TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 2 SOMMAIRE 1 EMISSIVITÉ CONDUITE (PRÉSENTATION)... PAGE 3 2 SUPPORT DE L'ÉTUDE... PAGE 4 3 ORIGINE DES PERTURBATIONS DANS UNE ALIMENTATION À DÉCOUPAGE... PAGE 5 4 DISPOSITIF DE MESURE... PAGE 8 5 PRÉPARATION AVANT MESURES...PAGE 10
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 3 1. Émissivité conduite Énoncé de problème Soient deux appareils électriques raccordés au même réseau de distribution d énergie EDF : APPAREIL ÉLECTRIQUE Victime APPAREIL ÉLECTRIQUE Coupable L appareil électrique coupable génère des perturbations type courant sur ces fils d alimentation qui vont être conduites via le réseau jusqu à l appareil électrique victime. Afin d éviter que les appareils électriques perturbent trop le réseau, donc les autres appareils branchés à celui-ci, des normes d émissivité conduite ont été mises en place. Principe Mesurer l amplitude des courants sur les fils d alimentation des appareils électriques devant être mis sur le marché et comparer leur niveau (amplitude) aux niveaux maximaux définis par des normes spécifiques d émissivité conduite. Pourront être vendus uniquement les appareils respectant ces normes (perturbations inférieures aux niveaux limites de la norme). Les normes Elles se présentent sous la forme d un gabarit. En abscisse sont reportées les fréquences auxquelles doivent être effectuées les mesures et en ordonnée les niveaux de perturbation à ne pas dépasser : Niveau de perturbation à ne pas dépasser Perturbations conduites type courant Norme de référence EN55022 A Remarque : 150 30.10 3 Il existe différentes normes d émissivité conduite. Au concepteur de l appareil de choisir la bonne référence en fonction de l utilisation ultérieure de l appareil (électroménager, informatique ). Sur la norme présentée ci dessus, les seules perturbations à mesurer sont celles dont la fréquence est comprise entre 150 khz et 30 MHz. Au-delà de cette bande de fréquence, les mesures sont inutiles car non soumises à la norme. L unité des niveaux de perturbation à ne pas dépasser est le dbµv (voir page 9). Méthode Fréquence (khz) Mesurer les perturbations à chaque fréquence située dans la bande de fréquence spécifiée par la norme et comparer leur amplitude au gabarit. Il faut être en dessous des valeurs maximales!
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 4 2. Support de l étude L appareil à tester Le support de notre étude (appareil électrique à tester) est l alimentation en énergie d une borne de communication. Cette borne, conçue par la société Unisys, a été particulièrement développée pour les applications bancaires liées aux manipulations de comptes. Elle contient un système informatique complet constitué d un micro-ordinateur et de ses périphériques (lecteur de CDROM, lecteur de carte magnétique et imprimante) ainsi que des équipements électroniques, dont par exemple un détecteur de proximité. Le choix d une alimentation à découpage n est pas anodin. En effet, ces appareils sont de bons perturbateurs à cause du découpage de l énergie. La référence de norme choisie Cette borne fait donc partie, en ce qui concerne les normes de fonctionnement, des équipements de traitement de l information. Les niveaux des perturbations conduites et rayonnées qu elle génère doivent donc être inférieurs à ceux spécifiés par la norme EN55022 (voir page précédente).
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 5 3. Origine des perturbations dans une alimentation à découpage Perturbations de mode différentiel Afin de connaître l origine des perturbations dans notre alimentation à découpage, revenons sur son schéma interne : Rappel : Alimentation à découpage de type Fly-Back. Soit le schéma de principe : I1 Réseau 230V 50Hz E Ce V1 L1 L2 V2 D Cs Rs Vs I2 Is Vt K Vd It Les formes d onde caractéristiques de l étage à haute fréquence sont données ci-dessous : K fermé K ouvert K fermé K ouvert K fermé K ouvert K fermé K ouvert 0 T 2T 3T 4T It(t), Vt(t) Vt(t) E It(t) 0 0 t2 T 2T 3T 4T
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 6 I2(t), Vd(t) I2(t) 0 Vd(t) 0 t2 T 2T 3T 4T La fréquence de hachage de notre alimentation à découpage est de 40 khz. Prenons l exemple du courant I(t). Ce courant est de la forme : I(t) Ce courant est issu du réseau, donc on doit mesurer son niveau de perturbation. Sa fréquence est la même que celle de hachage, soit 40 khz. Ce courant n étant pas sinusoïdal, il va donc présenter une décomposition spectrale du type : t Amplitude des harmoniques de I(t) NON CONFORME RAPPEL Norme de référence EN55022 A 40 80 160 240 30.10 3 Fréquence (khz) Il faudra donc veiller à ne pas dépasser les amplitudes limites de la norme pour les amplitudes des harmoniques de rang 3 et plus. Ces perturbations sont dites de mode différentiel, car elles entrent par la phase et ressortent par le neutre (circulation normale). Perturbations de mode commun Si on observe un potentiel quelconque sur une des pistes de l alimentation à découpage, on s aperçoit qu il est de la forme : Exemple : V(t) Gradient de potentiel élevé V
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 7 t V(t) possède des gradients de potentiel élevés (passage de 0 à V rapide). Or, pour des raisons de sécurité, la terre est reliée à la carcasse métallique de notre alimentation. Les pistes étant proches de la carcasse, on a : Piste de V(t) Que forment deux conducteurs en regard séparé par de l isolant (ici l air)? Carcasse reliée à la terre Un condensateur! Or, dans un condensateur, I(t) = CdV(t)/dt ; les gradients de potentiel vont donc générer des courants importants qui vont emprunter les chemins suivants : Réseau 230V 50Hz Terre Châssis Ces courants sont dits de mode commun, car ils entrent par la phase et le neutre et ressortent par la terre. Ces courants se superposent aux courants de mode différentiel. Ils ont aussi une fréquence de 40 khz (comme V(t)), mais une forme type réponse à un échelon (gradient de potentiel) d un système du second ordre (sinus amorti par une exponentielle). Voir TP. Leur décomposition spectrale sera observée dans le TP. Conduite ou rayonnée? Id Id Ic/2 Ic/2 OBJET SOUS TEST Ic
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 8 Le but de la manipulation est de mesurer l amplitude des perturbations conduites en mode commun et différentiel. On compare ensuite avec les niveaux de la norme à ne pas dépasser. Puis, si ces perturbations sont trop importantes vis-à-vis de la norme, il faudra filtrer ces perturbations. Il est évident qu on ne filtre pas les perturbations de mode commun et de mode différentiel de la même façon. 4. Dispositif de mesure Matériel à disposition : Synoptique : PC Liaison RS232 ANALYSEUR DE SPECTRE Vmesure RSIL Phase Neutre Terre Boîte de test de filtres CEM OST : Objet Sous Test Fonctionnement de la chaîne : Le RSIL (Réseau Stabilisé d Impédance de Ligne) est un filtre qui permet de mesurer uniquement les perturbations dont la fréquence est comprise dans la bande souhaitée (150 khz ; 30 MHz). Soit son schéma interne (simplifié) : PHASE TERRE NEUTRE Lsil Lsil Vmesure Il Imesure Vmesure : Csil Rsil Rsil Csil OST : Objet Sous Test Courants à mesurer Tension image du courant perturbateur. Afin d observer la décomposition spectrale de ce signal, Vmesure est branché aux bornes de l analyseur de spectre.
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 9 Pour une mesure sur le fil de phase : Le filtre constitué de Lsil et Csil ne laisse transiter par la résistance Rsil que les courants dont la fréquence est comprise entre (150 khz et 30 MHz). Deux mesures sont donc à effectuer : Une sur le fil de phase et une autre sur le fil de neutre. L analyseur de spectre permet une mesure d amplitude des perturbations à chaque fréquence comprise entre 150 khz et 30 MHz (avec un pas spécifié par la norme). Il effectue cette décomposition sur la tension Vmesure, image des courants d alimentation de l OST. Le PC permet de récupérer ces mesures via une interface RS 232 et affiche le résultat directement sur un graphe. Remarques : Les mesures de courants sont donc converties en mesure de tension via la résistance RSIL normalisée à 50 Ω. Ceci explique que les amplitudes limites de la norme ne sont pas données en Ampère mais en dbµv. Rappel : Afin d exprimer une tension U en dbµv, on utilise la relation : Boîte de test de filtres CEM U(en dbµv) = 20 log [U(en V)/1.10-6 ] Enfin, afin de pouvoir effectuer des essais avec des filtres différents, nous avons insérer une boîte (bleue) entre l objet à tester et le RSIL : Vous trouverez sur ce boîtier : Un interrupteur à clé. La clé ne peut être libérée que si l interrupteur est en position ouverte. Cet interrupteur permet de mettre sous tension les équipements situés à l intérieur du boîtier. Une prise vous permettant de brancher un équipement. Le dispositif d alimentation de la borne interactive peut être connecté à cette prise. Vous pouvez accéder à l intérieur du boîtier en ouvrant l interrupteur à clé. Ceci vous permet de récupérer la clé servant à ouvrir la porte.
TP FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES 10 A l intérieur du boîtier, vous trouverez un ensemble de connecteurs montés sur une plaque de Plexiglas. Ces connecteurs sont destinés à la réalisation des câblages vous permettant de tester les filtres intégrés et de réaliser votre propre filtre. 5. Préparation avant mesures Sur la face avant, vous trouverez : Au niveau du RSIL Un bouton test line : Nous avons vu que les tests doivent se faire sur le fil de phase et sur le fil de neutre (2 résistances Rsil). Afin de pouvoir commuter la mesure sur l une de ces deux résistances, il suffit de déplacer ce bouton. Pour une raison de rapidité, vous effectuerez les tests toujours sur la même ligne (au choix). Un bouton On/Off : Pilote la prise sur laquelle doit se brancher l EUT. (Equipment Under Test). Ce bouton doit se trouver en position OFF lors des manipulations dans la boîte de test de filtres CEM. Une prise 220 volts : Pour brancher l objet à tester (Phase, Neutre et Terre). Un atténuateur : Doit se trouver en position IN. Il apporte alors une atténuation de 10 db au signal Vmesure. Transparent pour vous, car le logiciel rehausse les données reçues de 10 db. Voir page précédente. La boîte bleue de test de filtres CEM L objet à tester (alimentation à découpage) Il est pourvue d un bouton de mise en marche (0/1). Ce bouton doit être placé en position 1 uniquement en phase de test. Le reste du matériel Les données nécessaires au bon fonctionnement des tests vous seront dévoilées au cours du TP (voir suite du texte).