Compatibilité électromagnétique (CEM) : définition, principes et bonnes pratiques

Après avoir testé un variateur de vitesse sur un banc d’essais, vous l’intégrez à une machine à la suite d’un dépannage. Pourtant, une fois installé, celui-ci ne fonctionne plus correctement. L’une des raisons de ce dysfonctionnement peut être liée à un problème de compatibilité électromagnétique.

La compatibilité électromagnétique (CEM) désigne la capacité d’un équipement électrique ou électronique à fonctionner correctement dans son environnement électromagnétique, sans générer de perturbations susceptibles de gêner le fonctionnement des autres équipements.

Autrement dit, un équipement doit être capable de fonctionner sans perturber son environnement et de résister aux perturbations présentes dans celui-ci. Cela repose donc sur deux notions complémentaires : les émissions électromagnétiques et l’immunité électromagnétique.

L’émission correspond aux perturbations générées par un équipement et susceptibles de se propager vers son environnement. L’immunité représente, à l’inverse, la capacité d’un équipement à continuer de fonctionner correctement lorsqu’il est soumis à des perturbations électromagnétiques provenant de son environnement.

Dans une situation de perturbation électromagnétique, trois éléments sont à prendre en compte : la source de perturbation, le chemin de propagation et l’équipement perturbé. La source génère la perturbation, celle-ci se propage par un chemin de couplage, puis atteint un équipement susceptible d’être perturbé.

Prenons un exemple. Un variateur de vitesse alimente un moteur en commutant rapidement les tensions appliquées à celui-ci. Ces variations peuvent générer des perturbations électromagnétiques susceptibles de se coupler aux câbles voisins. Si un câble adjacent transporte le signal d’un capteur analogique, celui-ci peut alors être perturbé et fausser la mesure. Le variateur fonctionne correctement, mais perturbe un autre équipement de la machine.

À l’inverse, l’automate ou le capteur doit être suffisamment immunisé pour continuer à fonctionner malgré les perturbations présentes dans son environnement. La compatibilité électromagnétique consiste donc à limiter les perturbations générées par les équipements et à garantir leur immunité.

Pour une machine industrielle, la maîtrise de la CEM concerne également la manière dont les équipements sont intégrés. Le câblage, la séparation des circuits de puissance et de commande, le blindage, la mise à la terre et les liaisons équipotentielles jouent notamment un rôle important. Ces pratiques sont encadrées par différentes normes, dont la CEI TR 61000-5-2, la CEI 60204-1 et la CEI 61000-6-2, qui couvrent respectivement des aspects liés à l’installation, à l’équipement électrique des machines et à l’immunité en environnement industriel.

Les perturbations électromagnétiques peuvent alors provoquer des défauts parfois difficiles à diagnostiquer : mesures instables, pertes de communication, déclenchements intempestifs et arrêts de machine.

Comprendre leur origine et leur mode de propagation permet donc de mettre en place les bonnes mesures pour les limiter.

Dans cet article, nous allons voir comment apparaissent les perturbations électromagnétiques, quels problèmes elles peuvent provoquer et comment améliorer la CEM d’une installation industrielle.

Différence entre perturbation conduite et rayonnée

Une perturbation électromagnétique peut atteindre un équipement de différentes manières. On distingue principalement les perturbations conduites et les perturbations rayonnées.

Une perturbation conduite se propage directement par un élément conducteur, par exemple un câble d’alimentation, un câble de commande ou une liaison de masse. La perturbation est alors transmise d’un circuit à un autre par une liaison électrique.

À l’inverse, une perturbation rayonnée se propage sous forme de champ électromagnétique, sans nécessiter de liaison conductrice directe entre la source et l’équipement perturbé. La proximité entre les équipements et les câbles peut alors favoriser le transfert de perturbations.

Les différents mécanismes de couplage

Entre deux circuits, une perturbation peut se transmettre par différents mécanismes de couplage. Deux phénomènes sont notamment à prendre en compte :

• le couplage capacitif
• et le couplage inductif

Le couplage capacitif est lié aux variations de tension. Lorsqu’une tension varie rapidement sur un conducteur, le champ électrique créé autour de celui-ci peut influencer un conducteur voisin. Le phénomène est notamment favorisé lorsque deux câbles sont proches et cheminent parallèlement sur une certaine longueur.

Le couplage inductif, aussi appelé couplage magnétique, est quant à lui lié aux variations de courant. Un courant variable génère un champ magnétique autour du conducteur. Lorsque ce champ traverse une boucle ou un circuit voisin, il peut y induire une tension.

Dans une armoire électrique, ces différents mécanismes peuvent se retrouver simultanément. Une même armoire réunit souvent des équipements qui génèrent d’importantes perturbations et des signaux particulièrement sensibles. Par exemple, les commutations rapides d’un variateur peuvent générer des variations importantes de tension et de courant. Un câble de commande ou de mesure situé à proximité peut alors subir une perturbation par couplage capacitif ou inductif.

La distance entre les câbles, leur longueur de cheminement commune, leur orientation et la présence d’un blindage sont donc des éléments importants pour limiter ces phénomènes.

Quels problèmes peut provoquer une mauvaise CEM ?

Une mauvaise maîtrise de la CEM peut provoquer des dysfonctionnements intermittents et donc difficiles à diagnostiquer. Le problème est d’autant plus complexe qu’un équipement peut fonctionner correctement seul, puis présenter des défauts une fois intégré à une machine.

Les symptômes d’une mauvaise compatibilité électromagnétique

Ces perturbations peuvent alors se traduire par des défauts très différents selon les équipements concernés. Parmi les plus courants, on retrouve :

• Des entrées TOR qui changent d’état sans raison apparente
• Des mesures analogiques instables
• Des capteurs qui donnent des informations erronées
• Des défauts intempestifs sur un variateur
• Des pertes de communication sur un réseau
• Des perturbations sur un codeur ou un système de mesure
• Des arrêts aléatoires de la machine

Origine des perturbations

Les perturbations électromagnétiques proviennent principalement des équipements qui commutent rapidement des courants importants ou qui génèrent des composantes électriques à différentes fréquences. Les variateurs de vitesse, les alimentations à découpage ou certains convertisseurs de puissance font partie des équipements les plus souvent concernés. Ils peuvent générer des harmoniques sur le réseau électrique et des perturbations haute fréquence liées à leurs commutations.

Ces phénomènes peuvent ensuite se propager par les câbles d’alimentation et de commande ou se coupler avec des équipements voisins. C’est notamment pour cette raison que la norme CEI 61000-6-2 définit des exigences d’immunité pour les équipements destinés aux environnements industriels. Cela permet de conserver un fonctionnement correct et en continu lorsqu’ils sont soumis à différents types de perturbations.

Comment améliorer la compatibilité électromagnétique d’une installation industrielle ?

Une bonne CEM ne repose pas uniquement sur le raccordement des blindages de câble. Elle se construit dès la conception de l’installation, en limitant les possibilités de couplage entre les équipements qui génèrent des perturbations et ceux qui peuvent y être sensibles.

Séparer les câbles de puissance et les câbles de commande

La CEI 60204-1 recommande une séparation minimale de 200 mm entre câbles de puissance et câbles de données partageant un même cheminement, en l’absence de séparation physique. Lorsque l’espace disponible ne permet pas de respecter cette distance, des séparateurs métalliques placés dans les chemins de câbles permettent d’isoler les différentes familles de conducteurs. Ils doivent être correctement intégrés au système d’équipotentialité via une liaison équipotentielle

Lorsqu’un croisement entre les câbles est nécessaire, il est préférable de le réaliser à 90° afin de limiter le couplage entre les câbles. Un croisement perpendiculaire réduit la longueur sur laquelle les deux câbles sont en regard et limite ainsi le couplage électromagnétique entre eux.

Choisir correctement les câbles

Quand on cherche à limiter les perturbations, le blindage reste la première chose que l’on contrôle. Il sert à limiter ce que le câble peut capter de son environnement, mais aussi à éviter que les perturbations générées par une installation ne se propagent vers les autres équipements.

Il existe plusieurs façons de réaliser ce blindage. On trouve notamment des câbles avec un feuillard métallique, une tresse ou une combinaison des deux. Certains câbles disposent également d’un double blindage pour renforcer la protection. Pour les signaux particulièrement sensibles, chaque paire peut être blindée individuellement. On parle alors de blindage par paire.

La CEM ne dépend donc pas uniquement du câble utilisé. Un câble surblindé mais mal installé peut être moins efficace qu’un câble correctement choisi et correctement raccordé. La CEI TR 61000-5-2 fournit d’ailleurs des recommandations relatives au câblage et à la mise à la terre des installations afin de limiter les perturbations électromagnétiques.

Raccorder correctement le blindage

Le blindage d’un câble ne peut être réellement efficace que s’il est correctement raccordé au potentiel de référence prévu par l’installation. Un raccordement réalisé avec un long fil entre le blindage et la borne de terre peut notamment réduire fortement son efficacité face aux perturbations de haute fréquence.

Pour cette raison, on privilégie un raccordement du blindage sur une large surface, aussi proche que possible de l’entrée du câble dans l’armoire ou le coffret.

Reste alors une question importante. Faut-il raccorder le blindage d’un seul côté ou des deux côtés ? La réponse dépend notamment de la nature du signal, de la fréquence des perturbations et de l’architecture de mise à la terre.

Faut-il raccorder le blindage d’un câble d’un côté ou des deux ?

C’est une question que se posent fréquemment les techniciens, et il n’existe pas une réponse valable pour tous les câbles. Le raccordement dépend notamment du type de signal et de la fréquence des perturbations.

Pour une liaison soumise à des perturbations haute fréquence, comme entre un variateur et un moteur, on privilégie généralement un raccordement du blindage aux deux extrémités. Les courants de perturbation disposent ainsi d’un chemin de retour à faible impédance, ce qui limite leur circulation dans les conducteurs du signal et le couplage avec les autres équipements.

À l’inverse, sur certains signaux sensibles et notamment à basse fréquence, un raccordement d’un seul côté peut parfois être utilisé pour éviter la circulation de courants liés aux différences de potentiel entre les deux extrémités. Dans ce cas, le raccordement se fait généralement du côté récepteur du signal. Il faut donc suivre les recommandations du fabricant et tenir compte de l’installation. La CEI TR 61000-5-2 traite notamment de ces pratiques de câblage et de mise à la terre.

La façon de raccorder le blindage est également importante. À haute fréquence, une longue “queue de cochon” peut fortement réduire son efficacité. On privilégie alors un raccordement du blindage à 360°, au plus proche de l’entrée du câble dans l’armoire ou le coffret.

Comment vérifier la CEM d’une installation ?

Quand un problème de CEM apparaît sur une machine, le plus intéressant est de comparer les conditions dans lesquelles le défaut apparaît et celles où la machine fonctionne normalement. Une perturbation peut par exemple apparaître uniquement lorsqu’un variateur démarre, lorsqu’un moteur atteint une certaine vitesse ou lorsqu’un équipement de puissance commute.

Prenons un cas concret. Une entrée analogique devient instable lorsque le variateur d’un moteur fonctionne, alors que la mesure reste stable lorsque le moteur est arrêté. Le variateur devient alors une piste sérieuse à examiner. On peut vérifier si le défaut apparaît à certaines vitesses, pendant l’accélération ou uniquement lorsque le moteur est en charge.

Il faut ensuite rechercher comment la perturbation peut atteindre le signal. On contrôle le câble utilisé, son blindage et son raccordement. Le cheminement devient particulièrement intéressant à vérifier si des modifications ont été réalisées. L’ajout d’un câble, le remplacement d’un variateur ou une modification du câblage peuvent créer un nouveau couplage entre puissance et commande.

Si le défaut reste difficile à identifier, des mesures peuvent être nécessaires. Un oscilloscope peut permettre d’observer le bruit présent sur un signal, tandis qu’une pince de courant adaptée peut aider à rechercher des courants de mode commun. Dans les cas plus compliqués, un analyseur CEM peut aussi permettre d’identifier les fréquences auxquelles les perturbations sont les plus importantes.

L’objectif est donc d’identifier la source de la perturbation, son chemin de propagation et l’équipement qu’elle vient perturber. Cela permet de corriger le problème à la source plutôt que de modifier l’installation de manière hasardeuse.

Glossaire sur la compatibilité électromagnétique

Immunité électromagnétique

Capacité d’un équipement à fonctionner correctement malgré des perturbations électromagnétiques.

Perturbation conduite

Perturbation qui se propage par un conducteur, par exemple un câble d’alimentation ou de signal.

Perturbation rayonnée

Perturbation qui se propage sous forme de champ électromagnétique.

Courants de mode commun

Courant qui circule dans plusieurs conducteurs dans le même sens par rapport à une référence, notamment lors de perturbations haute fréquence.

Couplage électromagnétique

Phénomène par lequel une perturbation passe d’un circuit ou d’un équipement vers un autre. Le couplage capacitif s’établit par le champ électrique, le couplage inductif par le champ magnétique.

Raccordement 360°

Raccordement du blindage sur toute sa circonférence afin de conserver une faible impédance, notamment à haute fréquence.

Équipotentialité

Mise en relation électrique des masses et éléments conducteurs afin de limiter les différences de potentiel entre eux.

FAQ : questions fréquentes sur la compatibilité électromagnétique (CEM)

Les références normatives

CEI TR 61000-5-2
Norme selon un rapport technique définissant les principes de mise à la terre et de liaison équipotentielle pour la compatibilité électromagnétique des installations.

CEI 60204-1
Norme internationale définissant les exigences de sécurité applicables à l’équipement électrique des machines.

CEI 61000-6-2
Norme internationale définissant les exigences d’immunité électromagnétique des équipements destinés aux environnements industriels.