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

Extension de la méthode aux perturbations rayonnées par les

câbles de puissance

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

Approche temporelle, réduction du temps de simulation

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)