Mots-clés : DOSSIER erturbations électriques générées Compatibilité électromognétique électromagnétique (CEM), Encoche de commutotion, commutation, Perturbations. par les installations de chauffage Perturbations par induction : constats, études et solutions par J. NUNS, Equipe Induction, E261ADEIIDER, Electricité de France et Xianjun YANG, SFEE INTELBAT La prise en compte compatibilité des induction perturbations conduite, problèmes électromagnétique conception par des HF systèmes de dès la de chauffage permet d'éviter les (flicker, harmoniques, HF rayonnée). . Les installions de chauffage par induction comprennent des convertisseursde fréquence de forte puissance et des charges non linéaires qui peuvent provoquer des perturbations. Elles entraînent des perturbations basses fréquences jinterharmoniques et résonances dues aux impédances diverses). Des remèdes tels que des filtres peuvent améliorer les choses mais il vaut mieux réduire les perturbations à la source. Il existe aussi des perturbations INTRODUCTION Le but : aide aux constructeurs L'objectif et utilisateurs. de cette étude est l'élaboration d'une notice tech- nique destinée aux constructeurs pour que la CEM (compatibilité électromanétique) d'une installation soit prise en compte dès sa conception ainsi que pour aider les utilisateurs dans le choix des solutions les mieux adaptées aux dif- haute fréquence rayonnées par des composants passifs ou provoquées par des mailles de commutation avec les interrupteurs ou des branches de tensions perturbatrices. Une bonne topologie constitue un remède. Les auteurs, après recensement des problèmes et des solutions, élaborent une notice technique destinée aux concepteurs pour prendre les problèmes de perturbations à la source. férents cas. L'étude est orientée sur les aspects suivants : - connaissance approfondie des causes des perturbations, - recensement des solutions existantes, - recherche de nouvelles solutions plus performantes et - techniquement réalisables, validation au laboratoire et sur sites industriels. Les perturbations concernées: Tous les montages utili- sant des interrupteurs électroniques de puissance (gradateurs, redresseurs) provoquent des perturbations électriques. En outre, les charges passives mais non linéaires provoquent également des perturbations en courants harmoniques. Les perturbations générées par les installations de chauffage par induction sont présentées ci-dessous. ÉTUDE DES PERTURBATIONS Origines des perturbations Les perturbations basse fréquence sur le réseau d'alimentation. Elles comprennent : - tesharmoniques provoqués par des redresseurs et gradateurs, 1- RFE . ?'N°); W () !) 26 1 N,,, 19Y 1 1-i ting plants can produce various kinds of electrical interference. Low-frequency interference can take the form of interharmonic and resonance phenomena generated by the various system impedances. Improvements can be achieved using remedies such as filters, but it is preferable to design for low interference at the outset. In addition, high-frequency disturbance can be radiated by passive components or generated by switching networks (with switches or interferenceprone voltage branches). The remedy here is to adopt a suitable topology. BF basse fréquence se trouvent Because they use high-power frequency converters and display non-linear load curves, induction hea- This article gives a brief rundown on disturbance problems and remedial measures, then sets out technical instructions aimed at helping designers avoid these problems from the outset. Perturbations électriques générées par les installations Installation BF 50 Ilz é qu 1 1'puis_ de chauffage de puissance ej : constats, études et solutions GénérateurHF GénérateurHF électroniquede puissance àtube y 1 Fli,ke, Il 1 Hamoniques 1 1 par induction i r r HF conduite 1 1 HF rayonn J. Perturbations provoquées par les installations de chauffage par induction. - les flickers et creux de tension provoqués par les grada- - teurs commandés en trains d'ondes, les encoches de commutation générées par les redres- - seurs et gradateurs commandés, les harmoniques provenant des composants passifs non linéaires (un inducteur chauffant une pièce magnétique - alimenté directement par le réseau 50 Hz), les perturbations amplifiées par les résonances entre le - réseau et les condensateurs, les interharmoniques engendrés vers le réseau par les onduleurs. En particulier sur les installations de chauffage par induction : Interharmoniques Tous les convertisseurs de fréquence sont composés d'un pont redresseur suivi d'un filtre situé sur la partie " courant continu ". Lorsque ce filtre est insuffisant, et surtout lorsque la fréquence de l'onduleur est basse (' 1000 Hz), on peut observer sur les phases du réseau des courants dus au fonctionnement de l'onduleur. Il peut en résulter des tensions harmoniques. Perturbations issuesd'un composant passif Certaines installations ne comprennent que des induc- nique venant de la saturation de la charge par un phénomène de résonance parallèle, d'autre part, il transforme la tension harmonique du réseau en un fort courant harmonique par le phénomène de résonance série. Comment améliorer une installation existante ? Augmentation de l'indice de pulsation Pour les installations de forte puissance, il vaut mieux choisir un redresseur dont l'indice de pulsation est élevé, par exemple un montage à 12 impulsions (dodécaphasé) ou 24 impulsions afin de réduire des harmoniques de rangs bas sans provoquer le phénomène de résonance. Compatibilité entre un filtre et une charge perturbatrice. Si une charge est une source de courant harmonique, le filtre doit être monté en parallèle pour éviter des surtensions. Ce filtre se comporte donc presque comme un courtcircuit pour le courant harmonique. Dans le cas où une charge provoque une tension harmonique, le filtre doit se trouver en série afin d'éviter des courants harmoniques. Dans le cas d'un filtre sélectif monté en parallèle, le phénomène de résonance entre ce filtre et le réseau doit être pris en compte. Par dualité, il faut éviter la résonance série entre le réseau et un filtre présenté en série. Le filtrage des courants harmoniques dus à des teurs, condensateurs et résistances (par exemple, les cuves de galvanisation, les fours de fusion à 50 Hz). Dans des cas charges non linéaires Bien que le phénomène de saturation magnétique soit concrets, de forts courants harmoniques sont générés et des classique, il n'est pas toujours reconnu en chauffage par induction à 50 Hz. Ce type de perturbations peut être filtré dégâts ont été constatés : claquages fréquents de condensateurs de compensation. Il est prouvé que le phénomène de saturation magnétique de l'acier est à l'origine des courants par un ou plusieurs filtres sélectifs aux bornes des sources de courants harmoniques. Dans ce cas, les filtres coûtent beau- harmoniques. Résonances dues aux impédances diverses coup moins cher que l'emploi de filtres placés sur le réseau. Précautions pour le chauffage par induction à 50 Hz Lorsqu'on branche un condensateur sur le réseau, un circuit LC sensible aux harmoniques est formé. S'il existe une source de tensions harmoniques, une amplification de ces tensions harmoniques par résonance est à craindre. Analyse d'un cas typique en chauffage par induction Le système du pont de Steinmetz est couramment utilisé pour équilibrer sur les trois phases d'un réseau une puissance tirée par une charge monophasée (fig. 4a). En résumé, on peut dire que sous certaines configurations du réseau, un pont de Steinmetz se comporte en " amplificateur réversible ". D'une part, il amplifie l'amplitude de courant harmo- Pour les compensations par condensateurs, une solution simple et peu coûteuse consiste à brancher en série avec le condensateur Cc (fig. 3) une inductance Caqui a pour effet de neutraliser ou d'éloigner la fréquence d'antirésonnance des fréquences des perturbations. La présence la de cette inductance induit la deux effets bénéfiques Ce - filtrage des courants Charge l 1 harmoniques générés par la charge, 2. Iiiductaiice antihariiioiiiqbie. L'INDUCTION - DANS LES PROCÉDÉS amortissement des perturbations en tension d'eau. Parmi ces montages, le montage (d) présente le meilleur L'effet d'une inductance anti-harmonique a déjà été prouvé sur plusieurs installations de 50 à 500 kW triphasé. Les solutions pour les nouvelles Cette étude traite de diverses solutions pour la réduction comportement vis-à-vis des perturbations externes et internes. Toutes les résonances harmoniques entre le réseau et le pont sont évitées. Ce montage a été testé sur un système de 27 kW, dans lequel les harmoniques sont totalement sup- ou futures installations envisageables, INDUSTRIELS industrielles à la source des perturbations harmoniques. Certaines solutions ne sont pas encore pour la plupart appliquées dans l'industrie de primés. Autres remèdes pour limiter les perturbations harmoniques : - le décalage de phase de plusieurs sources harmoniques, - le regroupement des installations existantes, chauffage par induction. Elles sont principalement basées sur l'utilisation des composants électroniques de puissance. - les convertisseurs à interrupteurs commandés à l'ouver- Ici, nous montrons des solutions pratiques et industriellement applicables : - ture, les montages à Modulation - (MU), les filtres actifs : montages parallèle et série. Les remèdes pour le chauffage par induction à 50 Hz : Le montage série proposé figure 3 a été testé sur une installation monophasée de 130 kW. Ce montage a un excellent comportement Cc harmonique et il est tout à fait compatible avec le Charge gradateur à thyristor. En Charge Charge plus, il évite totalement la résonance harmonique. 3. Montage compensation série. Les solutions spécifiques au système du pont de Steinmetz. L'application des règles de dualité sur le pont de Steinmetz (fig. 4a) et sur la compensation de charge aboutit à trois autres montages possibles pour le chauffage par induction triphasé à 50 Hz. C1 C1 L1 L1 de Largeur d'Impulsions Encoches de commutations Ce phénomène résulte des commutations du courant entre les divers interrupteurs d'un redresseur, qui provoquent la mise en court-circuit successive des tensions d'alimentation durant de brèves périodes. La déformation de tension s'appelle " encoche de commutation ". Le nombre d'encoches sur les tensions composées est de 6 pour le redresseur hexaphasé et de 12 pour le redresseur dodécaphasé. Parmi les redresseurs industriels, les redresseurs à diodes et les redresseurs à MLI provoquent un faible taux d'encoches de commutation. Les encoches de commutation sont très perturbatrices ; dans le pire des cas, les encoches de commutations peuvent perturber le réseau MT. Nous présentons quelques relevés de mesures sur 4 types d'installations industrielles. ci Ll C1 : Lc .Ce Ce Lc Rc Le Rc Cc : : î Ce L1 Le Rc Rc 1 à. (a) montage classique (b) montage dual (c) montage dual (d) montage dual 4. Montages duaccxdu pont de Steinmetz. Courant l ",\ Courant Tension Courant Courant v '` Tension, Tension Tension Tension Tension Redresseur hexaphasé Tension 'Tension'- i t-, Tension Tension <Vi' Redresseur Redresseur hexaphase hexaphasé Redresseur Redresseur dodécaphasé dodecaphase 5. Montages poiir le chaliffage par iiidtiction à 50 Hz REE 1 N 10 . Novembre 1997 i Redresseurà IVILI Perturbations électriques générées par les installations de chauffage par induction : constats, études et solutions 1 Réseau -i-U-LS --f----U-Lr yy- Redresseur 6 thyristors 100 kW /_ 380 V 1 U2 --jyyl 1/ -u 1 -lq,- u 1Lr Ls A ___ 11 Lr : inductance linéaire (réseau) Ls : inductance saturable (1) -J - - circuit électrique (2) cas inductance saturable (3) cas inductance linéaire 6. Commutation de courarzt nzesurée en présence des différentes inductances. -.--------------._-----, Réseau 1 i Tension Générateur : perturbée <Y\ i- __ ! ! --induction sensible 'V :Èy : -F= TTT T=. YY --______ Charge : filtre lype 1 7. L'enzploi Réduction des encoches de commutation desfilti-es atiti-eiicoches de coiiiiiitit (itioti et des oscilla- . la fréquence tions dues aux commutations. Les perturbations apportées par les encoches de commuta- tion sont essentiellement tion des amplitudes l'alimentation Suivant fonction La réduc- la réduction de l'amplitude additionnelle d'isolement Réduction peuvent de la profondeur tion par inductance l'inductance l'utilisation des redresseurs. être fournies des encoches de commuta- Avec filter d'inductances Elles jouent linéaires saturables à car leur présence peut limiter ÉTUDE filtre des circuits des encoches à protéger : le type PERTURBATIONS une charge 100 kW et 1 à 5 kHz. exemplaires bations, sur une maquette d'onduleur Cette maquette : un montage HF et un montageCI compact pour valider des perturles solutions de : appelée par le filtre, de coupure, d'harmonique des rangs bas (amortisse- réseau redresseur + hacheur de a été réalisée en deux éclaté pour identifier étudiées. du filtre est fonction - la puissance réactive ment), est 1 est pour protéger et le type 2 pour désensibiliser Le dimensionnement - l'amplification DES La partie HF est effectuée de commutation sensible (fig. 7). - la fréquence 8. Eftèts d'iiii filtre tpe 2 la des encoches de commutation le réseau perturbé ------------------...... un rôle complémentai- linéaire. fonction Sans filter par le trans- inductance d'un filter existe. des encoches de commutation. Le volume d'une saturable est beaucoup plus petit que celui d'une Le choix ,.------- du profondeur inductance Filtre Le relevé de figtire 8 iiioiitre les effets d'iiii filtre installé saturable Ici, nous proposons re aux inductances de résonance. désirée, on peut calcu- connaissant lorsqu'il du filtre, sccr le réseau BT d'une usine de génération de vapeccr. est obtenue en ajoutant des inductances sur réseau. Ces inductances l'entrée de leur amplitude. du système de chauffage y Z, par induction. ler l'inductance formateur 'te courantàvide onduleur * filtre 1 à 5kHz P---*l 100 kW 1 charge 9. Chaîne expérén2entale. REE N'10 Nm"cmbrc1997 L'INDUCTION DANS LES PROCÉDÉS INDUSTRIELS Câblage des " snubbers " 7+-n «'el En plus de son rôle d'aide à la commutation des interrup- Charge teurs, un snubber provoque aussi des perturbations haute fréquence. Evidemment, le câblage des snubbers est un point très important. Dans notre cas, un câblage capacitif est utilisé. JO. OiiÉltileur tle cotiratit (1 ii 5 kHz.). Localisation des sources de perturbations Nous avons répertorié les sources de champs rayonnés : - les mailles de courant excitées par les gradients de cou- rant lors des transitoires de commutation, - les branches de tension excitées par les gradients de ten- sion lors des transitoires de commutation, - autres sources de perturbations et les types de systèmes de refroidissement au point de vue CEM. Analyse des origines de perturbations Mailles de commutation avec les interrupteurs Les thyristors, leur câblage et leurs snubbers forment des mailles de courant aux commutations, qui provoquent des perturbations rayonnées. Branches de tensions perturbatrices Le blocage d'un thyristor ne peut être obtenu que par un courant nul suivi d'une tension inverse. C'est le cas d'un commutateur de courant à thyristors. Un dv/dt important a toujours lieu à la commutation. Tous les conducteurs reliés au thyristor font office d'antenne ou de branche électrique. Rayonnement par des composants passifs Les composants passifs comme les condensateurs, les inducteurs, etc., rayonnent beaucoup de perturbations lorsqu'ils sont excités par un signal alternatif. Dans le domaine HF, un condensateur ou une inductance se comportent comme des circuits L-C-R de multi-ordres selon la fréquence appliquée. Si la fréquence perturbatrice est proche de la fréquence d'un circuit élémentaire résonant équivalent de ce composant, un champ rayonné fort peut être provoqué à cette fréquence. Bien que les composants actifs, comme les thyristors, soient à l'origine des perturbations, ils ne représentent pas eux-mêmes de bonnes antennes car leurs volumes sont petits. En revanche, les composants passifs peuvent jouer ce rôle d'antenne à cause de leurs dimensions importantes et de leur éventuel éloignement des sources. : Atténuer les perturbations à la source La topologie de l'onduleur est un élément fondamental dans la cgénération et la propagation des perturbations élecCI tromagnétiques. Certaines perturbations peuvent être atténuées par la topologie. En général, il faut choisir des liaisons les moins capacitives possible pour une source de tension perturbatrice, et les moins inductives pour une source de courant. REE NI 1 () 1997 Snubber non linéaire équipé d'une inductance saturable : Comme l'inductance de commutation d'un snubber (fig. 5) est un composant encombrant, elle est directement branchée dans les mailles de commutation. Nous sommes obligés d'étudier l'usage de e afin de réduire considérablement les perturbations aux commutations. Les mesures montrent qu'elle est une source perturbatrice importante. Pour limiter la perturbation électromagnétique générée par ces inductances, nous proposons d'utiliser les inductances à noyau ferrite pour un commutateur de courant afin de réduire le volume des inductances de commutation, et largement concentrer les champs magnétiques dans la ferrite. En employant des inductances saturables, on obtient donc deux effets bénéfiques : Réduction des pertes des thyristors aux commutations A l'enclenchement, le courant du thyristor monte d'une façon non linéaire ; il est limité par la grande valeur de l'inductance saturable qui n'est pas encore saturée. Quand le courant atteint une certaine valeur, le thyristor conduit complètement, et à ce moment, l'inductance n'est toujours pas saturée. La tension de la branche commutée est totalement prise par l'inductance, et le courant est toujours faible. Les pertes du thyristor sont alors réduites. La réduction des perturbations électromagnétiques Elle se fait par la limitation du di/dt à la commutation. L'inductance saturable a une valeur importante à l'établissement et à la disparition du courant. La limitation des di/dt sur ces deux points est donc bénéfique au point de vue de la réduction des perturbations issues des commutations. Les mesures du champ magnétique (H) sur les snubbers ont montré l'efficacité des inductances saturables : une atténuation de champ entre 15 et 20 dB dans la plage de fréquence de 100 kHz à 7 MHz. Isolation du refroidissement Les radiateurs d'interrupteur présentent une capacité importante entre le circuit électrique et la terre. Aux commutations, cette capacité offre un passage aux perturbations et renforce les perturbations en mode commun. Si on isole les radiateurs à partir du châssis (par exemple, une fixation sur matériau d'isolant), les perturbations seront réduites. Déviation des courants de mode commun Le courant de mode commun se propage généralement d'une source perturbatrice, par l'intermédiaire des câbles, redresseurs, transformateur..., à travers le réseau d'alimentation de basse tension et revient par une masse ou une terre commune. Au lieu d'essayer de le bloquer, on peut également le dévier vers la terre avant qu'il ne sorte de la source ou de l'installation. Perturbations électriques générées par les installations de chauffage par induction cette charge, CONCLUSION Les perturbateurs principaux sont les convertisseurs charges non linéaires Pour le chauffage en chauffage de fréquence (saturation magnétique par induction par induction de forte puissance et les du métal). : constats, si la puissance vis-à-vis de la puissance filtrer des encoches à la source. atténuées par construction, parallèle de la puissance réactive d'inducteur forme un circuit de résonance harmonique qui se comporte comme un " amplificateur d'harmoniques ". En revanche, la compensa- par des remèdes tion série de l'énergie tielle s'adapte tages triphasés, le remplacement Steinmetz " par le montage fique pour les systèmes totalement les résonances En ce qui concerne les onduleurs, continu les filtres de ces onduleurs Le traitement est préférable. dual est système les interharmoniques doivent " pont de essentiellement triphasés. Ce montage harmoniques. béné- supprime provoqués des encoches être placés plutôt sur l'étage de commutation de redresseur à la charge sensible, s'effectue sur est très impor- il faut donc protéger atténuer Dans un onduleur inductances exemple Il n'existe pas de filtre soit qui des snubbers est une étape essen- les perturbations de courant saturables instructif peuvent être bien HF à leurs à thyristors, est très sources. l'utilisation avantageuse. du point de vue de l'optimisation des C'est un techni- En résumé, cette étude a mis en évidence le fait que les problèmes de CEM doivent être traités dès la conception des installations de chauffage par induction. L'intégration dès la conception de ces problèmes devrait entraîner des surcoûts bien moindres que le montage de filtres et/ou de blindages sur des installations existantes. Jacques NUNS. Ingénieurdu ConservatoireNational des Arts et Métiers. Il travaille commeingénieurde rechercheà la Direction desEtudeset Recherches de l'Electricité de Francedepuis 1981. Il est spécialisédans les domainesdu Bibliographie [11 X. YANG, J. NUNS, Perturbations conduites et rayonnées en chauffage par induction - Cahier de recommandations destinés aux constructeurs. HE-26/94/0 12 - Copyright EDF 1994 [2] X. YANG, J. NUNS, T. DEFLANDRE, Origins of harmonics and filtering methods in a Steinmetz Bridge system. International conference on power quality - PQA'92 - Atlanta, U.S.A. - Sep. 1992. [3] X. YANG, J. NUNS, Courants harmoniques générés par les cuves de galvanisation utilisant des ponts de STEINMETZ : causes et Remèdes. HE 16 NS 3428 - Copyright EDF 1991. [4] H. POULIQUEN, X. WANG, mique de structures de filtrage 17/2273 -Copyright EDF 199 1. pour étape est l'identifi- perturbations co-économique. par que sur le réseau alternatif. deux aspects : si la puissance tante par rapport d'un Pour les mon- est relativement du réseau, il faut à toutes les sources de perturbations. Une bonne conception réactive et solutions soit par une bonne topologie, compatibles. en impédance disponible HF, la première cation des sources. Certaines à 50 Hz, la compensation de redresseur faible Pour les perturbations études Comparaison technico-éconoactif et applications. HM- chauffagepar induction,de l'électroniquede puissance,et de l'étude desperturbationsélectromagnétiques. Il s'occupeen outredu développementde nouvelles applications en agro-alimentaire et en chimie. Le prix KASTNER-BOURSAULT lui a été décernéen 1995par l'Académie des Sciencespour souligner l'intérêt portéà sestravaux. Xianjun YANG. est Ingénieuret titulaire d'un MasterDegreeen automatisation électriquede l'Institut de Mines de Fuxin de Chine. Il a effectué trois ans de recherchespourla DER/EDFdesRenardières.En 1994,Il a obtenule titre de Docteur ingénieur en génieélectriquede l'Institut National Polytechniquede Toulouse et il a ensuite intégré à la SociétéFrançaised'Etudes Energétiques (SFEE INTELBAT). Actuellement il est responsablede la division mesures modélisationindustrie.Il travaille en particuliersur la désensibilisationaux perturbations électriques.