Soutenance mémoire
Mesures des inductances à 15Aeff
Introduction
Avec l’arrivée de plus en plus de consommateurs et de producteurs sur le réseau électrique, la compatibilité entre tous ces appareils est impérative. Une étude parue en avril 2017 [1]1 a montré que les compteurs intelligents pouvaient, dans certains cas, mesurer jusqu’à 20% en dessous de la valeur réelle.
Un tel écart avec la réalité n’est pas acceptable, surtout avec l’inversion des flux de puissance, l’augmentation de la complexité du réseau électrique et les particuliers, normalement consommateurs, qui deviennent producteurs grâce à des installations photovoltaïques.
Les distributeurs de réseaux se basant principalement sur les compteurs installés chez les particuliers pour les calculs de facturations, redevances, ou de mise à niveaux des lignes et câbles, il convient qu’ils doivent disposer de mesures fiables.
L’erreur de mesure serait principalement due à des harmoniques de courant et/ou de tension dans la gamme de fréquence 0 à 150kHz. La compatibilité électromagnétique entre appareil et le respect des normes dans ce domaine est donc un sujet d’actualité.
De plus, les systèmes CPL (Courant Porteur de Ligne) européens utilisent la bande CENELEC A (3kHz à 95kHz) comme bande de communication. Cette technologie est donc aussi affectée par des perturbations dans cette gamme de fréquence.
Durant ce travail de Bachelor, une infrastructure de test de courants harmoniques, d’émissions conduites et de filtres CEM sera mise en place, afin de pouvoir disposer d’outils d’évaluation pour ces différentes perturbations, et différents équipements seront soumis aux tests. Un appareil du marché sera sélectionné, et soumis aux tests.
Selon le Dictionnaire international de l’électricité de la CEI [2], la compatibilité électromagnétique (CEM ou EMC en anglais) est la capacité d’une installation ou d’un système de fonctionner convenablement dans son environnement électromagnétique sans influencer de façon inadmissible ce même environnement, qui englobe aussi d’autres installations.
Termes et définitions
La liste ci-après non-exhaustive de termes et définitions s’applique au présent document. Les définitions sont tirées de l’IEC 60050-161, des normes citées dans ce document et du glossaire en ligne de l’IEC (std.iec.ch/glossary).
AMN
Artificial mains network
Réseau fictif d’alimentation
Réseau qui fournit une impédance définie à l’appareil en essai (EUT) aux fréquences radioélectriques, accouple la tension perturbatrice au récepteur de mesure et désaccouple le circuit d’essai du réseau d’alimentation en courant alternatif à basse tension.
Note 1 : Il existe deux types de ces réseaux, le V-network (V-AMN) qui couple la tension non-symétrique, et le Δ-network (Δ-AMN), qui couple la tension symétrique et non-symétrique séparément.
Note 2 : Le terme LISN et V-AMN sont interchangeable.
Average detector
Détecteur de valeur moyenne
Détecteur qui fournit une tension de sortie égale à la valeur moyenne de l’enveloppe du signal appliqué.
Note 1 : La moyenne est prise pendant une durée spécifiée.
CMAD
Common mode absorption device
Dispositif d’absorption de mode commun
Dispositif qui peut être appliqué sur des câbles à leur sortie du volume d’essai au cours des mesures d’émissions rayonnées pour réduire l’incertitude de conformité.
DC-AN
Réseau fictif en courant continu
Réseau fictif qui sert de terminaison définie de l’accès en essai de l’appareil en essai, fournissant également le découplage nécessaire des perturbations conduites provenant de la source d’alimentation en courant à basse tension de laboratoire.
Dc
Variation maximale de tension permanente au cours d’une période d’observation.
Dmax
Valeur absolue maximale des variations de tension au cours d’une période d’observation.
D(t)
Fonction temporelle de la variation de tension efficace relative évaluée comme valeur unique pour chaque demi-période consécutive comprise entre les passages par zéro de la tension source, à l’exception des intervalles de temps dont la tension est en régime permanent pendant au moins 1s.
EUT
Équipement under test
Equipement sous test (EST)
Équipement soumis à un test de conformité.
Note 1 : Le terme DUT (Device under test) et EUT sont interchangeable.
Flicker
Papillotement
Impression d’instabilité de la sensation visuelle due à un stimulus lumineux dont la luminance ou la répartition spectrale fluctuent dans le temps.
GCPC
Grid Connected Power Converter
Convertisseur de puissance connecté au réseau
Convertisseur de puissance connecté à un réseau alternatif de distribution de puissance ou une autre installation alternative et utilisé comme système génératif.
LISN
Line impedance stabilization network
Réseau de stabilisation d’impédance de ligne
Voir AMN.
MPPT
Maximum power point tracking
Suivi du point maximal de puissance
Système qui permet de suivre le point maximal de puissance d’un générateur non-linéaire.
PCE
Power conversion equipement
Équipement de conversion de puissance
Dispositif électrique convertissant une forme d’énergie électrique en une autre forme d’énergie électrique en tenant compte de la tension, du courant, de la fréquence, de la phase et du nombre de phase.
Plt
Sévérité du papillotement de longue durée.
Analyse du travail de diplôme
Cahier des charges
La liste des objectifs présentée ci-dessous est la liste finale, incluant les modifications. Le cahier des charges initial se trouve au début de ce document.
Banc de test pour onduleur PV pour test IEC 61000-3-2 [3]
o Implémenter une infrastructure pour le test des onduleurs PV selon la future norme IEC 62920 [4].
o Apprendre l’utilisation du PM15
o Configurer le PM15 comme source de tension idéale pour tester un onduleur triphasé selon la norme [3] et [5].
o Mettre en place et programmer l’analyseur de réseau utilisé pour ces tests.
o Choisir un onduleur du commerce pour cet essai.
o Effectuer l’essai et documenter le résultat.
o Vérifier si le banc d’essai doit être modifié dans la pratique pour tester un onduleur monophasé.
Banc de test pour onduleur PV pour mesure d’émission conduite
o Implémenter une infrastructure de test pour onduleurs PV selon CISPR 11 [6] pour la gamme 150kHz – 30MHz.
o Choisir un onduleur du commerce pour cet essai.
o Effectuer l’essai et documenter le résultat.
Essai du filtre triphasé PENELER à pleine charge (15 Aeff), et dimensionnement pour 21 Aeff
o Implémenter un banc de test pour les inductances de mode communs et différentielles.
o Proposer une méthode élégante pour mesurer la caractéristique des selfs.
o Essais et petite étude sur l’effet des harmoniques 0 à 2 kHz sur le comportement du filtre.
Banc de test d’immunité aux perturbations
o Implémenter une topologie et d’essai d’immunité selon la norme IEC 61000-4-19
Planning
Le planning prévu et réalisé sont comparables. Dans l’ensemble, le travail s’est déroulé sans problèmes entrainant des retards significatifs. Les dates clés sont listée ci-après :
15.05.2017 Début du travail de Bachelor.
02.06.2017 Décisions de ne pas tester la IEC 61000-4-19 [7] et redéfinition du cahier des charges.
08.06.2017 Présentation et rapport intermédiaire.
13.06.2017 Test du filtre Peneler à 15Aeff.
10.07.2017 Essai final de pré-conformité IEC 61000-3-2 [3], avec l’onduleur Solarmax©.
12.07.2017 Décisions d’effectuer des mesures d’émissions conduites.
13.07.2017 Test de pré-conformité pour Studer Innotec SA.
Normes
Général
Durant ce travail de diplôme, seules les normes concernant les émissions de perturbations ont été
étudiées. Celles en immunités n’ont pas été étudiées, sauf la [7].
Une représentation simplifiée des normes étudiées est présentée ci-dessous.
L’inexistence de normes limites pour la plage 2 kHz – 150 kHz se remarque clairement dans cette représentation. De plus, la méthode de mesure d’émissions entre 2 kHz et 9 kHz n’est pas définie normativement. Les onduleurs étant fortement perturbateur dans ces fréquences et leurs nombres en augmentation rapide, le besoin de limites devient de plus en plus important. Ci-dessous un bref résumé est donné pour chaque document.
IEC 61000-2-2 [8]
Indication générale sur les niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites à basse fréquence (émission et immunité). L’amendement 1 [9] donne les niveaux pour la gamme 2 kHz à 30 kHz. L’amendement 2 [10] pour la gamme 30kHz à 150kHz (à l’étude).
D-A-CH-CZ [11]
Règle pour les fournisseurs de réseau sur la qualité et les perturbations admissibles. Basée sur [8].
IEC 61000-3-2 [3]
Limites pour les émissions de courant harmoniques ≤16A par phase. Cette norme est une des plus importantes, car elle limite les courants harmoniques admissibles pour les appareils électriques.
IEC 61000-4-7 [5]
Guide général relatif aux mesures d’harmoniques et d’interharmoniques. Elle indique comment mesurer et avec quels appareils, afin de déterminer si l’équipement sous test est conforme à la norme IEC 61000-3-2.
IEC 62920 [4]
Exigence de CEM et méthodes d’essai pour les équipements de conversion de puissance. C’est une des normes les plus importantes pour les fabricants d’onduleurs photovoltaïques. Actuellement à l’étude, elle sera officielle en juillet 2017.
CISPR 11 [6]
Appareils industriels, scientifiques et médicaux – Caractéristiques de perturbations radioélectriques – Limites et méthodes de mesure. Limite en émission conduite et rayonnée pour la gamme de fréquence 9kHz à 400GHz.
CISPR-16-1-2 [12]
Spécifications des méthodes et des appareils de mesure des perturbations. Régis les impédances de stabilisation à utiliser pour effectuer les mesures de conformité selon [6].
CISPR-16-2-1 [13]
Spécifications des méthodes et des appareils de mesure des perturbations. Régis les mesures de perturbations conduites.
IEC 61000-4-30
Technique d’essai et de mesure – Méthodes de mesure de la qualité de l’alimentation. L’annexe C (informative) propose trois méthodes de mesure pour la plage 2kHz à 150kHz.
1. Étendre la méthode de [5]
2. Étendre la méthode de [12]
3. FFT en bande de 200Hz et post-traitement des données
IEC 61000-4-19 [7]
Technique d’essai et de mesure – Essai pour l’immunité aux perturbations conduites en mode différentiel et à la signalisation dans la gamme de fréquence de 2kHz à 150kHz, aux accès de puissance à courant alternatif. Méthode d’essai d’immunité en tension et courant différentiel pour les appareils.
IEC 61000-3-3 [14]
Limitation des variations de tension, des fluctuations de tension et du papillotement dans les réseaux publics d’alimentation basse tension, pour le matériel ayant un courant assigné de ≤16A par phase.
IEC 61000-4-15 [15]
Technique d’essai et de mesure – Flickermètre. Elle indique toutes les caractéristiques d’un appareil de mesure de flicker, et décrit l’environnement d’essai adéquat.
Normes relatives à IEC 61000-3-2 [3]
L’étude des normes a permis d’établir toutes les exigences requises afin de pouvoir tester des onduleurs PV selon [3]. Entre autres, elle indique que le test doit se faire selon [5]. Un résumé des exigences de test de [3] et [5] est présenté ci-après.
Afin de ne pas influencer la charge, une source de tension avec les caractéristiques suivantes est requise :
Précision de la tension efficace : ±2%
Précision de la fréquence : ±0.5%
Relation entre phase : 120° ±1.5°
Limite d’harmonique de tension par rapport à la fondamentale :
o Rang 3 0.9%
o Rang 5 0.4%
o Rang 7 0.3%
o Rang 9 0.2%
o Rang 2 à 10 pairs 0.2%
o Rang 11 à 40 0.1%
Pour la mesure des harmoniques de courant et de tension, la méthode (de mesure et de calcul) précise est décrite dans [5]. Afin de simplifier la mesure, un appareil incluant ces méthodes sera utilisé.
La norme [4] indique que le test de la [3] doit être effectué à 25%, 50% et 100% de la puissance nominale de l’onduleur PV sous test.
Les onduleurs PV se trouvant dans la classe A de produit pour les limites de courants harmoniques, seul le tableau de limite suivant est présenté.
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Table des matières
1 Introduction
2 Termes et définitions
3 Analyse du travail de diplôme
3.1 Cahier des charges
3.2 Planning
4 Normes
4.1 Général
4.2 Normes relatives à IEC 61000-3-2
4.2.1 Temps d’observation
4.2.2 Dépassement des limites
4.2.3 Logiciel Zimmer
4.2.4 Rapport
4.2.5 Mesure du réseau domestique
4.2.6 Matériel
4.3 Normes relatives à CISPR 11
4.3.1 Appareil
4.3.2 Montage
4.3.3 Bruit ambiant
4.3.4 LISN 50μH/50Ω + 5Ω
4.3.5 DC-AN
4.3.6 Schwarzbeck CMDM 8700
4.4 Norme IEC 61000-4-19 [7]
4.5 Norme relative à IEC 61000-3-3
4.5.1 Matériel
5 Triphase grid simulator
5.1 Général
5.2 Utilisation
5.3 Problème de courant de défaut
5.4 Test en courant continu
5.5 Réglages du PM15
5.6 État actuel
6 Solarmax© 7TP
6.1 Présentation
6.2 Test de conformité à IEC 61000-3-2
6.2.1 Discussion des différents tests d’injection
6.3 Test de conformité à CISPR 11
6.3.1 Mesures sur les accès de puissances à courant alternatif
6.3.2 Mesures sur les accès de puissances à courant continu
6.3.3 Mesure quasi-crête
6.3.4 Plage de fréquence étendue
7 Alimentation Regatron TC.GSS
7.1 Mesure
7.2 Problème rencontré
8 Chargeur de batterie Studer
9 Peneler (filtre CEM)
9.1 Introduction
9.2 Inductance série
9.2.1 1er Méthode de calcul de B
9.2.2 2ème Méthode de calcul de B
9.2.3 Appareil
9.2.4 Schéma
9.3 Mesures des inductances à 15Aeff
9.3.1 Forme d’onde
9.3.2 Considération thermique
9.3.3 Conclusion
9.4 Inductance série 21Aeff
9.4.1 Mesure
9.4.2 Considération thermique
9.4.3 Conclusion
9.5 Inductance de mode commun
9.5.1 Dimensionnement
9.5.2 Problème de saturation
9.6 Émission conduite
9.6.1 Mesure
9.6.2 Oscillation du système
9.6.3 Limitation en courant
10 Améliorations futures
10.1 PM15
10.2 Banc de test [3] pour mesure d’harmonique de courant
10.3 Banc de test [6] pour mesure d’émissions conduites
11 Conclusion
12 Annexe
12.1 Fonctions Matlab
13 Bibliographie
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