• Aucun résultat trouvé

Chapitre 3 – La Compatibilité Electromagnétique (CEM) en

3.4. Présentation des modèles analytiques pour la CEM conduite en optimisation

3.4.1. Modèle des sources de perturbation CEM

Nous allons remplacer les IGBT par trois sources de perturbation en tension du

côté continu, et une source de perturbation en courant du côté alternatif, comme expliqué

en partie 3.1.3 et sur la figure 3.4. Pour cela, nous avons fait l’hypothèse que les courants

triphasés d’entrées sont parfaitement sinusoïdaux et la tension continue de sortie

parfaitement lisse.

Dans le calcul des sources de perturbation, nous gardons cette hypothèse du

courant triphasé et de la tension continue idéaux. Autrement dit, nous ne prenons pas en

Chapitre 3 163

compte les oscillations et harmoniques qui y sont présentes en réalité. Nous verrons que

malgré cette approximation, l’approche donne de bons résultats.

3.4.1.1. Calcul des sources de perturbations

Nous souhaitons calculer analytiquement le spectre de ces sources de

perturbations.

Pour cela, nous avons utilisé les calculs formulés dans [Groud-97]: à l’aide des

temps exacts de commutation 𝑡

𝑖

(cf. partie 1.2), nous allons calculer les harmoniques

directement dans le domaine de Laplace.

3.4.1.1.1. Les trois sources de perturbations en tension

Dans notre convertisseur, les tensions découpées peuvent être représentées par

une suite de créneaux retardés (cf. figure 3.3).

Dans le domaine de Laplace, l’expression ( ) d’un créneau d’amplitude

𝑑𝑐

,

commençant à un instant 𝑡 et se terminant à 𝑡 , est bien connue :

( )

𝑑𝑐

𝑒

−( 1∗ )

− 𝑒

−( 2∗ )

En considérant que ce créneau est répété de façon périodique avec une fréquence

de 𝑓 , le k-ième harmonique

𝑘

(à la fréquence 𝑘 ∗ 𝑓 ) se calcule grâce à la relation

suivante :

𝑘

∗ 𝑓 ∗ (𝑗𝑘𝜔) 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝜔 𝜋𝑓

Grâce aux calculs des temps de commutations 𝑡

𝑖

de chaque interrupteur, nous

pouvons recréer la tension de chaque phase, en entrée des interrupteurs, par une somme

de créneaux retardés, d’amplitude

𝑑𝑐

.

En notant 𝑡

𝑖

les temps de commutations sur la phase 𝑎, indexés selon ,

l’expression ( ) de la tension découpée sur la phase 𝑎, dans le domaine de Laplace est

la suivante :

Chapitre 3 164

( ) ∑

𝑑𝑐

𝑒

−( ∗ 𝑎 2𝑛)

− 𝑒

−( ∗ 𝑎 2𝑛+1)

Ce signal étant répété de façon périodique à la fréquence 𝑓, le k-ième harmonique

𝑘

(à la fréquence 𝑘 ∗ 𝑓 ) se calcule grâce à la relation suivante :

𝑘

∗ 𝑓 ∗ (𝑗𝑘𝜔) 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝜔 𝜋𝑓

Le calcul des sources de perturbation en tension pour les phases b et c, est

exactement le même, hormis les temps de commutations 𝑡

𝑖

et 𝑡

𝑐 𝑖

.

Au final, les spectres de ces trois sources sont quasiment identiques en

amplitudes et sont déphasés de + ou - 𝜋 ⁄ .

3.4.1.1.2. La source de perturbations en courant

Le courant commuté côté alternatif est composé de créneaux de sinus (cf. figure

3.3).

Un créneau peut être représenté par une différence entre deux sinus. Ce concept

est illustré sur la figure 3.48.

Sin1 = ∗ 𝜔𝑡 + , qui démarre à 𝑡

Sin2 = ∗ 𝜔𝑡 + , q é 𝑡

Différence Sin1 Sin2

Créneau de sinus

Sin1 = ∗ ( 𝜔𝑡 o ( ) + o 𝜔𝑡 ( ))

Sin2 = ∗ ( 𝜔𝑡 o ( ) + o 𝜔𝑡 ( ))

Développement de ces expressions pour

passer dans le domaine de Laplace

Figure 3.48 - Expression mathématique d'un créneau de sinus

Dans le domaine de Laplace, l’expression ( ) d’un tel créneau de sinus, est la

suivante :

( ) ∗(𝜔 o ( ) + ( )) ∗ 𝑒

−( 1∗ )

− (𝜔 o ( ) + ( )) ∗ 𝑒

−( 2∗ )

Chapitre 3 165

En nous servant des instants de commutations des trois phases, nous pouvons

recréer l’enchaînement des créneaux de sinus et retrouver l’allure du courant commuté.

Cette démarche s’est effectué à l’aide des éléments donnés dans la partie 1.2. Sur la figure

3.49, nous avons mis un exemple de courant recréé, pour une configuration donnée du

convertisseur. Nous avons également mis l’allure du même courant, obtenu par

simulation temporelle.

Temps

C

ou

ra

n

t

(A

)

Figure 3.49 - Exemple d'allure recréée pour le courant côté DC, comparaison avec la

simulation temporelle

Les temps de commutations et les allures correspondent bien, et nous voyons

clairement les ondulations que nous avons choisi de négliger.

Grâce à cela, nous avons recréé et exprimé le courant commuté ( ) dans le

domaine de Laplace par une somme de créneaux de sinus retardés, de façon similaire à la

formule des sources de perturbation en tension. Toutefois, la formulation est un peu plus

complexe, car il faut être attentif à quelle branche triphasée débite son courant en fonction

de l’état des trois bras du redresseur dans le temps. Ces éléments sont donnés dans le

chapitre 1.

Ce signal étant répété de façon périodique à la fréquence 𝑓, le k-ième harmonique

𝑘

(à la fréquence 𝑘 ∗ 𝑓 ) se calcule grâce à la relation suivante :

Chapitre 3 166

3.4.1.1.3. Validation des modèles des sources de perturbation

Sur la figure 3.50, nous comparons le spectre du courant commuté issu de la

modélisation analytique au spectre obtenu via des résultats de simulation temporelle.

Nous utilisons le même exemple que celui de la figure 3.49.

ZOOM

𝑓

𝑑é𝑐

Paquets d’harmoniques espacés de 𝑓

𝑑é𝑐

Harmoniques majeures

Figure 3.50 - Comparaison du spectre du courant commuté obtenu analytiquement et par

simulation temporelle

Nous constatons la bonne correspondance des spectres, au niveau des allures

générales. Nous remarquons que les pics importants se regroupent par paquets autour

des multiples de la fréquence de découpage. Ces regroupements sont classiques lors de

l’utilisation d’une commande en MLI.

En zoomant, nous relevons tout de même des différences importantes entre les

harmoniques analytiques et celles de la simulation temporelle avec FFT. Cependant, ce

qui nous intéresse dans notre analyse, ce sont les pics prépondérants, car ce sont eux qui

risquent de dépasser les niveaux de la norme.

Pour ces pics, les écarts dépassent rarement les 3 dB, notre modélisation est

satisfaisante. Nous verrons par la suite que nous rajouterons une marge de sécurité à 5

dB à nos harmoniques, pour anticiper ces différences de l’ordre de 3 dB.

Chapitre 3 167

Nous avons réalisé les mêmes constats concernant nos sources de perturbations

en tension. Les résultats sont montrés en Annexe C.

Ainsi, cette approche analytique des sources CEM est validée, vis-à-vis de nos

besoins. Nous précisons que les faibles écarts entre notre modèle analytique et la

simulation temporelle ont été atteints grâce à une bonne analyse des temps de

commutation (cf. partie 1.2).

3.4.1.1.4. Temps de calcul

Nous avons mesuré les temps de calcul de nos modèles de sources, sur un

(Windows 10 / Intel Core i7 / 3,40 Ghz / 8 Go). Pour cela, nous réalisons 1000 calculs. Les

moyennes des temps sont montrées sur le tableau 3.1. Ces durées représentent le temps

mis pour calculer l’harmonique d’une source de perturbation, à une fréquence donnée.

1 source de tension 1 source de courant

Temps 0,143 ms 0,654 ms

Tableau 3.1 - Temps moyen de calcul des sources de perturbations

La différence s’explique par le fait que la formule de la source de courant requiert

plus d’opérations.

3.4.1.1.5. Calcul des dérivées

Les formules des harmoniques CEM sont des sommes d’expressions dérivables.

Elles utilisent les temps de commutation dont les expressions sont analytiques et

dépendent de certains paramètres du convertisseur (niveaux de tension, fréquences,

inductances d’entrée…) (cf. partie 1.2). Ces expressions sont également dérivables par

rapport à leurs arguments.

Nous avons écrit manuellement les dérivées des expressions des harmoniques,

puis l’environnement CADES effectue automatiquement la composition avec les dérivées

des temps de commutation. Ainsi, nous obtenons assez facilement les dérivées des

harmoniques des sources de perturbation par rapport à la configuration du PFC et des

paramètres de ses composants.

Chapitre 3 168