Explication de la norme IEC 61800-3 : Conformité CEM des variateurs de vitesse et des systèmes d’entraînement de puissance

Exigences CEM de la norme IEC 61800-3 pour les variateurs de fréquence et les systèmes d'entraînement de puissance

Les variateurs de fréquence (VFD), les variateurs de vitesse (ASD) et les systèmes d'entraînement de puissance (PDS) sont aujourd'hui essentiels à l'industrie moderne. Ils sont utilisés dans les usines de fabrication, les stations d'épuration, les exploitations minières, les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), les installations d'énergies renouvelables et les infrastructures pétrolières et gazières. Leur valeur est concrète et mesurable : un meilleur contrôle des processus, une consommation d'énergie réduite, une productivité accrue et une durée de vie des équipements prolongée. Pour les produits intégrant des modules sans fil ou des fonctions de communication, Tests RF Une évaluation EMC peut également être requise.

En contrôlant avec précision la vitesse et le couple du moteur, les systèmes d'entraînement modernes permettent aux opérateurs de réduire les coûts d'exploitation et d'améliorer la fiabilité. Cependant, l'électronique de puissance qui assure l'efficacité de ces systèmes peut également engendrer des problèmes importants. compatibilité électromagnétique (CEM) défis.

Les dispositifs de commutation à haute vitesse, tels que les IGBT et les MOSFET de puissance, sont des éléments essentiels des systèmes d'entraînement de puissance modernes. Ils offrent un excellent rendement et une grande précision de contrôle, mais peuvent également générer des interférences électromagnétiques (IEM). Sans une conception, une atténuation et une installation appropriées, ainsi que des tests de compatibilité électromagnétique (CEM), ces perturbations peuvent affecter les réseaux de communication, les capteurs, les équipements d'automatisation, les systèmes de contrôle et les appareils électroniques situés à proximité.

La norme IEC 61800-3 traite de ces problématiques en définissant les exigences CEM, les limites d'émission, les critères d'immunité, les considérations d'installation et les méthodes d'essai des systèmes d'entraînement électrique à vitesse variable. Pour de nombreux fabricants et intégrateurs de systèmes, la conformité à la norme IEC 61800-3 constitue une étape importante vers Marquage CE, la certification CEM, la certification de produit et accès au marché mondial.

Cet article explique le rôle de la norme IEC 61800-3, la classification des systèmes d'entraînement de puissance, les problèmes de CEM les plus courants rencontrés dans les installations de variateurs de fréquence et les étapes d'ingénierie pratiques qui aident les fabricants, les intégrateurs et les laboratoires d'essais à obtenir une conformité fiable.

Qu'est-ce que la CEI 61800-3 ?

La norme CEI 61800-3 est la norme internationale de produit qui définit les exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) pour les systèmes d'entraînement de puissance électrique à vitesse variable. Elle contribue à garantir le bon fonctionnement d'un système d'entraînement dans son environnement électromagnétique prévu, tout en limitant les perturbations électromagnétiques qu'il y introduit.

La norme EN 61800-3 définit les limites d'émission, les exigences d'immunité, les méthodes d'essai, les recommandations d'installation et les critères de classification. En Europe, elle est couramment utilisée pour démontrer la conformité des systèmes d'entraînement concernés à la directive CEM.

Comprendre les systèmes d'entraînement de puissance

On confond souvent le variateur de fréquence avec le système d'entraînement complet. La norme IEC 61800-3 utilise un concept plus large : celui de système d'entraînement de puissance (PDS).

Un système de distribution de puissance (PDS) typique comprend l'électronique de commande, l'électronique de conversion de puissance, le moteur, l'encodeur ou les dispositifs de retour d'information, et les câbles d'interconnexion. La machine entraînée elle-même n'est généralement pas considérée comme faisant partie du PDS.

Le redresseur convertit le courant alternatif entrant en courant continu. Le bus continu sert de tampon d'énergie, tandis que l'onduleur génère un courant alternatif contrôlé pour alimenter le moteur. Ce processus de conversion est efficace et flexible, mais la commutation rapide au sein de l'onduleur est également à l'origine de nombreux problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM).

Pourquoi la CEM est importante pour les variateurs de vitesse

Le fonctionnement rapide des variateurs modernes génère des perturbations électriques à haute fréquence. Les variateurs industriels de grande taille fonctionnent généralement entre 1 kHz et 20 kHz, tandis que les plus petits peuvent atteindre 50 kHz, voire plus. Ces fréquences de commutation améliorent la commande des moteurs, mais elles créent également des composantes spectrales à haute fréquence susceptibles de se propager dans les câbles d'alimentation, les câbles moteurs, les systèmes de mise à la terre, les blindages de câbles et les structures métalliques environnantes.

Sans une conception CEM adéquate, ces perturbations peuvent entraîner des dysfonctionnements des automates programmables, des erreurs de capteurs, des pannes de communication, des déclenchements intempestifs, une corruption des données, une défaillance prématurée des roulements de moteurs et des arrêts de production imprévus. Dans les environnements de production automatisés, l'impact économique peut être considérable.

Définition de la CEM

La compatibilité électromagnétique est la capacité d'un équipement à fonctionner de manière satisfaisante dans son environnement électromagnétique sans introduire de perturbations électromagnétiques intolérables dans quoi que ce soit présent dans cet environnement.

En pratique, la CEM (compatibilité électromagnétique) comporte deux aspects. Le premier concerne le contrôle des émissions : le variateur ne doit pas émettre d’interférences électromagnétiques excessives. Le second concerne l’immunité : le variateur doit continuer à fonctionner correctement même exposé à des perturbations électromagnétiques. La norme IEC 61800-3 traite de ces deux aspects.

Classification environnementale IEC 61800-3

L'un des aspects les plus importants de la norme IEC 61800-3 est la distinction entre les environnements d'installation. La norme définit deux environnements principaux.

Catégories IEC 61800-3

La norme IEC 61800-3 subdivise les systèmes d'entraînement de puissance en quatre catégories. Ces catégories permettent de définir les domaines d'utilisation d'un système et le niveau de contrôle CEM attendu.

Applications typiques couvertes par la norme IEC 61800-3

La norme IEC 61800-3 s'applique à une large gamme d'applications industrielles, notamment les pompes, les ventilateurs, les compresseurs, les convoyeurs, les grues, les palans, la robotique, les machines-outils, les cimenteries, les laminoirs, les systèmes d'extrusion, les équipements de forage, les systèmes de manutention et les systèmes de propulsion marine.

De nombreuses installations modernes exploitent simultanément des dizaines, voire des centaines, de variateurs. À mesure que le nombre de variateurs augmente, l'environnement électromagnétique se complexifie et l'ingénierie CEM au niveau système devient primordiale.

Défis liés à la CEM associés aux variateurs de fréquence

La commutation électronique de puissance crée deux grandes catégories de perturbations électromagnétiques : le bruit en mode différentiel et le bruit en mode commun.

Bruit en mode différentiel

Le bruit en mode différentiel circule dans les conducteurs transportant le courant. Il peut s'agir, par exemple, de bruit entre phases, de perturbations entre phases, d'ondulations de commutation et de courants harmoniques. Ces perturbations affectent principalement la qualité de l'énergie électrique. émissions conduiteset la conformité des services publics.

Bruit en mode commun

Le bruit en mode commun est souvent plus difficile à maîtriser car il se propage par des voies non intentionnelles telles que les systèmes de mise à la terre, les blindages de câbles, les boîtiers d'équipements, les structures métalliques et les chemins de câbles. Les courants en mode commun sont fréquemment responsables des émissions rayonnées, des courants de roulement, des pannes de communication et des problèmes d'instrumentation.

Le coût caché d'une mauvaise CEM

De nombreuses installations industrielles fonctionnent pendant des années avec des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) latents. Les symptômes sont souvent intermittents : réinitialisations aléatoires des automates programmables, erreurs de communication, capteurs instables, baisse du rendement de production, déclenchements intempestifs et augmentation des coûts de maintenance. Comme ces pannes ne se manifestent pas systématiquement, elles sont souvent diagnostiquées à tort comme des bogues logiciels, des défaillances matérielles ou des erreurs humaines.

En réalité, les problèmes liés à la CEM peuvent engendrer des coûts opérationnels bien supérieurs aux dépenses liées à une conception CEM adéquate. leset l’atténuation des risques pendant la phase de développement ou d’installation.

Pourquoi la conformité seule ne suffit pas

La réussite des tests de compatibilité électromagnétique (CEM) est essentielle, mais ne garantit pas automatiquement un fonctionnement sans problème dans toutes les installations réelles. Un variateur peut respecter les limites de la norme CEI 61800-3 et néanmoins générer des interférences dans une installation donnée.

Le fonctionnement simultané de plusieurs variateurs, la résonance dans les réseaux de distribution électrique, les longs câbles de moteurs, une mise à la terre défectueuse, un blindage insuffisant et la présence d'instruments sensibles à proximité peuvent tous engendrer des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) spécifiques au site. C'est pourquoi une ingénierie CEM réussie exige à la fois des tests de conformité et des pratiques d'installation rigoureuses.

Pourquoi les variateurs de fréquence génèrent des problèmes de CEM

Contrairement aux démarreurs de moteurs traditionnels, les variateurs de fréquence modernes convertissent l'énergie électrique en continu grâce à la commutation rapide de semi-conducteurs. Un onduleur MLI typique effectue des milliers de commutations par seconde pour générer le signal de sortie souhaité. Ce processus engendre des variations de tension (dv/dt) et de vitesse de commutation (di/dt) importantes, du bruit électromagnétique à large bande, de la distorsion harmonique et des courants de mode commun.

Ces perturbations peuvent se propager à travers les réseaux électriques, les câbles moteurs, les conducteurs de mise à la terre, les blindages de câbles, les structures métalliques et les réseaux de communication. C'est pourquoi la compatibilité électromagnétique (CEM) doit être prise en compte dès les premières étapes de la conception des systèmes d'entraînement.

Comprendre la commutation PWM

Les variateurs modernes régulent la vitesse du moteur par modulation de largeur d'impulsion (MLI). Au lieu de produire une tension sinusoïdale pure, l'onduleur génère une série d'impulsions de tension commutées rapidement. L'inductance du moteur contribue à lisser ces impulsions et à reconstituer la forme d'onde du courant requise.

La modulation de largeur d'impulsion (PWM) offre un excellent contrôle du moteur, mais chaque transition de commutation crée une énergie électromagnétique qui s'étend bien au-delà de la fréquence fondamentale du moteur.

Émissions conduites

Émissions conduites Les émissions conduites sont des perturbations électromagnétiques indésirables qui se propagent le long des conducteurs électriques. Elles peuvent emprunter les câbles d'alimentation, les conducteurs de terre, les câbles de commande et les câbles de communication. En milieu industriel, les émissions conduites constituent l'une des causes les plus fréquentes de problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM).

Sources d'émissions conduites

Les transitions rapides constituent une source importante de bruit conduit. Les IGBT modernes peuvent commuter en quelques dizaines ou centaines de nanosecondes, générant ainsi une énergie haute fréquence considérable. Les éléments parasites des câbles contribuent également à ce bruit, car chaque câble contient une capacité, une inductance et une résistance. Ces éléments parasites créent des chemins de courant indésirables.

Les réseaux de mise à la terre peuvent améliorer ou aggraver la situation. Une mauvaise liaison équipotentielle, des chemins de terre trop longs ou des terminaisons de blindage non uniformes peuvent permettre aux courants parasites de se propager à travers les conducteurs de terre de protection, la structure métallique du bâtiment, les chemins de câbles et les châssis des équipements.

Émissions en mode commun

Les émissions en mode commun sont souvent plus problématiques que les émissions en mode différentiel. Elles peuvent remonter par les systèmes de mise à la terre, les blindages de câbles, les structures de bâtiments, les boîtiers d'équipements et d'autres voies non intentionnelles.

Les courants de mode commun sont souvent la source cachée de problèmes apparemment sans lien avec le variateur. Les réseaux Ethernet industriels peuvent subir des pertes de paquets ou des déconnexions intermittentes. Les mesures analogiques, les signaux d'encodeur et les relevés de température peuvent devenir instables. Les automates programmables peuvent subir des réinitialisations inattendues ou des déclenchements intempestifs.

Emissions Rayonnées

Émissions rayonnées Les rayonnements se produisent lorsque l'énergie électrique est convertie en champs électromagnétiques qui se propagent dans l'espace. Contrairement aux perturbations conduites, les émissions rayonnées ne nécessitent pas de connexion électrique directe. Elles peuvent perturber des équipements situés à plusieurs mètres de distance.

Dans les installations de variateurs de fréquence, le boîtier du variateur lui-même n'est pas toujours le principal émetteur. Les câbles du moteur, les conducteurs de terre, les terminaisons de blindage et les éléments métalliques de la structure agissent souvent comme des antennes. Les longs câbles du moteur sont particulièrement importants, car un câble de plusieurs dizaines de mètres peut rayonner efficacement s'il n'est pas correctement blindé, mis à la terre et acheminé.

Les émissions rayonnées peuvent perturber les systèmes de communication sans fil, le Wi-Fi industriel, les systèmes RFID, les instruments de mesure, les dispositifs médicaux et les radiocommunications. Dans les cas les plus graves, des problèmes de fonctionnement intermittents peuvent affecter une chaîne de production ou une installation entière.

Harmoniques et interharmoniques

Les harmoniques sont des composantes de fréquence qui apparaissent à des multiples entiers de la fréquence fondamentale du réseau. Dans un système de 60 Hz, la 2e harmonique est à 120 Hz, la 3e à 180 Hz, la 5e à 300 Hz et la 7e à 420 Hz. Les variateurs de fréquence figurent parmi les charges génératrices d'harmoniques les plus courantes dans les installations industrielles.

Un excès d'harmoniques peut entraîner une surchauffe des transformateurs et des câbles, des défaillances de condensateurs et une réduction de la durée de vie des équipements. Le taux de distorsion harmonique (THD) est souvent utilisé pour quantifier l'importance de la distorsion harmonique. Un THD élevé signifie généralement une qualité d'alimentation électrique médiocre et un risque accru de problèmes de fonctionnement.

Les interharmoniques se produisent à des fréquences qui ne sont pas des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Elles peuvent provenir de variateurs de fréquence, de cycloconvertisseurs et de systèmes d'électronique de puissance avancés. Les interharmoniques peuvent engendrer du scintillement, des phénomènes oscillatoires et des problèmes de résonance. Leur comportement est souvent plus difficile à prévoir que celui des harmoniques classiques. Pour l'électronique de puissance et les systèmes d'entraînement, tests harmoniques et de scintillement permet d'évaluer ces risques liés à la qualité de l'énergie avant la mise sur le marché ou l'installation.

Courants porteurs et ondes réfléchies

L'une des conséquences les plus coûteuses d'une mauvaise conception CEM est l'endommagement des roulements de moteur. Les tensions de mode commun générées par la commutation PWM peuvent induire des tensions sur l'arbre. Lorsque la tension dépasse la capacité d'isolation du film lubrifiant du roulement, une décharge électrique peut se produire à travers celui-ci.

Ces décharges peuvent provoquer des piqûres, des cannelures, des bruits anormaux au niveau des roulements, une augmentation des vibrations, une élévation de la température et une défaillance prématurée des roulements. Ces défaillances sont souvent attribuées à tort à des causes purement mécaniques.

Les longs câbles moteurs peuvent engendrer un autre problème : les ondes réfléchies. Les variations de tension à haute vitesse se propagent le long du câble et se réfléchissent aux discontinuités d’impédance. Les surtensions qui en résultent peuvent accroître les contraintes sur l’isolation du moteur et réduire la durée de vie de l’équipement.

Défis liés à la CEM dans les installations industrielles modernes

Les installations industrielles modernes combinent variateurs de fréquence, robots, automates programmables, réseaux Ethernet industriels, systèmes sans fil, appareils connectés au cloud, capteurs et plateformes d'automatisation avancées. À mesure que ces systèmes s'interconnectent, une perturbation générée par un variateur peut affecter de nombreux autres systèmes.

Exemples concrets de défaillance CEM

Réinitialisations intermittentes de l'automate programmable

Une usine de fabrication a subi des pannes aléatoires de ses automates programmables. Après une enquête approfondie, le problème a été attribué à des courants de mode commun provenant d'un variateur de fréquence voisin et se couplant au câblage de communication.

Dysfonctionnements de l'encodeur

Une chaîne de production à grande vitesse a subi des erreurs de retour d'information de position. La cause première était des interférences rayonnées par des câbles de moteur mal blindés.

Instabilité du réseau sans fil

Un réseau Wi-Fi industriel a subi des interruptions intermittentes. La source a finalement été identifiée comme étant des perturbations conduites et rayonnées provenant de plusieurs installations de variateurs de fréquence.

Pourquoi la conception précoce de la CEM est importante

La correction des problèmes de compatibilité électromagnétique après installation est souvent coûteuse et perturbatrice. Les actions correctives courantes peuvent inclure l'ajout de filtres, le remplacement de câbles, la modification de la mise à la terre, la modernisation du blindage, le déplacement d'équipements et des interventions répétées pour le dépannage.

Ces modifications coûtent généralement beaucoup plus cher que l'application de principes de conception CEM appropriés lors des phases de développement du produit et d'intégration du système. Examen CEM précoce, tests de pré-conformitéDes instructions d'installation claires peuvent réduire considérablement le risque de problèmes sur le terrain.

Pratiques de conception et d'installation CEM

• Utilisez des filtres CEM sélectionnés en fonction de la puissance du variateur, de la catégorie d'installation et de l'environnement cible.
• Gardez les câbles du moteur aussi courts que possible.
• Utilisez des câbles de moteur blindés lorsque l'application et la norme l'exigent.
• Terminez les blindages des câbles par une liaison à 360 degrés plutôt que par de longs cordons.
• Séparer les câbles du moteur, les câbles d'alimentation, les câbles de commande et les câbles de communication.
• Utilisez une mise à la terre à faible impédance et une liaison équipotentielle.
• Pour les applications nécessitant de longs câbles de moteur, envisagez l'utilisation de réacteurs de sortie, de filtres dV/dt ou de filtres sinusoïdaux.
• Évaluer les harmoniques, les interharmoniques et la qualité de l'énergie pendant la phase de conception.
• Documentez clairement les exigences d'installation EMC à l'intention des installateurs et des utilisateurs finaux.

Comment Stancer Testing-Labor peut vous aider

Laboratoire d'essais Stancer, un laboratoire d'essais EMC et RF accrédité (ou laboratoire d'essais sans fil) accompagne les fabricants, les intégrateurs et les équipes d'ingénierie en leur fournissant des services accrédités d'essais EMC et un soutien à la conformité pour l'électronique industrielle, les variateurs de vitesse, les systèmes d'automatisation et les équipements de conversion de puissance.

Nos capacités comprennent effectué des tests d'émissions, essais d'émissions rayonnées, test d'immunité rayonnée, tests d'immunité effectués, tests harmoniques et de scintillement, Tests RF et Tests de pré-conformité CEM.

Stancer Testing-Lab, en tant que laboratoire de test EMC de premier plan et laboratoire de test RF entièrement équipé, est capable d'effectuer des tests EMC sur des entraînements de moteurs triphasés et des convertisseurs d'électronique de puissance jusqu'à 200 A. 

Que l'objectif soit la conformité à la norme IEC 61800-3, la certification CEM, le marquage CE, la validation de produits ou le dépannage précoce lors de la conception, les tests structurés aident à identifier les risques avant qu'ils ne deviennent des problèmes coûteux sur le terrain.

Références

1. CEI 61800-3:2017, Systèmes d'entraînement de puissance électrique à vitesse variable – Partie 3 : Exigences CEM et méthodes d'essai spécifiques.
2. Keith Armstrong, Conformité à la norme IEC/EN 61800-3 – Bonnes pratiques d'ingénierie CEM dans l'installation de systèmes d'entraînement de puissance.
3. Notes CEM pour l'application de la norme de produit EN 61800-3.
4. Série IEC 61000-4, Compatibilité électromagnétique (CEM) – Techniques de test et de mesure.
5. CEI 61000-3-2, Limites des émissions de courant harmonique.
6. CEI 61000-4-13, Essais d'immunité aux harmoniques et interharmoniques.
7. Ott, HW, Ingénierie de la compatibilité électromagnétique, Wiley.
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