Niveaux de CEM en conversion statique
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1 , ENS de Cachan La compatibilité électromagnétique : C.E.M. Par : Éric Labouré François Costa 2 , ENS de Cachan Plan 1. 2. 3. 4. 5. 6. La CEM : introduction et généralités Notions de base : Les sources, les modes de propagation Les normes Métrologie et essais Exemple des perturbations harmoniques sur les réseaux de distribution basse tension Étude de cas et solutions envisagées 3 , ENS de Cachan La compatibilité électromagnétique : Introduction et généralités , ENS de Cachan 4 La compatibilité électromagnétique en trois questions • Qu’est ce que la CEM ? – Des règles de bons voisinages entre tous les systèmes électriques et électroniques, – Un domaine d’étude très pluridisciplinaire : électromagnétisme, propagation, électronique rapide, systèmes électriques, métrologie. • Pourquoi la CEM ? – Un nombre toujours croissants de systèmes électriques ou électroniques, – Leur densité spatiale s’accroît : un exemple l’automobile, – Les fréquences de fonctionnement s’accroissent facilitant la propagation des signaux parasites. • Qui est concerné par la CEM ? – Strictement tous les systèmes électriques industriels, domestiques, militaire, aérospatial, doivent respecter des normes CEM. – Chaque industriel doit certifier ses produits depuis le 01/01/96 dans la CEE, le rôle de gendarme est assuré par les acteurs du marché, les amendes sont très lourdes. 5 , ENS de Cachan Le monde de la CEM 6 , ENS de Cachan La démarche d’étude en CEM phénomènes naturels Sources de perturbations • foudre • décharges électrostatiques • rayonnement cosmiques phénomènes artificiels Couplages Victimes effets • • • • • émetteurs radio et radars appareils industriels traitement de l'information traitement de l'énergie dispositifs d'éclairage couplages – conduits et rayonnés – diaphonie – champs à câbles ou à structures – Réduction des émission – Durcissement – Réduction des couplages Des normes s’appliquent - en émission - en susceptibilité EM 7 , ENS de Cachan Étendue fréquentielle • Harmoniques réseau – jusqu’au rang 40 soit 2kHz – Niveaux absolus spécifiés ou enveloppe du courant – Concerne tout appareil connecté à un réseau d’énergie • Perturbations RF conduites – De 150kHz à 30MHz – Niveaux d’émissions définis par des normes selon les applications • Perturbations RF rayonnées – De 150kHz à 3GHz – Niveaux d’émissions définis par des normes selon les applications Redresseur BF 10 10 2 3 10 commutations découpage 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 En électronique de puissance, le spectre s’étale sur 7 décades !! 8 , ENS de Cachan Impact économique Le niveau de bruit électromagnétique s’accroît de 3 dB/an - accroissement du coût lié à la protection, nécessité de contrôler d’avantage les émissions : les normes durcissent Le coût d’un problème CEM - Le rapport coût en phase industrielle/coût en phase d ’étude est de 100 à 1000 - Nécessité d ’optimiser le coût de filtrage : environ 20 à 25% du coût total Nécessité d’intégrer la CEM lors de la conception d’un produit Recours à des outils de simulation adaptés , ENS de Cachan Importance en matière de sûreté Exemples de dysfonctionnement graves dus à la CEM - 1967 Destruction du porte avion Forrestal : un radar provoque la mise à feu d’une roquette qui détruit un avion et par effet boule de neige tout le porte avion. - 1982 Destruction du croiseur Sheffield par un exocet : le système de contre-mesures était brouillé par les communications satellitaires - 1980 Les premiers allumages électroniques d’automobile sont perturbés par les talky walky de la police. - 1990 Déclenchement de l’airbag lors de l’actionnement du klaxon (célèbres berlines allemandes !) … sans compter tous les plus petits dysfonctionnement dans tous les systèmes électriques qui se traduisent par des pertes de données, de temps et d’argent !… La CEM peut être un enjeu vital lors de la conception d’un produit qui surpasse la contrainte économique 9 10 , ENS de Cachan Notions de bases : Les sources, les modes de propagations , ENS de Cachan Sources de perturbations conduites Les sources équivalentes sont assimilables à des générateurs de tension ou de courant : -De modes commun : les courants se referment par la terre et parcourent les liaisons dans le même sens -De mode différentiel 11 12 , ENS de Cachan Sources de rayonnement Modes rayonnés Rayonnement : - antenne haute impédance, champ E dominant à faible distance - antenne basse impédance, champ B dominant à faible distance - en champ lointain : E/B=Cte=377W , ENS de Cachan Modes de propagation des perturbations Modes commun : les courants se referment par la terre et parcourent les liaisons dans le même sens Modes différentiel : les courants se referment par les liaisons en sens opposé 13 , ENS de Cachan Modes de propagation des perturbations Couplage galvanique par impédances communes : très courant par les alimentations et la connectique 14 15 , ENS de Cachan Modes de propagation des perturbations B B S S e= e= dB S dt dB S dt En mode différentiel par champ B En mode commun par champ B i=e0 dE Sl dt E Sl En mode commun par champ E Couplage champ à câble : très courant en interne d ’un convertisseur ou dans des chemins de câbles 16 , ENS de Cachan Un exemple de perturbation champs à câble Solution : - ouvrir la boucle : interdit par raison de sécurité - Placer des inductance de mode commun sur la liaison différentielle entre les équipements Équipement 1 : maquette de TP Équipement 2 : oscilloscope La boucle : fils de terre jaune/vert et tresse de masse de la sonde , ENS de Cachan Mode de propagation des perturbations L’impédance de transfert permet de caractériser le couplage dans un câble blindé entre le mode commun (circulant dans le blindage) et le mode différentiel qui en résulte : Io peut être dû à un couplage rayonné sur le blindage 17 18 , ENS de Cachan Modes de propagation des perturbations Umd H(t) I Umc Fil Source Boucles des fils Victimes Diaphonie par mutuelle inductance E(t) Imd Imd Effet de champs proches sur un circuit, couplages par mutuelles U Source Imc Imc Fils Victimes Diaphonie par mutuelle capacité Diaphonie : très courante en interne d ’un convertisseur, perturbation des commandes 19 , ENS de Cachan Les normes 20 , ENS de Cachan Pourquoi des normes CEM • Garantir le bon fonctionnement des équipements électriques et électroniques • Définir les niveaux d’émission – Conduit – Rayonné • Définir les niveaux de susceptibilité – Conduit – Rayonné • Informations générales sur les phénomènes perturbateurs • Description des techniques de mesures et d'essais – Caractériser aussi précisément que possible l'environnement de mesure en conduit et en rayonné (mesure en espace libre, en chambre anéchoïque, support des appareils) – Caractériser les conditions de mesure (longueur des câbles, distance des antennes, hauteur, angle, etc..) – Caractériser la calibration et le réglage des appareils de mesure utilisés, ceci dans le but d'effectuer des mesures reproductibles et fiables. , ENS de Cachan Quelques exemples de normes • Normes fondamentales émission – Perturbations conduites basses fréquences : – NF EN 60555-2 et NF EN 61000-3-2 : Perturbations produites dans les réseaux d'alimentation ; Partie 2: Harmoniques. – NF EN 60555-3 et NF EN 61000-3-3 : Perturbations produites dans les réseaux d'alimentation ; Partie 3: Flicker et fluctuations de tension – Perturbations conduites et rayonnées hautes fréquences : – NF EN 55011 : Limites et méthodes de mesure des perturbations radioélectriques des appareils industriels, scientifiques et médicaux (ISM). – NF EN 55013 : Limites et méthodes de mesure des perturbations radioélectriques des récepteurs de radiodiffusion et appareils associés. – NF EN 55014 : Limites et méthodes de mesure des perturbations radioélectriques des appareils électrodomestiques et des outils électriques. – NF EN 55015 : Limites et méthodes de mesure des perturbations radioélectriques des lampes à fluorescence et des luminaires. – NF EN 55022 : Limites et méthodes de mesure des perturbations radioélectriques des appareils de traitement de l'information (ATI) 21 , ENS de Cachan Quelques exemples de normes • Normes fondamentales en immunité – – – – – – – NF EN 61000-4-2 : Immunité aux décharges électrostatiques. NF EN 61000-4-3 : Immunité aux rayonnements électromagnétiques. NF EN 61000-4-4 : Immunité aux transitoires rapides en salves. NF EN 61000-4-5 : Immunité à l'onde de choc (foudre). NF EN 61000-4-6 : Immunité à l'injection de courant HF. NF EN 61000-4-8 : Immunité au champ magnétique 50 Hz. NF EN 61000-4-11 : Immunité aux creux et variations de tension. Remarque : De nombreuses autres normes d'immunité sont à l'étude 22 23 , ENS de Cachan Métrologie et essais 24 , ENS de Cachan Caractérisation des perturbations EM Les mesures en CEM s’effectuent en régime conduit et rayonné Elles doivent être reproductibles Les mesures en rayonné peuvent se faire en espace libre ou en cage de Faraday anéchoïde Les grandeurs sont représentées dans le domaine fréquentiel : analyse de spectre 25 , ENS de Cachan Mesures en rayonné Mesures en champs magnétique Mesures en champs électrique Dispositions de mesure normatives -essai en cage anéchoïde -Géométrie absolument fixée -Distance : 1, 3, 10 ou 30m 26 , ENS de Cachan Antennes de mesure en rayonné Antenne bi-conique et la courbe de facteur d'antenne (30-300MHz) (d'après doc. EMCO) Les mesures sont faites en cage de Faraday anéchoïde Ou en espace libre, selon un protocole permettant une bonne reproductibilité Les mesures s’effectuent : - en polarisation horizontale ou verticale en faisant varier l’angle de positionnement du système testé à 1, 3, 10 ou 30 mètres Antenne log-périodique et son facteur d'antenne (200MHz-1GHz) (d'après doc. Electro-Metrics) 27 , ENS de Cachan Dispositif de mesure en conduit : le RSIL Impédance en Ohms Phase Ph ase 100nF 250µH C1 L1 2µF C2 70 50µH L2 8µF Tolérance +/- 20% C3 1k 60 R vers vers réseau 50 appareil sous test 2µF 40 1k 8µF 50µH 0W 30 250µH 50µH W 100nF Neutre 5µH Neutre 20 0W 0W W 50µH Terre Terre 10 Lmc 0 4 10 Bande A 10 5 10 6 Bande B 10 7 10 Bande C 8 Fréquence (Hz) Les mesures sont faites au dessus d’un plan de masse et selon un protocole permettant une bonne reproductibilité Exemple d’organisation pour la mesure CEM en régime conduit 28 , ENS de Cachan L’analyseur de spectre en CEM Particularités Analyseur de spectre super-hétérodyne Plusieurs modes de détection : -crête, -quasi-crête -valeur moyenne filtre sélectif Mélangeur Bp Atténuateur Ampli FI Fo Fo Détecteurs -crête -quasi-crête Oscillateur contrôlé en tension Synchronisation Visualisation 29 , ENS de Cachan L’analyseur de spectre en CEM Amplitude Bande passante du filtre d'analyse Spectre du signal perturbateur Mesure en bande large Mesure en bande étroite Fréquence Mesures en bande étroite ou large, dépend du système (existante de modulation) et du filtre d ’analyse Gamme de fréquence Bande passante (-6dB) Relations entre les différents modes d ’analyse A 200Hz B 9kHz Filtres recommandés par les normes C et D 120kHz 30 , ENS de Cachan Susceptibilité EM Le principe consiste à perturber de façon connue l’équipement pour déterminer sa sensibilité à un ou plusieurs types de perturbations Procédés en conduit • Injection en régime harmonique RF • Injection en régime impulsionnel Par couplage capacitif ou inductif (sondes d’injection) sur les câbles Procédés en rayonné • Illumination par antenne (le type dépend de la bande de fréquence) Quantification • Le niveau de dysfonctionnement est déterminé • Il est quantifié par rapport à une norme relative à un équipement donné 31 , ENS de Cachan Susceptibilité EM Exemple d’injection capacitive , ENS de Cachan Exemple des perturbations harmoniques sur les réseaux de distribution basse tension 32 , ENS de Cachan Caractérisation du contenu harmonique • Limites d’émission en courant NF EN 61000-3-2 33 , ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2 Courant appelé par phase < 16A • Classification des appareils • Classe A : appareils triphasés et ceux qui ne sont pas de classe B, C ou D • Classe B : Outils portatifs ou variateurs de lampes halogènes • Classe C : Appareils d’éclairage • Classe D : Appareils dont la forme d’onde est comprise dans un gabarit et 50W<P<600W 34 , ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2 • Classification des appareils • Classe D 35 36 , ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2 • Limites de courants harmoniques – Classe A Rang harmonique 3 5 7 9 11 13 15 n 39 2 4 6 8 n 40 Courant harmonique maximal autorisé (A) Harmoniques impairs 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,21 0,15 15/n Harmoniques pairs 1,08 0,43 0,30 0,23 8/n , ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2 • Limites de courants harmoniques – Classe B 1,5x le niveau de la classe A 37 38 , ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2 • Limites de courants harmoniques – Classe C Rang harmonique 3 5 7 9 11 n 39 2 Courant harmonique maximal autorisé exprimé en pourcentage du courant fondamental d'entrée des luminaires (%) Harmoniques impairs 30 facteur de puissance du circuit) 10 7 5 3 Harmoniques pairs 2 39 , ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN 61000-3-2 • Limites de courants harmoniques – Classe D Rang harmonique 3 5 7 9 11 11 n 39 Courant harmonique maximal autorisé par watt (mA/W) Harmoniques impairs 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 3,85/n Courant harmonique maximal autorisé (A) 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,15 15/n , ENS de Cachan Étude de cas et solutions envisagées 40 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Étude du système pollueur 41 42 , ENS de Cachan Rang harmonique 3 5 7 9 11 11 n 39 Courant harmonique maximal autorisé par watt (mA/W) Harmoniques impairs 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 3,85/n Courant harmonique maximal autorisé (A) 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,15x15/n Équipement non conforme , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Inductance 43 44 , ENS de Cachan Rang harmonique 3 5 7 9 11 11 n 39 Courant harmonique maximal autorisé par watt (mA/W) Harmoniques impairs 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 3,85/n Courant harmonique maximal autorisé (A) 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,15x15/n Équipement conforme , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif 45 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : principe 46 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : principe de fonctionnement 47 48 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : principe de fonctionnement v filtre v réseau L di pollueur dt 49 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : principe de fonctionnement 600 L= 8m H L= 4m H 400 vré s e a u L= 2m H ip o llu e u r 200 vfilt re 0 -2 0 0 -4 0 0 -6 0 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : contrôle 50 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : contrôle 51 52 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : exemple SineWave : de 20 à 480A (triphasé) Traite les harmoniques de 2 à 25 Compense le réactif , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Compensateur actif : exemple 53 , ENS de Cachan 54 55 , ENS de Cachan Rang harmonique 3 5 7 9 11 11 n 39 Courant harmonique maximal autorisé par watt (mA/W) Harmoniques impairs 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 3,85/n Courant harmonique maximal autorisé (A) 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,15x15/n Équipement conforme 56 , ENS de Cachan Rang harmonique 3 5 7 9 11 11 n 39 Courant harmonique maximal autorisé par watt (mA/W) Harmoniques impairs 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 3,85/n Courant harmonique maximal autorisé (A) 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,15x15/n , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Filtrage hybride 57 , ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse • Conclusion Seul l’ajout d’une inductance est une solution économiquement viable dans le cas d’une compensation locale Néanmoins cette solution n’est pas très satisfaisante Trouver des solutions économiquement viables et aux performances satisfaisantes 58 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Étude du système pollueur 59 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Fonctionnement des tubes fluorescents 60 61 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Rôle du ballast Point instable 62 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Exemple de ballast i lampe i ballast i v ballast Z i ballast jL i v lampe f i lampe f i Vm f i jL i 63 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Impact du ballast Point stable , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Influence de la fréquence 64 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Alimentation par ballast magnétique • Temps de préchauffage non contrôlé • Démarrage laborieux : usure des tubes • Fluctuation de l’intensité lumineuse avec la tension • Coût de maintenance important • Pas de gestion du vieillissement des tubes 65 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Alimentation par ballast électronique • Structure 66 67 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Alimentation par ballast électronique • Perturbations harmoniques Classe C Rang harmonique 3 5 7 11 n9 39 2 Courant harmonique maximal autorisé exprimé en pourcentage du courant fondamental d'entrée des luminaires (%) Harmoniques impairs 30 facteur de puissance du circuit) 10 7 5 3 Harmoniques pairs 2 Rang de l'harmonique Équipement non conforme Fondamental 2 3 5 7 9 11 In (mA) 96 0 89 74 57 40 25 I n / I1 (%) 100 0 92 77 59 41 26 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Alimentation par ballast électronique • Solutions : mise en place d’un PFC 68 69 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • PFC : principe de fonctionnement di L v PFC v réseau L dt 70 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • PFC : principe de fonctionnement 35 0 30 0 V PF C 25 0 V ré s e a u 20 0 L = 8m H L= 4 m H L= 2 m H 15 0 10 0 iL C o u ra n t s o u h a it é 50 0 -5 0 -1 0 0 0 0 .0 0 2 0.00 4 0.006 0 .0 0 8 0.01 0.012 0 .0 1 4 0.016 0.018 0.02 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • PFC : choix de la structure 71 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • PFC : principe de régulation 72 73 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • PFC : bilan de puissance Pabs V I ref / 2 Pcharg e f Vc Problème de contrôle , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • PFC : structure complète 74 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • PFC : Exemple de structure 75 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent • Contrôleur L6561 76 , ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent 77 78 , ENS de Cachan FIN
