GT6-Vollaire-etal

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Modélisation des perturbations de mode commun
dans les systèmes de variation de vitesse
destinés à des applications embarquées
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Introduction
• Avion + électrique
(source : workshop snecma 29/04/03)
• Éliminer les natures multiples des sources d’énergies, hydraulique
et pneumatique , et leurs canalisations associées en ne conservant
que l’électrique
• Des études sur l’avion plus électriques ont montré des gains de :
•
•
•
•
•
10 % en masse
13 % poussée moteur
9 % consommation carburant
15 % fiabilité
10 % coût
2
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Introduction
- ETRASTM :
HS et Honeywell
Développé pour l’Airbus
A380
- Objectifs:
Simplification de
l’installation
Réduction de poids et des
coûts de maintenance
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Introduction
• Problème de cohabitation:
• Systèmes de puissance (association convertisseurs – machine)
• Systèmes bas niveau (télémétrie, communications, signaux,
calculateurs, …)
• Maîtrise de la compatibilité électromagnétique:
• Complexité: facteurs d’échelle géométriques et fréquentiels, non
linéarités, …
approche système
• Spécificités liées au domaine aéronautique: cyclage thermique,
vibrations, fiabilité, poids, encombrement, …
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Plan de la présentation
•
•
•
•
•
•
•
•
Description du système étudié
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 d’entraînement
Les effets
Rayonnement
des boucles
Perturbations
dans le réseau
d’énergie
Dégradation des
roulements, des
isolants, …
Objectifs
• Calcul des courants de MC dans un système complexe
• Dimensionnement optimal des contre mesures CEM en mode conduit
• Répartition des contraintes CEM sur les constituants
• Dimensionnement des solutions en mode rayonné
Aspect normatif
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Description du système expérimental
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Modèle homopolaire du système
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
• 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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Formalisme matriciel
Dans la représentation unifilaire, chaque élément est représenté par sa
matrice[Z] ou [T] : bien adapté à la représentation fréquentielle
- Câble, moteur, réseau …  caractérisation dans ce formalisme
-Par expérimentation directe (réalisé ici)
-Par simulation (MTL, FEM, etc..)  problème de modèles
- Ajout de la source de tension de mode commun doit être caractérisée
imc
RSIL
ZRSIL
Ro/2
imcc
imcr
vmcc
vmcr
iN
vmc
Logiciel de calcul
imcv
Zmcv
Z
câble
Z
moteur
vN
Matlab
2Co
Variateur
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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
t
E/2
90
80
E/6
70
-E/6
-E/2
t
Angle de conduction de diode
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)
10
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Modèle équivalent de l’onduleur
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
Vmc
Zmcv
Schéma équivalent monophasé
avec termes de couplage
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Couplages capacitifs parasites
Nécessité de caractériser tous les couplages parasites de mode
commun dans le système
Semi-conducteurs
Cblindage
Capacité parasite
Isolant
0
Ecran
électrostatique
enterré
Cphase
Cblindage
Blingage
Phase
Effets capacitifs dans l’IPM
Effets diélectriques et
inductifs dans le câble
Capacités réparties dans
les encoches, rotor/stator,
inter-enroulements
12
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Formalisme matriciel
I1
Simplifications
I2
Z 21  Z12
• Système symétrique : Z  Z
11
22
• Système passif :
V2
V1
Coefficients de la matrice d’impédance
Z11  Z 22
V1 
 
I1  I
2 0
V2 
Z 21  Z12  
I1  I
2 0
 V1   Z11 Z12   I1 
   
. 

 V2  Z 21 Z 22   I 2 
Coefficients de la matrice de transfert
T11 
Z11
Z 21
T12 
Z11Z 22
 Z12
Z 21
T21 
1
Z 21
T22 
Z 22
Z 21
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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
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
Magnitude (dB V)
CM Voltage generated by the inverter
160
140
120
100
80
60
40
4
10
6
10
Frequency (Hz)
8
10
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Acquisition des termes parasites du variateur
Rappel du modèle
C  1,47nF
Principe de la mesure en statique
Mesures effectuées entre 2kHz et 15MHz
 Comportement capacitif sur toute la gamme
HP4194
A
Variateur
Entrées Sorties
LP LC
C
HC HP
Analyseur
d’impédance
1
 1,47 nF
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
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 : méthode gain/phase
• Utilisation d’une sonde de
courant (rapport 1)
• Mesure entre 2kHz et 40MHz
• Corrections de mesure et de
connectique
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


Zconnec


Voie T

G : signal : Tension injectée
R : entrée ref : Courant mesuré
T : entrée test : tension mesurée
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Boîtier de mesure des paramètres du câble
Mesure de 2kHz à 40MHz
Méthode gain-phase nécessaire pour Z12
• Structure figée : reproductibilité des mesures
adaptation sur l’analyseur gain-phase
• Boîtier blindé : immunité aux perturbations
extérieurs
• Câblage coaxial : immunité au couplage entre
la source et la mesure
• Interrupteur : passage de la mesure de Z11 à
Z12
Étage gain-phase de l’analyseur de spectre :
VT
VR
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Corrections de mesure : calibration
Fonction de transfert de la sonde
et du circuit de mesure de courant
• Mesure en court-circuit
Impédance de connexion de l’étage
de mesure de la tension
• Mesure à vide
VT
 Zconnect
VR
Corrections de mesure
Tmes 
VT
50

VR Ts( p)
• 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
• Correction de connectique
indispensable sur l’évaluation de Z12
Fonction de correction
Z11 
Zmes  Zconnect Tmes
*
Zconnect  Zmes 50
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Correction des mesures : résultats
Z11 
Zmes  Zconnect Tmes
*
Zconnect  Zmes 50
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UMR 5005
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
Z12m
20
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Association de quadripôles : câble+moteur
câble
vmcr
Z
moteur
vN
10
10
10
10
10
z z
zeq  z11c  12c 21c
z11r  z22c
- Erreur de métrologie
- Transfert de mode
MD-MC
Module en 
Erreur en HF
Mesure
Calcul
4
3
2
1
0
10
10
10
10
10
10
10
10
5
Paramètre Z
Z11 cable moteur + moteur
iN
Module en 
Z
5
4
10
5
10
6
10
150
100
50
0
-50
-100
-150
7
10
4
10
5
10
6
10
7
Z12 cable moteur + moteur
Mesure
Calcul
4
3
2
1
0
-1
10
4
10
5
10
6
10
7
Phase en degrés
10
imcr
Association
Paramètre T
Phase en degrés
Paramètre Z
150
100
50
0
-50
-100
-150
10
4
10
5
10
6
10
7
Fréquence en Hertz
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Transfert de mode
Dispositif de mesure des dissymétries
à l’origine des transferts de mode
Current probe
CT2 Tektronix
Idm
Output load
DUT
Tracking
generator
Icm
Current probe
CT2 Tektronix
ground
Fonctions de couplage MDMC, câble blindé 4 conducteurs
de 4mm², longueur : 5m, fonction de la charge d’extrémité
!! Apparition de transfert entre le mode
commun et le mode différentiel à partir de
4 MHz.
Confirmation d’erreur possibles si le
terme de mode différentiel (source) est
significatif en HF
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Expressions analytique des courants parasites
Expressions des grandeurs
Rappel du modèle
Courant de mode commun total
imc
vmc
imcv
imcc
v mcv
i mc 
z amont
Zamont
Zmcv
Zeq


z z
z mcv  z11c  12c 21c 
z11r  z 22c 




z z
z mcv   z11c  12c 21c 
z11r  z 22c 

Courant de mode commun dans le câble
i mcc 
z z
zeq  z11c  12c 21c
z11r  z22c

z amont z mcv  

z mcv v mcv


z z
z amont  z mcv  z11c  12c 21c 
z11r  z 22c 

Courant de mode commun dans le moteur
i mcr 
z 21cz mcv v mcv




z 21r  z 22c  z amont z mcv  z amont  z mcv  z11c 
z12cz 21c  

z11r  z 22c  
23
UMR 8029
UMR 5005
Validation expérimentale
Correction quadratique du bruit
I  I mesure  I bruit
2
2
Courant du cable moteur
120
Calcul
Mesure
Bruit
Module en dBA
100
80
60
40
20
0
4
10
5
6
10
10
Fréquence en Hertz
7
10
8
10
24
UMR 8029
UMR 5005
Validation expérimentale
Courant du moteur
120
Calcul
Mesure
Bruit
Module en dBA
100
80
60
40
20
0
4
10
5
6
10
10
Fréquence en Hertz
7
10
8
10
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UMR 5005
Validation expérimentale
Courant redresseur
120
Calcul
Mesure
Bruit
Module en dB A
100
80
60
40
20
0
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
Fréquence en Hertz
26
UMR 8029
UMR 5005
Conclusion
• Protocoles de mesure affinés (bande passante des capteurs, bruit de
mesure et rapport signal/bruit)
• Mise en évidence de problèmes de transfert de mode potentiels
• Mesures de Z11 et Z12 validées jusqu’à 40MHz
• Modèle confirmé jusqu’à 10 MHz, la limitation est due au bruit nécessité
d’améliorer le rapport S/B du banc de mesure (analyseur => récepteur CEM)
• Études paramétriques (variation des impédances …)
• Dimensionnement de filtres (en tenant compte des impédances réelles)
• Augmentation de la validité fréquentielle du modèle (100 MHz)
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