Etude du filtre CEM et des composants magnétiques

Introduction

Lors de l‟analyse en champ proche effectuée dans le variateur de vitesse, nous avons observé un niveau important de rayonnement à proximité des circuits magnétiques (transformateur, inductance du filtre CEM). Pour comprendre le comportement de ces circuits, nous analysons leur comportement électrique et électromagnétique, puis nous étudions leur susceptibilité par rapport à de potentielles sources voisines.  Dans la première partie de ce chapitre, nous allons analyser les performances du filtre CEM. En vue de décrire ses mécanismes de résonance selon le protocole adopté au chapitre III, nous avons déterminé son impédance et sa fonction de transfert en modes commun et différentiel. Selon le mode d‟excitation, deux modèles seront proposés en intégrant les différents éléments parasites. Ils seront validés en les comparant aux mesures d‟impédance et de fonctions de transfert. Finalement, nous proposons un lien entre le rayonnement magnétique observé à proximité du filtre et son fonctionnement électrique.  Dans la seconde partie de ce chapitre, nous allons étudier la susceptibilité d‟un circuit magnétique. Outre le rayonnement dû au fonctionnement électrique du composant, ce dernier est souvent victime de sources voisines. Pour comprendre sa susceptibilité en fonction de son orientation par rapport aux lignes de champ émises par une source voisine, nous avons réalisé des essais dans une cellule TEM. Pour une meilleure interprétation de ces résultats, nous avons fait appel à des simulations par éléments finis 2D à l‟aide du logiciel FEMM (Finite Element Method Magnetics). Ce type d‟outil nous permet d‟interpréter certains phénomènes observés. II. Etude du filtre CEM II.1. Contexte de l‟étude L‟utilisation d‟un filtre CEM passif dans l‟ATV71 a pour but de réduire les perturbations électromagnétiques conduites générées par les différentes sources étudiées dans le chapitre précédent. Par ailleurs, les effets parasites repartis dans les différents éléments du filtre, et les performances limitées en fréquence des matériaux magnétiques jouent un rôle important sur les performances du filtre. Ainsi, nous allons déterminer sa fonction de transfert et son impédance vue des sources de perturbation dans chaque mode de perturbation (commun/différentiel) pour analyser le comportement fréquentiel du filtre. Nous porterons notre attention plus particulièrement sur l‟inductance de mode commun qui constitue l‟élément principal du filtre et l‟élément rayonnant en champ proche à cause du circuit magnétique. Nous allons présenter un modèle équivalent au premier ordre de ce composant prenant en compte ses éléments parasites et le mode d‟excitation. Tous les  paramètres des modèles seront déterminés expérimentalement à partir de relevés expérimentaux.

Description du filtre

Il s‟agit d‟un filtre en π triphasé passif implanté à l‟entrée du variateur. Il est constitué de six condensateurs Cx de 1µF pour garantir la symétrie des chemins de propagations, et de trois condensateurs Cy de 68 nF. Les condensateurs Cx assurent le filtrage en mode différentiel tandis que les condensateurs Cy permettent de filtrer le mode commun. Leur faible valeur constitue un chemin privilégié de ce dernier permettant ainsi de réduire son impact. La prédominance du mode commun conduit le choix sur une inductance de mode commun (IMC) à trois enroulements. Chaque enroulement est en série entre la phase et le neutre. La self permet une forte augmentation de l‟impédance vue des sources de mode commun constituées par le Fly back et l‟onduleur. Figure 122 : Schéma électrique du filtre CEM du drive ATV71 Les valeurs des composants sont répertoriées dans le Tableau 12. Nous nous intéresserons plus particulièrement à la caractérisation et la modélisation de l‟inductance de mode commun. Matériau Nanocristallin Perméabilité (µr) 2.105 Inductance (L=L1=L2) 0,4 mH Capacité (Cx) 1 µF Capacité(Cy) 68 nF Tableau 12 : Valeurs typiques des composants du filtre L‟inductance L sera modélisée pour les modes commun et différentiel. Pour les capacités Cx et Cy, un modèle série sera proposé. Chapitre IV Etude du filtre CEM et des composants magnétiques 133 Pour des raisons économiques, le constructeur a dimensionné ce filtre pour un réseau triphasé. Cette topologie n‟est pas modifiée lorsque, comme c‟est le cas ici, le filtre est utilisé en monophasé ; une des lignes est laissée ouverte. On verra plus loin comment on peut se ramener à un schéma équivalent monophasé. II.3. Les sources d‟excitation du filtre Le filtre CEM de mode commun est intégré en amont (coté réseau) du variateur. Placé ainsi, il se trouve victime des perturbations générées par toutes les sources du variateur et dans les deux modes de fonctionnement commun et différentiel. La Figure 123 représente le schéma équivalent du filtre CEM à l‟entrée du convertisseur Flyback et de l‟onduleur. Les sources de perturbation en modes commun et différentiel sont représentées par une source de courant en parallèle avec une capacité dans le cas du MD et par une source de tension en série avec une faible impédance dans le cas du MC. Ces sources excitent les éléments parasites intrinsèques du filtre créant ainsi des nouvelles résonances. Figure 123 : positionnement du filtre par rapport au Flyback et à l‟onduleur Le schéma équivalent global de la Figure 123 peut être scindé en deux sous-modèles équivalents : l‟un en mode différentiel et l‟autre en mode commun, cet aspect sera développé dans le paragraphe modélisation du filtre complet (II.7). 

Caractérisation de l‟impédance du filtre

Pour caractériser l‟impédance d‟entrée du filtre, nous avons mis en œuvre deux types d‟essai : un en mode commun et l‟autre en mode différentiel avec le filtre en circuit ouvert et/ou en court-circuit. Les schémas du dispositif de mesure sont illustrés à la Figure 124 où on ne représente que le cas du court-circuit (même procédure pour le circuit ouvert). Chapitre IV Etude du filtre CEM et des composants magnétiques 134 (a) (b) Figure 124 : Schéma du dispositif de mesure de l‟impédance Ze en mode commun (a), en mode différentiel (b), dans le cas filtre en court circuit Les impédances représentées à la figure suivante ont été mesurées soit entre les deux phases pour le mode différentiel (Figure 124), soit entre les deux phases et la terre pour le mode commun. Dans chaque mode, on donne les deux jeux de courbes d‟impédance correspondant aux deux charges (court-circuit, circuit ouvert)