TP émissivité conduite notions

TP
FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES
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SOMMAIRE
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EMISSIVITÉ CONDUITE (PRÉSENTATION)................................................................................................................... PAGE 3
SUPPORT DE L 'ÉTUDE ................................................................................................................................................... PAGE 4
ORIGINE DES PERTURBATIONS DANS UNE ALIMENTATION À DÉCOUPAGE ........................................................... PAGE 5
DISPOSITIF DE MESURE ................................................................................................................................................ PAGE 8
PRÉPARATION AVANT MESURES.................................................................................................................................. PAGE 10
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FILTRAGE DES PERTURBATIONS CONDUITES
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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
Perturbations
conduites type
courant
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
Norme de référence EN55022 A
Fréquence (kHz)
3
150
30.10
Remarque :
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
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 !
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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).
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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
V1
E
Ce
V2
L1
Vt
L2
K
D
Cs
I2
Rs
Vs
Is
Vd
It
Les formes d’onde caractéristiques de l’étage à haute fréquence sont données ci-dessous :
K fermé
K ouvert
0
K fermé
T
K ouvert
K fermé
K ouvert
K fermé
K ouvert
2T
3T
4T
2T
3T
4T
Vt(t)
It(t), Vt(t)
E
It(t)
0
0
t2
T
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I2(t)
I2(t), Vd(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)
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 :
Amplitude des
harmoniques de I(t)
NON
CONFORME
40 80
RAPPEL
Norme de référence EN55022 A
Fréquence (kHz)
160 240
30.103
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
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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
Ic/2
OBJET
SOUS TEST
Ic/2
Id
Ic
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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
RSIL
Vmesure
Phase
Neutre
Terre
Boîte de test
de filtres
CEM
OST : Objet
Sous Test
Courants à mesurer
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) :
Il
PHASE
Imesure
Csil
Lsil
Vmesure
Rsil
TERRE
Rsil
Lsil
NEUTRE
Csil
OST :
Objet
Sous
Test
Vmesure :
Tension image du
courant
perturbateur.
Afin d’observer la
décomposition
spectrale de ce
signal, Vmesure
est branché aux
bornes de
l’analyseur de
spectre.
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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 :
U(en dBµV) = 20 log [U(en V)/1.10-6]
Boîte de test de filtres CEM
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.
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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
Au niveau du RSIL
Sur la face avant, vous trouverez :
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.
La boîte bleue de test de filtres CEM
Voir page précédente.
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).