LE FILTRAGE Jacques Cuvillier IUT de Nantes Octobre 2000

perturbations conduites, Le filtrage en CEM Il intervient à l’encontre des perturbations conduites, c’est à dire celles qui se propagent par les câbles entre appareils, en particulier ceux qui concernent le réseau d’alimentation électrique

Nature des perturbations Une perturbation est une variation intempestive d’énergie dans un circuit. Elle peut être le fait : d’un apport d’énergie d’un prélèvement d’énergie d’une suite de prélèvements-restitutions

Caractéristiques des perturbations Elles se distinguent : Par leur niveau d’énergie et son évolution dans le temps Par leur domaine de fréquence Par la manière dont elles interviennent dans le réseau

Niveau d ’énergie à considérer pour le filtrage C’est l’énergie que le filtre doit pouvoir stocker temporairement avant de la restituer : Intégrale de l’énergie sur la durée d’une impulsion considérée individuellement Intégrale de l’énergie sur une alternance pour un signal périodique.

Exemple de perturbation (1) W t Décharge électrostatique C’est un apport d’énergie non périodique (transitoire) durée très brève (des nanosecondes) niveau d’énergie élevé (des millijoules)

Exemple de perturbation (2) W influence d’un radiotéléphone C’est un apport d’énergie périodique durée à considérer comme permanente niveau d’énergie faible (intégré sur une demi-période du signal)

Exemple de perturbation (3) Effet d’une commutation sur le réseau C’est une variation d’énergie temporairement périodique spectre souvent situé dans le domaine des radiofréquences niveau d’énergie pouvant être élevé ( intégré sur une demi-période du signal d ’oscillation) W

Exemple de perturbation (4) Présence de courants harmoniques domaine des basses fréquences essentiellement niveau d’énergie pouvant être élevé Provoque une détérioration du facteur de puissance ATTENTION : le cosinus f n’est que l’un des aspects du facteur de puissance !

Caractéristiques des filtres : Elles découlent de ce qui précède : Leur capacité à stocker ou à absorber de l’énergie Leur domaine de fréquence La manière dont ils s’insèrent dans le circuit des perturbations

Stockage de l’énergie : Dans le diélectrique des condensateurs Dans le circuit magnétique des inductances dans l’entrefer (inductances à entrefer) dans le matériau magnétique (inductance sans entrefer)

Energie dans un entrefer : Cette formule donne l’énergie maximum qui peut être stockée avec : Bmax l’induction maximum dans le circuit magnétique V le volume de l ’entrefer

Energie dans le circuit magnétique : V est le volume du matériau utilisé mr est sa perméabilité relative ; 200 à 6000 pour de la ferrite 5000 pour des tôles d ’acier au silicium jusqu’à 140 000 pour de l ’acier au nickel -> La capacité de stockage du matériau est souvent très inférieure à celle de l’entrefer.

Domaines de fréquence : Le filtrage de basse fréquence Harmoniques secteur de 50 à 2000 Hz Perturbations permanentes par conduction de 0 à 150 KHz

Domaines de fréquence : Le filtrage des radiofréquences et des hautes fréquences Filtrage des perturbations conduites de 150 KHz à 30 MHz Rétention des signaux de haute fréquence de 30MHz à qq GHz

Filtrage des perturbations conduites Nous nous concentrerons sur les filtres qui interviennent sur le réseau d’alimentation électrique pour : Préserver l’appareil des perturbations venant du réseau d’alimentation Eviter que les perturbations générées par l’appareil ne se propagent sur le réseau

Distinguons deux modes Perturbation en mode différentiel Perturbation en mode commun

Incidence sur les dysfonctionnements On estime que 90% des dysfonctionnements provoqués par des perturbations conduites sont le fait de courants de mode commun

Perturbations en mode commun Courant de mode commun vrai Courant de mode commun filaire Fil de terre Fil de terre Elles peuvent être vues de deux manières

Avec connexion équipotentielle Courant de mode commun devenu filaire Altération de l’equipotentielle Fil de terre Fil de terre On retrouve un courant de mode commun filaire

Dispositif de filtrage le plus simple

Inconvénients Traitement non spécifique des différents modes de perturbation Encombrement non optimum Risque de saturation des noyaux magnétiques

Filtrages spécifiques Ils interviennent : Soit vis à vis du mode commun Soit vis à vis du mode différentiel

Filtrage en mode commun Le flux magnétique est dû au courant de mode commun Le courant différentiel ne provoque pas de flux

Filtrage en mode différentiel Le courant différentiel instantané parcourant les fils en sens contraires renforce le flux magnétique Le courant de mode commun ne provoque pas de flux

Structures des filtres

Courbes caractéristiques : Les filtres secteur sont caractérisés en mode commun et en mode différentiel avec 3 configurations d’impédances : 10 W en entrée, 100 W à la sortie 50 W en entrée, 50 W à la sortie 100 W en entrée, 10 W à la sortie On compte donc 6 courbes caractéristiques

Les condensateurs Exigence technologique - faible ESR Exigence de sécurité pour les Cy Protection contre les surtensions souhaitable (utilisation d’écrêteurs)

Filtrage de basse fréquence Destiné à améliorer la forme d’onde du courant dans le réseau traitement de fréquences déterminées forte énergie à stocker et a restituer On peut utiliser des filtres L-C classiques (faible puissance) des filtres en mode résonnant des filtres actifs (de plus en plus souvent)

Les filtres BF classiques On utilise par exemple des inductances à fer couplées en mode différentiel Charge génératrice de courants harmoniques Attention : aux inductances de valeurs élevées en série dans un circuit pouvant être brutalement ouvert (risque de surtension grave) d ’où la nécessité de condensateurs de valeurs suffisantes.

Les filtres en mode résonant Ils existent le plus souvent sous forme de shunts résonants de plusieurs KVAR dans les installations. Ils sont le plus souvent utilisés pour combattre les harmoniques de rang 5 et 7 Ils doivent pouvoir stocker plusieurs dizaines de fois l’énergie maximum d’une alternance de l’harmonique à filtrer Il peut être judicieux de les amortir (rang 7..) Ils sont assez lourds et encombrants.

Les filtres actifs en CEM Ils sont constitués de systèmes électroniques à découpage associés à des circuits de calcul pour prélever et réinjecter sur le réseau un courant dont la forme permet de rétablir une onde de courant globalement sinusoïdale.

Principe des filtres actifs Comparaison des formes d ’onde Injection de courant réactif Référence sinusoïdale Charge polluante Prélèvement des signaux de tension et de courant

Principe des filtres actifs Courant dans la charge t Courant injecté par le filtre actif t Courant dans le réseau d ’alimentation t Correction de la forme d ’onde par addition des courants

Note sur les filtres actifs L’étude détaillée des filtres actifs sort du cadre de ce cours. Notons cependant ceci : Le problème de la stabilité dynamique se pose pour ces équipements comme pour tout autre système automatique asservi. Il faut donc veiller à la stabilité de leur comportement, notamment lorsqu’ils sont plusieurs à intervenir sur un même réseau.

Filtrage en radiofréquences Il met en œuvre : des filtres radiofréquences des inductances de choc additionnelles réalisées avec de la ferrite (si nécessaire)

Les filtres radiofréquences Ils permettent le filtrage des perturbations conduites de 150 KHz à 30 MHz à condition : qu’ils soient disposés judicieusement, que leur boîtier soit mis à la masse par les brides de fixation, que les câbles d ’entrée et de sortie soient bien séparés.

Les inductances de choc

Principe Champ magnétique instantané Courant instantané Elles permettent la rétention des signaux de haute fréquence 30MHz à qq GHz

Comportement en fréquence 10K 100K 1M 10M 100M 1G Hz 1 10 100 1000 10000 Impédance (W)

Observations 10K 100K 1M 10M 100M 1G Hz 1 10 100 1000 10000 Impédance (W) Sur la partie gauche : C’est une inductance pure : son impédance croît avec la fréquence Sur la partie droite : c’est un circuit L-R : la ferrite absorbe de l ’énergie - en particulier du fait des pertes par hystérésis. Mais son impédance s’effondre aux environs du GHz.

Le stockage d ’énergie est limité La qualité du filtrage est fondé sur la capacité de stocker de l’énergie donc : sur la qualité de la ferrite, sur son volume V On n ’excède pas 5 à 50 microjoules par cm3 selon les matériaux utilisés (et ce chiffre «optimiste» suppose une répartition uniforme du champ).