Le rayonnement électromagnétique d’un système

Le rayonnement électromagnétique d’un système

Application industrielle

Après avoir quantifié et modélisé le rayonnement d’un convertisseur statique académique au chapitre précédent, nous allons utiliser la même méthodologie pour étudier le rayonnement électromagnétique d’un système plus complexe constitué de plusieurs sources. Chacune rayonne à sa propre fréquence de fonctionnement et à ses harmoniques. Elle rayonne également à des fréquences de résonnance qui dépendent des éléments parasites intrinsèques de la source et ceux existant entre la source et le reste du circuit (câblage, piste, radiateur…).

Nous avons choisi comme dispositif un variateur de vitesse industriel appartenant à la gamme Altivar 71(ATV71) conçu par STIE (Schneider Toshiba Inverter Europe), [SOURNAC-90]. Notre démarche peut se résumer en trois étapes principales : Nous avons observé les mêmes sources de perturbations et globalement le même comportement en rayonné, la seule différence se situant au niveau de l‟amplitude du champ magnétique mesuré. Nous avons focalisé notre étude par la suite sur le premier prototype, car ses dimensions étant plus réduites, il est donc plus facile à alimenter et à manipuler. (Tous les résultats présentés par la suite ont été obtenus avec ce dernier alimenté en monophasé, mais pour une représentation plus standard, tous les schémas électriques équivalents seront présentés dans le mode triphasé).

Le variateur de vitesse sous test est un système assez complexe à étudier vis-à-vis de la CEM, car il est composé de plusieurs sous-systèmes potentiellement perturbateurs par leurs propres fonctionnements, et par l’interaction avec les autres sous-systèmes voisins. Nous les avons identifiés lors de l’analyse spectrale effectuée à plusieurs endroits au-dessus du variateur.

Ces sous-systèmes sont répertoriés et encadrés sur la photographie de la Figure 55, leur fonction est rappelée brièvement ci après : le rend lui-même source de nuisance électromagnétique à cause des éléments parasites intrinsèques (Couplage capacitif inter-enroulement et inter-spires, inductance parasite de connexion des inductances sur les pistes, couplage capacitif entre enroulement et matériau magnétique, flux de fuite du noyau).

La structure du variateur de vitesse étudié est classique. De façon schématique, nous pouvons représenter le variateur de vitesse comme indiqué à la Figure 56. La charge est constituée d’une machine asynchrone triphasée de puissance nominale de 4 kW/230V et le courant nominal est égal à 17,5 A. Elle est montée en triangle et, dans notre cas, son câble d‟alimentation blindé est d‟une longueur de 5 m. Pour des raisons de simplifications sur ce Quand il s’agit de caractériser les principaux mécanismes CEM d’un dispositif d’électronique et plus particulièrement son rayonnement magnétique, il est primordial de connaitre les différents chemins de courant et dans les deux modes de propagation « mode commun » et « mode différentiel ».

Le schéma électrique équivalent de la Figure 57 montre les principales localisations d’effets parasites en mode commun et en mode différentiel dans le variateur. Le couplage conduit de mode commun est mis en évidence par les capacités parasites Cp entre les semi-conducteurs, les potentiels flottants et le plan de masse. L‟objectif de la thèse étant principalement de traiter le comportement du variateur en mode rayonné, nous ne modéliserons pas finement son comportement en mode conduit.

Les signaux fréquentiels (spectres) qui sont relatifs à des grandeurs électromagnétiques (H), mesurées par une antenne de type boucle dans la zone très proche du variateur à l’aide d’un récepteur de mesure (HEWLETT PACKARD : 85420E), et dont la détection s’effectue en valeur efficace. La distance entre la sonde et le composant en question ne doit être ni trop grande pour ne pas capter le rayonnement des sources voisines, ni trop petite pour ne pas être gêné par l’encombrement des composants verticaux durant l’acquisition.

Vu la proximité des sources au sein du variateur, nous avons choisi une hauteur égale à 2 à 3 centimètres au maximum.  La méthodologie d’essai est basée sur l‟identification des pics les plus élevés dans le spectre grâce à l‟analyse spectrale effectuée à plusieurs endroits au-dessus du variateur dans la bande [9kHz-100MHz]. Nos essais vont être réalisés dans trois configurations différentes que l‟on résume dans le tableau suivant : Le choix de la première configuration a pour but d‟analyser l‟alimentation à découpage sans avoir à craindre une éventuelle interférence avec une source voisine. En revanche, le choix des deux dernières configurations a pour but d’évaluer l’effet de l’onduleur sur le rayonnement magnétique.

Comme nous l’avons évoqué, les sous-systèmes principaux du variateur possèdent chacun leur propre fonction perturbatrice et à des fréquences propres à leur fonctionnement (découpage, commutation, oscillation…). Pour une étude plus précise des mécanismes CEM du variateur, nous allons analyser chaque fonction à part en corrélant les perturbations engendrées avec son fonctionnement électrique et sa topologie (dimension, éléments parasites, mailles…). Dans ce paragraphe, nous allons déterminer l‟origine électronique des deux sources principales que nous avons identifiées: le convertisseur Flyback et l‟onduleur. Ensuite, nous analyserons leur comportement en rayonné et les modéliserons par des schémas équivalents représentant le fonctionnement électrique et incluant les éléments parasites. Dans le cadre d‟une étude au premier ordre, nous considérons les inductances et les résistances du circuit imprimé comme négligeables devant celles des éléments principaux que nous avons cités auparavant.