Comment vérifier les perturbations dans une machine ? Analyse des formes d’onde de courant, de tension et évaluation de la qualité de l’énergie électrique

Les perturbations dans une machine industrielle se vérifient par l’analyse des formes d’onde de courant et de tension, l’évaluation de la qualité de l’énergie électrique, la mesure des harmoniques, le contrôle de la symétrie de charge et le diagnostic de la compatibilité électromagnétique EMC. En pratique, cela signifie qu’une mesure de tension avec un multimètre ne suffit pas. Il faut vérifier le comportement de la machine pendant le fonctionnement, le démarrage, le freinage, les changements de charge ainsi que lors de la coopération avec les variateurs de fréquence, les servomoteurs, les alimentations, les automates PLC, les panneaux HMI, les codeurs et les modules I/O.

Dans les sites industriels, les perturbations se manifestent souvent comme des pannes apparemment aléatoires. La machine fonctionne correctement à un moment donné, puis s’arrête à un autre moment sans cause claire. L’automate PLC peut se réinitialiser, le panneau HMI peut perdre la communication, le variateur de fréquence peut signaler des erreurs, et les signaux provenant du codeur ou des capteurs peuvent devenir instables. C’est pourquoi les mesures de machines industrielles doivent inclure non seulement la présence même de la tension, mais aussi la qualité de l’alimentation, la forme des signaux, le niveau de perturbations et l’influence de chaque appareil sur l’ensemble de l’installation.

Contactez RGB Elektronika et vérifiez si la cause de la panne de la machine est une perturbation EMC, la qualité de l’énergie électrique, une erreur d’installation ou une défaillance d’un appareil d’automatisation.

Appelez : +48 717 500 983

Comment reconnaître les perturbations dans une machine industrielle et pourquoi une mesure ordinaire ne suffit-elle souvent pas ?

Quels symptômes indiquent des perturbations EMC, des problèmes d’alimentation ou de qualité de l’énergie ?

Les perturbations dans une machine industrielle ne ressemblent généralement pas à une panne classique d’un seul composant. Très souvent, il s’agit de problèmes périodiques, difficiles à reproduire et dépendants de la charge, de l’ordre de démarrage des appareils, du fonctionnement des machines voisines ou de l’état de l’installation électrique.

Les symptômes typiques des perturbations comprennent :

• arrêts aléatoires de la machine sans erreur mécanique évidente,
• réinitialisation des automates PLC ou des modules de commande,
• pertes de communication industrielle, par exemple dans les réseaux Profinet, Profibus, EtherCAT ou Modbus,
• erreurs des variateurs de fréquence et des servomoteurs apparaissant au démarrage, au freinage ou lors d’un changement de charge,
• indications instables des capteurs, transducteurs, codeurs ou systèmes de mesure,
• clignotement des panneaux HMI, blocage des interfaces opérateur ou perte de communication avec le PLC,
• échauffement excessif des transformateurs, moteurs, alimentations ou câbles,
• déclenchement des protections sans surcharge mécanique évidente,
• perturbations des signaux analogiques, en particulier dans les voies de mesure basse tension,
• pannes récurrentes de l’électronique de commande malgré le remplacement des composants.

Si ces symptômes apparaissent de manière irrégulière, le problème ne se situe pas forcément dans l’automate, le variateur de fréquence, l’alimentation ou le panneau HMI lui-même. La cause peut être la qualité de l’énergie électrique, un niveau élevé d’harmoniques, des perturbations électromagnétiques, un blindage incorrect des câbles, une mise à la terre inadéquate ou l’absence de séparation correcte des circuits de puissance et de signal.

Pourquoi les variateurs de fréquence, servomoteurs et alimentations peuvent-ils influencer le fonctionnement des PLC, HMI et codeurs ?

Une machine industrielle moderne est un système d’appareils de puissance, d’électronique de commande et de systèmes de communication interconnectés. Les variateurs de fréquence, servomoteurs, démarreurs progressifs, convertisseurs et alimentations à découpage sont indispensables dans l’automatisation, mais ils peuvent également générer des perturbations conduites et rayonnées.

Les appareils les plus importants sont ceux qui fonctionnent de manière impulsionnelle ou qui utilisent la commutation rapide de semi-conducteurs de puissance. Les variations de courant et de tension à forte pente peuvent provoquer des émissions parasites, des surtensions, des courants de fuite et des composantes harmoniques supplémentaires. Si l’installation n’est pas réalisée correctement, les perturbations peuvent se propager vers les câbles de signal, les lignes de communication, les entrées PLC, les systèmes de mesure et l’électronique sensible aux perturbations.

Un exemple typique est une situation dans laquelle un variateur de fréquence commandant un moteur fonctionne correctement, mais ses câbles moteur sont posés trop près des câbles du codeur, des capteurs ou de la communication industrielle. Le champ électromagnétique variable autour des câbles de puissance peut induire des signaux indésirables dans les circuits voisins. Il en résulte des erreurs de lecture, un fonctionnement instable de l’entraînement, des perturbations dans la rétroaction ou des états incorrects des entrées numériques.

Quelles erreurs d’installation provoquent le plus souvent des perturbations dans les machines ?

L’évaluation des perturbations doit toujours inclure non seulement les appareils, mais aussi la manière dont l’installation a été réalisée. Dans la pratique des services de maintenance, il s’avère très souvent que le problème ne provient pas d’une défaillance d’un seul module, mais d’erreurs dans le cheminement des câbles, le blindage, la mise à la terre ou la séparation des circuits.

Les causes fréquentes de perturbations comprennent :

• absence de continuité du blindage du câble entre le variateur de fréquence et le moteur,
• raccordement du blindage d’un seul côté là où une autre solution conforme à la documentation de l’appareil est requise,
• cheminement des câbles moteur avec les câbles de signal,
• câbles trop longs entre le variateur de fréquence et le moteur sans filtres ou selfs adaptés,
• mise à la terre incorrecte de l’armoire de commande, de la machine ou des blindages de câbles,
• absence de liaison équipotentielle entre les parties de l’installation,
• boucles de masse dans les circuits de mesure et de communication,
• absence d’isolation galvanique pour les signaux de commande sensibles,
• mauvais choix des filtres EMC, des selfs réseau ou des selfs moteur,
• ignorance de l’influence des machines voisines sur l’installation d’alimentation commune.

Pour cette raison, un diagnostic professionnel doit combiner les mesures électriques, l’analyse des formes d’onde, l’évaluation de la qualité de l’alimentation et l’inspection de l’installation. Ce n’est qu’en combinant ces informations que l’on peut déterminer si la source du problème est la machine elle-même, l’alimentation, la manière dont les appareils sont raccordés ou l’émission de perturbations par un élément précis du système.

Comment réaliser l’analyse des formes d’onde de courant, de tension et l’évaluation de la qualité de l’énergie électrique ?

Que faut-il mesurer lors du diagnostic des perturbations dans une machine ?

Pour répondre à la question de savoir comment vérifier les perturbations dans une machine, il faut d’abord déterminer quels paramètres sont importants pour le système concerné. Un problème d’erreurs de communication PLC ne se diagnostique pas de la même manière qu’une surchauffe moteur, et encore autrement qu’un déclenchement aléatoire des protections ou des pannes d’alimentations à découpage.

Lors du diagnostic, il est particulièrement utile de vérifier :

• les valeurs efficaces des tensions de phase et entre phases,
• les valeurs efficaces des courants dans chaque phase,
• la symétrie des tensions et des courants,
• la forme des signaux de tension et de courant,
• la teneur en harmoniques et le facteur THD,
• les creux, hausses et coupures brèves de tension,
• les surtensions et les transitoires rapides,
• les courants de fuite et les courants vagabonds,
• les perturbations dans les voies de signal, de mesure et de communication.

Il est également important de comparer les mesures dans différents états de fonctionnement de la machine. Les perturbations peuvent apparaître uniquement lors du démarrage de l’entraînement, du freinage, d’une forte charge, du fonctionnement simultané de plusieurs axes, de l’activation des résistances chauffantes, de la commutation de contacteurs ou du fonctionnement d’une autre machine raccordée au même tableau électrique.

En quoi consiste l’analyse des formes d’onde de courant et de tension ?

L’analyse des formes d’onde de courant et l’analyse des formes d’onde de tension consistent à vérifier non seulement les valeurs numériques, mais aussi la forme du signal dans le temps. Dans un système idéal, la tension réseau présente une forme proche d’une sinusoïde. Dans les sites industriels, cette forme est souvent déformée par des charges non linéaires, des systèmes d’électronique de puissance, des variateurs de fréquence, des servomoteurs, des alimentations à découpage et des convertisseurs.

Dans la pratique du diagnostic, il faut prêter attention à :

• la déformation de la sinusoïde, qui peut indiquer la présence d’harmoniques,
• les pics de tension, susceptibles d’endommager les entrées des automates ou l’électronique,
• les creux de tension de courte durée, provoquant la réinitialisation des PLC, HMI ou alimentations,
• l’asymétrie des courants de phase, suggérant une charge inégale ou un problème avec le récepteur,
• les changements de forme d’onde pendant le démarrage et le freinage, en particulier dans les systèmes d’entraînement,
• les perturbations haute fréquence, qui ne sont pas visibles lors de simples mesures avec un multimètre universel.

C’est précisément pourquoi une simple mesure de tension ne montre souvent pas le problème réel. Un multimètre peut indiquer une valeur efficace correcte, tandis que l’installation peut simultanément présenter des surtensions, des harmoniques, des impulsions parasites rapides ou des creux momentanés de tension qui influencent le fonctionnement de l’automatisation.

Que signifient THD, THDu et THDi dans l’évaluation de la qualité de l’énergie électrique ?

L’un des paramètres clés dans l’évaluation de la qualité de l’énergie électrique est le THD, c’est-à-dire le taux de distorsion harmonique totale. Ce paramètre indique dans quelle mesure la forme d’onde de tension ou de courant s’écarte d’une sinusoïde idéale. Plus le niveau de THD est élevé, plus la part des harmoniques supérieures dans le signal examiné est importante.

Dans le diagnostic industriel, on distingue principalement :

• THDu – distorsion harmonique totale de la tension,
• THDi – distorsion harmonique totale du courant.

En termes simplifiés, le THD est le rapport entre la valeur efficace des harmoniques supérieures et la valeur efficace de la composante fondamentale. Pour la tension, cela peut s’écrire comme suit :

THD = √(U₂² + U₃² + … + U_n²) / U₁

où U₁ désigne la composante fondamentale, et U₂, U₃ … U_n désignent les harmoniques suivantes.

Une teneur élevée en harmoniques dans un site industriel peut entraîner de graves conséquences techniques :

• surchauffe des transformateurs, moteurs et câbles,
• pertes thermiques accrues dans les enroulements,
• surcharge du conducteur neutre par les harmoniques de rang trois et leurs multiples,
• fonctionnement instable des alimentations à découpage,
• perturbations dans les systèmes de mesure et de commande,
• usure plus rapide des roulements et des éléments mécaniques à cause des pulsations de couple,
• taux de défaillance plus élevé de l’électronique industrielle,
• problèmes de sélectivité des protections.

L’évaluation de la qualité de l’énergie électrique est particulièrement importante dans les sites où fonctionnent de nombreux variateurs de fréquence, servomoteurs, redresseurs, convertisseurs, alimentations à découpage, robots industriels ou systèmes CNC. Ces appareils peuvent être à la fois des sources de perturbations et des éléments sensibles à leurs effets.

Appelez : +48 717 500 983

Comment vérifier la symétrie de charge et l’influence de la machine sur l’émission de perturbations ?

La vérification de la symétrie de charge consiste à comparer les tensions et les courants dans chaque phase. Dans les systèmes triphasés, il est important que la charge soit aussi équilibrée que possible. Une forte asymétrie peut entraîner une surchauffe des moteurs, une surcharge d’une phase, un fonctionnement instable des entraînements et un déclenchement incorrect des protections.

Lors des mesures, il faut vérifier :

• si les tensions entre phases sont proches les unes des autres,
• si les courants de phase ne diffèrent pas de manière significative lors du fonctionnement stable de la machine,
• si l’asymétrie augmente au démarrage ou sous charge,
• si le conducteur neutre n’est pas surchargé,
• si un appareil spécifique ne provoque pas une détérioration des paramètres d’alimentation après sa mise en marche.

L’analyse de l’influence des appareils sur l’émission de perturbations doit être effectuée de manière comparative. En pratique, cela signifie mesurer les paramètres avant le démarrage de la machine, pendant son fonctionnement à vide, sous charge et aux moments où le problème se produit. Cela permet d’indiquer si la source des perturbations est un variateur de fréquence précis, un servomoteur, une alimentation, un système de chauffage, un convertisseur, un module de puissance ou un autre récepteur.

Cette approche est particulièrement importante lorsque le problème concerne toute une ligne de production. Une seule machine peut introduire des perturbations dans le réseau d’alimentation commun, tandis que les effets peuvent être visibles à un tout autre endroit, par exemple dans un automate PLC, un panneau HMI, un système de vision ou un module de communication.

Quels appareils de mesure utilise-t-on pour le diagnostic des perturbations ?

Une évaluation professionnelle des perturbations nécessite de choisir les appareils de mesure en fonction du type de problème. D’autres outils sont utilisés pour évaluer la qualité de l’énergie, d’autres pour détecter les impulsions parasites rapides, et d’autres encore pour localiser les sources d’émission électromagnétique.

Analyseur de qualité de l’énergie

Un analyseur de qualité de l’énergie permet d’enregistrer les paramètres d’alimentation dans le temps. Il est particulièrement utile lorsque le problème apparaît périodiquement et ne peut pas être capturé lors d’une mesure courte. L’appareil peut enregistrer les tensions, courants, harmoniques, THD, creux de tension, hausses de tension, coupures, asymétries de phase et événements transitoires.

Un enregistrement longue durée permet de relier la perturbation à un moment précis du fonctionnement de la machine, à un changement de charge, au démarrage d’un entraînement ou à la mise en marche d’un autre récepteur dans l’usine.

Oscilloscope numérique

Un oscilloscope numérique est indispensable pour observer les formes d’onde rapides, les impulsions, les pics de tension et les états transitoires. Il permet de visualiser des phénomènes qu’un appareil de mesure ordinaire ne montre pas. Il est particulièrement utile pour le diagnostic des entrées PLC, des signaux de codeur, des voies analogiques, de l’alimentation de l’électronique et des perturbations rapides dans les circuits de commande.

Analyseur de spectre

Un analyseur de spectre permet de déterminer quelles fréquences dominent dans les perturbations. C’est important, car la source du problème peut souvent être associée à une fréquence de fonctionnement caractéristique d’un appareil précis, par exemple la fréquence de commutation d’un variateur de fréquence ou d’un convertisseur.

Grâce à l’analyse spectrale, il est plus facile de déterminer si les perturbations proviennent du système d’entraînement, d’une alimentation à découpage, d’un câble moteur, d’un module de puissance ou d’une autre source dans l’installation.

Mesureurs de champ électromagnétique

Les mesureurs de champ électromagnétique permettent de localiser les zones présentant un niveau d’émission accru. Ils sont utiles pour évaluer la disposition des câbles, des armoires de commande, des entraînements, des systèmes de puissance et des équipements de mesure sensibles. Ils permettent de vérifier si le problème peut résulter du rayonnement de perturbations vers les circuits voisins.

Comment réduire les perturbations après les mesures ?

Une réduction efficace des perturbations doit résulter des mesures, et non du remplacement aléatoire de composants. Si l’analyse des formes d’onde de courant, de tension et de la qualité de l’énergie indique la source du problème, il est possible de choisir les actions de service ou de modernisation appropriées.

Les solutions les plus couramment utilisées comprennent :

• selfs réseau, qui limitent la pente de montée du courant et réduisent l’influence des charges non linéaires sur le réseau,
• selfs moteur, utilisées entre le variateur de fréquence et le moteur afin de limiter les phénomènes défavorables sur les câbles moteur,
• filtres EMC, qui réduisent les perturbations conduites,
• filtres actifs et passifs, aidant à limiter les harmoniques et à améliorer les paramètres d’alimentation,
• amélioration du blindage des câbles, notamment dans les systèmes d’entraînement et de mesure,
• mise à la terre correcte et liaison équipotentielle des éléments de la machine et des armoires de commande,
• isolation galvanique des circuits de commande, des signaux analogiques ou de la communication,
• modification du cheminement des câbles par séparation des trajets de puissance et de signal,
• vérification de l’état des alimentations, convertisseurs et modules de puissance,
• contrôle de l’état des câbles, bornes, blindages et connexions de protection.

Dans de nombreux cas, le meilleur effet ne vient pas d’une seule modification, mais de la combinaison de plusieurs actions : amélioration du blindage, choix des filtres, organisation des chemins de câbles, contrôle de la mise à la terre et confirmation des résultats par de nouvelles mesures. Une telle approche réduit le risque de réapparition du problème après quelques jours ou semaines de fonctionnement de la machine.

Quand confier des mesures professionnelles de machines industrielles ?

Il est utile de confier des mesures professionnelles de machines industrielles lorsque la panne est répétitive, que le coût de l’arrêt est élevé ou que le remplacement précédent de composants n’a pas résolu le problème. Dans de nombreux sites, le plus coûteux n’est pas l’appareil endommagé lui-même, mais le temps de production perdu, le travail de la maintenance, les retards dans l’exécution des commandes et le risque de nouveaux arrêts de ligne.

Il est particulièrement utile de réaliser un diagnostic lorsque :

• la machine s’arrête de manière aléatoire et il n’existe pas de cause évidente unique,
• les automates PLC, panneaux HMI ou modules de communication signalent des erreurs de communication,
• les variateurs de fréquence ou servomoteurs passent souvent en état d’erreur,
• après le remplacement de l’appareil, le problème persiste,
• les moteurs, transformateurs, alimentations ou câbles surchauffent,
• des perturbations apparaissent dans les signaux des codeurs, capteurs ou systèmes de mesure,
• le démarrage d’une machine influence le fonctionnement d’autres appareils dans l’usine,
• une modernisation de ligne, l’ajout de variateurs de fréquence, de servomoteurs ou de systèmes de puissance est prévu,
• il faut vérifier la qualité de l’énergie électrique avant la poursuite de l’exploitation ou l’extension de l’installation.

Chez RGB Elektronika, nous réalisons le diagnostic des appareils et systèmes d’automatisation industrielle, et l’analyse des perturbations ainsi que l’évaluation de la qualité de l’énergie peuvent aider à déterminer si la source du problème est l’alimentation, l’installation, un appareil de puissance, l’électronique de commande ou la manière dont les éléments sont raccordés dans la machine.

Si la machine fonctionne de manière instable et que les erreurs apparaissent aléatoirement, il est utile d’effectuer des mesures avant qu’un nouvel arrêt ne se produise. Une analyse professionnelle des formes d’onde de courant, de tension et de la qualité de l’énergie électrique permet de limiter le risque de remplacer inutilement des pièces fonctionnelles et d’identifier plus rapidement la cause réelle du problème.

Contactez RGB Elektronika si vous avez besoin d’aide pour le diagnostic des perturbations, l’évaluation de la qualité de l’alimentation ou les mesures de machines industrielles.

Appelez : +48 717 500 983