Corrélation entre le fonctionnement électrique et le rayonnement magnétique

Pendant les deux dernières décennies, l‟utilisation des convertisseurs statiques dans les dispositifs d‟électronique de puissance est devenue très courante, ils constituent un moyen de conversion d‟énergie très performant. Néanmoins, ils engendrent des perturbations électromagnétiques importantes aussi bien en mode conduit qu‟en mode rayonné principalement de par les variations de tension et de courant (dV/dt et dI/dt) pendant les commutations des interrupteurs à semi-conducteur. Plusieurs laboratoires se sont intéressés à la mesure des perturbations électromagnétiques dans le but de les quantifier et de déterminer avec précision leurs origines, notamment par la mesure du champ électromagnétique proche. Celle-ci permet de localiser les principales sources rayonnantes, d‟identifier les chemins les plus favorables à la circulation des perturbations ainsi que le couplage entre les composants.

Description et réalisation du banc expérimental

Contexte général 

Tout appareil électronique ou électrique engendre naturellement des signaux parasites ou perturbations. Les mesures de ces perturbations sont réalisées soit pour vérifier la conformité aux normes de l‟équipement, soit pour analyser le comportement d‟un appareil ou d‟une installation sur un site et en assurer la compatibilité électromagnétique. Pour caractériser complètement le niveau d‟émission d‟un dispositif électrique ou électronique, il faut mesurer les perturbations émises par rayonnement et celles émises par conduction. Si les laboratoires industriels sont essentiellement concernés par les mesures de type normatif, les laboratoires universitaires quant à eux s‟intéressent à la mesure des perturbations avec pour objectif le développement de nouvelles méthodes d‟essais moins coûteux, plus rapides et réalisables lors de la phase de conception d‟un dispositif. [BAUDRY 05], [BEREAU-06], [HAELVOET-96], [HERNANDO-07], [DE DARAN-03], [LORANGE-01]. De par leur nature, les perturbations produites par un dispositif électrique ou électronique sont de deux types :

– Perturbations conduites, caractérisées par les tensions perturbatrices induites aux différents accès ou par les courants conduits sur les câbles d‟entrée/sortie.
– Perturbations rayonnées, caractérisées par le champ électromagnétique produit à une distance définie de l‟appareil, dans des conditions de reproductibilité satisfaisante.

Dans notre étude, nous nous intéressons uniquement aux perturbations rayonnées par des systèmes d‟électronique de puissance. Pour évaluer le champ électromagnétique émis par un dispositif, nous distinguons deux types de test :

o En champ lointain : Les tests se font en chambre anéchoïque ou en site libre à 10 mètres du dispositif en général, avec un système d‟antenne calibrée et un analyseur de spectre large bande ou un récepteur de mesure possédant les modes de détection normalisés. L‟espace doit être suffisant autour de l‟appareil sous test pour pouvoir positionner les antennes conformément aux indications des normes d‟essai. Les fréquences couvertes vont de 30 MHz jusqu‟à 1 GHz. Cet essai est une référence dans le domaine normatif, et il nous permet de comparer la mesure obtenue directement avec les normes CEM.
o En champ proche : c‟est une technique de mesure qui s‟est beaucoup développée pendant ces dernières années, elle permet d‟établir des cartographies représentant le champ magnétique sur la surface du dispositif testé. Ces cartographies nous permettent d‟identifier les composants perturbateurs, les chemins privilégiés du courant ainsi que les couplages entre les composants, ce qui incite fortement à utiliser cette technique de diagnostic au cours de toutes les étapes de conception d‟un produit.

Nous nous sommes intéressés plus particulièrement aux essais en champ proche. Notre objectif principal est de définir des modèles équivalents des sources perturbatrices qui peuvent nous aider à prédire le rayonnement en champ proche, et par la suite d‟intégrer ces résultats durant la phase de conception d‟un système électronique pour optimiser son rayonnement électromagnétique.

Avant de décrire les différents moyens de mesure du champ électromagnétique dans une zone proche des composants, nous rappelons la définition du terme « champ proche » ainsi que le principe de la méthode de mesure.

Comme nous l‟avons évoqué précédemment, tout dispositif électronique peut provoquer des interférences avec d’autres équipements placés dans son environnement proche. Les performances de ces systèmes peuvent être altérées, d‟où la nécessité de connaître et de contrôler l‟environnement électromagnétique de chaque élément. Pour cela, il faut être capable de déterminer le rayonnement électromagnétique au voisinage immédiat de chaque composant ou dispositif. Les moyens de mesure et d‟investigation classiques appliqués uniquement aux accès des dispositifs ne peuvent pas appréhender les phénomènes d‟émission de tels circuits. L‟utilisation des techniques de mesure champ proche prend alors tout son intérêt. Ces techniques sont devenues très attractives pour évaluer les performances des circuits ainsi que leurs défaillances. Elles permettent d’évaluer qualitativement et quantitativement les distributions de champs, de charges et de courant au-dessus d’un dispositif, ce qui permet d’expliquer les couplages de signaux entre composants élémentaires issus d‟un même circuit et la description des émissions électromagnétiques et autres aspects de la compatibilité électromagnétique. Les mesures en champ proche peuvent être mises en œuvre pour :
➤ Evaluer le niveau des émissions rayonnées et exploiter les cartographies des champs afin de repérer les zones de forte concentration du champ électromagnétique pouvant être à l’origine des dysfonctionnements.
➤ Détecter les modes de couplages non désirés (circuits intégrés, cartes électroniques numériques et analogiques, cartes électroniques de puissance, …).
➤ Localiser les fuites de blindage.

Ces mesures peuvent également servir de base pour extrapoler la distribution du champ rayonné à n’importe quelle distance en appliquant les techniques de transformation champ proche/champ lointain.

La méthode de mesure en champ proche est basée sur le principe de balayage d‟une surface au-dessus des composants sous test avec une sonde de champ proche motorisée pour assurer la translation selon les trois axes de déplacement x, y et z et parfois même la rotation selon x et y pour une meilleure précision de la cartographie du champ rayonné.

Dans le cadre de notre étude, la méthode de balayage en champ proche sur certains systèmes que nous développons par la suite dans ce manuscrit, a quatre objectifs principaux :
– l‟identification et la modélisation des sources perturbatrices,
– la quantification de l‟émission et de la susceptibilité des sources potentielles par rapport à leurs composants voisins,
– la détermination des modes de couplages entre composants, pistes, circuits intégrés et cartes électroniques,
– l‟intégration des résultats des deux premiers objectifs durant la phase de conception pour optimiser les contraintes CEM du système.

Présentation du banc de mesure initial 

Le banc de mesure

Il s‟agit d‟un banc de mesure (Figure 1) en champ proche réalisé en plexiglas équipé d‟une table de dimension (40 cm×40 cm) recouverte d‟un plan de cuivre d‟une épaisseur de 2 millimètres. Le déplacement selon l‟axe x est assuré par une transmission par vis sans fin, le déplacement selon l‟axe x est quant à lui possible grâce à un entraînement par courroie. L‟axe Z est manuel, ce qui permet d‟ajuster rapidement la hauteur d‟acquisition en fonction de l‟encombrement des composants du dispositif sous test et du niveau d‟émission recherché maximum de l‟équipement sous test. Ces déplacements sont réalisés par deux moteurs pas-àpas, pilotés par une carte de commande PCI 7342, de la société National Instruments. Pour éviter une éventuelle attribution au bruit ambiant qui entoure le banc, la carte de  commande a été installée dans une boite métallique. Le banc de mesure permet d‟obtenir une cartographie 2D du champ magnétique dans le plan (Oxy) parallèle au plan de cuivre après avoir fixé la hauteur de la sonde de mesure manuellement.

Les sondes utilisées sont des sondes blindées de type boucle circulaire de champ magnétique, elles font partie d‟un kit de sondes champ proche de la société « The Electro-Mechanics Compagny ».

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : DESCRIPTION ET REALISATION DU BANC EXPERIMENTAL
I. INTRODUCTION
I.1. CONTEXTE GENERAL
I.2. CHAMP PROCHE
II. PRESENTATION DU INITIAL BANC DE MESURE
II.1. LE BANC DE MESURE
II.2. PROTOCOLE DE LA MESURE
II.3. LE LOGICIEL LABVIEW
II.3.1. LabView
II.3.2. Le principe des programmes
II.4. LES LIMITES DU INITIAL BANC DE MESURE
III. LA REALISATION DU NOUVEAU BANC DE MESURE
III.1. CAHIER DES CHARGES DE LA PARTIE MECANIQUE
III.2. REALISATION MECANIQUE
III.3. AUTOMATISATION
III.3.1. Principe de fonctionnement des codeurs
III.3.2. Acquisition
III.3.3. Performances mécaniques
III.3.4. L’environnement électromagnétique expérimental
II.4. SONDES DE MESURE
III.5. TRAITEMENT DES DONNEES
III.5.1. Principe
III.5.2. Position du problème
III.5.3. Détermination de la fonction de transfert de la sonde
III.5.4. Le filtrage de Wiener
III.5.5. Résultats et conclusions
III.5.6. Utilisation du post traitement dans le cas du convertisseur
IV. BILAN ET CONCLUSION
CHAPITRE II : APPLICATION ACADEMIQUE
I. EVALUATION DES SOURCES EN CHAMP PROCHE DANS UN DISPOSITIF SIMPLE
I.1. INTRODUCTION
I.2.OBJECTIF DU CHAPITRE
I.3. METHODOLOGIE DE L‟ETUDE
I.4. PRESENTATION DE LA MAQUETTE DU HACHEUR SOUS TEST
I.5. MESURES EN CHAMP PROCHE
I.5.1. Identification des fréquences de rayonnement et de leurs origines électriques
I.5.2. Etude du rayonnement à la fréquence de découpage
I.5.3. Mesure en haute fréquence
I.6. MODELISATION PAR UNE SOURCE EQUIVALENTE
I.6.1. Introduction
I.6.2. Modélisation en fréquence
I.6.2.1. Modèle en basse fréquence
I.6.2.2. Modèle en haute fréquence
I.7. AUTRES MODELES EXISTANTS
I.7.1 Méthode basée sur les algorithmes génétiques
I.7.2. Méthode PEEC
I.8. CONCLUSION
CHAPITRE III : APPLICATION INDUSTRIELLE
I. INTRODUCTION
II. DESCRIPTION DU VARIATEUR DE VITESSE
III. METHODOLOGIE D’ESSAI
IV. ANALYSE DES DIFFERENTES SOURCES PERTURBATRICES
IV.1. ETUDE DES PERTURBATIONS GENEREES PAR L‟ALIMENTATION A DECOUPAGE
IV.1.1. Description du dispositif
IV.1.2. Analyse en champ proche
IV.1.3. Analyse des grandeurs électriques dans la maille de commutation
IV.1.4. Modélisation du transformateur
IV.1.5. Modélisation complète du Flyback
IV.1.6. Conclusion et limites du modèle
IV.2. ETUDE DU MODULE DE PUISSANCE
IV.2.1. Présentation du module de puissance
IV.2.2. Mesure en champ proche
IV.2.3. Mesure et analyse du courant à l’entrée et à la sortie de l’onduleur
IV.2.4. Modélisation de l’onduleur en mode différentiel
IV.2.5. Conclusion
IV. CONCLUSION
CHAPITRE IV : ETUDE DU FILTRE CEM ET DES COMPOSANTS MAGNETIQUES
I. INTRODUCTION
II. ETUDE DU FILTRE CEM
II.1. CONTEXTE DE L‟ETUDE
II.2. DESCRIPTION DU FILTRE
II.3. LES SOURCES D‟EXCITATION DU FILTRE
II.4. CARACTERISATION DE L‟IMPEDANCE DU FILTRE
II.5. CARACTERISATION DE LA FONCTION DE TRANSFERT DU FILTRE
II.6. CARACTERISATION ET MODELISATION DES DIFFERENTS COMPOSANTS DU FILTRE
II.6.1. Caractérisation de l’inductance seule
II.6.2. Evaluation de l’effet des pistes sur l’inductance
II.6.3. Modélisation de l’inductance
II.6.4. Caractérisation et modélisation des capacités Cx et Cy
II.7. MODELISATION COMPLETE DU FILTRE
II.7.1. Modélisation du filtre complet en mode différentiel
II.7.2. Modélisation du filtre complet en mode commun
II.8. LIEN AVEC LE CHAMP MAGNETIQUE PROCHE RAYONNE PAR LE FILTRE
II.9. ANALYSE EN CHAMP PROCHE ET CORRELATION
II.10. CONCLUSION ET LIMITES DU MODELE
III. ETUDE ELECTROMAGNETIQUE D’UNE INDUCTANCE TORIQUE
III.1. OBJECTIF DE L‟ETUDE
III.2. ETUDE DE LA SUSCEPTIBILITE DES COMPOSANTS MAGNETIQUES
III.2.1. Introduction
III.2.2. Description de l’essai de susceptibilité
III.2.3 Evaluation expérimentale de certains circuits magnétiques
III.3. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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