On achète généralement un compteur multifonction pour connaître la consommation d'énergie. On souhaite connaître la consommation en kilowattheures par équipe ou par ligne de production, et le compteur est installé pour fournir cette valeur. Le filtre harmonique est la partie que personne n'ouvre pendant la première année. Puis, une borne de neutre commence à chauffer, ou un banc de condensateurs se met à faire sauter des fusibles, et ce même compteur devient alors l'instrument le plus utile de l'armoire électrique.
Note d'application : ce document traite de la lecture des harmoniques sur un compteur de tableau installé de manière permanente, dans les réseaux de distribution basse et moyenne tension, jusqu'à la trente et unième harmonique. Il ne remplace pas un contrôle de conformité réalisé à l'aide d'un analyseur de qualité d'énergie portable, et ne couvre pas les statistiques relatives aux interharmoniques, au scintillement ou aux creux de tension. ACXION fabrique les compteurs de la série TS dont il est question ici ; ce document provient donc du secteur de la fabrication et des applications plutôt que d’un laboratoire d’essais.
Pourquoi le neutre peut-il supporter un courant plus important que la phase ?
Dans un réseau triphasé équilibré alimentant des charges linéaires, le neutre ne transporte pratiquement aucun courant. C'est pourquoi les conducteurs de neutre sont souvent de section inférieure à celle des conducteurs de phase. Les alimentations à découpage changent la donne. Le courant consommé par un circuit redresseur n'est pas sinusoïdal. La troisième harmonique qu'il génère ne s'annule pas dans le neutre comme le fait la fondamentale. Les harmoniques de troisième, neuvième et quinzième ordre s’additionnent dans le neutre au lieu de s’annuler.
Nous avons mesuré un courant de neutre supérieur au courant de phase sur des tableaux alimentant uniquement des éclairages LED et du matériel de bureau. Les valeurs mesurées sur les phases semblaient normales, bien en deçà de la capacité nominale du disjoncteur, et c'était le neutre qui chauffait. Sur quatre tableaux que nous avons examinés l'année dernière, le neutre était plus chaud que n'importe quelle phase. Dans tous les cas, le tableau avait été conçu en partant du principe que la charge était linéaire. Rien sur les plaques signalétiques n’aurait permis de le deviner.
Un compteur qui n'indique que le courant total masque complètement cette information. Il faut connaître la teneur en harmoniques sur le neutre, ou au moins la troisième harmonique sur les phases, avant de pouvoir déterminer si le conducteur neutre est correctement dimensionné.
Ne vous fiez pas à un simple pourcentage, mais à l'ensemble du spectre
La plupart des appareils de mesure affichent la distorsion harmonique totale sous la forme d'un seul chiffre, et c'est généralement là que la plupart des gens s'arrêtent. Or, c'est justement la donnée la moins utile qui s'affiche à l'écran. Un taux de 8 % dû à une troisième harmonique n'est pas le même problème qu'un taux de 8 % dû à une onzième harmonique, et les solutions ne sont pas les mêmes.
L'ordre des harmoniques vous indique la source. Une quinte et une septième dominantes indiquent un redresseur à six impulsions, ce qui, dans une installation, correspond généralement à des variateurs de vitesse et aux grands onduleurs. Une tierce dominante indique des charges électroniques monophasées, ce qui correspond au problème lié au neutre décrit ci-dessus. Les onzième et treizième harmoniques indiquent généralement un montage à douze impulsions ou un grand variateur à courant continu. La norme CEI 61000-4-7 définit comment les mesures d'harmoniques et d'interharmoniques sur un réseau d'alimentation doivent être regroupées et évaluées. C'est la référence à laquelle nous nous référons lorsque quelqu'un nous demande pourquoi un compteur fixe et un instrument portable présentent un écart de quelques dixièmes.
Les multimètres TS mesurent les harmoniques de la deuxième à la trente et unième. Cette plage couvre les harmoniques que vous êtes susceptible de rencontrer sur un tableau électrique industriel ou commercial. Tout ce qui dépasse cette plage relève d'une autre catégorie d'instruments et d'un autre type d'analyse.
D'où viennent les harmoniques ?
Les sources sont presque toujours les mêmes quatre, et une fois que vous les connaissez, vous pouvez généralement prédire le spectre avant même de le mesurer. Les variateurs de fréquence constituent la principale source de bruit dans la plupart des installations. Les alimentations à découpage présentes dans les armoires de commande, les racks d’automates programmables et les équipements informatiques génèrent un fond harmonique de troisième ordre très large qui ne s’éteint jamais. Les alimentations sans coupure (ASI) contribuent à ce bruit en fonction de la conception de leur redresseur. L'éclairage LED contribue davantage que ce que l'on pourrait croire dans une grande installation, car le nombre de luminaires est élevé, même si chacun d'entre eux est de petite taille.
Tout cela n'est pas dû à un défaut du matériel. Les appareils modernes consomment du courant par impulsions et l'alimentation doit s'y adapter. La question est simplement de savoir si le réseau de distribution a été conçu pour cela, ce qui n'est généralement pas le cas.
Le piège du banc de condensateurs
Ce sont les condensateurs de correction du facteur de puissance qui transforment un niveau d’harmoniques gérable en une panne. Un condensateur présentant une faible impédance aux fréquences harmoniques, le banc absorbe donc le courant harmonique provenant de l’ensemble de l’installation. Si l'inductance du banc vient à résonner à proximité d'une harmonique présente, le courant dans cette branche peut grimper bien au-delà des valeurs pour lesquelles les fusibles et les contacteurs ont été sélectionnés. Des fusibles de condensateurs grillés, des boîtiers bombés et des contacts de contacteurs soudés en sont les symptômes habituels. Ces problèmes sont systématiquement attribués à un défaut de qualité des condensateurs.
Nous avons été appelés à intervenir sur deux installations où le banc de condensateurs semblait être à l'origine de la panne. La véritable cause était en réalité une modernisation des variateurs effectuée dix-huit mois auparavant. Le banc avait été dimensionné à une époque où la charge était principalement constituée de moteurs, et les courants harmoniques générés par les nouveaux variateurs ont immédiatement atteint le point de résonance. Dans les deux cas, les données des compteurs ont permis de trancher le débat. Le courant harmonique de cinquième ordre dans la branche des condensateurs était plusieurs fois supérieur à la fondamentale.
La solution standard consiste à installer un réacteur désaccordé en série avec chaque étage. Le réacteur doit être choisi en fonction de l'ordre harmonique réellement présent, et non en fonction d'une valeur générique issue d'une intervention précédente.
Des chiffres fiables
La qualité d'une mesure des harmoniques dépend entièrement du transformateur de courant qui l'alimente. Les compteurs TS acceptent un secondaire de TC de 1 A ou 5 A. L'entrée de tension est de 57,7/100 V ou 220/380 V, en direct ou via un TP. Ils présentent une charge inférieure à 0,2 VA tant sur l'entrée de courant que sur l'entrée de tension. Ce dernier chiffre est plus important qu'il n'y paraît. Si le transformateur de courant est de faible taille et que le câblage secondaire est long, la charge du câble peut pousser le noyau à la saturation. Un noyau saturé signale des harmoniques qui n'existent pas.
Le courant et la tension sont mesurés selon la classe de précision 0,2, la puissance active et l'énergie active selon la classe 0,5, et l'énergie réactive selon la classe 1. Pour les analyses harmoniques, il convient de vérifier la précision de la tension et du courant, car la composante harmonique provient du même circuit d'entrée. La plage de fréquence est comprise entre 45 et 65 Hz, et la surcharge continue sur l'entrée de courant est de 1,2 fois la valeur nominale.
En matière de communication, les compteurs utilisent le protocole Modbus-RTU sur RS485 à 2 400, 4 800, 9 600 ou 19 200 bps, la valeur par défaut étant 9 600. Dans la pratique, le facteur limitant est rarement la vitesse de transmission. C'est plutôt la fréquence d'interrogation du maître SCADA. Une lecture du spectre effectuée une fois par heure ne permettra pas de détecter le pic qui apparaît lors du démarrage d'un variateur particulier.
Format des panneaux et choix d'options
L'appareil de mesure doit s'adapter à l'espace disponible ; dans le cadre d'une mise à niveau, cet espace correspond à celui occupé par l'ancien instrument. La série TS est disponible en formats carrés de 48, 72, 80 et 96 mm, ainsi qu'en version 96 × 48 mm. Les découpes mesurent 45 × 45, 68 × 68, 76 × 76 et 91 × 91 mm, ainsi que 91 × 45 mm pour la version large. Un appareil de 96 mm dispose d'une surface d'affichage suffisante pour présenter un spectre de manière lisible. Cela est important si l'opérateur doit le lire localement plutôt que via le bus.
Les extensions en option comprennent une ou deux sorties relais, deux ou quatre entrées numériques, ainsi qu'une à trois sorties analogiques de 4 à 20 mA ou de 0 à 20 mA. Le choix de l'extension dépend du rôle du compteur : s'il sert uniquement à la transmission de données ou s'il effectue également des actions ; de plus, toutes les combinaisons ne sont pas compatibles avec toutes les tailles de châssis. Sur les compteurs CC de 96 × 48 mm, l’option RS485 et la sortie analogique unique s’excluent mutuellement. Ce choix doit être effectué avant la commande.
L'alimentation est de type CA ou CC, de 80 à 270 V, avec une puissance maximale de 5 VA. La plage de fonctionnement s'étend de -10 à +55 degrés Celsius et l'altitude maximale est de 2 500 mètres. L'isolation entre l'alimentation, les entrées et les sorties est supérieure à 2 kV CA.
Cette même plateforme permet également de mesurer le courant continu. La tension continue d'entrée peut atteindre 1 000 V, et le courant est mesuré à partir d'un shunt de 75 mV ou d'un capteur à effet Hall, avec une précision de classe 0,5. C'est la version dont ont besoin les cartes électroniques destinées aux secteurs de l'énergie solaire et des télécommunications. Il s'agit d'une gamme de modèles distincte, et non d'une option disponible sur les compteurs CA.
Ce que nous demandons avant d'établir un devis pour un compteur
En tant que fabricant, il est tout à fait normal que nous vendions ces produits, et nos recommandations en tiennent compte. Ce dont nous avons besoin de votre part, ce n’est pas un bon de commande. Il s’agit de la tension du réseau, du rapport du transformateur de courant (TC) et de l’intensité secondaire déjà installés, ainsi que de savoir si la tension est mesurée directement ou via un transformateur de tension (TT). Ensuite, la classe de précision dont vous avez réellement besoin, les sorties d’extension dont vous avez besoin et la manière dont les mesures seront collectées.
Les compteurs de cette gamme sont fabriqués sur commande à partir du catalogue et leur prix est établi en fonction de la configuration choisie. Les tableaux des modèles, les codes d'extension, les schémas de câblage et les dimensions d'encastrement figurent dans le catalogue de la série TS disponible sur notre centre de téléchargement. Si cette même installation doit également être protégée, consultez nos conseils pour choisir un Relais de protection ACX6300 en appliquant le produit sur cette face du panneau.
Ce que cet article n'aborde pas
Les interharmoniques, les fluctuations de tension, les statistiques relatives aux creux et aux pics de tension, ainsi que les rapports de conformité par rapport au tarif du fournisseur d’électricité ne relèvent pas des fonctions prévues d’un compteur de tableau. Si la question est de savoir si une installation respecte les limites harmoniques fixées par l’opérateur de réseau, il faut utiliser un analyseur portable pendant toute la durée de l’étude. La norme IEEE 519 constitue la référence habituelle pour définir ces limites. Un compteur installé de manière permanente vous indique ce qui se passe un mardi après-midi. À lui seul, il ne vous indique pas quelle sera la position du fournisseur d'électricité à ce sujet.
Les caractéristiques techniques indiquées ici proviennent du catalogue actuel. Vérifiez le code du modèle et la combinaison d'extension figurant sur la confirmation de commande, et référez-vous au schéma de câblage fourni avec l'appareil, qui fait foi.