Niveaux de CEM en conversion statique

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La compatibilité électromagnétique C.E.M.
Par Éric Labouré François Costa
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Plan

1. La CEM introduction et généralités
2. Notions de base Les sources, les modes de
   propagation
3. Les normes
4. Métrologie et essais
5. Exemple des perturbations harmoniques sur les
   réseaux de distribution basse tension
6. Étude de cas et solutions envisagées

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La compatibilité électromagnétique
Introduction et généralités
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La compatibilité électromagnétique en trois
questions

• Quest ce que la CEM ?
• Des règles de bons voisinages entre tous les
  systèmes électriques et électroniques,
• Un domaine détude très pluridisciplinaire
  électromagnétisme, propagation, électronique
  rapide, systèmes électriques, métrologie.

• Pourquoi la CEM ?
• Un nombre toujours croissants de systèmes
  électriques ou électroniques,
• Leur densité spatiale saccroît un exemple
  lautomobile,
• Les fréquences de fonctionnement saccroissent
  facilitant la propagation des signaux parasites.

• Qui est concerné par la CEM ?
• Strictement tous les systèmes électriques
  industriels, domestiques, militaire, aérospatial,
  doivent respecter des normes CEM.
• Chaque industriel doit certifier ses produits
  depuis le 01/01/96 dans la CEE, le rôle de
  gendarme est assuré par les acteurs du marché,
  les amendes sont très lourdes.

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Le monde de la CEM
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La démarche détude en CEM

• effets
• Réduction des émission
• Durcissement
• Réduction des couplages

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Étendue fréquentielle

• Harmoniques réseau
• jusquau rang 40 soit 2kHz
• Niveaux absolus spécifiés ou enveloppe du courant
• Concerne tout appareil connecté à un réseau
  dénergie

• Perturbations RF conduites
• De 150kHz à 30MHz
• Niveaux démissions définis par des normes selon
  les applications

• Perturbations RF rayonnées
• De 150kHz à 3GHz
• Niveaux démissions définis par des normes selon
  les applications

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Impact économique

• Le niveau de bruit électromagnétique saccroît de
  3 dB/an
• accroissement du coût lié à la protection,
• nécessité de contrôler davantage les émissions
  les normes durcissent

Le coût dun problème CEM - Le rapport coût en
phase industrielle/coût en phase d étude est de
100 à 1000 - Nécessité d optimiser le coût de
filtrage environ 20 à 25 du coût total
Nécessité dintégrer la CEM lors de la conception
dun produit
Recours à des outils de simulation adaptés
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Importance en matière de sûreté

• Exemples de dysfonctionnement graves dus à la CEM
• 1967 Destruction du porte avion Forrestal un
  radar provoque la mise à feu dune roquette qui
  détruit un avion et par effet boule de neige tout
  le porte avion.
• 1982 Destruction du croiseur Sheffield par un
  exocet le système de contre-mesures était
  brouillé par les communications satellitaires
• 1980 Les premiers allumages électroniques
  dautomobile sont perturbés par les talky walky
  de la police.
• 1990 Déclenchement de lairbag lors de
  lactionnement du klaxon (célèbres berlines
  allemandes !)
• sans compter tous les plus petits
  dysfonctionnement dans tous les systèmes
  électriques qui se traduisent par des pertes de
  données, de temps et dargent !

La CEM peut être un enjeu vital lors de la
conception dun produit qui surpasse la
contrainte économique
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Notions de bases Les sources, les modes de
propagations
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Sources de perturbations conduites
Les sources équivalentes sont assimilables à des
générateurs de tension ou de courant -De modes
commun les courants se referment par la terre
et parcourent les liaisons dans le même sens -De
mode différentiel
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Sources de rayonnement
Modes rayonnés
Rayonnement - antenne haute impédance, champ E
dominant à faible distance - antenne basse
impédance, champ B dominant à faible distance -
en champ lointain E/BCte377W
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Modes de propagation des perturbations
Modes commun les courants se referment par la
terre et parcourent les liaisons dans le même
sens
Modes différentiel les courants se referment
par les liaisons en sens opposé
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Modes de propagation des perturbations
Couplage galvanique par impédances communes
très courant par les alimentations et la
connectique
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Modes de propagation des perturbations
En mode différentiel par champ B
En mode commun par champ B
En mode commun par champ E
Couplage champ à câble très courant en interne
d un convertisseur ou dans des chemins de câbles

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Un exemple de perturbation champs à câble

• Solution
• ouvrir la boucle interdit par raison de
  sécurité
• Placer des inductance de mode commun sur la
  liaison différentielle entre les équipements

Équipement 1 maquette de TP Équipement 2
oscilloscope La boucle fils de terre jaune/vert
et tresse de masse de la sonde
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Mode de propagation des perturbations
Limpédance de transfert permet de caractériser
le couplage dans un câble blindé entre le mode
commun (circulant dans le blindage) et le mode
différentiel qui en résulte Io peut être dû à
un couplage rayonné sur le blindage
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Modes de propagation des perturbations
Diaphonie par mutuelle inductance
Effet de champs proches sur un circuit, couplages
par mutuelles
Diaphonie par mutuelle capacité
Diaphonie très courante en interne d un
convertisseur, perturbation des commandes
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Les normes
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Pourquoi des normes CEM

• Garantir le bon fonctionnement des équipements
  électriques et électroniques

• Définir les niveaux démission
• Conduit
• Rayonné

• Définir les niveaux de susceptibilité
• Conduit
• Rayonné

• Informations générales sur les phénomènes
  perturbateurs

• Description des techniques de mesures et d'essais
• Caractériser aussi précisément que possible
  l'environnement de mesure en conduit et en
  rayonné (mesure en espace libre, en chambre
  anéchoïque, support des appareils)
• Caractériser les conditions de mesure (longueur
  des câbles, distance des antennes, hauteur,
  angle, etc..)
• Caractériser la calibration et le réglage des
  appareils de mesure utilisés, ceci dans le but
  d'effectuer des mesures reproductibles et fiables.

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Quelques exemples de normes

• Normes fondamentales émission
• Perturbations conduites basses fréquences
• NF EN 60555-2 et NF EN 61000-3-2 Perturbations
  produites dans les réseaux d'alimentation
  Partie 2 Harmoniques.
• NF EN 60555-3 et NF EN 61000-3-3 Perturbations
  produites dans les réseaux d'alimentation
  Partie 3 Flicker et fluctuations de tension
• Perturbations conduites et rayonnées hautes
  fréquences
• NF EN 55011 Limites et méthodes de mesure des
  perturbations radio-électriques des appareils
  industriels, scientifiques et médicaux (ISM).
• NF EN 55013 Limites et méthodes de mesure des
  perturbations radio-électriques des récepteurs de
  radiodiffusion et appareils associés.
• NF EN 55014 Limites et méthodes de mesure des
  perturbations radio-électriques des appareils
  électrodomestiques et des outils électriques.
• NF EN 55015 Limites et méthodes de mesure des
  perturbations radio-électriques des lampes à
  fluorescence et des luminaires.
• NF EN 55022 Limites et méthodes de mesure des
  perturbations radio-électriques des appareils de
  traitement de l'information (ATI)

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Quelques exemples de normes

• Normes fondamentales en immunité
• NF EN 61000-4-2 Immunité aux décharges
  électrostatiques.
• NF EN 61000-4-3 Immunité aux rayonnements
  électromagnétiques.
• NF EN 61000-4-4 Immunité aux transitoires
  rapides en salves.
• NF EN 61000-4-5 Immunité à l'onde de choc
  (foudre).
• NF EN 61000-4-6 Immunité à l'injection de
  courant HF.
• NF EN 61000-4-8 Immunité au champ magnétique 50
  Hz.
• NF EN 61000-4-11 Immunité aux creux et
  variations de tension.
• Remarque De nombreuses autres normes
  d'immunité sont à l'étude

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Métrologie et essais
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Caractérisation des perturbations EM
Les mesures en CEM seffectuent en régime conduit
et rayonné
Elles doivent être reproductibles
Les mesures en rayonné peuvent se faire en espace
libre ou en cage de Faraday anéchoïde
Les grandeurs sont représentées dans le domaine
fréquentiel analyse de spectre
25
Mesures en rayonné
Mesures en champs magnétique
Mesures en champs électrique

• Dispositions de mesure normatives
• essai en cage anéchoïde
• Géométrie absolument fixée
• Distance 1, 3, 10 ou 30m

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Antennes de mesure en rayonné

Antenne bi-conique et la courbe de facteur
d'antenne (30-300MHz) (d'après doc. EMCO)
Les mesures sont faites en cage de Faraday
anéchoïde Ou en espace libre, selon un protocole
permettant une bonne reproductibilité

• Les mesures seffectuent
• - en polarisation horizontale ou verticale
• en faisant varier langle de positionnement du
  système testé
• à 1, 3, 10 ou 30 mètres

Antenne log-périodique et son facteur d'antenne
(200MHz-1GHz) (d'après doc. Electro-Metrics)
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Dispositif de mesure en conduit le RSIL
Les mesures sont faites au dessus dun plan de
masse et selon un protocole permettant une
bonne reproductibilité
Exemple dorganisation pour la mesure CEM en
régime conduit
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Lanalyseur de spectre en CEM
Particularités
Analyseur de spectre super-hétérodyne
Plusieurs modes de détection -crête, -quasi-crêt
e -valeur moyenne
29
Lanalyseur de spectre en CEM
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Mesures en bande étroite ou large, dépend du
système (existante de modulation) et du filtre
d analyse
Relations entre les différents modes d analyse
Filtres recommandés par les normes
30
Susceptibilité EM
Le principe consiste à perturber de façon connue
léquipement pour déterminer sa sensibilité à un
ou plusieurs types de perturbations

• Procédés en conduit
• Injection en régime harmonique RF
• Injection en régime impulsionnel
• Par couplage capacitif ou inductif (sondes
  dinjection) sur les câbles

• Procédés en rayonné
• Illumination par antenne (le type dépend de la
  bande de fréquence)

• Quantification
• Le niveau de dysfonctionnement est déterminé
• Il est quantifié par rapport à une norme
  relative à un équipement donné

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Susceptibilité EM
Exemple dinjection capacitive
32
Exemple des perturbations harmoniques sur les
réseaux de distribution basse tension
33
Caractérisation du contenu harmonique

• Limites démission en courant

NF EN 61000-3-2
34
Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2
Courant appelé par phase lt 16A

• Classification des appareils

35
Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2

• Classification des appareils

• Classe D

36
Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2

• Limites de courants harmoniques
• Classe A

37
Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2

• Limites de courants harmoniques
• Classe B

1,5x le niveau de la classe A
38
Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2

• Limites de courants harmoniques
• Classe C

39
Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2

• Limites de courants harmoniques
• Classe D

40
Étude de cas et solutions envisagées
41
Cas dun variateur de vitesse

• Étude du système pollueur

42
Équipement non conforme
43
Cas dun variateur de vitesse

• Inductance

44
Équipement conforme
45
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif

46
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif principe

47
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif principe de fonctionnement

48
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif principe de fonctionnement

49
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif principe de fonctionnement

50
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif contrôle

51
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif contrôle

52
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif exemple

SineWave de 20 à 480A (triphasé)
Traite les harmoniques de 2 à 25 Compense le
réactif
53
Cas dun variateur de vitesse

• Compensateur actif exemple

54
(No Transcript)
55
Équipement conforme
56
(No Transcript)
57
Cas dun variateur de vitesse

• Filtrage hybride

58
Cas dun variateur de vitesse

• Conclusion

Seul lajout dune inductance est une solution
économiquement viable dans le cas dune
compensation locale
Néanmoins cette solution nest pas très
satisfaisante
59
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Étude du système pollueur

60
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Fonctionnement des tubes fluorescents

61
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Rôle du ballast

62
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Exemple de ballast

63
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Impact du ballast

64
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Influence de la fréquence

65
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Alimentation par ballast magnétique

• Temps de préchauffage non contrôlé

• Démarrage laborieux usure des tubes

• Fluctuation de lintensité lumineuse avec la
  tension

• Coût de maintenance important

• Pas de gestion du vieillissement des tubes

66
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Alimentation par ballast électronique

• Structure

67
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Alimentation par ballast électronique

• Perturbations harmoniques

Classe C
Équipement non conforme
68
Cas de léclairage par tube fluorescent

• Alimentation par ballast électronique

• Solutions mise en place dun PFC

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Cas de léclairage par tube fluorescent

• PFC principe de fonctionnement

70
Cas de léclairage par tube fluorescent

• PFC principe de fonctionnement

71
Cas de léclairage par tube fluorescent

• PFC choix de la structure

72
Cas de léclairage par tube fluorescent

• PFC principe de régulation

73
Cas de léclairage par tube fluorescent

• PFC bilan de puissance

Problème de contrôle
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Cas de léclairage par tube fluorescent

• PFC structure complète

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Cas de léclairage par tube fluorescent

• PFC Exemple de structure

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Cas de léclairage par tube fluorescent

• Contrôleur L6561

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Cas de léclairage par tube fluorescent
78
FIN