CARTOGRAPHIE DU CHAMP MAGNETIQUE

CARTOGRAPHIE DU CHAMP MAGNETIQUE PROCHE RAYONNE
PAR UN HACHEUR DE TRACTION EN FERROVIAIRE
J. Ben Hadj Slama - D. Chariag
LSE-INSAT, BP676 - 1020 Tunis Cedex, Tunisie
Tél. : 216 71703829, +216 98246287 Fax : 216 71704329
E-mail: [email protected], [email protected]
Résumé. Dans ce travail, nous nous intéressons à la
cartographie du champ magnétique proche rayonnée
par un hacheur utilisé en traction ferroviaire
électrique. La procédure de mesure utilisée est
présentée et validée sur une structure simple. Le
schéma détaillé du hacheur est présenté. Le principe
de son fonctionnement en mode traction est détaillé.
Les résultats de mesure de la cartographie sont
présentés pour plusieurs fréquences. Ces résultats sont
analysés en se référant aux différentes phases de
fonctionnement du hacheur et en recherchant la
corrélation avec les différentes mailles réelles
existantes au niveau de la topologie du circuit. Les
résultats nous permettent de déterminer, pour chaque
fréquence jugée perturbatrice au niveau du spectre
rayonné, les différentes mailles responsables de ces
perturbations.
I. INTRODUCTION
Avec la prolifération des systèmes électroniques
embarqués par les usagers des trains électrifiés d'une
part, et l'absence dans les normes internationales[1] de
garanties qui assurent la protection des équipements
embarqués, des perturbations générées par les
systèmes de conversion de puissance utilisées par les
trains électriques, d'une autre part, il devient de plus
en plus important de s'intéresser à l'effet de ces
perturbations sur les équipements électroniques
sensibles. Pour cela il faut caractériser ces
perturbations.
Dans des travaux antérieurs [2], nous avons procédé à
la
caractérisation
des
perturbations
électromagnétiques rayonnées par un système
ferroviaire. Ces études ont montré que la source de
rayonnement principale, à l'intérieur de la trame du
métro étudié, est le système de conversion statique
d'énergie utilisé pour la traction. Ce système est basé
dans notre cas d'étude sur un convertisseur de type
hacheur à thyristors.
Pour mieux caractériser cette source de perturbation et
pour pouvoir proposer des solutions pour minimiser
les interférences entre cette source et les systèmes
électroniques embarqués par les voyageurs, nous
proposons dans ce papier de procéder à la mesure et à
l'analyse de la cartographie de champ magnétique
proche dans une zone plane située au dessus de ce
hacheur de traction.
En première partie de ce papier, nous présentons et
nous validons les techniques expérimentales
déployées lors de la mesure du champ rayonné.
Ensuite, nous présentons le hacheur étudié ainsi que le
principe de son fonctionnement. En troisième partie
de ce papier, nous présentons et nous analysons les
cartographies de champ magnétique obtenues pour
différentes fréquences de mesures.
II. TECHNIQUES EXPERIMENTALES
Pour la mesure du champ magnétique rayonné par le
hacheur dans la bande de fréquences située entre
150kHz et 30MHz, nous avons utilisé une antenne
boucle de rayon 8.5cm et un oscilloscope portable. La
bande passante de l’oscilloscope est de 60MHz. Nous
avons effectué la mesure temporelle de la tension
induite dans l’antenne placée au dessus de la carte du
hacheur et ensuite nous avons déduit l'amplitude du
champ magnétique pour chaque fréquence en
effectuant la transformée de fourrier rapide (FFT).
Pour valider notre méthodologie de mesure du champ
magnétique, nous avons choisi de procéder d'abord à
la mesure du champ rayonné au-dessus d'un circuit
simple, constitué d'une spire de courant excitée à une
fréquence connue et pour laquelle le champ rayonné
peut être calculé de manière analytique[3][4].
Le protocole de validation consiste alors à comparer,
le champ magnétique mesuré par l'antenne utilisée, à
celui calculé analytiquement. La spire émettrice de
rayon a est réalisée à partir d'un fil cylindrique de
section constate. Elle est parcourue par un courant
sinusoïdal I = I 0 e jωt où, ω = 2πf est la pulsation et
f est la fréquence d'excitation de la spire. Le
diamètre de la spire étant petit devant la longueur
d'onde, sa distribution de courant peut être considérée
comme uniforme.
Pour une spire de rayon a = 25cm , située dans un
plan horizontal et alimentée par une tension de valeur
maximale de 20V, nous avons comparé pour
différentes fréquences la composante verticale
(composante parallèle à l'axe de la spire émettrice ) du
champ magnétique calculé et mesuré à une hauteur de
25cm, en déplaçant le centre de l’antenne de mesure
dans le plan horizontal (selon l'axe Y) avec un pas de
mesure de 2cm.
La figure 1 présente la comparaison des valeurs
calculées et mesurées du champ magnétique vertical
pour la fréquence de 10MHz.
émettrice où le champ émis peut être considéré
comme constant.
• le champ a une valeur relativement importante et
donc la mesure n'est pas sensible à la
perturbation introduite par les appareils de
mesures.
L'étalonnage de l'antenne de mesure a été réalisé en
utilisant un circuit test constitué d'une antenne boucle
émettrice excitée par une tension à une fréquence
connue. Les résultats de mesure de la cartographie audessus de ce circuit test ont été comparés à ceux
calculés théoriquement et montrent une bonne
concordance. Cette procédure nous permet de valider
le facteur d'antenne utilisé lors du calcul de la valeur
du champ magnétique à partir de la tension mesurée
aux bornes de l'antenne de mesure.
III. LE HACHEUR DE TRACTION
Figure 1 : Composantes verticales du champ magnétique
mesuré et calculé pour f=10MHz (en dBµA/m).
Les écarts observés entre les valeurs mesurées et les
valeurs théoriques varient de quelques dB à 15dB. Le
léger décalage sur l’axe Y au niveau des minima, est
sans-doute provoqué par une erreur de positionnement
dû à la grande dimension de l’antenne de mesure. Les
écarts sur l’amplitude peuvent être expliqués par
plusieurs paramètres qui sont:
• l'incertitude sur le facteur d’antenne de mesure
(antenne boucle),
• l'incertitude sur la valeur du courant qui circule
dans la spire, déterminé par la mesure directe du
courant aux bornes d’une résistance de précision
(1Ω 1%) placé en série avec la spire. La valeur
de cette résistance n'est pas insensible à
l'augmentation de la fréquence. Or sur une
distance aussi importante, le champ n'est pas
nécessairement constant, surtout au niveau des
bords du cercle de l'antenne émettrice.
• l'incertitude sur la résolution spatiale de l'antenne
de mesure, car celle-ci a un rayon assez
important (8,5cm) et donc la valeur mesurées
correspond à l'intégration du champ sur toute la
surface de l'antenne.
• les perturbations introduites par les appareils
situées au voisinage immédiat (générateur
d'excitation de l'antenne émettrice, oscilloscope
pour la mesure du courant, oscilloscope de
mesure du champ, présence de l'opérateur pour
le prélèvement des valeurs...
Néanmoins, les deux derniers types d'erreurs, n'ont
pas d'influence sur la mesure effectuée au centre de la
boucle émettrice. En effet en ce point:
• la surface de la boucle réceptrice est située pour
sa totalité dans une zone centrale de la boucle
Les mesures en champ proche ont été réalisées au
dessus d'un hacheur utilisé pour la commande d’un
moteur de traction d’une rame du métro léger de
Tunis (de marque Siemens [5]). La figure 2 présente
le schéma de principe des circuits de puissance d’une
rame du métro dans lequel est placé le hacheur.
Le circuit du hacheur présenté est très compliqué du
fait
qu'il
présente
plusieurs
régimes
de
fonctionnement. Dans ce travail, nous nous limiterons
à l'étude du fonctionnement du hacheur en régime de
traction. La mesure de cartographie ayant été réalisée,
pendant ce régime. En régime de traction, les
contacteurs S1 à S5 (figure 2) sont fermés, la diode de
freinage BD et le thyristor de freinage BT sont
bloquées.
Fonctionnement du hacheur (figure 3):
La figure 3 est utilisée pour décrire le fonctionnement
du hacheur pendant le régime de traction. Elle
représente le schéma de principe d’un hacheur
branché en série avec une charge RL et une source de
tension continue.
Figure 3 - Schéma de principe du hacheur de traction.
Les composants qui apparaissent en figure 3 sont:
HT : thyristor principal de traction.
LT : thyristor d‘extinction.
UT : thyristor d’inversion de charge V4.
RD: diode de recharge.
FD : diode de roue libre.
Figure 2 : Schéma de principe des circuits de puissance dans une rame de métro.
Avec :
S1 : Contacteur de ligne. S2 : Sectionneur de ligne. S3 : Contacteur de traction. S4-S7 : Contacteurs principaux.
S8-S10 : Contacteur de résistances de freinage. MD : Self moteur. ND : Self du filtre de ligne.
NK : Condensateur du filtre de ligne. BEW : Résistance de freinage. BVW : Résistance série de freinage.
Figure 4 : Allure des tensions et des courants dans le hacheur.
Avec :
tu / 2 : Est la durée d’inversion de charge du condensateur d’extinction.
tl / 2 : est le temps d’extinction.
Le principe de fonctionnement de ce hacheur se
résume comme suit:
- Avant le premier amorçage du thyristor principal
HT, il faut d’abord amorcer le thyristor d’extinction
LT. Le condensateur de commutation CK se charge à
travers la charge RL, la self de commutation LK et le
thyristor LT jusqu’à ce que la cathode de LT ait un
potentiel supérieur à celui de la cathode de HT.
- Ensuite, on amorce HT, ainsi, un courant circule à
travers la charge. L’amorçage de HT s’accompagne de
l’amorçage du thyristor d’inversion UT. Il se produit
une inversion de charge du condensateur à travers la
self d’inversion LU, le thyristor UT, la self de
commutation LK et le thyristor HT, de manière à ce
que la tension à ses bornes admet à présent la polarité
opposé c. à. d. cathode de LT a un potentiel inférieur à
celui de la cathode de HT.
- On amorce le thyristor d’extinction LT à la fin du
temps de conduction tc . Le courant de charge est
commuté du thyristor HT vers le condensateur CK via
le thyristor LT. En raison de la grande inductance de
charge, le courant de charge ne varie que très
faiblement au cours de ce processus. De ce fait, le
courant dans le thyristor principal doit décroître en
même temps qu’il augmente dans le thyristor
d’extinction. Le temps nécessaire à la commutation du
courant de charge du thyristor HT au thyristor LT est
appelé temps de commutation tk .
- Après l'écoulement du temps de commutation, le
courant dans le thyristor HT s’annule et le courant
dans le thyristor LT atteint la valeur du courant de
charge. Jusqu’à présent, le condensateur de
commutation n’a perdu qu’une faible fraction de sa
charge. La part restante de la charge est inversée à
travers le circuit de recharge constitué par la diode de
recharge RD, la self LR, la self LK et le thyristor LT.
La polarité aux bornes du condensateur CK est à
présent : potentiel de cathode HT inférieur à celui de
la cathode LT. Durant le processus de recharge entre
l’annulation du courant dans le thyristor principal et le
passage par zéro de la tension aux bornes du
condensateur, une tension négative est appliquée au
thyristor HT pendant un temps correspondant à
l’angle de marge t s .
- Durant la dernière phase de recharge la tension
aux bornes du thyristor HT recroît à une valeur
positive (voir Figure 4). Au cours du processus de
recharge, le condensateur de commutation est le siège
du courant d’inversion de la charge et du courant
traversant la charge.
- Lorsque la tension aux bornes du condensateur
atteint la valeur de la tension d’alimentation, le
courant dans la charge commence à décroître. La
tension aux bornes des inductances du circuit change
de polarité. De ce fait, le courant dans la charge est
commuté du thyristor d’extinction vers la diode de
roue libre. Au cours de cette commutation, le
condensateur d’extinction est chargé à une tension
supérieure à la tension d’alimentation. Le courant
continu à circuler à travers la diode de roue libre
jusqu’au nouvel amorçage du thyristor principal.
La Figure 4 présente l’allure des courants et des
tensions théoriques des principaux éléments du circuit
du hacheur.
Le hacheur fonctionne à une fréquence de découpage
de 250Hz, sous tension continue de 750V et un
courant de charge maximal de 480A.
IV. RESULTATS DE MESURE
Les compagnes de mesures ont été effectuées sur site,
dans une rame de métro où nous retrouvons des
conditions de fonctionnement réelles. La vitesse de la
rame, lors des mesures, est de l'ordre de 20km/h avec
un mode de fonctionnement en traction, Les mesures
de cartographie de champ proche ont été réalisées
dans un plan horizontal parallèle au plan du circuit du
hacheur de traction et situé à 25cm au-dessus de celuici. Nous avons effectué un quadrillage du plan de
mesure avec un pas spatial de 20 cm. En chaque point
du quadrillage, nous prélevons la composante
verticale du champ magnétique en utilisant une
antenne boucle et un oscilloscope portatif. La tension
mesurée est convertie en champ magnétique
équivalent en utilisant le facteur d’antenne. Ensuite,
nous appliquons la transformée de Fourrier rapide au
signal temporel obtenu par l'oscilloscope. Nous
obtenons alors, en chaque point du quadrillage, le
spectre du champ magnétique rayonné et ce dans la
bande de fréquences entre 100KHz et 60MHz. Nous
déduisons alors, pour une fréquence de cartographie
donnée, l'amplitude de la raie correspondante au point
de mesure.
BT
BD
UT
RD
LT
FD
HT
Figure 5 : Photographie du Hacheur.
La figure 5 donne la photo du dessus du hacheur.
Nous y retrouvons les différents thyristor et diodes.
La zone de mesure est délimitée par un cadre de trait
en tirets blancs.
Figure 6 : Composante verticale du champ magnétique rayonné
par le hacheur pour f = 1MHz.
Figure 9 : Composante verticale du champ magnétique rayonné
par le hacheur pour f = 6MHz.
Figure 7 : Composante verticale du champ magnétique rayonné
par le hacheur pour f = 2MHz.
Figure 10 : Composante verticale du champ magnétique
rayonné par le hacheur pour f = 12MHz.
Figure 8 : Composante verticale du champ magnétique rayonné
par le hacheur pour f = 4MHz.
Figure 11 : Composante verticale du champ magnétique
rayonné par le hacheur pour f = 19.5MHz.
En se référant à la Figure 2, nous avons identifié les
différents composants et mailles de la carte du
hacheur. Nous notons que les différents composants
actifs thyristors et diodes sont protégées contre les
surtensions par des circuits RC. Nous remarquons que
la zone de mesure se partage en quatre sous zones
principales:
• La zone délimitée par un cadre rouge et située au
centre de la carte, représente la boucle formée par le
thyristor principal de traction HT, le thyristor
d’inversion de charge UT et leurs circuits d'écrêtage
de tension.
• La zone délimitée par le cadre bleu et située à droite
de la zone de mesure: Cette boucle est formée par le
thyristor principal HT, la diode de roue libre FD et
le thyristor d’extinction LT et leurs circuits
d'écrêtage de tension.
• La zone délimitée en vert située du côté de gauche
de la zone de mesure, représente les composants qui
entrent en jeu lors du freinage, ces composants sont:
le thyristor de freinage BT, la diode de freinage BD
et leurs circuits d'écrêtage de tension. Ces
composants ne fonctionnent pas en mode traction et
ne contribuent donc pas au rayonnement lors des
mesures.
Les figures 6 à 11 présentent les cartographies du
champ magnétique pour les fréquences relatives aux
lobes les plus remarquables dans les spectres des
perturbations mesurés.
En analysant ces figures, nous remarquons que le
champ magnétique rayonné est intense au dessus des
zones délimitée en rouge et en bleu sur la photo du
hacheur de la figure 5. En effet:
• la boucle formée par le thyristor principal de traction
HT et le thyristor d’inversion de charge UT
représente la boucle de rayonnement la plus
importante du circuit en contribuant au rayonnement
aux fréquences de 1MHz, 2MHz et 4MHz, et avec
des amplitudes les plus élevées qui dépassent les
100 dBµA/m.
• La maille formée par la diode de roue libre FD et le
thyristor d’extinction LT, représente la source
principale de rayonnement à la fréquence de 6MHz.
• La maille formée par le transistor principal de
traction HT et le thyristor d'extinction LT est la
source de rayonnement pour la fréquence de
12MHz. Cette boucle ne contribue pas au
rayonnement aux fréquences de 6MHz et 19,5MHz.
• La figure 11 montre un champ magnétique de
fréquence 19.5MHz localisé principalement audessus de la diode de roue libre FD. Cette fréquence
de résonance fait intervenir la capacité parasite de la
diode FD à l'état bloqué, lors de la mise en
conduction du thyristor principale.
Au-dessus de la zone délimitée en vert sur la figure 5
le champ est très faible à cause du fait que cette zone
délimite les composants qui n'interviennent que lors
du freinage, et donc elle ne rayonne pas lors de la
phase de traction.
V. CONCLUSION
La cartographie en champ proche est un moyen de
caractérisation des perturbations électromagnétiques
générées par les convertisseurs statiques. Afin de
pouvoir extraire des informations à partir de la
cartographie en champ proche, nous avons procédé à
l'analyse
fine
des
différentes
phases
de
fonctionnement du circuit et nous avons recherché la
corrélation avec les différentes mailles du circuit réel
sur la carte. La simulation du type circuit du hacheur
sera la prochaine étape de ce travail.
Ceci nous permettra de définir à partir des mailles
perturbatrices du circuit, les composants qui
contribuent à la création des résonnances
perturbatrices, et de mettre en œuvre la méthode
inverse par exemple, pour étudier l'immunité des
équipements voisins au hacheur comme par exemple
les équipements électroniques embarqués par les
voyageurs.
REFERENCES
[1] European
Standards:
EN50121,
Railway
applications – Electromagnetic compatibility;
Part 1-5, CENELEC, 2006.
[2] J. Ben Hadj Slama and D. Chariag "Measurement
and Analysis of Magnetic Field Radiated from
D.C. Tramway: A case study for Tunis’s metro,"
International
Conference
on
Electrical
Engineering
Design
and
Technologies
(ICEEDT'07) November 2007, Hammamet,
Tunisia.
[3] C. Labarre, E Béreau, et F. Costa "Cartographie
du Champ Proche Rayonné par un Hacheur
Abaisseur", 13ème colloque international et
exposition sur la CEM08, avril, 2006. St Malo.
[4] C. A. Balanis, Antenna theory Analysis and
Design, Second Edition, John Wiley & Sons,
Inc.,1997.
[5] Siemens, “Documentation technique métro de
Tunis" 1985 Transtu
[6] S. Bartoš, I. Doležel, V. Jehlička, J. Škramlík and
V. Valouch "Electromagnetic Emissions from
IGCT – Based Chopper For Trolleybus", in Proc.
2002, EMC Europe, September 9-13 2002,
Sorrento, Italy.