Tableaux de Contrôle : Solutions pour protéger les équipements des perturbations électromagnétiques

En environnements industriels sévères, lorsque la rigueur est de mise, la fiabilité des automatismes dépend du niveau de perturbation.
Le tableau électrique doit être mis en œuvre pour limiter au maximum les perturbations électromagnétiques en respectant les règles CEM (compatibilité électromagnétiques).
Schneider Electric propose des solutions adaptés pour fiabiliser la mise en œuvre.

Présentation

Les ateliers industriels sont des lieux où la concentration de perturbations électromagnétiques est souvent forte :

> Dans l’industrie métallurgique, la puissance électrique nécessaire génère des champs magnétiques très élevés à proximité des cuves d’électrolyse, des fours à induction.

> Les ateliers de fabrication de pièces en PVC ou en caoutchouc utilisent des procédés de soudure à haute fréquence pour réaliser les assemblages.

La propagation des forts champs magnétiques et des ondes haute fréquence n’est pas facilement maîtrisable.
Elle crée une pollution locale au milieu de laquelle les équipements de contrôle et de commande doivent pouvoir fonctionner.

De multiples moyens existent pour assurer la Compatibilité ÉlectroMagnétique du process (CEM : aptitude à fonctionner en milieu perturbé).
Pour obtenir une performance optimale des règles rigoureuses s’appliquent à tous les niveaux :
> réseau de terre du bâtiment,
> câbles de communication, câbles des capteurs,
> tableaux de contrôle et de commande.

Tableaux de contrôle

Les perturbations électromagnétiques sont présentes partout, jusqu’au cœur des tableaux de contrôle. Leurs effets sont difficilement prédictibles.

Les perturbations électromagnétiques sont des sources potentielles de dysfonctionnement pour tous les matériels électroniques :
> régulateurs, appareils de mesure, traitant des signaux analogiques,
> automates, interfaces de communication, traitant des signaux numériques.
Ces perturbations sont difficiles à détecter car elles sont fugitives et n’apparaissent que dans certaines conditions.
Le respect des règles de conception est donc primordiale pour éviter ces problèmes.

Perturbations conduites par les câbles des capteurs

Des perturbations de différentes fréquences se superposent au signal d’origine. Il devient ainsi peu “compréhensible” par l’équipement qui le reçoit, et son traitement devient difficile voire impossible.

Exemples de configuration :
• le câble longe un autre câble fortement perturbateur (liaison variateur de vitesse/ moteur par exemple),
• le câble n’est pas blindé,
• le blindage n’est pas correctement raccordé (ex. : circulation de courants “vagabonds” provoquée par la mise à la masse des 2 extrémités d’un blindage, en particulier dans le cas d’un réseau TNC (neutre à la terre et masse au neutre).

Perturbations rayonnées par un équipement

Un équipement de traitement est perturbé par un faisceau d’ondes haute fréquence : il s’arrête brusquement, se réinitialise sans raison apparente ou donne des résultats anormaux.
Les signaux d’entrée sont pourtant corrects.

Ce type de situation peut se rencontrer lorsque la mise à la masse du contrôleur est incorrecte :
fil trop fin, raccordement trop résistif (peinture présente au point de raccordement).
Le capotage du contrôleur ou un tableau électrique comportant trop de “fenêtres” peuvent aussi en être la cause.

Certains équipements (convertisseurs, hacheurs de courant…) intègrent des oscillateurs dont la tension, la fréquence ou la forme du signal les rend capable d’émettre des perturbations sur des distances variables, à l’intérieur ou l’extérieur du tableau de contrôle.
Le capotage de l’équipement et son raccordement à la masse du tableau sont essentiels pour limiter le rayonnement.

Conception des tableaux selon les règles de la CEM

La compatibilité électromagnétique (CEM) d’un tableau représente sa capacité à fonctionner dans un environnement perturbé tout en limitant ses propres émissions perturbatrices.

La recherche de la performance globale passera par :
• la réduction des perturbations à la source qui pourra aussi être externe au tableau,
• la protection des informations échangées avec le process tout au long de leur cheminement y compris dans le tableau,
• la préservation du tableau de l’entrée des perturbations rayonnées et conduites.

Rôle du réseau de terre : sécurité et équipotentialité

La réglementation liée à la sécurité des personnes impose l’équipotentialité des masses métalliques de tous les équipements d’un bâtiment.
Les équipements de puissance et informatique sont donc tous reliés au réseau de terre unique du bâtiment.
Grâce à ses mailles interconnectées, ce réseau fait aussi écran à la pollution par les ondes de haute fréquence (HF).
Les points de raccordements répartis de façon symétrique autour du bâtiment équilibrent l’impédance de la liaison à la terre.

On observe cependant, même sur les installations en parfait état, une circulation de courant de 50 Hz sur certains conducteurs de terre (courant vagabond).
Il peut atteindre jusqu’à plusieurs ampères sous quelques millivolts si le conducteur est suffisamment long.
Ce courant peut perturber les liaisons courant faible analogiques (lignes des capteurs 0-10 V…) si elle sont câblées sans précautions. Les liaisons numériques sont peu affectées.

Protection des signaux courant faible

Utiliser des câbles blindés
Les signaux des capteurs analogiques et les flux de données sont sensibles aux perturbations.
On utilise des câbles blindés pour les acheminer. Ces câbles sont utilisés aussi pour réaliser des liaisons variateur – moteur moins perturbatrices.

Le blindage est constitué :
• d’une tresse, barrière efficace pour les fréquences jusqu’à quelques Mégahertz,
• d’un feuillard, théoriquement efficace au-delà de ces fréquences mais facilement dégradable lors des manipulations,
• d’un feuillard et d’une tresse pour une protection de large spectre mécaniquement robuste.

Raccorder le blindage à la masse
Ce raccordement permet d’évacuer les perturbations à la terre.
Le choix du raccordement d’une ou des deux extrémités à la terre privilégie la protection contre les basses ou hautes fréquences (HF) :
• d’un seul côté, les courants vagabonds 50 Hz ne peuvent circuler, protection HF moyenne,
• des deux côtés, présence possible de courant 50 Hz mais la barrière contre les fréquences supérieures est renforcée.

Le filtrage
Réduire la conduction des perturbations
Certains équipements sont générateurs de perturbations sur leurs liaisons amont ou aval : variateurs de vitesse, convertisseurs de fréquence, alimentations à découpage…
Le traitement le plus approprié consiste à disposer un filtre sur la ligne perturbée, le plus près possible de l’équipement pollueur.
Les caractéristiques du filtre approprié sont données par les constructeurs en fonction de la tension, du courant dans la ligne et de la fréquence des perturbations à réduire.

Les filtres
Ils intègrent des composants passifs (selfs, condensateurs).
Leur boîtier métallique est fixé à la plaque de masse, en fond de tableau.
La surface de contact doit être exempte de peinture et d’isolant, et être maximale.

Ferrite de filtrage
Traversé par le fil pollué, l’anneau ou le tube de ferrite constitue un filtre efficace contre les hautes fréquences, il est souvent utilisé pour réduire les perturbations des câbles bas niveaux.
Plusieurs passages du fil en boucles autour de l’anneau de ferrite renforcent l’atténuation (tout en empêchant l’anneau de glisser si le fil est fin).

Caractéristiques d’un tableau conforme CEM

Caractéristiques d’atténuation des perturbations
Si un tableau électrique sans trou arrête les ondes radioélectriques par effet “cage de Faraday”, le rayonnement magnétique est atténué par les tôles selon la nature du matériau.
L’atténuation la plus importante est obtenue avec des tôles Aluzinc.
Il convient de connaître l’atténuation demandée pour les deux effets (champ électrique et champ magnétique) pour choisir convenablement le tableau approprié.

Comparaison de l’atténuation AluZinc/acier

Implantation des équipements dans un tableau

Importance de l’implantation
La juxtaposition sans précaution d’équipements courant fort et courant faible, le cheminement de câbles de nature différente dans les mêmes goulottes prédisposent à des dysfonctionnements sévères.

La prise en compte des règles décrites ci-dessous dès la conception évitera de fastidieuses recherches de pannes, la mise en place de filtres a posteriori, voire des reprises de l’implantation et du câblage.

Séparer
La spécialisation des tableaux par classe de puissance est la mesure la plus efficace pour obtenir un excellent résultat “CEM”.
De plus le cheminement séparé des câbles perturbateurs et sensibles garantit un couplage minimal.
Une goulotte métallique assure l’équipotentialité des tableaux et une conduction efficace des perturbations BF et HF.

Partitionner
Le partitionnement du tableau en deux zones :
• puissance,
• bas niveau,
est une alternative.
Une cloison métallique permettra d’améliorer encore la CEM par le confinement de chaque zone.

Pour les situations délicates
De façon générale, les contacteurs sont à éloigner des appareils électroniques.
Il est recommandé d’équiper les contacteurs et les relais de filtres anti-parasitage.
Un équipement fortement perturbateur (variateur de vitesse, convertisseur de fréquence…) aura un moindre rayonnement dans le tableau si il est “encapsulé” dans un petit coffret métallique étanche d’un point de vue électromagnétique et non peint.
Le coffret sera soigneusement relié à la plaque de fond (plan de masse).

Les textes et normes de référence

Les appareils : rayonnement et tenue au rayonnement
Directive européenne
CEM 2014/30/UE
Elle se rapporte à tous les équipements électriques et électroniques mis sur le marché ou en service, à l’exclusion de ceux faisant l’objet d’une directive spécifique (ex. : appareils médicaux).
Ceux-ci doivent être conçus de façon à ne pas générer de perturbations électromagnétiques susceptibles de perturber le fonctionnement d’autres appareils.

• Ils doivent aussi être capable de fonctionner convenablement dans le cadre de l’utilisation (environnement, mode d’alimentation…) prévue.
La directive s’appuie sur les normes internationales CEI :
• pour l’environnement industriel,
CEI 61000-6-2 (immunité),
CEI 61000-6-4 (émission) ;
• pour l’environnement résidentiel, commercial et industriel léger,
CEI 61000-6-1 (immunité),
CEI 61000-6-3 (émission).

Les installations : principales règles
Internationales
CEI 61000-5-2 : Compatibilité électromagnétique (CEM) Partie 5 : Guide d’installation et d’atténuation.
Section 2 : Mise à la terre et câblage.

CEI 61000-5-6 : Compatibilité électromagnétique (CEM) Partie 5: Guides d’installation et d’atténuation
Section 6: Atténuation des influences électromagnétiques externes.

CEI 60364-4-44 : Installations électriques des bâtiments Partie 4-44 : Protection contre les perturbations de tension et les perturbations électromagnétiques.

Européennes
EN 50174-2 : Technologies de l’information – Installation de câblage Partie 2 : Planification et pratiques
d’installation à l’intérieur des bâtiments.

EN 50310 : Application de liaison équipotentielle et de la mise à la terre dans les locaux avec équipements de Technologie de l’Information.

Françaises
Guide UTE C 15-900 : Mise en œuvre dans des bâtiments des réseaux de puissance et des réseaux de communication.

NF C90-480 : Application de liaison équipotentielle et de la mise à la terre dans les locaux avec équipements de Technologie de l’Information.

NF C 90-480-2 : Technologies de l’information – Installation de câblage.

Assemblage – câblage des tableaux

Assemblage du tableau

Installation des boîtiers recevant des câbles polluées

Positionnement des filtres, alimentations
Ces composants s’installent dans le tableau.
Lorsque l’on présume que leur liaison avec l’extérieur se fera par un câble pollué, il conviendra alors de disposer les boîtiers de façon à ne laisser entrer qu’une longueur minimale de câble.
Ainsi, le rayonnement des perturbations HF sera réduit.

Cheminement externe des câbles – entrée dans le tableau

Cheminement extérieur en goulottes métalliques

Éloigner les câbles courant fort des câbles courant faible :
• goulottes séparées si les câbles sont non blindés D = 5 cm,
• goulotte unique possible si les câbles courant faible sont blindés mais espacement maximum.

Renforcement de l’efficacité du blindage des câbles très perturbateurs

Le rayonnement d’un câble blindé de liaison variateur/moteur sera encore réduit si il chemine dans une goulotte métallique fermée ou, mieux, dans un conduit métallique. Goulotte et tube sont reliés à la terre à chaque extrémité.

Sur l’exemple ci-dessous les signaux(*) de communication blindés et dont le blindage est relié des deux côtés sont moins sensibles que les signaux analogiques.
Les signaux les moins sensibles sont placés du même côté que les signaux les plus perturbateurs et inversement.

(*) Classification des signaux véhiculés : issus des normes CEI 61000-5-2 et CEI 60364-4-44

Organisation des entrées des câbles

Regrouper les câbles par nature de courant :
• courants forts : alimentation, PEN… actionneurs,
• courants faibles (< 100 mA) : communication analogique. Créer des entrées spécifiques dans le tableau, une par nature de courant. Entrée des câbles blindés

L’utilisation de presse-étoupes métalliques à serrage sur 360° préserve de façon idéale la CEM.
Le blindage du câble se trouve raccordé à la masse du tableau sur tout son périmètre sans être interrompu.
Il se prolonge sur tout le cheminement interne du câble jusqu’au bornier, au filtre ou au variateur de vitesse où il est de nouveau relié à la masse.
Les joints de mise à la masse enserrant le blindage au point d’entrée sont une solution alternative aux presses étoupes.

Circulation des câbles dans le tableau

A éviter :
Les effets capacitifs
Deux câbles se côtoyant constituent les armatures d’un condensateur.
Les composantes à haute fréquence présentes dans l’un (surtensions transitoires, impulsions, par exemple) passent dans l’autre câble en traversant la capacité parasite.

Les boucles inductives
Un courant alternatif (50 Hz, harmoniques), ou impulsionnel (foudre…) circulant dans un tableau en formant une boucle crée une spire inductive.
Tous les matériels électriques se trouvant dans cette boucle seront traversés par un courant image du courant d’origine.
Son énergie pourra être importante si la spire est formée par un câble de puissance.

Les perturbations électromagnétiques locales
Les champs électromagnétiques variables générés lors de la commutation d’une bobine de contacteur ou lors de l’ouverture des contacts de puissance perturbent par couplage les conducteurs voisins.
L’effet est renforcé si les conducteurs perturbateurs et/ou perturbés forment des spires.

Exemple : tableaux de contrôle

Mise à la masse des blindages

Raccordement des extrémités des blindages

Les blindages sont stoppés au plus près des équipements auxquels sont reliés les câbles.
Le raccordement est fait avec soin, en enserrant le blindage avec une bride qui sera :
• fixée à une réglette de masse ou
• fixée sur la plaque de masse du tableau.
Pour éviter les problèmes de corrosion, on évitera d’utiliser des brides en acier galvanisé sur du blindage constitué de cuivre étamé, ainsi que de l’aluminium.
L’inox est le matériau recommandé.

Raccordement des câbles “en attente”

Les fils non reliés à un potentiel constituent des antennes captant et rayonnant les perturbations de haute fréquence. Ce phénomène sera annulé en les reliant à la masse la plus proche.

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Mise à la terre des goulottes métalliques

Guides de choix des produits “CEM”

Enveloppes renforcées pour la CEM : Gamme Spacial pour environnements perturbés

Les enveloppes Spacial S3HF, SFHF et SMHF permettent d’atténuer les perturbations électromagnétiques en milieu industriel.
Ces enveloppes remplissent deux fonctions :
1) Fournir un blindage en agissant comme une cage de Faraday.
2) Permettre une protection efficace des matériels sensibles grâce aux châssis en tôle galvanisée, dans le respect des règles de mise en œuvre.

Construction
• Spacial S3HF : ces coffrets sont constitués d’une feuille de métal Aluzinc 150 unique, pliée et soudée.

• Spacial SMHF : ces armoires sont conçues à partir d’une ceinture de tôle réalisée d’une seule pièce. Sur celle-ci est rapporté un fond soudé et renforcé. La tôle est constituée de 55 % d’aluminium en revêtement de surface pour garantir une bonne réflexion des ondes électromagnétiques. Un joint spécial gainé en métal assure la continuité électrique nécessaire au niveau des panneaux, des portes, des associations tout en garantissant l’étanchéité de l’ensemble.

• Spacial SFHF : ces cellules sont conçues autour d’une ossature constituée de profilés fermés en acier galvanisé. Cette ossature reçoit des portes, des panneaux, un toit réalisés en tôle Aluzinc 150.

Domaines d’application
Ces enveloppes sont particulièrement adaptées aux équipements sensibles :
• automates programmables,
• circuits et cartes électroniques, etc.
Elles permettent de se protéger des principaux éléments perturbateurs : variateurs de vitesse, moteurs, transformateurs/redresseurs, câbles de puissance, etc.

Ventilateurs et accessoires pour CEM renforcée