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UMR 8029 UMR 8029 1 UMR 5005 UMR 5005 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

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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4

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, …

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5

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

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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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UMR UMR 50055005

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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UMR UMR 50055005

Correction des mesures : résultats

50*11

Tmes

ZmesZconnect

ZconnectZmesZ

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UMR UMR 50055005

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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UMR UMR 50055005

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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UMR 8029UMR 8029

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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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UMR 8029UMR 8029

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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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UMR 8029UMR 8029

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UMR UMR 50055005

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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UMR 8029UMR 8029

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UMR UMR 50055005

• 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