Etude de la gêne acoustique associée au bruit dans les convertisseurs statiques exploités dans le domaine ferroviaire

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1 Etude de la gêne acoustique associée au bruit dans les convertisseurs statiques exploités dans le domaine ferroviaire Anthony Leroy (ULB) Comité scientifique: Marc Bekemans (Alstom) Johnny Bou Saada (Alstom) Pierre Mathys (ULB)

2 Convertisseur statique (CVS) auxiliaire 3000V DC 220V 50Hz 2

3 Influence de la stratégie de commande du convertisseur sur la gêne acoustique 3

4 Influence de la stratégie de commande du convertisseur sur la gêne acoustique Temps Temps 3

5 Influence de la stratégie de commande du convertisseur sur la gêne acoustique Temps Temps Temps Fréquence 3

6 Contenu harmonique du courant Temps Fréquence 4

10 Différentes stratégies de commande ont été proposées dans la littérature en vue de réduire le bruit Action sur la position d impulsion RPP (Random Pulse Position) : ZVM (action sur la durée des états 000 et 111 des inverseurs) RZD (Random Zero vector Distribution): largeur d impulsion variable RCD (Random Center Displacement): déplacement du centre de l impulsion Action sur la fréquence de commutation RSF (Random Switching Frequency): modulation de la fréquence de commutation de manière aléatoire entre Fmin et Fmax SMPWM: modulation sinusoidale de la fréquence de porteuse 5

11 Etude de la gêne associée aux bruits dans les selfs et transfos des CVS BUT: Identifier des stratégies de commande MLI efficaces du point de vue gêne acoustique MOYENS: 1. Modéliser le comportement magnéto acoustique des selfs 2. Disposer d un outil de mesure de la gêne acoustique 3. Confronter différentes stratégies MLI 6

12 Plan de l exposé Comment prédire le bruit émis par un convertisseur statique? Comment quantifier la gêne acoustique? 7

14 Constituer un modèle électro-acoustique comportemental Commande MLI Modèle Electro-acoustique pression acoustique (db) métriques psychoacoustiques 9

15 Modèle électroacoustique comportemental PWM cmd V(t) I(t) H(t) λ(t) pression acoustique 10

16 Modèle électroacoustique comportemental PWM cmd V(t) I(t) H(t) λ(t) db sonie acuité modèle magnéto-mécanique 11

17 Modèle magnéto-mécanique (travaux de UGent, KUL, VUB) Les déformations à l origine des bruits sont dues à deux phénomènes: Forces Magnétiques: phénomène à longue distance, indépendant de la structure interne du matériau F = F(B 2 ) 12

18 Modèle magnéto-mécanique (travaux de UGent, KUL, VUB) Les déformations à l origine des bruits sont dues à deux phénomènes: Forces Magnétiques: phénomène à longue distance, indépendant de la structure interne du matériau F = F(B 2 ) Magnétostriction: phénomène local résultant des interactions atomiques à l'intérieur du matériau 12

19 ue correspond au nombre d atomes Magnétostriction: dépendance en fonction du matériau nes rficielle, les phét extérieur, sans gue, comme en on d un champ ne modification, où la variation n matériau promatériau soit ou e. Variation relative de longueur $ / (en 10 6 ) Co 60 Fe 40 Ni 36 Fe 64 Co 70 Ni 30 s important. Il a n barreau ferromp magnétique. ppliqué H a sont ction linéaire du ns une direction. agnétiques, $ e H a. Mais pour ne de ; c est es conditions de [Harteman07] Champ magnétique appliqué H a (ka/m) $ Figure 1 Effet Joule longitudinal de quelques métaux et alliages métalliques en fonction du champ magnétique appliqué H Fe Co Ni 13

20 Effets de la magnétostriction Force Magnétique (sens invariable) Magnétostriction positive Magnétostriction négative 14

21 Déformations d une self sous l effet de la magnétostriction (Hilgert 05) Forces magnétiques 15

22 Courbe papillon Deux hystérèses en cascade: - hystérèse B(H) - hystérèse B(lambda) [Harteman07] saturation émergence de fréquences supplémentaires 16

23 Magnétostriction: effet de la fréquence [Hilgert07] 17

24 Modélisation de la magnétostriction Le processus magnéto-mécanique peut-être modélisé par une simple fonction quadratique suivie d un déphasage de 0 à 90 x = cos t y = cos (2t + φ) 18

25 Modélisation de la magnétostriction Le processus magnéto-mécanique peut-être modélisé par une simple fonction quadratique suivie d un déphasage de 0 à 90 x = cos t y = cos (2t + φ) 18

26 Modèle comportemental d une self triphasée IR K wo P+wo + K2 + P+wo P acoustique wo IS K wo P+wo k3 P + + K2 wo P+wo IT K wo P+wo 19

27 Le modèle prévoit une modulation AM 100% Excitation de la self: ripple considéré comme sinusoïdal Modulation AM 100% de la porteuse 20

28 Le modèle prévoit une modulation AM 100% fm fp sin(fm) + A sin (fp) 2 fm (sin(fm) + A sin (fp)) 2 fp-fm fp+fm 2fp Plus de fréquence de porteuse: modulation 100% 21

29 Essai de validation du modèle sur un coffre CVS (Alstom Charleroi) Coffre CVS MLI 7 angles En charge 400 kva Set-up expérimental Carte d acquisition Data Translation DT9837 Microphone Larson Davis 2541 Boucles de Rogowski sur chacune des branches du primaire du transfo ( ) But Exploiter les courants mesurés comme excitation du modèle et ainsi comparer les bruits prédits et mesurés 22

30 Essai coffre CVS : spectre des courants mesurés Modulation MLI angles calculés - 750Hz Harmoniques éliminées jusque M23 (harmonique 1150Hz) 50Hz 1150Hz 23

31 Mesures du bruit sur le coffre CVS Essai coffre CVS en charge (400 kva) Transfo à self intégrée Transfo + Ventilateur 24

32 Mesures du bruit sur le coffre CVS Essai coffre CVS en charge (400 kva) Transfo à self intégrée Transfo + Ventilateur 24

33 Modulation AM présente dans le bruit mesuré Modulation AM proche de 50 Hz 25

34 Spectre du bruit mesuré sur coffre CVS 1200Hz 100Hz 1100Hz 1150Hz 2300 Hz 26

35 Confrontation des résultats obtenus à l aide du modèle et mesures sur coffre CVS Excitation du modèle à l aide des courants tri-phasés mesurés 1100Hz 1200Hz 100Hz 2300 Hz 1150Hz 27

36 Mesures sur une self DC: le 400 Hz résulte de la présence du DC et du rapport cyclique 0.5 Courant Acoustique DC DC 400Hz 800Hz 1200Hz 1600Hz 400Hz 800Hz 1200Hz 1600Hz 28

37 Le 400Hz disparait lorsque DC et 800Hz sont absents (rapport cyclique = 0.5) 400Hz Courant DC Acoustique 800Hz 1200Hz 1600Hz 2400Hz 29

38 Le modèle offre de bons résultats mais... Nécessité d intégrer la fonction de transfert mécanique Nécessité de calibrer le modèle à l aide de données empiriques 30

40 Effets psycho-acoustiques Stimulus Sensation 32

41 Quels paramètres caractérisent la gêne psychoacoustique? L intensité sonore Le contenu haute-fréquence du son Les effets de modulation 33

43 Métrique classique de l intensité sonore Le db SPL (Sound Pressure Level) mesure le niveau physique du signal acoustique: SPL (db) = 20 log (P/Pref) 35

44 Métrique classique de l intensité sonore Le db SPL (Sound Pressure Level) mesure le niveau physique du signal acoustique: SPL (db) = 20 log (P/Pref) Pondération en fonction de la sensibilité auditive: - uniquement pour sons purs - pour un niveau d intensité donné 35

45 Métrique plus fidèle à la réalité: la sonie La sonie tient compte des effets de masquage fréquentiel 36

48 Métrique plus fidèle à la réalité: la sonie La sonie tient compte des effets de masquage fréquentiel - Echelle linéaire - Valable pour les sons complexes - Calcul normalisé pour les sons stationnaires (ISO532B et DIN 45631) - Précision (son pur 1kHz): 2% 36

50 Mesure du contenu haute-fréquence: A intensité perçue égale, la sensation de désagrément est plus forte pour les sons aigus. l acuité g(z) [Zwicker] 38

51 Mesure du contenu haute-fréquence: A intensité perçue égale, la sensation de désagrément est plus forte pour les sons aigus. l acuité g(z) [Zwicker] 38

53 Les effets de modulation: Fluctuation de sonie (vacil) et Rugosité (asper) Sensation provoquée par une modulation d amplitude < 20 Hz: fluctuation de sonie entre 15 et 150Hz: rugosité > 150Hz: perception de deux sons séparés [Zwicker] Le maximum de rugosité pour un son pur à 1kHz modulé 100% AM est atteint à 70Hz 40

56 Outil d analyse psychoacoustique des stratégies MLI 41

57 Conclusions Originalité de cette étude: Tentative de compréhension globale de la génération de bruit acoustique d origine électrique Etude de l efficacité acoustique des stratégies de commande MLI à l aulne de la psycho-acoustique 42

58 Perspectives - Essais complémentaires sur coffres CVS Alstom - Soumettre au modèle différentes stratégies MLI pour établir un classement - Tester ces stratégies sur banc d essai 43

59 Merci! 44