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UMR 8029
UMR 5005
CEGELY
Évaluation des courants de mode commun dans un
système de variation de vitesse destiné à des
applications embarquées
Travaux réalisés en partenariat
avec la société HISPANO SUIZA
François Costa
Journées électrotechniques du Club EEA, 18-19 mars 2004
Christian Vollaire
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Motivation des travaux
CEGELY
L’utilisation de l’électronique de puissance s’accroît en aéronautique
De quelques kW aujourd’hui à quelques 100kW demain
Aujourd’hui : actionneurs électro-hydrauliques : qqs kW
Demain : Auxiliaires (inverseur de poussée, pompe à
kérosène, actionneurs divers, atterrisseur ?) :  qqs 100kW
Génération de bord DC : redresseur MLI ?
Plus d’électronique de puissance dans les moteurs
Paliers magnétiques
Alterno-démarreur intégré
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Plus d’électricité dans les avions…
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… c’est aussi plus de CEM !!
• La densité d’équipements d’électronique numérique
et de puissance s’accroît fortement
• Effets dominant du mode commun dans les réseaux
embarqués : couplage conduit rayonné, grande
nuisance
• Importance de la caractérisation des équipements et
des réseaux embarqués
• Nécessité de modélisation en vue de la conception
• Intérêt d’une approche système, modularité des
modèles
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Plan de la présentation
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•
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Description du système
Modèle homopolaire des perturbations conduites
Formalisme matriciel de la modélisation
Méthode d’acquisition des sources de perturbation
identification des paramètres [Z]
Expression analytique des courants perturbateurs
Validation expérimentale
Extensions possibles de la méthode
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Perturbations dans les systèmes
Les effets
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Rayonnement
des boucles
Dégradation des
roulements, des
isolants, …
Objectifs
• Calcul des courants de mode commun dans un système
complexe
• Évaluation des effets rayonnés par le système
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Description du système expérimental
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• Dispositif analogue à un système complet
• Instrumentation pour analyse des courants parasites en
tous points
• Versatilité de configuration
Configuration de test
• Machine asynchrone
400V/50Hz
• Onduleur triphasé, sans
filtre CEM
• Câble blindé l=5m
• RSIL entre le réseau et le
banc de test
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Modèle homopolaire du système
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L’onduleur triphasé associé au redresseur génère un
courant de mode commun qui se propage à tous les
dispositifs connectés (câble, moteurs, charge, etc.)
Le courant de mode commun
dépend de :
E
D1 D2
• Tensions de bras Vat, Vbt, Vct
D3
Ce
• Tensions V1, V2, V3
V1 V2 V3
D4
D5
D6
Vat
Vct
Vbt
Terre
Système homopolaire ou de mode commun
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• Impédances de propagation en
mode commun dans le variateur,
vers la charge et dans celle-ci,
vers le réseau
Représentation unifilaire
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La tension de mode commun
Nécessité de caractériser la source
équivalente de mode commun
Approche
temporelle
Effet du
redresseur
Fm1
Vmc
t
Fm2
Relevés expérimentaux
Fm3
120
t
Spectre de Vmc (dBµV)
110
100
Vmc
90
t
E/2
80
E/6
70
-E/6
t
Angle de conduction de diode
-E/2
Approche
fréquentielle
60
50
40
30
Vmc={ inf(V1, V2, V3)+ [fm1(t)+fm2(t)+fm3(t)].E }/3
20 1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
Fréquence ( Hz)
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Modèle équivalent de l’onduleur
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Iabs
Zd
Vat Vbt Vct
Masse
L’onduleur est représenté par 2 types de sources
- de courant pour le mode différentiel
- de tension pour le mode commun (3 sources : bras triphasés)
Restriction au seul
mode commun
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Vmc
Zmcv
Schéma équivalent monophasé
avec termes de couplage
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Couplages capacitifs parasites (= chemins de
propagations des perturbations de MC)
CEGELY
Nécessité de caractériser tous les couplages parasites de mode
commun dans le système
Cblindage
Semi-conducteurs
Capacité parasite
Isolant
0
Ecran
électrostatique
enterré
Cphase
Cblindage
Blingage
Phase
Effets capacitifs dans l’IPM
Effets diélectriques et
inductifs dans le câble
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Capacités réparties dans
les encoches, rotor/stator,
inter-enroulements
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Formalisme matriciel
Dans la représentation unifilaire, chaque élément est représenté par sa
matrice[Z] : bien adapté à la représentation fréquentielle
-câble, moteur et réseau nécessité de les caractériser dans ce formalisme
-Par expérimentation directe (réalisé ici)
-Par simulation (MTL, FEM, etc..)  problème de modèles
-on ajoute la source de tension de mode commun doit être caractérisée
Intérêt pour la conception du filtre MC
imc
RSIL
ZRSIL
Ro/2
imcc
imcr
vmcc
vmcr
iN
vmc
Logiciel de calcul
imcv
Zmcv
Z
câble
Z
moteur
vN
Matlab très rapide
2Co
Variateur
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Méthode d’acquisition des sources
Dispositif de caractérisation
fréquentiel
Nécessité d’une grande dynamique
(~100dB) pour le calcul
-Amélioration du rapport signal/bruit
au niveau de l’analyseur de spectre
-Correction de bruit
2
Vmc (h)  Vmc2  Vbruit
Spectre corrigé de la
source de mode
commun
Calibration de chaque élément
-sonde différentielle en fréquence
-Adaptation d’impédance avec
l’analyseur de spectre
Réseau résistif : kR= 0,952
Facteur de sonde : ks=5 10-3
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Caractéristiques du Spectre de Vmc
Réglages analyseur
de spectre
• 2kHz-15MHz
• RBW=300Hz
• détec. Crête
• Att=-30dB
• Bruit=40dBµV
CEGELY
-20dB/dec
Modes propres des cellules
de commutation
-40dB/dec
Réglages onduleur
• Fdec=8kHz
• Fmod=40Hz
Fdec=8kHz
• MLI non visible
• Cassure du spectre à ~300kHz
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Acquisition des termes parasites du variateur
Vmc
Zmcv
Rappel du modèle
Principe de la mesure
Mesures effectuées entre 2kHz et 15MHz
HP4194
A
Variateur
Entrées Sorties
LP LC
 Comportement capacitif sur toute la
gamme
HC HP
Analyseur
d’impédance
C
1
 840 pF
2 . f .Z
Les trois sorties des cellules d’onduleur sont court-circuitées
(hors tension), mesure de l’impédance vis-à-vis de la terre
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Identification des paramètres du câble
I1
I2
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HP4194A
Câble
V1
[Zc]
V2
LP LC
G
 v1   Z11c Z12c   i1 
 
 
 v2   Z21c Z22c   i2 
  
 
Principe de mesure
• utilisation d’un analyseur de
réseau pour évaluer le rapport
Z=U/I=T/R
• utilisation d’une sonde de
courant (rapport 1)
• mesure entre 2kHz et 15MHz
• corrections de mesure
HC
HP
R
Analyseur de réseau
T
Mesure de Z11 : G  et 
T  et 
R 
Mesure de Z12 : G  et 
T  et 
R 
Mesure de Z21 : G  et 
T  et 
R 
Mesure de Z22 : G  et 
T  et 
R 
Sonde de courant
Sonde de courant


Voie T

G : signal : Tension injectée
R : entrée ref : Courant mesuré
T : entrée test : tension mesurée
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

Zconnec


Voie T

G : signal : Tension injectée
R : entrée ref : Courant mesuré
T : entrée test : tension mesurée
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Corrections de mesure
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Bande passante de la sonde
de courant : importance de
la correction de phase
Corrections de mesure
• Correction de mesure de la sonde
(surtout en phase)
• Correction de la connectique : le
câble coaxial est considéré comme
essentiellement capacitif sur la plage
de mesure
V2
Z11
Z

Z

(
1

)
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• Correction de connectique
I1
Z connect
indispensable sur l’évaluation de Z12
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Résultats des mesures sur le câble
Z11
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CEGELY
Z12
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Modèle du moteur
Mesures moteur : même procédé (et corrections) que pour le câble
moteur
I1



 v1   Z11m Z12m   i1 
 
 
 v2   Z21m Z22m   i2 
  
 
I2
Moteur
V1
[Zm]
V2

R=600
C1=700pF
L=1mH
C2=1700pF
Modèle circuit possible
mais peu précis
Z11m
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Z12m
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Confirmation des modèles
Mesure globale câble+moteur, mise en cascade des deux matrices
[Z], comparaison avec mesure directe
imcr
Z
vmcr
câble
zeq  z11c 
iN
Z
vN
moteur
z12c z21c
z11r  z22c
Validation du principe
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Expressions analytique des courants parasites
Rappel du modèle
Expressions des grandeurs
Courant de mode commun total
imc
ZRSIL
vmc
imcv
imcc
Zmcv
imc 
Zeq
vmcv


z z
z mcv  z11c  12c 21c 
z11r  z 22c 

z RSIL 


z z
z mcv   z11c  12c 21c 
z11r  z 22c 

Courant de mode commun dans le câble
imcc 
zeq  z11c 
z12c z21c
z11r  z22c
zmcvvmcv
zRSILzmcv  zRSIL  zmcv  z11c  z12c z21c 
z11r  z22c 


Courant de mode commun dans le moteur
imcr 
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z 21c z mcv vmcv




z 21r  z 22c  z RSIL z mcv   z RSIL  z mcv  z11c 
z12c z 21c  

z11r  z 22c  
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Validation expérimentale
Spectre du courant de mode commun total
Gris : mesure
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Spectre du courant de mode commun dans
le câble
Noir : calcul
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Validation expérimentale
Précautions de mesure
• Réduction du niveau de bruit de
l’analyseur de spectre (choix de
l’atténuation et de la bande
passante)
• Correction du niveau de bruit
Globalement : bon accord
Spectre du courant de mode commun dans
la carcasse du moteur
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Conclusions (perturbations conduites)
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• Validité du principe pour le mode commun
• Transposition possible au mode rayonné ?
• Versatilité de la méthode, ajout d’étages
• Lien avec les phénomènes rayonnés
• Calcul des paramètres ou extraction expérimentale
• Noyau pour liaison avec d’autres logiciels de simulation
• Analyse de sensibilité
• Utilisation pour le dimensionnement des filtres de MC
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Perturbations rayonnées
•
•
•
•
CEGELY
Description du montage
Résultats de mesures
Influence de la continuité électrique de masse
Perspectives
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Description du montage
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• Moteur Asynchrone : 4,5 kW
• Variateur triphasé : 400V; P = 2,2 kW
• Câble : triphasé 3 fils torsadés avec blindage tressé
(fourni
par HISPANO-SUIZA)
• Étude du rayonnement de l’ensemble moteur+câble
• Convertisseur à l’extérieur de la cage de Faraday semi anéchoïque sur un
plan de masse au potentiel de la cage (ou non)
• Entrée du câble par un guide
d’onde (fc > 10 GHz)
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Conditions de mesures
CEGELY
• Moteur
• fonctionnement à vide
• posé sur le plan de masse (relié au potentiel de la cage)
• Reprise de blindage du câble sur la boîte à bornes
• Mesures de rayonnement et des courants de MC
selon le protocole de la norme DO 160
•
•
•
•
position de l’antenne,
ouverture de filtre,
pas de progression fréquentiel,
Bruit de fond < 6 dB du gabarit
normatif
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Courant de MC et champ rayonné
Pré-Mesure Crete
100.00
dBµA 80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
Pré-Mesure Crete
-100.00
150kHz
1M
Courant de MC en
sortie du
convertisseur
Courant P erturbateur
80.00
dBµV/m
70
Sous-bande :
1
2
F réquence:
150 kHz - 30 MHz (P as : 500 Hz)
30 MHz - 100 MHz (P as : 5 kHz)
Transducteur :
P ince tore 35mm
pince tore35_1
Réglage :
RBW: 0. 5 kHz, Temps de mesure: 0. 005 s
RBW: 7. 5 kHz, Temps de mesure: 0. 005 s
(150 kHz – 30 MHz)
10M
30MHz
10M
Fréquence (Log)
30MHz
Fréquence (Log)
60
50
40
Champ rayonné à 1m
(2 MHz – 30 MHz)
Corrélation complexe
30
20
10
0.00
2MHz
Courant de MC = source de rayonnement de la boucle
Rayonné Electrique Sous-bande :
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1
2
3
4
Fréquence:
2 MHz - 2.4 MHz (Pas : 1 kHz)
2.4 MHz - 5.5 MHz (Pas : 1 kHz)
5.5 MHz - 12.5 MHz (Pas : 1 kHz)
12.5 MHz - 30 MHz (Pas : 1 kHz)
Transducteur :
ANTENNE RVR25-1 amplifiée
ANTENNE RVR25-2 amplifiée
ANTENNE RVR25-1 amplifiée
ANTENNE RVR25-2 amplifiée
Réglage :
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
Polarisation :
Verticale
Verticale
Verticale
Verticale
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Influence de la continuité électrique de la masse
•
•
CEGELY
Plan de masse fixe par rapport au potentiel de la cage
Plan de masse flottant par rapport au potentiel de la cage
Pré-Mesure Crete
100.00
80
dBµA
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
Pré-Mesure Crete
-100.00
150kHz
Courant P erturbateur
1M
80.00 Fréquence (Log)
dBµV/m
70
Sous-bande :
1
2
F réquence:
150 kHz - 30 MHz (P as : 500 Hz)
30 MHz - 100 MHz (P as : 5 kHz)
Transducteur :
P ince tore 35mm
pince tore35_1
Réglage :
RBW: 0. 5 kHz, Temps de mesure: 0. 005 s
Courant de MC
(150 kHz – 30 MHz)
10M
Champ rayonné
30MHz
RBW: 7. 5 kHz, Temps de mesure: 0. 005 s
60
50
(2 MHz – 30 MHz)
40
30
20
Insertion de C dans le cheminement IMC
10
atténuation de IMC (20 dBμA) en BF
0.00
2MHz
10M
Fréquence (Log)
…mais nouveaux pics de rayonnement (résonances, dipôle ???)
Rayonné Electrique Sous-bande :
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30MHz
1
2
3
4
Fréquence:
2 MHz - 2.4 MHz (Pas : 1 kHz)
2.4 MHz - 5.5 MHz (Pas : 1 kHz)
5.5 MHz - 12.5 MHz (Pas : 1 kHz)
12.5 MHz - 30 MHz (Pas : 1 kHz)
Transducteur :
ANTENNE RVR25-1 amplifiée
ANTENNE RVR25-2 amplifiée
ANTENNE RVR25-1 amplifiée
ANTENNE RVR25-2 amplifiée
Réglage :
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
RBW: 0.5 kHz, Temps de mesure: 0.005 s
Polarisation :
Verticale
Verticale
Verticale
Verticale
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Conclusions
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• Corrélation directe entre le courant de MC et le champ rayonné ?
• Influence de la continuité électrique de la masse
• Étude du «transfert» entre le courant de MC et le champ rayonné
• Approche similaire à l’étude en conduit ? => protocole de mesures ?
• Influence de l’environnement EM (plan de masse, blindage, objets
réfléchissants à proximité, …) ?
• Paramètres influents ?
• Compréhension des phénomènes prédominants => réduction des
perturbations rayonnées ?
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