Six façons de réduire les coûts en mesurant la qualité de l'énergie dans les installations

Markus Bakker, Fluke Corporation

Il est bien connu que les mesures de la qualité de l'alimentation effectuées sur les moteurs et les variateurs peuvent améliorer l'efficacité des systèmes électriques et minimiser les coûts. Cependant, il existe plusieurs problèmes cachés liés à la consommation d'énergie qui peuvent augmenter considérablement les coûts, ainsi que causer des dommages aux équipements et des temps d'arrêt perturbateurs.

Se concentrer sur ces six aspects de la qualité de l'énergie peut révéler ces six problèmes cachés et réduire les coûts, ainsi qu'améliorer les performances des installations dans leur ensemble.

Déséquilibre

Dans un système triphasé équilibré, les tensions et les courants dans chaque phase doivent être égaux ou avoir des valeurs d'amplitude et de phase extrêmement similaires. Tout déséquilibre entre eux peut réduire les performances ou même provoquer une défaillance prématurée. Les mauvaises performances du moteur se produisent en raison de l'anti-couple et de la défaillance prématurée du moteur, car le déséquilibre génère une chaleur excessive dans l'enroulement.

Les coûts les plus élevés peuvent être causés par le remplacement du moteur et la perte de revenus causée par l'incapacité à protéger le circuit, ainsi que les temps d'arrêt et les coûts de main-d'œuvre correspondants pour résoudre le problème. Mais le déséquilibre affecte également les coûts énergétiques car il réduit les performances du moteur.

L'un des meilleurs moyens d'identifier à l'avance les problèmes de déséquilibre de tension consiste à examiner la tension mesurée au niveau de la connexion de l'utilitaire (entrée). Selon la norme de qualité de l'énergie EN50160, le déséquilibre de tension, étant le rapport entre les composantes directe et négative, doit être inférieur à 2 % au point de connexion. Si la tension n'est pas bien équilibrée dans le raccordement, l'alimentation électrique sera déséquilibrée dans toute l'installation et devra être réparée au plus vite par l'exploitant du réseau de distribution.

Le déséquilibre peut être présent dans une seule charge ou dans une branche de l'infrastructure électrique interne, par exemple un moteur électrique ou même un ensemble de moteurs. C'est pourquoi il est conseillé de vérifier la tension d'entrée et le courant d'entrée en tenant compte du fait que le déséquilibre de ces deux paramètres ne doit pas dépasser respectivement 2% et 6%. Le déséquilibre de courant est une conséquence directe du déséquilibre de tension, et si la tension est équilibrée, la cause du déséquilibre de courant est le déséquilibre de charge.

Distorsion harmonique totale

La mesure de la distorsion harmonique totale nous permet de savoir quelle proportion de la distorsion de tension ou de courant est due aux harmoniques du signal. Bien qu'une certaine distorsion soit normale, si elle est supérieure à 5 % à tout moment, une enquête plus approfondie est nécessaire. Si ce niveau de distorsion n'est pas traité, cela peut entraîner des problèmes tels qu'un courant élevé circulant dans les conducteurs neutres, des moteurs et des transformateurs qui deviennent chauds (affectant la durée de vie de l'isolation), une mauvaise efficacité du transformateur (ou la nécessité d'utiliser un transformateur plus gros pour s'adapter aux harmoniques). ) et les bruits et vibrations audibles dus à la saturation du noyau du transformateur (le bruit et les vibrations sont un gaspillage d'énergie).

La majeure partie de la distorsion harmonique totale est due au raccourcissement de la durée de vie utile des moteurs et des transformateurs. Bien sûr, si l'équipement concerné fait partie d'un système de production, les revenus peuvent être réduits car les harmoniques réduisent l'efficacité et les performances du moteur et du transformateur.

La meilleure façon d'identifier ces problèmes est d'effectuer les mesures en prenant comme référence le niveau normal des moteurs, des transformateurs et des conducteurs neutres qui desservent les charges électroniques. Il est important de surveiller les niveaux de courant et les températures dans les transformateurs pour s'assurer qu'ils ne sont pas excessifs et pour comprendre que le courant neutre ne doit jamais dépasser la capacité du conducteur neutre.

Les harmoniques proviennent souvent de certaines machines ou installations électriques et ne se produisent que si ces actifs sont en fonctionnement. Par conséquent, il est très utile d'enregistrer les mesures avec le temps, de sorte que la présence intermittente d'harmoniques puisse être directement liée à certains processus.

Les harmoniques mentionnés jusqu'à présent atteignent la 50e harmonique et sont dérivés de la fréquence fondamentale de la tension, qui est de 50Hz. Compte tenu de l'essor que connaît l'application de l'électronique de puissance, comme les variateurs ou les convertisseurs de fréquence, les composantes harmoniques les plus fréquentes peuvent contaminer le réseau. Ces composantes ne sont pas liées à la puissance fondamentale et sont provoquées par la commutation précitée. Ces « supraharmoniques » interfèrent avec les équipements de contrôle de processus et peuvent même arrêter ces processus.

Transitoire

Les appareils électroniques sont également très vulnérables aux transitoires. Ce sont des impulsions de tension dont la durée est extrêmement courte (moins de 10 millisecondes) mais dont la tension peut être très élevée (jusqu'à 6kV). Les impulsions peuvent être causées par la commutation de charges importantes, la décharge de condensateurs et même la foudre. Lorsqu'ils sont affectés par un transitoire, les appareils électroniques peuvent déclencher ou affecter les processus pour lesquels ils sont programmés.

Pour s'assurer que les problèmes ont été causés par des transitoires, il est nécessaire d'utiliser un appareil de mesure qui a une fréquence d'échantillonnage suffisamment élevée pour capturer l'événement. Il est essentiel que ces appareils aient une connexion à la terre et que l'événement capturé soit affiché afin que la source de l'impulsion de tension puisse être déduite.

La seule façon pour ces appareils de "revenir en ligne" après un tel événement est d'effectuer une réinitialisation manuelle, ce qui signifie que les processus de production doivent être arrêtés. De plus, il est nécessaire de vérifier la qualité de tous les produits fabriqués depuis que l'événement a eu lieu. Pour protéger les appareils contre les transitoires, des parafoudres peuvent être installés qui guident l'impulsion de tension vers la terre avant de conduire aux appareils électroniques.

chutes de tension

Une chute de tension est une diminution temporaire du niveau de tension qui peut être causée par des charges supplémentaires sans que les responsables de l'usine en soient conscients. Ces charges peuvent absorber la tension du système pendant une courte période si elles tirent des courants d'appel élevés. En conséquence, l'équipement électronique peut être réinitialisé ou la protection contre les surintensités est activée. Des creux dans une ou deux phases de charges triphasées peuvent amener les autres phases à tirer un courant plus élevé en guise de compensation.

Les baisses de tension peuvent réduire les revenus si, par exemple, un ordinateur ou un système de contrôle est redémarré, un variateur de fréquence est déclenché et la durée de vie d'un onduleur est raccourcie, en raison de pannes de courant et de cycles de charge fréquents. Toute stratégie de maintenance préventive doit inclure des mesures de surveillance dans les moteurs, les onduleurs, les onduleurs de fréquence et les panneaux électriques qui alimentent les commandes industrielles ou les équipements informatiques. La conséquence évidente de cette action serait de minimiser les temps d'arrêt et les coûts.

Pour évaluer la sévérité d'une chute, il est indispensable de mesurer la "profondeur" de la chute (en pourcentage de la tension nominale) et sa durée (en millisecondes). A partir de ces deux paramètres, il est possible de faire une comparaison avec les limites de l'ITIC (Information Technology Industry Council). Les équipements électroniques peuvent supporter des chutes de tension tant qu'elles restent dans ces limites. Si ce n'est pas le cas, des efforts doivent être faits pour atténuer ces chutes. Un problème avec les accidents est qu'ils se produisent souvent par intermittence, de sorte que les mesures doivent être programmées pour les capturer automatiquement. Si un niveau d'activation préalablement défini est dépassé, l'équipement de mesure commencera à enregistrer l'événement.

demande de pointe

Les niveaux de consommation des installations industrielles (et commerciales) sont surveillés par les compagnies d'électricité plusieurs fois par heure afin de connaître leur demande énergétique moyenne. Les usines de production en particulier ont tendance à consommer une grande quantité d'énergie au démarrage et cela peut influencer la façon dont les services publics sont capables de calculer leurs charges en fonction de la demande de pointe (la demande moyenne la plus élevée sur tous les intervalles d'un cycle de facturation).

La façon de réduire ces coûts consiste à échelonner les cycles de charge pour lisser la demande et minimiser la consommation totale d'énergie à tout moment. Pour ce faire, il est important de vérifier l'intervalle de demande utilisé par la compagnie d'électricité et de mesurer la demande de puissance dans le temps à la connexion à l'aide d'un enregistreur de qualité de puissance. Il facilitera également l'identification des charges importantes qui apparaissent simultanément, en mesurant la demande pour vérifier les lectures pour chaque charge.

Dans le cas où les installations dépassent les niveaux contractuels de demande de pointe, les compagnies d'électricité peuvent appliquer des amendes importantes. Par conséquent, il est essentiel d'éviter les dépenses excessives et de réguler les coûts énergétiques pour protéger les revenus et réduire les dépenses.

Facteur de puissance

Toute l'énergie produite et transportée jusqu'à l'utilisateur final n'est pas utilisée efficacement et c'est la puissance active (mesurée en kW) que l'utilisateur final paie. La puissance réactive, qui fait également partie de l'approvisionnement en électricité transportée par l'infrastructure, n'est pas utilisée et n'est pas facturée à l'utilisateur final, elle peut donc être considérée comme un déchet. Cela signifie que les éléments d'infrastructure tels que les câbles, les commutateurs et les transformateurs sont dimensionnés pour transporter la pleine puissance, mais qu'une partie seulement de cette infrastructure est utilisée efficacement. Cette puissance totale est appelée puissance apparente et se mesure en kVA.

Le rapport entre la puissance active et la puissance apparente indique l'efficacité dans l'utilisation de l'énergie, et s'il est égal à 1, cela signifie que toute la puissance apparente est utilisée et chargée ; plus ce nombre est faible, moins l'utilisation de la puissance apparente est efficace. Étant donné que les fournisseurs d'électricité ne peuvent pas facturer l'utilisateur final pour la puissance réactive, une limite est fixée dans le contrat. Si cette limite est dépassée, il peut y avoir une amende importante. Le rapport de la puissance active à la puissance apparente est appelé "cos phi" ou "facteur de puissance de déplacement" et ne devrait idéalement jamais descendre en dessous de 0,95.

En plus de l'amende, une autre conséquence négative d'un mauvais cos phi peut être la surchauffe de l'infrastructure. Pour éviter ce problème, il est nécessaire d'installer des batteries de condensateurs à proximité de charges élevées telles que des moteurs d'une puissance supérieure à 50 kW ou en un point central à proximité du tableau de distribution.

Les harmoniques peuvent également affecter le facteur de puissance. Si des harmoniques sont présents, la compensation par condensateurs ne suffit pas à elle seule, il est donc indispensable de recourir à un filtrage pour réduire l'effet négatif des harmoniques.

La résolution de ces six problèmes cachés liés à la consommation d'énergie permet de minimiser les déchets, les temps d'arrêt et les dommages aux équipements, tout en maximisant la productivité et l'efficacité.