Modélisation des perturbations de mode commun dans les systèmes de variation de vitesse destinés à des applications embarquées

Introduction Avion + électrique (source : workshop snecma 29/04/03) Éliminer les natures multiples des sources d’énergies, hydraulique et pneumatique , et leurs canalisations associées en ne conservant que l’électrique Des études sur l’avion plus électriques ont montré des gains de : 10 % en masse 13 % poussée moteur 9 % consommation carburant 15 % fiabilité 10 % coût

Introduction - ETRASTM : HS et Honeywell Développé pour l’Airbus A380 - Objectifs: Simplification de l’installation Réduction de poids et des coûts de maintenance

Introduction Problème de cohabitation: Systèmes de puissance (association convertisseurs – machine) Systèmes bas niveau (télémétrie, communications, signaux, calculateurs, …) Maîtrise de la compatibilité électromagnétique: Complexité: facteurs d’échelle géométriques et fréquentiels, non linéarités, … approche système Spécificités liées au domaine aéronautique: cyclage thermique, vibrations, fiabilité, poids, encombrement, …

Plan de la présentation Description du système étudié Modèle homopolaire des perturbations conduites Formalisme matriciel de la modélisation Méthode d’acquisition des sources de perturbation Identification des paramètres [Z] Expression analytique des courants perturbateurs Validation expérimentale Extensions possibles de la méthode

Perturbations dans les systèmes d’entraînement Rayonnement des boucles Les effets Perturbations dans le réseau d’énergie Dégradation des roulements, des isolants, … Objectifs Calcul des courants de MC dans un système complexe Dimensionnement optimal des contre mesures CEM en mode conduit Répartition des contraintes CEM sur les constituants Dimensionnement des solutions en mode rayonné Aspect normatif

Description du système expérimental

Modèle homopolaire du système L’onduleur triphasé associé au redresseur génère un courant de mode commun qui se propage à tous les dispositifs connectés (câble, moteurs, charge, etc.) Le courant de mode commun dépend de : Tensions de bras Vat, Vbt, Vct Tensions V1, V2, V3 Impédances de propagation en mode commun dans le variateur, vers la charge et dans celle-ci, vers le réseau Système homopolaire ou de mode commun Représentation unifilaire

Formalisme matriciel Dans la représentation unifilaire, chaque élément est représenté par sa matrice[Z] ou [T] : bien adapté à la représentation fréquentielle Câble, moteur, réseau …  caractérisation dans ce formalisme Par expérimentation directe (réalisé ici) Par simulation (MTL, FEM, etc..)  problème de modèles Ajout de la source de tension de mode commun doit être caractérisée Logiciel de calcul Matlab

Vmc={ inf(V1, V2, V3)+ [fm1(t)+fm2(t)+fm3(t)].E }/3 Tension de mode commun Nécessité de caractériser la source équivalente de mode commun Approche temporelle Effet du redresseur Vmc Relevés expérimentaux Spectre de Vmc ( dBµV) 120 110 100 90 80 70 Angle de conduction de diode Approche fréquentielle 60 50 40 30 Vmc={ inf(V1, V2, V3)+ [fm1(t)+fm2(t)+fm3(t)].E }/3 20 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Fréquence ( Hz)

Modèle équivalent de l’onduleur Schéma équivalent monophasé avec termes de couplage Iabs Zd Vat Vbt Vct Masse L’onduleur est représenté par 2 types de sources - de courant pour le mode différentiel - de tension pour le mode commun (3 sources : bras triphasés) Restriction au seul mode commun

Couplages capacitifs parasites Nécessité de caractériser tous les couplages parasites de mode commun dans le système Effets capacitifs dans l’IPM Effets diélectriques et inductifs dans le câble Capacités réparties dans les encoches, rotor/stator, inter-enroulements

Formalisme matriciel Simplifications V1 V2 Simplifications Système passif : Système symétrique : Coefficients de la matrice d’impédance Coefficients de la matrice de transfert

Méthode d’acquisition des sources Dispositif de caractérisation fréquentiel Nécessité d’une grande dynamique (~100dB) pour le calcul Amélioration du rapport signal/bruit au niveau de l’analyseur de spectre Correction de bruit Calibration de chaque élément Sonde différentielle en fréquence Adaptation d’impédance avec l’analyseur de spectre Réseau résistif : kR= 0,952 Facteur de sonde : ks=5 10-3

Acquisition des termes parasites du variateur Rappel du modèle Principe de la mesure en statique Mesures effectuées entre 2kHz et 15MHz  Comportement capacitif sur toute la gamme Analyseur d’impédance Les trois sorties des cellules d’onduleur sont court-circuitées (hors tension) Mesure de l’impédance vis-à-vis de la terre

Identification des paramètres du câble Analyseur de réseau Mesure de Z11 : G  et  T  et  R    Mesure de Z12 : G  et  R  Mesure de Z21 : G  et  T  et  Mesure de Z22 : G  et  Principe de mesure Utilisation d’un analyseur de réseau pour évaluer le rapport Z=U/I : méthode gain/phase Utilisation d’une sonde de courant (rapport 1) Mesure entre 2kHz et 40MHz Corrections de mesure et de connectique

Boîtier de mesure des paramètres du câble Méthode gain-phase nécessaire pour Z12 Mesure de 2kHz à 40MHz Structure figée : reproductibilité des mesures adaptation sur l’analyseur gain-phase Boîtier blindé : immunité aux perturbations extérieurs Câblage coaxial : immunité au couplage entre la source et la mesure Interrupteur : passage de la mesure de Z11 à Z12 Étage gain-phase de l’analyseur de spectre :

Corrections de mesure : calibration Fonction de transfert de la sonde et du circuit de mesure de courant Impédance de connexion de l’étage de mesure de la tension Mesure en court-circuit Mesure à vide Corrections de mesure Correction de mesure de la sonde (surtout en phase) Correction de la connectique : le câble coaxial est considéré comme essentiellement capacitif sur la plage de mesure Correction de connectique indispensable sur l’évaluation de Z12 Fonction de correction

Correction des mesures : résultats

Modèle circuit possible mais peu précis Modèle du moteur Mesures moteur : même procédé (et corrections) que pour le câble Modèle circuit possible mais peu précis Z11m Z12m

Association de quadripôles : câble+moteur Paramètre Z Paramètre T Association v N Z câble moteur i mcr Erreur en HF - Erreur de métrologie - Transfert de mode MD-MC

Transfert de mode Dispositif de mesure des dissymétries à l’origine des transferts de mode Fonctions de couplage MDMC, câble blindé 4 conducteurs de 4mm², longueur : 5m, fonction de la charge d’extrémité !! Apparition de transfert entre le mode commun et le mode différentiel à partir de 4 MHz. Confirmation d’erreur possibles si le terme de mode différentiel (source) est significatif en HF

Expressions analytique des courants parasites Expressions des grandeurs Rappel du modèle Courant de mode commun total Courant de mode commun dans le câble Courant de mode commun dans le moteur

Validation expérimentale Correction quadratique du bruit

Validation expérimentale

Validation expérimentale Courant redresseur 120 Calcul Mesure 100 Bruit A m 80 Module en dB 60 40 20 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 Fréquence en Hertz

Conclusion Protocoles de mesure affinés (bande passante des capteurs, bruit de mesure et rapport signal/bruit) Mise en évidence de problèmes de transfert de mode potentiels Mesures de Z11 et Z12 validées jusqu’à 40MHz Modèle confirmé jusqu’à 10 MHz, la limitation est due au bruit nécessité d’améliorer le rapport S/B du banc de mesure (analyseur => récepteur CEM) Études paramétriques (variation des impédances …) Dimensionnement de filtres (en tenant compte des impédances réelles) Augmentation de la validité fréquentielle du modèle (100 MHz)