Journée e d éd étude 22 mars 2006 Modélisation CEM des électroniques de forte puissance. Ludovic Rucquoy Projet First HE:
Contexte générale. La CEM appliquée aux électroniques de forte puissance! Caractéristiques des produits visés. Topologie de type câblée. Liaison mécanique avec la structure. Caractéristiques CEM. Prépondérance du mode commun Niveau d émission conduite élevé.
Partenaires du projet Partenaire industriel ABB Jumet Activités: des condensateurs de puissance, des batteries automatiques de condensateurs, des régulateurs var-métriques, des compensateurs de puissance réactive ultra-rapides (Dynacomp), des filtres actifs pour la suppression des harmoniques (PQF), des compensateurs de «flicker» (PQC).
Partenaires du projet Partenaire scientifique ULg Service d électricité appliquée Laboratoire de Compatibilité Électromagnétique. Activités: Aide à la conception Aide dans le choix des normes Réalise des tests de précertification et de certification (directive 89/336/CEE et marquage CE)
Le filtre actif Schématique du filtre. P1 P2 P3 L3 l3 Cbus 3mF L2 l2 L1 l1 Cf Rf Filtre HF Réseau
Le filtre actif Principe de fonctionnement
CEM & Mode conduit Mesure du mode conduit Mode commun généré par un convertisseur Statique Mesure de l émission conduite par un réseau de stabilisation d impédance de ligne (LISN)
CEM & Mode conduit Spectre fréquentiel étudié.
CEM & Mode conduit Exemple d émission conduite. En55011,CISPR11. Exigences sur les émissions des équipements industriels, scientifiques et médicaux 150KHz -500 KHz. 79dBµV (Peak) & 66dBµV (Average) 500KHz -30 MHz. 73dBµV (Peak) & 60dBµV (Average)
Analyse CEM & Modélisations Objectifs de la modélisation. Prédire les émissions conduites générées par un filtre. Déterminer et ressentir l influence des différents composants et éléments parasites sur l évaluation des perturbations conduites. Améliorer les topologies des filtres en vue d améliorer les performances CEM.
Analyse CEM & Modélisations Identifications. Source Onduleur Chemin Composants du filtre Câblages Structure Victime LISN
Analyse CEM & Modélisations Source de perturbation. Objectifs. Représentation fréquentielle de la source de perturbation. Tenir compte des éléments parasites de l onduleur. Modèles possibles: Par une transformée de Laplace d un signal trapézoïdale. Par la transformée de Fourier d un signal trapézoïdale. Par une fonction de transfert.
Analyse CEM & Modélisations Transformée de Laplace d un signal trapèze à énergie finie. 200 175.53 20 log E( p i ) 10 6 20 log 2 F 0 Ltrap p i 10 6 ( ) 150 100 50 50 1. 10 3 1. 10 4 1. 10 5 1. 10 6 1. 10 7 1. 10 8 10 3 p i 2 π 1j 3 10 7 Ltrap( p) := A tm p 2 A tm p 2 e tm p A td p 2 e tw+ tm 2 td 2 p + A td p 2 e tw+ tm 2 td + 2 p
Analyse CEM & Modélisation Transformée de Fourier d un signal trapèze. 200 20 log 20 log E( p i ) 10 6 Fs( n) 10 6 150 100 50 0 1. 10 3 1. 10 4 1. 10 5 1. 10 6 1. 10 7 1. 10 8 p i, F 0 n 2 π j Fs( n) := A ( ( )) e 1j sinc tmπ n F 0 1jπ n π n F 0 tm ( ( )) e 1j sinc td π n F 0 π n F 0 ( 2tw+ tm) 1jπ n
Analyse CEM & Modélisations Enveloppe du signal trapèze. 250 F1 F2 200 20 log E( p i ) 10 6 150 E( p) := 2 A tw F P1 P2 0 ( p + P1) ( p + P2) 100 Avec: P1=2/tw et P2=2/tm 50 1.10 3 1.10 4 1.10 5 1.10 6 1.10 7 1.10 8 p i 2 π j
Analyse CEM & Modélisations Quels modèles choisir?
Analyse CEM & Modélisations Modélisation des composants du filtre. Objectifs: Représentation fréquentielle de l impédance des composants du filtre. Modèle tenant compte des éléments de structure. Modélisation de type circuit. Identification du modèle par mesure.
Analyse CEM & Modélisations Identification des modèle HF des éléments du filtre. Composant Mesures Identification Éléments identifiés: Capacité de structure de l onduleur; Selfs, condensateurs, filtre; Câbles.
Analyse CEM & Modélisations Schématique HF d une self monophasée. 1. 10 4 5.214 10 3 9 10 3 30 10 6 1. 10 3 100 IZ11 n G22( w n ) ohm L w n ohm 10 1 0.1 0.038 0.01 100 1.10 3 1.10 4 1.10 5 1.10 6 1.10 7 1.10 8 200 Fr n 2.766 10 7
Analyse CEM & Modélisations Résistance 0.5Ω 1. 10 4 150 10 3 30 10 6 1. 10 3 IZ11 n G11( w n ) ohm 100 10 1 0.1 1. 10 3 1. 10 4 1. 10 5 1. 10 6 1. 10 7 1. 10 8 Fr n
Analyse CEM & Modélisations Autre exemple de self 10000 1,. 10 4 1,. 10 3 IZ11 n G11( w n ) ohm 100, 10, 2.257 1, 1,. 10 3 1,. 10 4 1,. 10 5 1,. 10 6 1,. 10 7 1,. 10 8 9 10 3 Fr n 3 10 7
Simulation Microcap Simulateur Microcap. Simulateur de circuit utilisant le format Spice. Fonction d analyse fréquentielle. Définition simple des sources de perturbation. ( fonction Laplacienne) Utilisation de macro permettant une meilleure lisibilité du circuit. Interface facile et bien adaptée à la simulation fréquentielle
Simulation Microcap Macro Microcap
Simulation Microcap Source perturbatrice. Paramètres d entrée de la source: A : Amplitude du signal, td : flanc montant, tm : flanc descendant, fc : fréquence de commutation, DC : duty cycle, Delay1,2,3 : délai des différentes sorties SW : choix du type de source, Laplace ou enveloppe. Ltrap( p) A A e tm p tw tm td + p tw tm td + + p A 2 2 e A e 2 2 := + E p tm p 2 tm p 2 td p 2 td p 2 ( ):= 2 A tw F P1 P2 0 ( p + P1) ( p + P2)
Schématique du filtre simulé. Simulation Microcap
Filtre simulé. Simulation Microcap
Conclusions Il est possible, à partir d une représentation de type circuit, d identifier le comportement HF de composants de manière très précise. L analyse fréquentielle et en particulier l utilisation de l enveloppe fréquentielle permet une détermination rapide et efficace de l émission conduite. Ce type de modélisation reste cependant réservé à des systèmes câblés associés à des éléments discrets fixés sur la structure.