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UMR 8029UMR 8029
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UMR UMR 50055005
Modélisation des perturbations de mode commun dans les systèmes de variation de vitesse destinés à des applications
embarquées
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UMR UMR 50055005
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
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UMR UMR 50055005
Introduction- ETRASTM :
HS et HoneywellDéveloppé pour l’Airbus A380
- Objectifs: Simplification de l’installationRéduction de poids et des coûts de maintenance
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UMR UMR 50055005
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, …
UMR 8029UMR 8029
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UMR UMR 50055005
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
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UMR UMR 50055005Perturbations dans les systèmes
d’entraînement
• 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
Les effets
Objectifs
Rayonnement des boucles
Dégradation des roulements, des isolants, …
Perturbations dans le réseau d’énergie
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UMR UMR 50055005
Description du système expérimental
UMR 8029UMR 8029
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UMR UMR 50055005
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 réseauSystème homopolaire ou de mode
communReprésentation unifilaire
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UMR UMR 50055005
Formalisme matriciel
vN
Zcâble Zmoteur
imc vmc
imcv
Zmcv
imcc imcr iN
ZRSIL
vmcc vmcr
Ro/2 2Co
Variateur
RSIL
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
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UMR UMR 50055005
Tension de mode commun
Vmc
Angle de conduction de diode
10120
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120Spectre de Vmc (dBµV)
Fréquence ( Hz)
Nécessité de caractériser la source équivalente de mode commun
Approche fréquentielle
Approche temporelle
Relevés expérimentaux
102
103
104
105
106
107Vmc={ inf(V1, V2, V3)+ [fm1(t)+fm2(t)+fm3(t)].E }/3
Effet du redresseur
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Vmc Zmcv
Schéma équivalent monophasé avec termes de couplage
Modèle équivalent de l’onduleur
Masse
Zd
Iabs
Vat Vbt Vct
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
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UMR UMR 50055005
Couplages capacitifs parasites
Nécessité de caractériser tous les couplages parasites de mode commun dans le système
Ecran électrostatique
enterré 0
Capacité parasite
Semi-conducteurs
Isolant
Effets capacitifs dans l’IPM
Blingage
Phase
Cphase
Cblindage
Cblindage
Effets diélectriques et inductifs dans le câble
Capacités réparties dans les encoches, rotor/stator, inter-enroulements
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UMR UMR 50055005
Coefficients de la matrice de transfert
01
12211
2
II
VZZ
01
21221
2
II
VZZ
Coefficients de la matrice d’impédance
2
1
2221
1211
2
1 .I
I
ZZ
ZZ
V
V
21
1111 Z
ZT 12
21
221112 Z
Z
ZZT
21
2222 Z
ZT
2121
1
ZT
Simplifications
• Système passif :
• Système symétrique :2211 ZZ
1221 ZZ
I1 I2
V1V2
Formalisme matriciel
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UMR UMR 50055005
Méthode d’acquisition des sources
Nécessité d’une grande dynamique (~100dB) pour le calcul
- Amélioration du rapport signal/bruit au niveau de l’analyseur de spectre
- Correction de bruit
22)( bruitmcmc VVhV
Réseau résistif : kR= 0,952Facteur de sonde : ks=5 10-3
Dispositif de caractérisation
fréquentiel
Calibration de chaque élément
- Sonde différentielle en fréquence
- Adaptation d’impédance avec
l’analyseur de spectre 104
106
108
40
60
80
100
120
140
160
Frequency (Hz)
Mag
nitu
de (
dB V
)
CM Voltage generated by the inverter
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UMR UMR 50055005Acquisition des termes parasites du
variateur
HP4194A
L P
L C
H C
H P
Variateur Sorties Entrées
nF47,1Z.f.2
1C
Principe de la mesure en statique
Analyseur d’impédance
Rappel du modèle
Les trois sorties des cellules d’onduleur sont court-circuitées (hors tension)
Mesure de l’impédance vis-à-vis de la terre
Mesures effectuées entre 2kHz et 15MHz
Comportement capacitif sur toute la gamme
nFC 47,1
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UMR UMR 50055005
Identification des paramètres du câble
Câble [Zc] V1 V2
I1 I2
2
1
2221
1211
2
1
i
i
ZZ
ZZ
v
v
cc
cc
Sonde de courant
G : signal : Tension injectée R : entrée ref : Courant mesuré T : entrée test : tension mesurée
Voie T
Sonde de courant
G : signal : Tension injectée R : entrée ref : Courant mesuré T : entrée test : tension mesurée
Voie T Zconnec
HP4194A
L P
L C
H C
H P
G R T
Mesure de Z11 : G et
T et R
Mesure de Z12 : G et T et R Mesure de Z21 : G et
T et R
Mesure de Z22 : G et T et R
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
Analyseur de réseau
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UMR UMR 50055005
• Boîtier blindé : immunité aux perturbations extérieurs
• Câblage coaxial : immunité au couplage entre la source et la mesure
• Structure figée : reproductibilité des mesuresadaptation sur l’analyseur gain-phase
• Interrupteur : passage de la mesure de Z11 à Z12
Étage gain-phase de l’analyseur de spectre :R
T
V
V
Méthode gain-phase nécessaire pour Z12Mesure de 2kHz à 40MHz
Boîtier de mesure des paramètres du câble
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UMR UMR 50055005
Fonction de transfert de la sonde et du circuit de mesure de courant
• Mesure en court-circuit
)(
50
pTsV
VTmes
R
T
Impédance de connexion de l’étage de mesure de la tension
• Mesure à vide
ZconnectV
V
R
T
Corrections de mesure : calibration
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
50*11
Tmes
ZmesZconnect
ZconnectZmesZ
Fonction de correction
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Correction des mesures : résultats
50*11
Tmes
ZmesZconnect
ZconnectZmesZ
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Modèle du moteur
Moteur [Zm] V1 V2
I1 I2
2
1
2221
1211
2
1
i
i
ZZ
ZZ
v
v
mm
mm
moteur
Z11m Z12m
Mesures moteur : même procédé (et corrections) que pour le câble
Modèle circuit possible mais peu
précis
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Paramètre Z Paramètre T Association Paramètre Z
104
105
106
107
100
101
102
103
104
105
Mod
ule
en
Z11 cable moteur + moteur
MesureCalcul
104
105
106
107
-150
-100
-50
0
50
100
150
Pha
se e
n de
grés
104
105
106
107
10-1
100
101
102
103
104
105
Mod
ule
en
Z12 cable moteur + moteur
MesureCalcul
104
105
106
107
-150
-100
-50
0
50
100
150
Fréquence en Hertz
Pha
se e
n de
grés
Erreur en HF
- Erreur de métrologie- Transfert de mode MD-MC
Association de quadripôles : câble+moteur
vN
Zcâble Zmoteur
imcr iN
vmcr
cr
ccceq zz
zzzz
2211
211211
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UMR UMR 50055005
Output load
DUT
Icm
Idm
ground
Tracking generator
Current probe CT2 Tektronix
Current probe CT2 Tektronix
!! Apparition de transfert entre le mode commun et le mode différentiel à partir de 4 MHz.
Transfert de mode
Dispositif de mesure des dissymétries à l’origine des
transferts de mode
Fonctions de couplage MDMC, câble blindé 4 conducteurs de 4mm², longueur : 5m, fonction de la charge d’extrémité
Confirmation d’erreur possibles si le terme de mode différentiel (source) est significatif en HF
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UMR UMR 50055005Expressions analytique des courants
parasites
imc vmc imcv imcc
Zmcv Zeq Zamont
c22r11
c21c12c11mcv
c22r11
c21c12c11mcv
amont
mcvmc
zzzz
zz
zzzz
zz
z
vi
c22r11
c21c12c11mcvamontmcvamont
mcvmcvmcc
zzzz
zzzzz
vzi
c22r11
c21c12c11mcvamontmcvamontc22r21
mcvmcvc21mcr
zzzz
zzzzzzz
vzzi
Rappel du modèle
cr
ccceq zz
zzzz
2211
211211
Expressions des grandeurs
Courant de mode commun total
Courant de mode commun dans le câble
Courant de mode commun dans le moteur
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24
UMR UMR 50055005
Correction quadratique du bruit22
bruitmesure III
104
105
106
107
108
0
20
40
60
80
100
120
Fréquence en Hertz
Mod
ule
en d
B A
Courant du cable moteur
CalculMesureBruit
Validation expérimentale
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25
UMR UMR 50055005
104
105
106
107
108
0
20
40
60
80
100
120Courant du moteur
Fréquence en Hertz
Mo
du
le e
n d
BA
CalculMesureBruit
Validation expérimentale
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26
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Validation expérimentale
104
105
106
107
108
0
20
40
60
80
100
120
Fréquence en Hertz
Mod
ule
en d
B A
Courant redresseur
Calcul
Mesure
Bruit
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• Mesures de Z11 et Z12 validées jusqu’à 40MHz
• 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
• 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)
Conclusion