syst èmes et applications des technologies de l ... · • axe 1 : conception et ... au niveau du...
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SystSystèèmes et Applications des Technologies mes et Applications des Technologies de lde l’’Information et de lInformation et de l’É’Énergienergie
Erik SATIE, Musicien (1866-1925),
Arcueil-Cachan
Etude des systèmes combinant information et énergieSciences de l’ingénieur et des systèmes
Domaines de recherche : Génie électrique, domaines de l’EEA (Electrotechnique,
Electronique, Automatique), physique appliquée, physique des systèmes.
Multi tutelles :ENS de Cachan, (8 PU, 10MCF, 1PRAG, 1PAST, 1IR, 1 ASI, 2TCH)CNRS, (3CR, 3IR, 1IE, 2AI, 2TCH)Université de Cergy Pontoise ( 5PU, 7MCF)CNAM (2PU, 2MCF, 2 IE)
Effectifs (2009) :49 chercheurs permanents (20 PU, 24 MCF, 3 CR, 1 PAST, 1 PRAG)3 chercheurs associés 16 ITAs,5 Post-Docs,60 doctorants,
9 stagiaires M2R
Multi sites :Cachan, (1000m2)Ker Lann, (400m2)CNAM Paris, (170m2)Université de Cergy Pontoise, (400m2)
-Université Paris 10 ( 1PU, 4MCF)-Université Paris 11 ( 1PU)-Université Paris 12 ( 1PU, 1MCF)-Université de Lille (1PU)
-Université Paris 10 ( 1PU, 4MCF)-Université Paris 11 ( 1PU)-Université Paris 12 ( 1PU, 1MCF)-Université de Lille (1PU)
142
Organisation du laboratoire
IPEMIPEMIntégration de puissance
et Matériaux
Responsable: H. Ben AhmedResponsable: F. Costa
Responsable: P.Y. Joubert
TIMTraitement de l’Information
et Multi-capteurs
BIOMISBio-microsystèmes
Responsable: B. Le Piouffle
SETESystèmes d’Énergie pour
les Transports et l’Environnement
Energie Energie éélectriquelectrique
ElectromagnElectromagnéétismetisme
Capteurs
Traitement de signal
Matériaux
Intégration
Contrôle / commandeContrôle / commande
Electrostatique
TIM
Microtechnologies
IPEM
SETE
BIOMIS
Interactions
IPEM (Intégration de Puissance Et Matériaux)
Architecture et modélisation pour l’intégration de puissance, Intégration hybride et monolithique,Matériaux pour l’intégration de puissance, élaboration,
modélisation, caractérisation,Durée de vie, régimes extrêmes des semi-conducteurs, Compatibilité électromagnétique
Faits marquants récents•architecture originale de convertisseur multicellulaire à couplage magnétique,•convertisseur DC-DC à composant LT intégré à haut rendement, (94% @3,6MHz, 12V/3,3V - 20W)•convertisseur piézoélectrique à fréquence fixe adapté à la basse tension,•nanomagnétisme, observation de vortex dans un nanograin de Fe-Ni
SETE (Systèmes d’Énergie pour les Transports et l’Environnement)
Transport, systèmes de traction hybride, Qualité de conversion, compensation active de vibrations,Systèmes de production et de gestion d’énergie à ressources renouvelables,Méthodologies génériques de conception et d’éco-conception.Contrôle de systèmes électriques complexes et architecture matérielle
dédiée
Reconnaissance et originalité des travaux effectués : Conception d’actionneurs non-conventionnels (double exc., commutation de flux, polyentrefer, …) Approches couplées : lois de commande et architecture matérielle reconfigurable Stratégies de gestion d’énergie utilisant des ressources renouvelables intermittentes Méthodologies génériques d’optimisation système et de conception
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Vitesse de rotation normalisée (pu)
>86,7%
>85%
>85%
>80%
>70%
>50%
Point (Couple, Vitesse) le plus sollicité € > 86,7%
Couple normalisé (pu)
TIM (Traitement de l’Information et Multi-capteurs)
Modélisation (DPSM, Optimisation par éléments finis)Instrumentation (Systèmes multicapteurs et d’imagerie, CND, HF&optique)
Traitements multidimensionnels (Estimation paramétrique, détection, systèmes multicapteurs, Inversion, imagerie),
Commande (Théorie des jeux, algèbre des systèmes non-stationnaires, commande multicritères, systèmes robustes, diagnostic et gestion des défaillances),
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
100
200
300
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
100
200
300
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
100
200
300
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
100
200
300
Imagerie pour le Contrôle Non-Destructif Commande robuste et théorie des jeux Rupture technologique formes d’ondes Radar Résultats sur les systèmes nonstationnaires
Transfert technologique (EADS) Emergence startup VALOTEC Création d’un LIA (Brésil) REX NEWCOM ++
BIOMIS (Bio-microsystèmes)
Physique des BiomicrosystèmesMicrotechnologiesInteractions champs électriques/cellulesBiocapteurs
Electrohydrodynamique
Biomimétisme/BiomodélismePuces à protéines membranairesBiomodélisme et co-cultures
Détection de Cellules Tumorales Circulantes : CAPCELLtechnology(en création de Société)
Nanoporation (électroporation par impulsions électriques très énergétiques et de très courte durée )
Mobilité de 2 ans de B. Le Pioufle au LIMMS (Japon)
Capteursampérométriques
Electroporation / électrofusion
IIntntéégration en gration en éélectronique de lectronique de PPuissance uissance EEt t MMatatéériauxriaux
IIntegration in ntegration in PPower ower EElectronics & lectronics & MMaterialsaterials
Responsable : FranResponsable : Franççois COSTAois COSTA
Effectifs : 10 permanents, 24 doctorants
Axes de recherche• Axe 1: Conception et modélisation des convertisseurs électroniques et des
sources intégrées Action 1 : Intégration fonctionnelle des composants passifs
Action 2 : Matériaux et Intégration
Action 3 : Architecture de conversion en vue de l’intégration
Action 4 : Convertisseurs et générateurs piézoélectriques
• Axe 2 : Amélioration des contraintes d’usage en électronique de puissance Action 1 : Durée de vie des semi-conducteurs de puissance
Action 2 : Compatibilité électromagnétique
103
104
105
106
107
10-8
10-6
10-4
10-2
f(Hz)
Am
plitu
de (A
)
courant calculécourant mesuré par FFT
FT cellule
commutation
ICHARGE VDC
Rg Cp
…
ZMCVMC IMC
…
Signal de
commande
FT cellule
commutation
ICHARGE VDC
Rg Cp
…
ZMCVMC IMC
…
Signal de
commande
FT cellule
commutation
ICHARGE VDC
Rg Cp
…
ZMCVMC IMC
…
Signal de
commande
Axe 2, Compatibilité électromagnétiqueObjectif : Maîtrise des émissions Conduites et Rayonnées dans les Systèmes de Puissance
• Description des commutations par Fonctions de transfert (représentation des mécanismes non linéaires en fréquence)
• Description multipolaire des structures
Uniformisation des modèles de composants actifs & passifs
• Etude 3D de la connectique et des composants (wire bounding, composants magnétiques)
Emissions Rayonnées : Modélisation des composants en champs proches
•Mesure en champs proches et modélisation inverse (détection & localisation de sources)
• Langage de description multi-plateformes VHDL-AMS
Amélioration des techniques de modélisation en conduit
Forte interaction avec le département d’enseignement EEA et l ’école doctorale EDSP•Formation CEM en M1, préparation à l’agrégation, M2R•Coordination de rubrique aux Editions des Techniques de l’Ingénieur
Tests sur le dispositif réel
(électrique, thermique, mécanique)
Cahier des charges
Contraintes fonctionnelles,
normes
Contraintes mécaniques et
thermiques, coûts
Contraintes mécaniques et
thermiques, coûts
Prototype
Vérification fonctionnelle, thermique, mécanique,
CEM
Vérification fonctionnelle, thermique, mécanique,
CEM
Contraintes CEM
Conditionsremplies ?
non
Conditionsremplies ?
non
industrialisation
Conception virtuelleOutils CAO (électrique, thermique, mécanique)
Conception sous contraintes
Conception sous contrainte de CEM
Les outils de simulation en CEM il n’existe pas d’outil logiciel CEM totalement intégré !
les différentes familles d’outils sont difficilement compatibles.
Électronique circuit :SPICE, Simplorer,...
CEM et Intégritédu signal
Câblage :réseau multifilaires
Structurediffractante 3D
Modèles pour la conception-Domaine fréquentiel- paramétrables-coût de calcul raisonnable
Au niveau du sous-système
Au niveau du système
Domaines temporel et fréquentiel
Objectifs : Analyse des phénomènes CEM, évaluation par rapport à une norme,optimisation sous contrainte
Dilemne complexité du modèle/temps de simulation/précision
Modélisation : par sources équivalentes, les connexions, les charges (actionneurs, etc..)
Techniques Mathématiques pour réduire l’ordre du problème
Simulation dans le domaine fréquentiel : besoin de développer une instrumentation d’analyse virtuelle
Logiciel dédié : coûteux Besoin d’une plate-forme logicielle capable de d’assurer le lien entre des outils existants
Interconnexion & simulation des couplagesModes conduit, rayonné, couplages aux câbles
CEM en conduit : modélisation et simulation ‘circuit’
Gamme de fréquence 10MHz
Logiciels utilisables dans les domaines temporel et fréquentiel : Spice, Saber, Simplorer
CEM en rayonné : modélisation analytique et/ou numérique de l’environnement et de l’espace
(domaine fréquentiel : Ansys, HFSS, Flux3D)
Gamme de fréquence 30-100MHz
Modèle équivalent du sous-système :
Modèles propriétaires fermés pour la
confidentialité nécessité d’identifier
des paramètres besoin de bancs de
caractérisation spécifiques
Fonction de transfert représentative du
sous-système (interconnexion : fonction
de transfert pour les effets rayonnés)
Liens entre les outils logiciels et les modèles
Stratégie de simulation d’un système complexe
Liaisons fonctionnelles
Problèmes à traiter :- Modélisation des effets fréquentiels non-linéaires (commutations, saturation, etc..),- CAO sous contrainte CEM- Comment échanger des données et des modèles ?
Niveau modélisation/simulation
Domaine temporel/fréquentiel
Modèles de mode communModèles de mode commun
Modèles électriques de mode différentiel
Modèles électriques de mode différentiel
Grandeurs électriques de
mode différentiel
Grandeurs électriques de
mode différentiel
Solveur “circuit”Solveur “circuit”
Grandeurs électriques de mode commun
Grandeurs électriques de mode commun
Identification expérimentale des
paramètres
Identification expérimentale des
paramètres
Calcul analytique des paramètres
Calcul analytique des paramètres
Calcul numérique des paramètres(Maxwell,
Ansys,Saber, Pspice)
Calcul numérique des paramètres(Maxwell,
Ansys,Saber, Pspice)
Extraction des paramètres
Modèles analytiques de calcul de champ
Cables, connections
Modèles analytiques de calcul de champ
Cables, connections
Modèles numériques de calcul de champ
Structures 3D
Modèles numériques de calcul de champ
Structures 3D
Solveur “Champs”rayonnés par la
structure et/ou les liaisons
Solveur “Champs”rayonnés par la
structure et/ou les liaisons
Compatibilitéà la norme
Compatibilitéà la norme
Stratégie générale pour la simulation
Exemple N°1 : Avion plus électrique, inverseur de poussée
Convertisseur d’énergie
Actionneur électromécanique
Source d’énergie primaire
115V 400Hz
230V 360-800Hz
Onduleur triphasé
Redresseur 12 pulse
Câble de puissance
230V 190A
Réseau de bordGénératrice synchrone à 3
étages4x150kVA (A380)
Modélisation du système en mode commun : méthode quadripolairePrincipePrincipe ::
1) Représentation de chaque partie par un quadripôle associé à une matrice [Z] ou [T]
2) Mesure (ou calcul) de la tension de MC (Vmc) et des impédances équivalentes de MC
3) Calcul en domaine fréquentiel
RSIL RED CABLERED
ONDCABLEMOT MOT
Ire Icbre Imc Iond Icbmo Imo
Vre Vcbre Vmc Vond Vcbmo Vmo
VMC[Trs] [Tr] [Tcr] [To] [Tcm] [Tm]
Obtention des courants et des tensions de MC calculés à différents points du circuit
Réseau triphasé 400V
Transformateur 4kVA
RSIL triphaséRedresseur à diodes
Câble blindé1m
Câble blindé5m
Onduleur à IGBT
Moteur asynchrone
Charge (MCC)
Support isolant (PVC)
Plan de masse en cuivre
( surface 2m2 )
Modélisation des sources de mode commun
Restriction au seul mode commun
terre
Zd
Iabs
Vat Vbt Vct
Onduleur : 2 types de sources
- Source de courant pour MD
- Source de tension pour MCZmc
Zmc
E
Terre
dissipateurImc
convΣImc
Vat Vbt Vct
Modèle équivalent de l’onduleur
Tension de MC générée par l’onduleur
Plan de masse
3xR1
Sonde detension
Analyseur de Spectre
Onduleur
TriphaséRSIL Câble & Moteur
R2 différentielle
0V de l’onduleur
104
105
106
107
108
40
60
80
100
120
140
160
180
Fréquence (Hz)
Mod
ule
(dB µ
V)
Spectre de la tension de MC générée par l'onduleur+ +
= at bt ctMC
V V VV
3Obtenue par mesure (ou par simulation) dans le domaine fréquentiel
Modélisation par quadripôles
I.Z
Z.ZZV 1
22
2112111
−=
Zccmes =
−=
Z
Z.ZZ
I
V
22
211211
1
1
( )ZZZZ ccmes112212. −=
=
2
1
2221
1211
2
1.
I
I
ZZ
ZZ
V
V
Court-circuiter les entrées et les sorties
Impédance de MC est obtenue en mesurant entre les conducteurs en CC et la masse du système
01
111
2 =
=
II
VZ
02
112
1 =
=
II
VZ
Sous-système
Sous-système
I1 I2
V1 V2
Sous-système
Sous-système
I1 I2
V1 V2
[Z]V1 V2
I1 I2 V2 = 0
Détermination des impédances équivalentes de MC
PrincipePrincipe ::
Zij : Coefficients de [Z]
Simplifications :
Système passif : Z21 = Z12
Système passif & symétrique : Z22 = Z11
Z11 & Z22 ; mesurés directement avec Analyseur d’Impédance HP 4194A, elles peuvent aussi être obtenues par calcul analytique ou numérique (FEM, FDTD, SPICE, etc..)
Z12 & Z21 ; déterminés avec la procédure ci-dessous (expérimentale ou par simulation « circuit »)
RSILCâble moteur
V MC
Onduleur Moteur3 conducteurs en CC
blindage
plan de masse
[Z]Vi1
3 conducteurs en CC
Blindage
Plan de masse
Vi2
Ii1
Ii2
Vo2
Vo1
Io1
Io2
=
−−
II
II
ZZZZZZZZZZZZZZZZ
VVVV
o
o
i
i
o
o
i
i
2
1
2
1
44434241
34333231
24232221
14131211
2
1
2
1
.
Problème de précision de calcul lors de l’association de blocs : cumul des erreurs de
phase !!
Modèle hexapolaire
Avantage :Permet d’obtenir la partie du courant circulant dans le
blindage et celle transitant par le plan de masse aux différents points du circuit
Désavantage : Beaucoup de mesures pour déterminer les coefficients
de la matrice [Z] ( ≈ 10 mesures pour chaque constituant) pour renseigner le modèle
Modélisation multipolaire avec prise en compte du plan de masse
Modélisation quadripolaire avec prise en compte du plan de masse
Modèle à 2 quadripôles en parallèle
MoteurOnduleurblindage
3 conducteurs en CC
plan de masse
MoteurOnduleurblindage
3 conducteurs en CC
plan de masse
MoteurOnduleurblindage
3 conducteurs en CC
plan de masse
MoteurOnduleurblindage
3 conducteurs en CC
plan de masse
imca1
imca2
imcb
imcm
MoteurOnduleurblindage
3 conducteurs en CC
plan de masse
imca1
imca2
imcb
imcm
Onduleur Câble Moteur
Zmasse + ΣZ
[ Y’]
[ Y’’]
I1 I2I1’
I1’’
I2’
I2’’
V1
V1 V2
V2
++
++=
V
V .
'Y'Y''Y'Y'
'Y'Y''Y'Y'
I
I
2
1
22222121
12121111
2
1
Résultats
Bonne cohérence entre la mesure et la simulation jusqu’à environ 10MHz
Au-delà, problèmes du niveau de bruit de l’Analyseur de Spectre et de la précision de la mesure !!
104
105
106
107
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Mag
nitu
de (
dBµA
)
CM current in the diode rectifier
computedmeasuredDO160D
RSIL
Ire
104
105
106
107
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Mag
nitu
de (
dBµ
A)
CM current in the cable linking up the rectifier and the inverter
computedmeasuredDO160D
Icbre Iond
104
105
106
107
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Mag
nitu
de (
dBµA
)
CM current in the inverter
computedmeasured
Icbmo
104
105
106
107
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Mag
nitu
de (
dBµA
)
CM current in the cable linking up the inverter and the motor
computedmeasuredDO160D
Imo
104
105
106
107
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Mag
nitu
de (
dBµA
)
CM current in the motor
computedmeasured
Courants de MC
Rayonnement des câbles de puissance
Le câble est un composant du système
Boucle de mode commun : source de rayonnement
Détermination du rayonnement électromagnétique
Champ magnétique
L R
C GV(z)
I(z)
V(z+dz)
I(z+dz)
dzz z+dz
0
0
2
0
2
0
0
1)(
L
L
zL
L
z
C e
eee
ZZ
EzI
γ
γγγ
ρρ
ρ−
−−
−
−
+=
h I(Z)
z
I(Z)
I(Z)
( )∫− +
=
2/
2/
222
)(Lo
Lo zd
dzzIhdH
πϕ
3
0
3
0
0
4
2.
4
2.
r
e
j
hI
r
e
j
hIE
r
L
r γγ
θεωπεωπ
−−
−=
Champ électrique
1- Détermination du courant de mode commun dans le câble tenant compte des impédances du système et des sources réelles
2- Calcul des champs rayonnés
Modèle du hacheur • Générateur de Thévenin équivalent au hacheur
• Source de tension
• Analyseur de spectre – Bande de fréquence 10kHz – 100MHz
E0
Z0
-20dB/Dec
Tdec
Fdec
Modèle de la charge• Mesure réalisée à l’analyseur d’impédance entre 10 kHz et 100 MHz
• Valeurs de la résistance et inductance aux basses fréquences :– R = 7 Ω– L = 10 mH
• Mesure plutôt qu’un modèle :– capacités réparties de mode commun– Phénomène de propagation
• Théorie des lignes de transmission– Modèle RLCG de la ligne déduit des formules analytiques
• Courant circulant dans la ligne– Équation des télégraphistes
Modèle du câble
L R
C GV(z)
I(z)
V(z+dz)
I(z+dz)
dzz z+dz
0
0
2
0
2
0
0
1)(
L
L
zL
L
z
C e
eee
ZZ
EzI
γ
γγγ
ρρ
ρ−
−−
−
−
+=
Phénomène de propagation
Pas de phénomène de propagation
I
Eo
Zo
ZL
Formulation du champ EM rayonné
• Approximation du champ proche
• Champ magnétique
h I(Z)
z
I(Z)
I(Z)
( )∫− +
=
2/
2/
222
)(Lo
Lo zd
dzzIhdH
πϕ
3
0
3
0
0
4
2.
4
2.
r
e
j
hI
r
e
j
hIE
r
L
r γγ
θεωπεωπ
−−
−=
hI(0)
z
I(0)
I(0)
I(L)I(L)
I(L)
Champ électrique
I(z)
θ
φ
r
Er
Hφ
Eθ
z
y
x
( )2
sin
4
)(
r
dzzIdH
θ
πϕ =
( )3
0
sin
4
)(2
rj
zIhdE
θ
ωεπθ =
Comparaison calcul mesure (1)
• Courant
• Bande passante de la sonde de courant :– 400 Hz – 200 MHz
• Fréquence de mesure 10 kHz – 100 MHz
• Mesures réalisées à différentes positions :– En début de ligne,– Au milieu de la ligne,– En fin de ligne.
• Explication des écarts entre théorie et mesure– Impédance des connexions dans la mesure de la charge,– Incertitude dans le modèle de Zo au-delà de 30MHz.
• Bonne corrélation jusqu’à 50MHz
Courant en début de ligne
I
Eo
Zo
ZL
Comparaison calcul mesure (2)
• Champ électrique– Faibles niveaux de champ– Comparaison calcul – norme DO-160E
• Fréquences de mesure– 10 kHz – 100 MHz
• Ecart avec le gabarit de la norme– 40 dB à 2 MHz
Comparaison calcul mesure (3)
• Champ magnétique
– Banc d’essai installé sur le sol– Disposition à 50 cm face au centre de la ligne– Antenne boucle de diamètre 30 cm
• RBW = 1 kHz pour 10kHz < f < 1MHz10 kHz pour 1MHz < f < 100MHz
• Fréquence de mesure 10 kHz – 30 MHz(bande passante de l’antenne)
• Bonne corrélation jusqu’à 30MHz
Configuration triphasée• Vision homopolaire du circuit
• Convertisseur versatile : mode onduleur• Charge :
– Différentielle : • Moteur simulé par une inductance triphasée
– Mode commun : Impédance de fuite capacitive
I
Eo
Zo
ZL
E0
Z0
• Générateur de Thévenin équivalent à l’onduleur
• Source de tension
• Analyseur de spectre – Bande de fréquence 10 kHz – 100 MHz
Modèle de l’onduleur triphasé
Modèle de l’onduleur triphasé
• Générateur de Thévenin équivalent à l’onduleur
• Impédance interne
• Oscilloscope– 2 mesures tension courant
• Régime nominal• Raccordement du point milieu de la charge à la masse
Modèle de mode commun de la charge
• Impédance de mode commun de la charge
• Mesure réalisée à l’analyseur d’impédance entre 10 kHz et 100 MHz• Valeurs de la capacité équivalente
aux basses fréquences :• Cp = 360 pF
• Mesure entre les conducteurscourt-circuités et la masse
Modèle de mode commun du câble de puissance
• Modèle du câble– En régime homopolaire
• Paramètres primaires mesurés– Impédance série en court- circuit– Impédance parallèle en circuit
ouvert
1 m
Courant de mode commun
Protocole de mesure identique au monophasé
Comparaison calcul mesure
Champ magnétique à 1 m au centre du câble
1 m
Exemple N°2 de recherche en cours
CEVE
(Contrôleur d’Energie
du Véhicule Electrique)
Banc expérimental :
Machine de traction isolée couplée à une MCC
Onduleur
Hacheur d’excitation
Câble (1,5m)
Machine synchrone à rotor bobiné
Batteries HT
CVS
Udc
Batterie 12V
_+
Impédances de couplage Mode commun Mode différentiel
Estimation des perturbations conduites
Chaine de traction de la Kangoo électrique
Modélisation de la chaine de traction : mode commun
Modèle générique d’une Cellule de commutation
LOAD
[YLOAD]
BODY OF THE
CONVERTER
i1
i2
iB
iC
iA
iCM
v1
v 2 v MP
v k2
v k1
ik2
ik1
A
B
C
Application au hacheur d’excitation du rotor
ICM
YA VCMBUS
VCMBuck
Modélisation de la chaine de traction : mode commun
Protocoles de mesure
ROTOR
BODY OF THE
CONVERTER
i1
i2
iCM-Buck measurement
V1
V2 iCM-Buck
VCMBuck + VCMBUS
measurement
B
A
ICM
YA VCMBUS
VCMBuck
Tension de MC Impédance de MC
Modélisation de la chaine de traction : mode commun
Vérification expérimentale
ICM
YA VCMBUS
VCMBuck
Modélisation de la chaine de traction : mode commun
Application à l’ensemble Convertisseur + MSModélisation de la chaine de traction : mode commun
Approche similaire au cas N°1 : représentation par matrices d’impédance progressivement réduites
Les termes des matrices sont obtenus soit par la mesure soit par simulation « circuit » ou numérique
Protocoles de mesure
Tension de MC
Impédance de MC
Vérification expérimentale
Modélisation de la chaine de traction : mode commun
Extraction par la mesure
Généralisation à N cellules de commutation
VP1
fSW1
fSW2
fSW3
fSWN
LOAD
[YM]
VP2 VP3 VPN
V1
V2
i1 i2 i3
iN
iCM
ip1
ip2
ik1 ik3 ik5 ik(2.N-1)
ik2 ik4 ik6 ik(2.N)
iN+1
i0
V1
V2
Body of
the
Converter
ip1
ip2
ik1
ik2
ik3
ik4
ikN
ikN+1 iCM N+1
Ycm0
YcmN+1
iCM0
VCM1
iCM1
Ycm1/2
Ycm1/2
VCM2
iCM2
Ycm2/2
Ycm2/2
VCMN
iCMN
YcmN/2
YcmN/2
Modélisation de la chaine de traction : mode commun
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Modulation de largeur d'impulsionModulante sinusoïdale
Période dedécoupage
Période basse fréquence (BF)
t
Instant de commutation (contenu harmonique hautes fréquences : HF)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-50
0
50
Temps (s)
Am
plitu
de (V
)
Tension de mode commun
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-1
0
1
Temps (s)
Am
plitu
de (A
)
Courant de mode commun
Réflexions sur la réduction de temps de simulation
Le courant de mode commun est souvent constitué d’impulsions amorties
Les instants de commutation sont parfaitement définis
0 1 2 3 4 5
x 10-3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Am
plitu
de (
A)
Temps (s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-0.2
0
0.2
Am
plitu
de (
A)
Temps (s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-0.2
0
0.2
Am
plitu
de (
A)
Temps (s)
Analyse d’un courant de Mode Commun : cas générique d’une cellule de commutation
dV/dt > 0
dV/dt < 0
Imc : réponse aux dV/dt
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-0.2
0
0.2
Am
plitu
de (
A)
Temps (s)0 100 200 300
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
t(ns)
Am
plitu
de (A
)
Impulsion équivalente à Imch
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-0.2
0
0.2
Am
plitu
de (
A)
Temps (s)0 100 200 300
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
t(ns)
Impulsion équivalente à Imcb
Calcul de tel que
Analyse d’un courant de Mode Commun
Analyse d’un courant de Mode Commun
0 1 2 3 4 5
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Temps (ms)
Am
plit
ude
(A)
0 1 2 3 4 5
x 10-3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Am
plitu
de (
A)
Temps (s)
Courant mesuré Courant calculé
1 impulsion+ instants de commutation
=reconstitution Imc large bande
Analyse d’un courant de Mode CommunChoix de l’impulsion « mère »
Critère de choix : coefficient de corrélation Cxy
10 20 30 40
0.8
0.9
1
indice de l'impulsion
Moy
enne
des
Cxy
10 20 30 40
0.8
0.9
1
indice de l'impulsion
0 100 200 300
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
t(ns)
Am
plitu
de (A
)
Impulsion équivalente à Imch
0 100 200 300
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
t(ns)
Impulsion équivalente à Imcb
Analyse d’un courant de Mode Commun
Gain de temps de simulation, mais…
Limites actuelles de la méthode ~10-15 MHz-insuffisant vis-à-vis des normes CEM conduites-insuffisant pour les effets rayonnés
Evolution en cours
FT cellule commutation
ICHARGE VDC
Rg Cp
…
ZMCVMC IMC
…
Signal de commande
FT cellule commutation
ICHARGE VDC
Rg Cp
…
ZMCVMC IMC
…
Signal de commande
FT cellule commutation
ICHARGE VDC
Rg Cp
…
ZMCVMC IMC
…
Signal de commande
A
B
MX
Fm
VdcTv
Ti
XIsIe
Vs
Prise en compte des imperfections des interrupteurs
=Modèle valide sur une plus large bande de fréquence
3ème voie possible pour minimiser le temps de calcul avec une bonne
« bande passante »
Conclusion
Développement d’une méthodologie bien adaptée aux systèmes complexes
Compléter par la prise en compte du mode différentielRecherche d’extension de la gamme de fréquence des
modèles conduit : sources pour les effets rayonnésRéflexions quant aux effets non linéaires (saturation des
matériaux magnétiques, variation dynamique des capacitances, etc..)
Conception sous contrainte CEM : les modèles développés devraient permettre l’usage de routines d’optimisation
Modélisation de la chaine de mesure pour être compatible avec les normes CEM (RSIL, récepteur CEM)
Stratégie d’étude d’un problème CEM
• Analyse des courants conduits parasites intra et inter-équipement
• Analyse et modélisation de chaque sous-système• Calcul ou mesure des grandeurs parasites conduites et
rayonnées• Conformité aux normes ou spécifications
Contraintes-Précision sur une plage fréquentielle large [150kHz ; 30MHz] voire très large si extension en rayonné,-Temps de calculs compatible avec des contraintes de conception (boucles d’optimisation par exemple)
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