CEM industrielle : conformité, fiabilité et sécurité de fonctionnement
Les équipements industriels évoluent dans des environnements électromagnétiques de plus en plus complexes : automatismes, I.A, machines, variateurs de vitesse, convertisseurs de puissance, alimentations, moteurs, systèmes de contrôle-commande, instrumentation, capteurs et réseaux de communication.
Les essais CEM permettent donc à la fois de mesurer les perturbations générées par un équipement et de vérifier sa capacité à fonctionner lorsqu’il est soumis à des perturbations électromagnétiques.
HEMERA RF accompagne les industriels dans la définition, le dimensionnement et l’intégration de moyens d’essais CEM, RF et hyperfréquences, depuis l’analyse du besoin jusqu’à la mise en service et au suivi métrologique.
Directive CEM 2014/30/UE : le cadre réglementaire européen
Pour de nombreux équipements électriques et électroniques commercialisés dans l’Union européenne, la Directive 2014/30/UE relative à la compatibilité électromagnétique constitue le cadre réglementaire de référence.
Elle impose notamment que les équipements soient conçus et fabriqués de manière à :
- limiter les perturbations électromagnétiques générées afin qu’elles ne compromettent pas le fonctionnement d’autres équipements
- présenter un niveau d’immunité leur permettant de fonctionner sans dégradation inacceptable dans l’environnement électromagnétique prévu.
La conformité à la Directive CEM participe ainsi au processus de mise sur le marché européen et de marquage CE, lorsqu’elle est applicable au produit concerné.
Un environnement normatif CEM particulièrement étendu
La Directive CEM définit les exigences essentielles, mais ne constitue pas à elle seule une méthode d’essai.
Un équipement industriel peut relever de nombreuses normes selon :
- sa fonction
- sa technologie
- son environnement électromagnétique
- ses interfaces
- son alimentation
- les phénomènes électromagnétiques auxquels il est exposé
- les exigences réglementaires applicables.
Il est donc essentiel d’identifier le référentiel normatif approprié avant de définir les essais et les moyens nécessaires.
On peut notamment distinguer les normes produits ou familles de produits, les normes génériques, les normes relatives aux émissions et les normes définissant les méthodes d’immunité.
Normes produits et familles de produits
Lorsqu’une norme CEM spécifique existe pour un produit ou une famille de produits, elle constitue généralement la première référence à examiner.
Ces normes peuvent définir :
- les phénomènes électromagnétiques à considérer
- les limites d’émission
- les niveaux d’immunité
- les méthodes d’essai
- les configurations de l’équipement
- les conditions de fonctionnement
- les critères de performance.
Dans le domaine industriel, on peut par exemple rencontrer :
- EN 61326-1, pour les matériels électriques de mesure, de commande et de laboratoire
- EN IEC 61800-3, pour les entraînements électriques de puissance à vitesse variable
- d’autres normes produits ou familles de produits adaptées à des équipements industriels spécifiques.
Cette approche permet d’adapter les exigences CEM à l’usage réel et à l’environnement de l'équipement.
Émissions CEM : EN 550xx et CISPR
La conformité CEM ne concerne pas uniquement la capacité d’un équipement à résister aux perturbations. Elle impose également de maîtriser les perturbations électromagnétiques qu’il génère.
Les émissions peuvent notamment être :
- conduites, lorsqu’elles se propagent par les câbles d’alimentation, de commande ou de communication
- rayonnées, lorsqu’elles se propagent sous forme de champs électromagnétiques.
De nombreuses normes européennes EN 550xx sont issues des publications internationales CISPR.
Selon la nature de l’équipement, on peut notamment rencontrer :
- EN 55011 / CISPR 11 : équipements industriels, scientifiques et médicaux (ISM)
- EN 55014-1 / CISPR 14-1 : émissions des appareils électrodomestiques, outillages électriques et appareils analogues
- EN 55015 / CISPR 15 : perturbations radioélectriques des équipements d’éclairage
- EN 55032 / CISPR 32 : émissions des équipements multimédia
- EN 55035 / CISPR 35 : immunité des équipements multimédia
- EN 55016 / CISPR 16 : spécifications relatives aux appareils et méthodes de mesure des perturbations radioélectriques et de l’immunité.
Le référentiel applicable dépend donc avant tout de la nature et de la destination du produit.
Quels essais sont réalisés pour mesurer les émissions ?
Selon la norme applicable, les essais peuvent comprendre par exemple :
- la mesure des émissions conduites sur les alimentations
- la mesure des perturbations présentes sur certains ports ou interfaces
- la mesure des émissions rayonnées
- la recherche et l’analyse des fréquences perturbatrices
- la comparaison des niveaux mesurés aux limites imposées par la norme.
Ces essais peuvent nécessiter :
- un récepteur EMI ou un analyseur adapté
- des LISN/RSIL
- des sondes de courant
- des dispositifs de couplage
- des antennes de mesure
- des mâts et tables tournantes
- une chambre semi-anéchoïque ou un environnement de mesure approprié
- un logiciel permettant d’automatiser les acquisitions et les séquences de mesure.
La chaîne doit être dimensionnée en fonction de la bande de fréquences, de la dynamique, des détecteurs et des méthodes de mesure imposés par le référentiel.
Immunité CEM : série EN/IEC 61000-4
En complément de la maîtrise des émissions, un équipement industriel doit présenter une immunité suffisante aux perturbations électromagnétiques susceptibles d’être présentes dans son environnement.
La série EN/IEC 61000-4 définit de nombreuses méthodes d’essai.
Parmi les plus couramment rencontrées :
- EN/IEC 61000-4-2 : décharges électrostatiques (ESD)
- EN/IEC 61000-4-3 : immunité aux champs électromagnétiques RF rayonnés
- EN/IEC 61000-4-4 : transitoires électriques rapides (EFT/Burst)
- EN/IEC 61000-4-5 : surtensions (Surge)
- EN/IEC 61000-4-6 : immunité aux perturbations RF conduites
- EN/IEC 61000-4-8 : champs magnétiques à la fréquence du réseau
- EN/IEC 61000-4-11 : creux de tension, coupures brèves et variations de tension
- d’autres parties de la série pour des phénomènes électromagnétiques spécifiques.
Quels moyens sont utilisés pour les essais d’immunité ?
Selon le phénomène à reproduire, le laboratoire peut utiliser :
- générateurs RF
- amplificateurs de puissance
- antennes
- sondes de champ
- wattmètres et sondes de puissance
- CDN et pinces d’injection
- générateurs ESD
- générateurs EFT/Burst
- générateurs Surge
- générateurs de creux de tension et interruptions
- bobines ou antennes destinées aux essais de champs magnétiques
- chambres anéchoïques, cages de Faraday ou cellules GTEM
- logiciels de pilotage et d’automatisation.
L’objectif est de reproduire de manière contrôlée et reproductible les perturbations définies par le référentiel applicable.
Normes génériques : EN/IEC 61000-6-x
Lorsqu’il n’existe pas de norme produit ou de famille de produits CEM appropriée, des normes génériques peuvent définir les exigences applicables en fonction de l’environnement électromagnétique.
On retrouve notamment :
- EN IEC 61000-6-1 : immunité pour les environnements résidentiels, commerciaux et de l’industrie légère
- EN IEC 61000-6-2 : immunité pour les environnements industriels
- EN IEC 61000-6-3 : émission pour les environnements résidentiels
- EN IEC 61000-6-4 : émission pour les environnements industriels.
Cette distinction est particulièrement importante dans le secteur industriel.
Un équipement destiné à fonctionner à proximité de moteurs, convertisseurs de puissance, contacteurs, systèmes de commutation ou installations de forte puissance peut être exposé à un environnement électromagnétique très différent de celui d'un équipement destiné à un environnement résidentiel ou tertiaire.
Normes harmonisées et présomption de conformité
Dans le cadre de la Directive CEM, certaines normes européennes sont harmonisées.
Lorsque la référence d’une norme harmonisée est publiée au Journal officiel de l’Union européenne et que celle-ci est correctement appliquée, son utilisation permet de bénéficier d’une présomption de conformité aux exigences essentielles couvertes par cette norme.
Il est donc important de distinguer :
- la Directive CEM 2014/30/UE, qui définit les exigences réglementaires
- les normes harmonisées, qui peuvent apporter une présomption de conformité
- les normes produits ou familles de produits, adaptées à des catégories particulières d’équipements
- les normes génériques, applicables notamment lorsqu’aucune norme produit appropriée n’existe
- les normes EN 550xx / CISPR, très présentes dans la définition et la mesure des émissions
- les normes EN/IEC 61000-4-x, qui définissent de nombreuses méthodes d’essai d’immunité.
Cette architecture normative permet de passer d'une exigence réglementaire à des essais CEM concrets et reproductibles.
Émissions et immunité : deux composantes indissociables de la CEM
Pour un équipement industriel, la démarche CEM repose donc sur deux questions complémentaires.
Que génère l’équipement ?
Les essais d’émission permettent de caractériser notamment :
- perturbations conduites
- perturbations rayonnées
- niveaux de bruit électromagnétique
- fréquences critiques
- conformité aux limites applicables.
À quelles perturbations l’équipement peut-il résister ?
Les essais d’immunité permettent d'évaluer son comportement face notamment :
- aux champs RF rayonnés
- aux perturbations RF conduites
- aux décharges électrostatiques
- aux transitoires rapides
- aux surtensions
- aux champs magnétiques
- aux creux de tension et interruptions.
La CEM consiste donc à maîtriser simultanément ce que l’équipement émet et ce qu’il est capable de supporter.
De la norme au moyen d’essai
Pour HEMERA RF, cette logique est essentielle : le choix du matériel vient après l’analyse du besoin et du référentiel normatif.
L’approche HEMERA RF pour les projets CEM industriels
HEMERA RF accompagne les laboratoires et industriels dans la définition et la réalisation de moyens d’essais CEM, RF et hyperfréquences, avec une approche de maître d’œuvre et d’intégrateur multimarque.
Cette approche repose sur :
- la qualification technique du besoin
- l’analyse des essais et performances à couvrir
- le dimensionnement des chaînes d’émission et d’immunité
- une forte expérience dans la gestion de projets clé en main
- la recherche et le sourcing de fabricants spécialisés et de solutions innovantes
- la sélection des équipements les plus pertinents, toutes marques confondues
- la fourniture et l’intégration des différents équipements
- l'automatisation par logiciels et drivers/pilotes
- la mise en service du moyen d’essai
- l’accompagnement des utilisateurs
- le suivi des équipements et de leur métrologie
- la coordination des étalonnages
- une réactivité élevée dans le traitement des besoins et des projets
- une attention permanente portée à la satisfaction client.
Une approche multimarque pour construire le moyen d’essai adapté
Un laboratoire CEM performant ne doit pas être limité par le catalogue d’un fabricant unique.
Selon l'application :
- un fabricant peut proposer le meilleur récepteur EMI
- un autre, l’amplificateur RF le plus approprié
- un autre, l’antenne répondant le mieux aux performances recherchées
- un spécialiste peut apporter une solution innovante de couplage ou de génération
- un logiciel multimarque peut ensuite réunir l’ensemble au sein d’un système automatisé.
Le rôle d’HEMERA RF est donc de sourcer, sélectionner et intégrer les solutions les plus pertinentes pour chaque fonction.
Les drivers/pilotes logiciels permettent ensuite de faire communiquer les équipements de différentes marques au sein d'une même architecture.
Cette indépendance facilite également :
- l’évolution du laboratoire
- le remplacement d’un équipement
- l’intégration de nouvelles technologies
- l’adaptation à l’évolution des normes
- la maîtrise des performances et du budget.
HEMERA RF : de l’exigence CEM au système d’essai
De l’identification des exigences CEM au moyen d’essai clé en main, HEMERA RF accompagne les industriels dans leurs projets de conformité, de qualification, de fiabilité et de sécurité de fonctionnement.
HEMERA RF s’appuie sur une expérience acquise au travers de nombreux projets, dont des systèmes d’essais CEM clé en main, réalisés pour des fabricants et des laboratoires d’essais dans des secteurs industriels variés : domotique, pompes à chaleur et équipements thermiques, électronique de puissance, convertisseurs, distribution électrique, automatismes et équipements électroniques industriels. Cette diversité de réalisations constitue une expérience concrète pour appréhender les contraintes normatives et techniques propres à chaque application et concevoir des moyens d’essais adaptés, performants et évolutifs.