DOSSIER électromognétique erturbations électriques générées de

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
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mique de structures de filtrage
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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.