1, ENS de Cachan La compatibilité électromagnétique : C.E.M. Par : Éric Labouré François Costa

2, ENS de Cachan Plan 1.La CEM : introduction et généralités 2.Notions de base : Les sources, les modes de propagation 3.Les normes 4.Métrologie et essais 5.Exemple des perturbations harmoniques sur les réseaux de distribution basse tension 6.Étude de cas et solutions envisagées

3, ENS de Cachan La compatibilité électromagnétique : Introduction et généralités

4, ENS de Cachan 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 Victimes Couplages couplages –conduits et rayonnés –diaphonie –champs à câbles ou à structures Sources de perturbations phénomènes naturels foudre décharges électrostatiques rayonnement cosmiques phénomènes artificiels émetteurs radio et radars appareils industriels traitement de l'information traitement de l'énergie dispositifs d'éclairage effets –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 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 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

9, ENS de Cachan Importance en matière de sûreté Exemples de dysfonctionnement graves dus à la CEM 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 Destruction du croiseur Sheffield par un exocet : le système de contre-mesures était brouillé par les communications satellitaires Les premiers allumages électroniques d’automobile sont perturbés par les talky walky de la police 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

10, ENS de Cachan Notions de bases : Les sources, les modes de propagations

11, 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

12, ENS de Cachan Modes rayonnés Sources de rayonnement 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=377 

13, 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

14, ENS de Cachan Modes de propagation des perturbations Couplage galvanique par impédances communes : très courant par les alimentations et la connectique

15, ENS de Cachan Modes de propagation des perturbations Couplage champ à câble : très courant en interne d ’un convertisseur ou dans des chemins de câbles En mode commun par champ B En mode différentiel par champ B En mode commun par champ E

16, ENS de Cachan Un exemple de perturbation champs à câble Équipement 1 : maquette de TP Équipement 2 : oscilloscope La boucle : fils de terre jaune/vert et tresse de masse de la sonde Solution : -ouvrir la boucle : interdit par raison de sécurité -Placer des inductance de mode commun sur la liaison différentielle entre les équipements

17, 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

18, ENS de Cachan Modes de propagation des perturbations Diaphonie : très courante en interne d ’un convertisseur, perturbation des commandes Effet de champs proches sur un circuit, couplages par mutuelles Diaphonie par mutuelle inductance Diaphonie par mutuelle capacité

19, ENS de Cachan Les normes

20, ENS de Cachan Pourquoi des normes CEM Définir les niveaux d’émission –Conduit –Rayonné Définir les niveaux de susceptibilité –Conduit –Rayonné Garantir le bon fonctionnement des équipements électriques et électroniques 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.

21, ENS de Cachan Quelques exemples de normes Normes fondamentales émission –Perturbations conduites basses fréquences : –NF EN et NF EN : Perturbations produites dans les réseaux d'alimentation ; Partie 2: Harmoniques. –NF EN et NF EN : Perturbations produites dans les réseaux d'alimentation ; Partie 3: Flicker et fluctuations de tension –Perturbations conduites et rayonnées hautes fréquences : –NF EN : Limites et méthodes de mesure des perturbations radio- électriques des appareils industriels, scientifiques et médicaux (ISM). –NF EN : Limites et méthodes de mesure des perturbations radio- électriques des récepteurs de radiodiffusion et appareils associés. –NF EN : Limites et méthodes de mesure des perturbations radio- électriques des appareils électrodomestiques et des outils électriques. –NF EN : Limites et méthodes de mesure des perturbations radio- électriques des lampes à fluorescence et des luminaires. –NF EN : Limites et méthodes de mesure des perturbations radio- électriques des appareils de traitement de l'information (ATI)

22, ENS de Cachan Quelques exemples de normes Normes fondamentales en immunité –NF EN : Immunité aux décharges électrostatiques. –NF EN : Immunité aux rayonnements électromagnétiques. –NF EN : Immunité aux transitoires rapides en salves. –NF EN : Immunité à l'onde de choc (foudre). –NF EN : Immunité à l'injection de courant HF. –NF EN : Immunité au champ magnétique 50 Hz. –NF EN : Immunité aux creux et variations de tension. Remarque : De nombreuses autres normes d'immunité sont à l'étude

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 Dispositions de mesure normatives -essai en cage anéchoïde -Géométrie absolument fixée -Distance : 1, 3, 10 ou 30m Mesures en champs magnétiqueMesures en champs électrique

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) Antenne log-périodique et son facteur d'antenne (200MHz-1GHz) (d'après doc. Electro-Metrics) 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

27, ENS de Cachan Dispositif de mesure en conduit : le RSIL 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 Analyseur de spectre super-hétérodyne Plusieurs modes de détection : -crête, -quasi-crête -valeur moyenne Particularités

29, ENS de Cachan Fréquence Amplitude Mesure en bande large Mesure en bande étroite Spectre du signal perturbateur Bande passante du filtre d'analyse L’analyseur de spectre en CEM Mesures en bande étroite ou large, dépend du système (existante de modulation) et du filtre d ’analyse Filtres recommandés par les normes Relations entre les différents modes d ’analyse

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

32, ENS de Cachan Exemple des perturbations harmoniques sur les réseaux de distribution basse tension

33, ENS de Cachan Caractérisation du contenu harmonique Limites d’émission en courant NF EN

34, ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN Classification des appareils Courant appelé par phase < 16A 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

35, ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN Classification des appareils Classe D

36, ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN Limites de courants harmoniques –Classe A

37, ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN Limites de courants harmoniques –Classe B 1,5x le niveau de la classe A

38, ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN Limites de courants harmoniques –Classe C

39, ENS de Cachan Survol du contenu de la norme NF EN Limites de courants harmoniques –Classe D

40, ENS de Cachan Étude de cas et solutions envisagées

41, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Étude du système pollueur

42, ENS de Cachan Équipement non conforme

43, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Inductance

44, ENS de Cachan Équipement conforme

45, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif

46, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif : principe

47, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif : principe de fonctionnement

48, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif : principe de fonctionnement

49, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif : principe de fonctionnement

50, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif : contrôle

51, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif : contrôle

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

53, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Compensateur actif : exemple

54, ENS de Cachan

55, ENS de Cachan Équipement conforme

56, ENS de Cachan

57, ENS de Cachan Cas d’un variateur de vitesse Filtrage hybride

58, 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

59, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Étude du système pollueur

60, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Fonctionnement des tubes fluorescents

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

63, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Impact du ballast Point stable

64, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Influence de la fréquence

65, 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

66, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Alimentation par ballast électronique Structure

67, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Alimentation par ballast électronique Perturbations harmoniques Classe C Équipement non conforme

68, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Alimentation par ballast électronique Solutions : mise en place d’un PFC

69, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent PFC : principe de fonctionnement

70, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent PFC : principe de fonctionnement

71, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent PFC : choix de la structure

72, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent PFC : principe de régulation

73, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent PFC : bilan de puissance Problème de contrôle

74, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent PFC : structure complète

75, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent PFC : Exemple de structure

76, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent Contrôleur L6561

77, ENS de Cachan Cas de l’éclairage par tube fluorescent

78, ENS de Cachan FIN