DOSSIER électromognétique erturbations électriques générées de

DOSSIER
électromognétique
erturbations électriques générées de commutotion,de commutation,
par les installations de chauffage Perturbations
par induction : constats, études et solutions
Mots-clés :
Compatibilité
électromagnétique
(CEM), Encoche
de commutation,
Perturbations.
par J. NUNS, Equipe Induction, E261ADEIIDER, Electricité de France
et Xianjun YANG, SFEE INTELBAT
La prise en compte des problèmes de
compatibilité électromagnétique dès la
conception des systèmes de chauffage
par induction permet d'éviter les
perturbations (flicker, harmoniques, HF
conduite, HF rayonnée).
INTRODUCTION
Le but : aide aux constructeurs et utilisateurs.
L'objectif de cette étude est l'élaboration d'une notice tech-
nique destinée aux constructeurs pour que la CEM (compa-
tibilité électromanétique) d'une installation soit prise en
compte dès sa conception ainsi que pour aider les utilisa-
teurs dans le choix des solutions les mieux adaptées aux dif-
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 (grada-
teurs, 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 BF
Origines des perturbations basse fréquence
Les perturbations basse fréquence se trouvent sur le
réseau d'alimentation. Elles comprennent :
- tes harmoniques provoqués par des redresseurs et grada-
teurs,
. Les installions de chauffage par induction compren-
nent des convertisseurs de fréquence de forte puissan-
ce 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 haute fréquence
rayonnées par des composants passifs ou provo-
quées par des mailles de commutation avec les
interrupteurs ou des branches de tensions perturba-
trices. Une bonne topologie constitue un remède.
Les auteurs, après recensement des problèmes et
des solutions, élaborent une notice technique desti-
née aux concepteurs pour prendre les problèmes
de perturbations à la source.
Because they use high-power frequency converters
and display non-linear load curves, induction hea-
ting plants can produce various kinds of electrical
interference. Low-frequency interference can take
the form of interharmonic and resonance pheno-
mena generated by the various system impe-
dances. Improvements can be achieved using
remedies such as filters, but it is preferable to desi-
gn 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 interference-
prone voltage branches). The remedy here is to
adopt a suitable topology.
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.
1- RFE
. ; W ()
?'N°) !)
26 1 N,,, 19Y
1 1-i

Perturbations électriques générées par les installations de chauffage par induction : constats, études et solutions
Installation BF
50 Ilz é qu de
puissance
1 1'puis_ ej
1 Fli,ke, Il 1 Hamoniques 1 1
Générateur HF
électronique de
puissance
y i r
HF conduite
Générateur HF
àtube
r
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 induc-
tion :
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 fonc-
tionnement de l'onduleur. Il peut en résulter des tensions
harmoniques.
Perturbations issues d'un composant passif
Certaines installations ne comprennent que des induc-
teurs, condensateurs et résistances (par exemple, les cuves
de galvanisation, les fours de fusion à 50 Hz). Dans des cas
concrets, de forts courants harmoniques sont générés et des
dégâts ont été constatés : claquages fréquents de condensa-
teurs de compensation. Il est prouvé que le phénomène de
saturation magnétique de l'acier est à l'origine des courants
harmoniques.
Résonances dues aux impédances diverses
Lorsqu'on branche un condensateur sur le réseau, un cir-
cuit 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 puissan-
ce 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 réver-
sible ". D'une part, il amplifie l'amplitude de courant harmo-
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 perturba-
trice. Si une charge est une source de courant harmonique,
le filtre doit être monté en parallèle pour éviter des surten-
sions. Ce filtre se comporte donc presque comme un court-
circuit pour le courant harmonique. Dans le cas où une char-
ge 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 réso-
nance 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
charges non linéaires
Bien que le phénomène de saturation magnétique soit
classique, il n'est pas toujours reconnu en chauffage par
induction à 50 Hz. Ce type de perturbations peut être filtré
par un ou plusieurs filtres sélectifs aux bornes des sources de
courants harmoniques. Dans ce cas, les filtres coûtent beau-
coup moins cher que l'emploi de filtres placés sur le réseau.
Précautions pour le chauffage par induction à 50 Hz
Pour les compensations par condensateurs, une solution
simple et peu coûteuse consiste à brancher en série avec le
condensateur Cc (fig. 3) une inductance Ca qui a pour effet
de neutraliser ou d'éloigner la fréquence d'antirésonnance
des fréquences des per-
turbations. La présence la
de cette inductance induit la
deux effets bénéfiques CeCe
- filtrage des courants
harmoniques générés par
la charge,
1Charge l
2. Iiiductaiice antihariiioiiiqbie.

L'INDUCTION DANS LES PROCÉDÉS INDUSTRIELS
- amortissement des perturbations en tension d'eau.
L'effet d'une inductance anti-harmonique a déjà été prou-
vé sur plusieurs installations de 50 à 500 kW triphasé.
Les solutions pour les nouvelles
ou futures installations
Cette étude traite de diverses solutions industrielles
envisageables, pour la réduction à la source des
perturbations harmoniques. Certaines solutions ne sont pas
encore pour la plupart appliquées dans l'industrie de
chauffage par induction. Elles sont principalement basées
sur l'utilisation des composants électroniques de puissance.
Ici, nous montrons des solutions pratiques et industriel-
lement applicables :
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
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.
Cc
Charge
Parmi ces montages, le montage (d) présente le meilleur
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-
primés.
Autres remèdes pour limiter les perturbations harmo-
niques :
- le décalage de phase de plusieurs sources harmoniques,
- le regroupement des installations existantes,
- les convertisseurs à interrupteurs commandés à l'ouver-
ture,
- les montages à Modulation de Largeur d'Impulsions
(MU),
- les filtres actifs : montages parallèle et série.
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'ap-
pelle " encoche de commutation ". Le nombre d'encoches
sur les tensions composées est de 6 pour le redresseur hexa-
phasé et de 12 pour le redresseur dodécaphasé. Parmi les
redresseurs industriels, les redresseurs à diodes et les redres-
seurs à MLI provoquent un faible taux d'encoches de com-
mutation.
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.
C1 L1
.Ce
Lc Rc
C1 L1
Ce Le Rc
ci Ll : Lc
1 à. Cc : : Rc
C1 îCe
Le
Rc
L1
(a) montage classique (b) montage dual (c) montage dual
4. Montages duaccx du pont de Steinmetz.
(d) montage dual
Courant Courant
Tension
l ",\
Courant Courant
Tension Tension Tension Tension
v
'` Tension, Tension Tension
Tension
Redresseur hexaphasé
'Tension'- i t-, Tension
<Vi'
Redresseur hexaphasé Redresseur dodécaphaséRedresseur hexaphase Redresseur dodecaphase
5. Montages poiir le chaliffage par iiidtiction à 50 Hz
Redresseur à IVILI
REE
1 N 10
. Novembre 1997
i

Perturbations électriques générées par les installations de chauffage par induction : constats, études et solutions
1
Réseau yy-
380 V 1 U2
--jyyl 1/
Lr Ls
/_ Redresseur
6 thyristors
100 kW
Lr : inductance linéaire (réseau)
Ls : inductance saturable
-i-U-LS --f----U-Lr
-u 1 -lq,- u 1-
A ___ 1 1
-J - -
(1) circuit électrique (2) cas inductance saturable (3) cas inductance linéaire
6. Commutation de courarzt nzesurée en présence des différentes inductances.
-.--------------._-----,
1
Réseau Générateur
__ ! ! ---
induction
: È y
: -F=
Tension
perturbée
'V
: filtre lype 1
7. L'enzploi desfilti-es atiti-eiicoches de coiiiiiitit (itioti
i
:
i-
T=.
YY --______ Charge
<Y\ sensible
TTT
Réduction des encoches de commutation et des oscilla-
tions dues aux commutations.
Les perturbations apportées par les encoches de commuta-
tion sont essentiellement fonction de leur amplitude. La réduc-
tion des amplitudes est obtenue en ajoutant des inductances sur
l'alimentation du système de chauffage par induction.
y Z,
Suivant la réduction de l'amplitude désirée, on peut calcu-
ler l'inductance additionnelle connaissant l'inductance du
réseau. Ces inductances peuvent être fournies par le trans-
formateur d'isolement lorsqu'il existe.
Réduction de la profondeur des encoches de commuta-
tion par inductance saturable
Ici, nous proposons l'utilisation d'inductances saturables à
l'entrée des redresseurs. Elles jouent un rôle complémentai-
re aux inductances linéaires car leur présence peut limiter la
profondeur des encoches de commutation. Le volume d'une
inductance saturable est beaucoup plus petit que celui d'une
inductance linéaire.
Filtre des encoches de commutation
Le choix d'un filtre des encoches de commutation est
fonction des circuits à protéger : le type 1 est pour protéger
le réseau perturbé et le type 2 pour désensibiliser une charge
sensible (fig. 7).
Le dimensionnement du filtre est fonction de :
- la puissance réactive appelée par le filtre,
- la fréquence de coupure,
- l'amplification d'harmonique des rangs bas (amortisse-
ment),
'te courantàvide du filtre,
. la fréquence de résonance.
Le relevé de figtire 8 iiioiitre les effets d'iiii filtre installé
sccr le réseau BT d'une usine de génération de vapeccr.
,.------- filter
Sans filter
Avec filter
------------------......
8. Eftèts d'iiii filtre tpe 2
ÉTUDE DES PERTURBATIONS HF
La partie HF est effectuée sur une maquette d'onduleur de
100 kW et 1 à 5 kHz. Cette maquette a été réalisée en deux
exemplaires : un montage éclaté pour identifier des pertur-
bations, et un montage compact pour valider les solutions
CI
étudiées.
réseau
redresseur onduleur
+ * filtre 1 à 5kHz
hacheur P---*l 100 kW 1 charge
9. Chaîne expérén2entale.
REE
N'10
1997
Nm " cmbrc 1997

L'INDUCTION DANS LES PROCÉDÉS INDUSTRIELS
+-n «'el7
Charge
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 lors-
qu'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 fréquen-
ce 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 génération et la propagation des perturbations élec-
c CI
tromagnétiques. Certaines perturbations peuvent être atté-
nuées 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.
Câblage des " snubbers "
En plus de son rôle d'aide à la commutation des interrup-
teurs, un snubber provoque aussi des perturbations haute fré-
quence. Evidemment, le câblage des snubbers est un point très
important. Dans notre cas, un câblage capacitif est utilisé.
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'étu-
dier l'usage de e afin de réduire considérablement les perturba-
tions 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 rédui-
re 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'in-
ductance saturable qui n'est pas encore saturée. Quand le
courant atteint une certaine valeur, le thyristor conduit com-
plètement, 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'établisse-
ment 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 atté-
nuation de champ entre 15 et 20 dB dans la plage de fré-
quence 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 com-
mutations, 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'alimenta-
tion de basse tension et revient par une masse ou une terre
commune. Au lieu d'essayer de le bloquer, on peut égale-
ment le dévier vers la terre avant qu'il ne sorte de la source
ou de l'installation.
REE
NI 1 () 1997