Application académique

La généralisation de l‟utilisation des convertisseurs statiques d‟énergie électrique dans des systèmes très divers (robotique, automobile, aéronautique, etc..) est due à la souplesse d‟usage et à l‟amélioration des rendements qu‟ils permettent. Cependant, leur principe de fonctionnement, basé sur la commutation rapide des grandeurs électriques est intrinsèquement très polluant sur le plan électromagnétique. Ainsi, ces convertisseurs créent des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées importantes, imposées inévitablement aux systèmes voisins, parfois allant jusqu‟à perturber leur propre fonctionnement. Ce problème a incité plusieurs laboratoires à étudier et quantifier ces phénomènes de génération de parasites dans le mode conduit et rayonné [LIU-90], [REVOL-03], [PUZO-92], [MOEZ-98]. Notre étude concerne plus particulièrement les perturbations rayonnées et plus précisément l‟identification et la modélisation des sources rayonnantes au sein d‟un système d‟électronique de puissance. Au delà de l‟étude de l‟émission et de la susceptibilité des composants du convertisseur, la mesure en zone proche est un bon moyen pour étudier le couplage entre eux, et observer comment les lignes de champ magnétiques émises par deux sources voisines interagissent entre elles. Enfin, l‟évaluation de l‟émission rayonnée a permis d‟aborder la question du placement optimal des composants et la réduction des perturbations électromagnétiques soit en agissant sur les grandeurs électriques et topologiques dans les convertisseurs étudiés, soit en introduisant des modifications mécaniques permettant d‟exploiter le plan de masse pour blinder le rayonnement magnétique des composants perturbateurs.

Dans le but de caractériser les améliorations apportées au banc de mesure en champ proche initialement réalisé par E. Béreau [BEREAU-06] nous allons reprendre le hacheur qui avait été initialement utilisé comme moyen de validation pour exposer les améliorations apportées. Les mesures en champ proche sont réalisées en vue de déterminer des boucles de courant rayonnantes dans le système étudié puis en donner une représentation équivalente. L‟étude en champ proche de ce dispositif va nous permettre d‟évaluer et de quantifier avec précision les perturbations engendrées par les variations de courant dI/dt de la maille de commutation en basse et en haute fréquence, ainsi que la modélisation par une source équivalente facile à étudier comme le dipôle magnétique. La proportionnalité linéaire existante entre le champ magnétique H et le courant circulant dans les principales mailles permet d‟extraire les paramètres nécessaires des dipôles magnétiques équivalents. puissance Nous pourrons déterminer les modes de rayonnement en champ magnétique H proche selon le mode de liaison du convertisseur à la terre et des connexions à la source et à la charge. La définition d‟un modèle équivalent nous permet de prédire le rayonnement de la source dans son environnement proche et par conséquent d‟optimiser le placement de la source perturbante durant la phase de conception. Au-delà de la validation qui suit sur un cas simple, cette approche sera appliquée à un dispositif plus complexe dans le chapitre III tel un variateur électronique de vitesse. Cette structure est beaucoup plus complexe, l‟étude de ses perturbations électromagnétiques s‟avère être une démarche délicate. De ce fait nous allons décomposer le dispositif en plusieurs sous systèmes représentants les sources principales dont chacune va être étudiée et modélisée séparément selon la méthodologie détaillée dans le paragraphe suivant.

Il est nécessaire de définir une méthodologie générique que l‟on puisse appliquer à tout type de système électrique et que tout ingénieur CEM pourra suivre dans sa démarche de caractérisation du comportement électromagnétique du produit qu‟il étudie. Pour les deux applications que nous allons développer dans ce chapitre, la méthodologie suivie pour étudier le comportement électromagnétique des systèmes d‟électronique de puissance est strictement identique et établie selon les étapes représentées dans le diagramme suivant : L‟objectif principal de ce travail est de cerner le comportement électromagnétique des sources potentielles en mode rayonné proche en identifiant les fréquences auxquelles le système est susceptible d‟émettre un fort champ magnétique et de corréler ce rayonnement avec le fonctionnement électrique du convertisseur, ce qui permettra de déterminer son origine exacte et le réduire. Les cartographies 2D du rayonnement magnétique permettent de nous indiquer les boucles potentielles de courant ainsi que la nature du dipôle formé par la source. Le convertisseur statique que nous avons utilisé est un hacheur de Buck. Son schéma électrique est donné à la Figure 34 en indiquant en gras ces composants. Le condensateur d‟entrée Ce forme avec le transistor de puissance et la diode une cellule de commutation d‟une surface de 8 cm×8 cm. La maquette représentée sur la photographie de la Figure 35 est constituée d‟une carte de commande, d‟un filtre de sortie et de la maille de commutation. Elle est alimentée par une tension de 50 V. La carte de puissance est commandée par un signal rectangulaire d‟amplitude ± 3 V et une fréquence de commutation de 20 kHz. Le filtre de sortie est constitué d‟une capacité de 330 µF et d‟une inductance de 1 mH. Le courant de sortie dans la résistance de charge de 12 Ω est de 2 A pour un rapport cyclique α de 50%.