fuite basse fréquence dont le réseau est la source. Chez BLOCK, des experts au savoir-faire spécifique résolvent les problèmes liés à des courants de fuite trop élevés ou au déclenchement intempestif fréquent de disjoncteurs. Ils effectuent également des mesures, sur site ou dans notre propre laboratoire de CEM accrédité.

Les filtres moteur protègent l'entraînement des pics de tension élevés et permettent un fonctionnement sûr.

Les convertisseurs de fréquence utilisés pour entraîner les moteurs triphasés sont une source d'interférences push-pull (perturbations symétriques/mode différentiel) et de perturbations de mode commun (perturbations asymétriques). La variation des temps d'impulsion et de pause de la tension modulée en largeur d'impulsion à la sortie du convertisseur de fréquence permet de commander le moteur raccordé en fonction de la fréquence du champ magnétique rotatif, du couple de rotation ainsi que du démarrage et du comportement de freinage. Ce signal de tension oscille via le câble moteur doté d'une capacité. Ceci peut endommager l'isolation du moteur, et donc réduire la durée de vie de ce dernier. Des câbles moteur plus longs rendent notamment difficile le fonctionnement de systèmes d'entraînement de grande taille.  En effet, les courants de fuite, de palier et les problèmes de CEM altèrent la sécurité de fonctionnement du système d'entraînement.

Inductances moteur

Les inductances moteur protègent le moteur contre une raideur de pente importante au niveau de la tension de sortie du convertisseur de fréquence. Une raideur importante du flanc sur le moteur résulte de l'oscillation de la tension modulée en largeur d'impulsion à la sortie du convertisseur de fréquence via la capacité du câble moteur raccordé. Plus le câble moteur est long, plus la capacité – et donc la raideur attendue du flanc sur le moteur – est élevée. Elle est indiquée en tant que du/dt et entraîne une augmentation progressive de la tension. Si aucune mesure de filtrage n'est prise, il n'est pas rare qu’un du/dt > 2 kV/µS. Ceci peut en particulier provoquer des dommages d'isolation, voire une panne complète, des moteurs anciens ou à classe d'efficacité IE1 et IE2. Les inductances moteur peuvent réduire le du/dt à < 500 V/µs pour des moteurs dont le câble peut atteindre 100 mètres. L'utilisation d'un filtre du/dt avec des composants de filtrage supplémentaires tels que des petites capacités et résistances permet d'atteindre un du/dt < 250 V/µs, même avec des conduites longues > 100 m.

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Filtres sinusoïdaux

À partir de la tension de sortie cadencée du convertisseur de fréquence, les filtres sinusoïdaux génèrent une tension sinusoïdale n'ayant plus qu'un faible facteur de distorsion. Grâce à une adaptation passe-bas précise à la fréquence d'horloge du convertisseur de fréquence, le filtre sinusoïdal a un très bon effet de filtrage. Le signal utile (fréquence de fonctionnement du moteur) ne passe le filtre sinusoïdal qu'avec une chute de tension efficace très faible, tandis que la fréquence d'horloge est déjà réduite de 90 % environ.  Les harmoniques de la fréquence d'horloge sont presque entièrement éliminées par filtrage. L'utilisation de filtres sinusoïdaux permet d'utiliser de longs câbles moteur blindés et assure un fonctionnement moteur moins bruyant.

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Les inductances moteur redonnent au moteur la durée de vie initiale attendue. Elles réduisent la part des harmoniques haute fréquence, améliorant ainsi la compatibilité électromagnétique avec d'autres composants du système.

Les tensions de mode commun influencent le fonctionnement de votre système d'entraînement dans l'industrie 4.0

Les capteurs et la saisie des données de processus font depuis longtemps partie des systèmes d'installations et d'entraînement en réseau. Des interfaces dans le convertisseur permettent la communication via des systèmes de bus de terrain pour la surveillance de l'état et la commande de l'installation. Les courants de palier, de fuite et les problèmes de CEM résultant des tensions de mode commun altèrent la sécurité de fonctionnement d'un système d'entraînement. Les courants perturbateurs haute fréquence de ce type se couplent sur le système de masse via les capacités de diffusion du câble moteur et du moteur. Ils peuvent s'étendre dans toute l'installation via des câbles de bus de terrain et des câbles codeurs, ainsi que sur les chemins des câbles d'alimentation et sur la liaison équipotentielle. Le couplage galvanique des défaillances est l'une des principales causes de problèmes de CEM dans les installations électriques. Des signaux de communication perturbés lors de la transmission de données peuvent être à l'origine d'états et de pannes non définis de l'installation. Les composants de commande et électroniques du système peuvent également être endommagés. Les filtres sinusoïdaux sur tous les pôles de BLOCK offrent une solution complète pour assurer la sécurité de fonctionnement du processus de production dans le réseau d'installation de l'industrie 4.0.
 

Des mesures de filtrage de mode commun, par exemple des inductances de mode commun ou des filtres sinusoïdaux sur tous les pôles, sont adaptées à la réduction des perturbations de mode commun.

 

Filtres sinusoïdaux sur tous les pôles

Les filtres sinusoïdaux sur tous les pôles réunissent les avantages d'un filtre sinusoïdal ordinaire et du filtrage supplémentaire des composants de mode commun, qui sont à l'origine de courants de palier sur le moteur, de courants de fuite trop élevés ou de problèmes de CEM dans l'installation. Le concept de filtres sinusoïdaux sur tous les pôles de BLOCK prévoit un raccordement supplémentaire au circuit intermédiaire du convertisseur de fréquence. Les courants de mode commun sont alors directement ramenés à la source, à savoir le circuit intermédiaire du convertisseur de fréquence. Les avantages supplémentaires :

◼︎  Réduction des courants de palier
◼︎  Possibilité d'utiliser des câbles moteur non blindés très longs
◼︎  Optimisation de la CEM
◼︎  Réduction des composants du filtre côté réseau
◼︎  Réduction des courants de fuite
◼︎  Fonctionnement parfait des disjoncteurs

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BLOCK Produits Future Winding

BLOCK : partenaire de développement de longue date pour plus de Power Quality dans l'industrie

BLOCK, l’un des leaders mondiaux dans la fabrication de produits bobinés inductifs, s'est intéressé très tôt à la CEM des systèmes d'entraînement commandés par convertisseur de fréquence. Ces 40 dernières années, en collaboration avec des fabricants de systèmes d'entraînement et des constructeurs de machines, nous avons accompagné cette évolution de façon innovante. Nos solutions de CEM sont adaptées à ces systèmes d'entraînement. La fabrication interne, de même que le savoir-faire de notre propre centre de recherche fondamentale et d'innovation en matière de filtrage de systèmes d'entraînement commandés par convertisseur de fréquence, garantissent aux clients la meilleure solution de CEM pour leur application. En plus des contrôles de CEM et des tests réalisés dans les conditions environnementales les plus rudes, nous effectuons des tests de résistance aux chocs et aux vibrations dans notre propre laboratoire.

Lorsque des clients ont des projets particulièrement ambitieux, BLOCK met au point une solution parfaitement adaptée. Nous tirons profit de notre longue expérience et avons toujours des idées innovantes pour satisfaire aux exigences des branches les plus diverses, telles que le secteur ferroviaire ou l'énergie éolienne. C'est ainsi que nous développons la tension parfaite pour les produits de nos clients.