Compatibilité Electromagnétique et Qualité de l’Energie Electrique PDF

Compatibilité Electromagnétique et Qualité de l’Energie Electrique ( C.E.M. & Q.E.E. ) ou bien Q.E.E. & C.E.M. (Q.E.C.E.). Année Universitaire 2020 – 2021. M2 / ETI / ETT / FGE / USTO-MB. Partie 1. Professeur Fouad AZZOUZ Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 1...

Compatibilité Electromagnétique et Qualité de l’Energie Electrique ( C.E.M. & Q.E.E. ) ou bien Q.E.E. & C.E.M. (Q.E.C.E.). Année Universitaire 2020 – 2021. M2 / ETI / ETT / FGE / USTO-MB. Partie 1. Professeur Fouad AZZOUZ Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 1  La présence est plus que souhaitée dans les séances de Cours et TDs !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 2  Objectifs du cours!!! Importance de la prise en compte de la « C.E.M » dans la conception d’installations électriques et son impact sur la qualité de l’énergie électrique « Q.E.E » !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 3  Citation : La C.E.M. ne consiste pas à créer quelque chose de fondamentalement nouveau mais à supprimer les imperfections de nature diverse que l’on rencontre presque inévitablement lors du passage de la théorie à la pratique. F.Gardiol Professeur Honoraire à l’E.P.F.L !!! Lausanne !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 4  Plan du cours : Introduction Phénomènes perturbateurs- Enjeux technico-économiques  Sources de perturbations d’origine naturelle : la foudre  Sources de perturbations d’origine humaine : bruit industriel CEM et Qualité de l’Énergie Électrique Conclusion Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 5  Introduction La CEM : Mode d’emploi Une définition : - Discipline scientifique et technique ayant pour objet l’étude des problèmes de cohabitation dus aux perturbations EM. - Des règles de bons voisinages entre tous les systèmes électriques et électroniques, - Un domaine d’étude pluridisciplinaire : électromagnétisme, propagation, électronique rapide, systèmes électriques, métrologie. Objectifs :  Minimiser les perturbations E.M émises.  Protéger les systèmes sensibles. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 6  Introduction La CEM : Historique 1850 : Création des premiers télégraphes. Problèmes de diaphonie dus à des phénomènes de couplage entre 02 lignes voisines 1910 : Début de l’électrification du chemin de fer. Problèmes d’Interférences entre lignes de transport d'énergie et lignes de télécommunication La solution : Remplacement des fils téléphoniques par des câbles blindés pour minimiser les effets de couplage. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 7  Introduction La CEM : Historique  1930 : Développement des transmissions radio- Perturbations dues à l’environnement EM (champs EM parasites) Interférences radio 1934 : Création du CISPR par la C.E.I. Comité International Spécial sur les Perturbations Radio- électriques spécialisé dans la caractérisation des perturbations radioélectriques et dans l’établissement des premiers concepts servant à la qualification des phénomènes et des matériels. La solution de l’époque : changer la fréquence d’émission. Mais avec la multiplication des émetteurs les problèmes sont devenus plus sensibles Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 8  Introduction La CEM : Historique 1960 : La Grande évolution technologique Développement rapide des différentes applications de l’électricité dans tous les domaines avec utilisation de + en + croissante d’appareils électriques constituant des sources potentielles de perturbations EM. Avènement de l’électronique dans de nombreux domaines d’activité.: le transistor bipolaire en 1950, le circuit intégré en 1960, les puces à microprocesseur en 1970. Remplacement du traitement analogique des signaux par un traitement numérique à partir de 1970 accroissement des vitesses accroissement du domaine fréquentiel des perturbations accentuation des problèmes de CEM (accroissement de la sensibilité de ces éléments électroniques aux perturbations E.M environnantes). Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 9  Introduction La CEM : Historique 1960 : La Grande évolution technologique Développement des techniques et systèmes d’information : avec la multiplication des ordinateurs personnels, et l’augmentation des vitesses d’horloge le problème est devenu crucial établissement de normes destinées à limiter la « pollution » EM, et d’encourager la conception d’équipements capables de travailler correctement en présence de perturbations EM.  Large utilisation des appareils de commande et de contrôle électroniques [cas des dispositifs électroniques alimentés par des signaux de faible amplitude placés dans l’environnement de machines alimentées en courant fort les rendant vulnérables aux perturbations]. Remarque : « Évolution permanente et augmentation des perturbations !!! » Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 10  Introduction La CEM : Contexte Pourquoi la CEM ? Environnement bruité dû : Un nombre toujours croissant de systèmes électriques ou électroniques fonctionnant parfois à des puissances différentes et possédant des sensibilités différentes, Leur densité spatiale s’accroît (concentration) : un exemple : systèmes embarqués -l’automobile, Les fréquences de fonctionnement s’accroissent facilitant la propagation des signaux parasites La miniaturisation des composants électroniques (calculateurs, systèmes de contrôle-commande, micromoteurs …) Les tensions d’alimentation sont de + en + faibles plus de sensibilité aux rayonnements Les puissances mises en jeu sont de + en + élevées Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 11  Introduction La CEM : Enjeux Limiter ou éviter : Les dysfonctionnements bénins (Exemple : les brouillages radio) La destruction de composant (Exemple : les pertes de fonctionnalité) La destruction de systèmes (Attention à la sécurité, risque d’accidents mortels !!) Exemple : Chute d’un avion suite à un problème technique dû à des problèmes de perturbations (CEM). Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 12  Introduction La CEM : Impacts économiques Le niveau de bruit électromagnétique s’accroît de 3 dB/an : accroissement du coût lié à la protection, nécessité de contrôler d’avantage les émissions : les normes durcissent Le coût d’un problème CEM Nécessité d’intégrer la CEM lors de la conception d’un produit. Recours à des outils de simulation adaptés Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 13  Introduction La CEM : Importance en matière de sûreté Exemples de dysfonctionnements graves dus à une « mauvaise » CEM : -1967: Guerre du Vietnam, destruction du porte avion USS-Forrestal : un radar provoque la mise à feu d’une roquette qui détruit un avion et par effet boule de neige tout le porte avion. -1980: Les premiers allumages électroniques d’automobile sont perturbés par les Talkie Walkie de la police. -1982: Guerre des Malouines, destruction du Destroyer Sheffield par un missile Exocet : le système de détection anti-missiles était brouillé par les communications satellitaires du navire. -1990: Déclenchement de l’airbag lors de l’actionnement du klaxon … sans compter tous les petits dysfonctionnements dans tous les systèmes électriques qui se traduisent par des pertes de données, de temps et d’argent !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 14  Introduction La CEM : Importance en matière de sûreté La CEM peut être un enjeu vital lors de la conception d’un produit qui surpasse la contrainte économique Exemple: conception d’un capteur destiné à l’aéronautique Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 15  Introduction La CEM : Importance en matière de sûreté Un avion de ligne est foudroyé en moyenne une fois par an. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 16  Introduction La CEM : Qui est concerné?-  Strictement tous les systèmes électriques industriels, domestiques, militaire, aérospatial, doivent respecter les normes CEM.  Chaque industriel doit certifier ses produits depuis le 01/01/96 dans la CEE.  Le rôle de gendarme est assuré par les acteurs du marché, les amendes sont très lourdes. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 17  Introduction La CEM : Terminologie Emissivité :  Terme réservé à l’évaluation du pouvoir perturbateur d’un appareil  Perturbations générées par un appareil : Perturbations conduites (câbles, supports, …) Perturbations rayonnées (action par onde EM) Immunité :  Terme utilisé pour caractériser le niveau de protection intrinsèque d’un système vis-à-vis des perturbations externes  Immunité contre : Les perturbations conduites Les perturbations rayonnées Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 18  Introduction La CEM : Principes  Conduction et rayonnement, deux types de propagation: - Les perturbations conduites utilisent comme vecteur les matériaux conducteurs : Lignes de données Câbles d’alimentation Réseau de terre déficient - Les perturbations rayonnées sont transmises par une onde E.M et utilisent comme support les milieux diélectriques  Le plastique  Le bois  L’air, etc… Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 19  Introduction La CEM : Protagonistes Quelques sources de perturbations et leurs victimes SOURCES VICTIMES Émetteurs radio-fréquence Électronique analogique bas niveau Récepteur radiofréquence. Lampes à arc Électronique analogique et numérique Soudage HF Électronique analogique et numérique Allumage automobile Récepteurs radio-fréquences, toutes les électroniques Relais, contacteurs Toutes les électroniques Électronique numérique, Électronique analogique alim. à découpage,… Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 20  Introduction La CEM : Protagonistes Fréquences de quelques sources de perturbations  3 kHZ ÷ 30 kHz : Ecrans video  30 kHz ÷ 3 MHz : Radio AM, chauffage par induction  30 MHz ÷ 300 MHz : Radio FM  300 MHz ÷ 3 GHz : Four à micro, téléphonie mobile, émetteurs télévision. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 21  Introduction La CEM : Démarche d’étude Phénomènes naturels: Sources de perturbations Foudre Décharges électrostatiques Rayonnement cosmiques Couplages Phénomènes artificiels: Couplages : Émetteurs radio et radars Victimes  Conduits et rayonnés Appareils industriels  Diaphonie Traitement de l'information Traitement de l'énergie  Champ à câble ou à structure Dispositifs d'éclairage… Remèdes : Application de normes : Réduction des émissions En émission Durcissement Réduction des couplages En susceptibilité E.M Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 22  Introduction La CEM : Normalisation Normalisation CEM = Certification E.M (Marquage CE, en Europe) oblige les industriels à mettre en œuvre les mesures nécessaires pour assurer la compatibilité de leurs produits Surcoûts et des retards dans la fabrication Atout majeur pour la conquête des marchés !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 23  Introduction La CEM : Normalisation-rôles Garantir le bon fonctionnement des équipements électriques et électroniques Définir les niveaux d’émission (en conduit et en rayonné) Définir les niveaux de susceptibilité (en conduit et en rayonné) Informations générales sur les phénomènes perturbateurs. Description des techniques de mesures et d'essais. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 24  Introduction La CEM : Pour quel produit et à quel moment ? Question : Pour quel produit et à quel moment faut-il tenir compte des problèmes de CEM ?. Réponse : Pour tout produit : - risquant de se trouver dans un environnement perturbé. - particulièrement sensible.  Au moment de la conception du produit. Approche Intéressante du point de vue technico- économique Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 25  Introduction La CEM : Pour quel produit et à quel moment ? CEM à la conception du produit surcoût de 5 % CEM après construction du produit surcoût de 50 % CEM avec produit sur le marché surcoût de 100 % Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 26  Compatibilité Electromagnétique et Qualité de l’Energie Electrique ( C.E.M. & Q.E.E. ) ou bien Q.E.E. & C.E.M. (Q.E.C.E.). Année Universitaire 2020 – 2021. M2 / ETI / ETT / FGE / USTO-MB. Partie 2. Professeur Fouad AZZOUZ Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 1  Phénomènes perturbateurs  Sources de perturbations d’origine naturelle : la foudre Dangers et effets E.M. de la foudre:  Phénomène perturbateur important du fonctionnement de toutes les installations électriques, car :  toute la gamme de puissance et tous les niveaux de tension sont concernés: transport d’énergie THT, alimentations BT, transmissions de données ÷ circuits intégrés.  il peut être à l'origine de perturbations momentanées dans la continuité de service dégradations de la qualité des alimentations,  il peut causer des destructions de matériel longues interruptions de service des installations,  il constitue un danger pour les personnes (tension de pas, élévation de potentiel des masses et du circuit de terre). Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 2  Phénomènes perturbateurs Cas des réseaux électriques modernes C’est compliqué car ils comportent des dispositifs de contrôle commande à base d’électronique(sensibles) servant au pilotage à distance du réseau et qui sont très vulnérables donc souvent perturbés par les champs EM environnants. Modification néfaste des ordres de décision engendrant souvent des dysfonctionnements du réseau électrique alimentant des charges sensibles (Hôpitaux, structures militaires, industries à enjeux économiques et humains très grands). faire des investigations théoriques et expérimentales pour identifier et caractériser les champs EM agresseurs et quantifier leurs effets sur les différentes structures. Définition de stratégies de protection plus efficaces Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 3  Phénomènes perturbateurs / Impacts technico-économoiques La foudre ? C’est un Phénomène physique très complexe possédant des effets spectaculaires et destructeurs. En France deux millions de coups de foudre causent chaque année :  La mort de 40 personnes et de 20 000 animaux,  5 000 incendies,  50 000 coupures sur les réseaux électriques et téléphoniques,  La destruction de nombreux transformateurs et de milliers d'appareils électroménagers. Le coût total des effets de la foudre est estimé à près d'un milliard de francs par an. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 4  Phénomènes perturbateurs  La foudre = décharge électrique entre un nuage et le sol Cumulo-nimbus Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 5  Phénomènes perturbateurs  La foudre est définie comme une décharge électrique associée à une impulsion de courant transitoire de très forte amplitude. Nuage orageux + + + + ++ + + + + + + Canal fortement ionisé + + + + + +++ TC  30000 °K + +++ 1er arc en retour : Isol = 30KA - - - - - - - - -+ - + + tm  qques ms - - - Décharge tdem-des  50 ms préliminaire Onde sonore brutale Traceur négatif - -- -- - (Tonnerre) - - - + + - - - -+ - - - - Canal de foudre - + + + + + + - Coup de foudre + + + + + + Traceur positif Sol Esol = 1020 kV/m Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 6  Phénomènes perturbateurs  La suite du phénomène : Arc en retour subséquent (décharge ascendante) Étape la plus redoutable de tout le processus de foudre  Impulsions de courants très intenses (parfois 200kA), tm : 0.5 ms.  Impulsions EM émises (E,H) Rayonnement Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 7  Phénomènes perturbateurs  Ondes normalisées de foudre : Onde de tension 1.2/50 ms Onde de courant 8/20 ms Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 8  Phénomènes perturbateurs Effets de la foudre à proximité du lieu d’impact  Élévation de potentiel du sol (effet sur les structures-prises de terre-, personnes, animaux, …).  Surtensions sur les structures aériennes et les lignes électriques et téléphoniques.  Perturbations produites par induction magnétique sur les milieux conducteurs. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 9 Phénomènes perturbateurs Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 10  Phénomènes perturbateurs Les études des effets de la foudre se font en deux étapes : Première étape : Consacrée à la : Prévision de ce qui peut se passer sur une installation donnée et établissement de solutions d’amélioration – simulation du comportement des installations (Modélisation du phénomène) et validation des résultats par des études expérimentales-. Deuxième étape : Elle sert à la: Réalisation d’une étude technico-économique de coordination de l’isolement prenant en compte le coût des installations, de la maintenance, des interruptions de service. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 11  Rappel La coordination de l’isolement consiste à définir, à partir des niveaux de tension et surtension susceptibles d’être présents sur une installation, un ou des niveaux de protection contre les surtensions, pour ensuite pouvoir choisir les matériels de l’installation et les dispositifs de protection. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 12  Phénomènes perturbateurs  Quelques manifestations de la foudre Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 13  Phénomènes perturbateurs  Quelques manifestations de la foudre Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 14  Phénomènes perturbateurs  Quelques manifestations de la foudre Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 15  Phénomènes perturbateurs  Sources de perturbations d’origine humaine: bruit industriel (Made Man Noise)  Décharge Electrostatique (DES ou ESD) : Phénomène connu depuis l'antiquité (600 avant J.C- Notre prophète « ISSA »- Alayhi Salam) et qui pose problèmes de nos jours. DES ? C’est un transfert de charges électriques entre corps portés à des potentiels électrostatiques différents suite à l’accumulation de charges d’électricité statique. Électrisation = triboélectricité Générateurs potentiels ? Tous les objets conducteurs qui ne sont pas réunis à la masse de façon permanente. Exemples: couvercle métallique, outils, corps humain. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 16  Phénomènes perturbateurs  Décharge Electrostatique Déplacement et Charge d’une personne : Par frottement des pieds avec un sol isolant (tapis, revêtement synthétique(moquette)), la personne acquiert un courant de 0.1 mA, sa capacité étant » 200 pF, elle peut se charger jusqu’à 20 kV !!!. La charge de la personne = f(l'humidité relative de l'air, de la nature du revêtement du sol et des semelles de chaussures. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 17  Phénomènes perturbateurs Variation de la tension DES d’une personne en fonction de l’humidité ambiante Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 18  Phénomènes perturbateurs Une DES non ressentie par une personne peut facilement endommager un composant électronique !!! Composant Composant DES créée par contact d'un objet avec un DES créée par contact direct d'un objet outil pointu avec le doigt Une DES de 100 volts ou moins peut dégrader un composant ! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 19  Phénomènes perturbateurs Une DES non ressentie par une personne peut facilement endommager un composant électronique !!! Une DES peut se produire en l’absence de contact direct. Certains composants ont une tenue aux DES < 10 V ! ….. Une DES de 100 volts ou moins peut dégrader un composant ! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 20  Phénomènes perturbateurs Impulsion de courant d’une DES Caractéristiques :  temps de montée très court  spectre à HF Conséquences de la DES Risques de destruction de composants (faible énergie de destruction) Vieillissement prématuré des composants Arrêt ou remise à zéro des systèmes Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 21  Phénomènes perturbateurs  Impulsion EM d’origine nucléaire (I.E.M.N.) L’IEMN = Impulsion résultant de l’explosion d’une bombe atomique Deux types d’IEMN (selon l’altitude d’explosion) :  Explosion au niveau du sol  Explosion en haute altitude Explosion au niveau du sol Action limitée (quelques dizaines de km) Actions destructives (effet de souffle, thermique, action des rayonnements ionisants).  Production d’une impulsion EM (IEMN) de très forte amplitude Perturbations EM Destruction de systèmes Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 22  Phénomènes perturbateurs  Impulsion EM d’origine nucléaire (I.E.M.N.) Explosion à haute altitude Altitude (> 30 km) : IEMN-HA Action très large Action du champ EM très intense et très bref sur :  le matériel E/E  les systèmes de télécommunications  les systèmes de production et de distribution de l’énergie électrique Risque de déstabilisation d’un pays voire même d’un continent Absence d’effets destructifs de la bombe au niveau du sol Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 23  Phénomènes perturbateurs  Impulsion EM d’origine nucléaire (I.E.M.N.) Explosion à haute altitude (IEMN-HA) E(V/m) Ondes émises 105 104 1- IEMN-HA Immédiate 103 Caractéristiques : 102 101 Emax ≈ 50 kV/m tmontée ≈ 2.5 ns 10-8 10-7 10-6 10-5 t(s) Cette onde intéresse la majorité des industriels Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 24  Phénomènes perturbateurs  Impulsion EM d’origine nucléaire (I.E.M.N.) 2- IEMN-HA Intermédiaire Caractéristiques : Emax ≈ 100 V/m tmontée ≈ Quelques ms 3- IEMN-HA retardée MHD L’explosion nucléaire dans sa phase terminale met en jeu une boule de feu = Plasma comportant les débris de la bombe et les gaz chauds ionisés. Sous l’effet du déplacement + la distorsion momentanés de Hmag terrestre Création de l’onde IEMN-MHD Dangereuse pour les lignes longues Caractéristiques : (téléphoniques, électriques-traction E : faible (40 mV/m) électrique) : courants de 100 A en bout tmontée ≈ 1s de ligne (saturation des transfo ! ! ! ). Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 25  Phénomènes perturbateurs  Conséquences de l’ I.E.M.N.  Induction des surtensions transitoires très élevées qui affectent et détruisent les lignes d’énergie, de transmission et les antennes...  Effets de ces surtensions sur tous les systèmes raccordés (circuit d’alimentation, équipement téléphonique...) [les dV/dt peuvent atteindre plusieurs kV/ns]. Effets liés à l’ I.E.M.N.  Effet S.G.E.M.P (System Generated Electromagnetic Pulse-Impulsion Electromagnétique Engendrée à l’Intérieur des Systèmes) Interaction des photons g , et X avec les matériaux des boîtiers des équipements Création de champs E.M, qui sous certaines conditions, peuvent atteindre ceux produits à proximité de l’explosion. Couplage avec les câbles et les circuits à l’intérieur des boîtiers Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 26  Phénomènes perturbateurs  Effet T.R.E.E(Transient Radiation Effects on Electronics- Effets des Rayonnements Transitoires sur les Systèmes Electroniques) Interaction directe des photons g , X et des neutrons avec les câbles et les circuits électroniques.  L’ionisation due essentiellement aux rayons g  Le déplacement d’atomes dû aux neutrons rapides très énergétiques  L’échauffement dû à l’absorption de l’énergie des rayons X dans les matériaux.  Transferts de charges modifiant les potentiels électriques existants  Accroissement de la conductivité dans les diélectriques ou matériaux isolants.  Création d’un excès de porteurs minoritaires dans les semi-conducteurs. Production de défauts et dommages dans les dispositifs à semi-conducteurs. Modification des propriétés électriques et mécaniques des matériaux par fusion Choc thermique (fissures, fractures) dans les circuits et composants électroniques Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 27  Phénomènes perturbateurs  Perturbations Radioélectriques Perturbations dues à des émissions intentionnelles (signaux utiles) Rayonnement radiofréquence Émetteurs de télécommunications 1- Radiodiffusion et télévision - Puissance rayonnée élevée(quelques MW) - Installés en agglomérations !!! Exp. France Inter (émission GO) : fréquence : 162 kHz, puissance : 2 MW E ray : 1V/m d/émetteur : 7.8 m Victimes potentielles Systèmes raccordés aux lignes électriques aériennes ou aux lignes téléphoniques Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 28  Phénomènes perturbateurs 2- Émetteurs récepteurs portatifs (Talkie Walkie) - Puissance d’émission 1W et parfois plus - Eray > 1V/m à d/émetteur : 1-2 m Victimes potentielles - Systèmes de télécommande dans les centrales nucléaires - Convertisseurs d’alimentations à découpage - Écrans de terminaux de visualisation 3- Émetteurs récepteurs mobiles (GSM) - Puissance d’émission : 2W GSM 900 (890-915 MHz), 1W GSM 1800(1710- 1785MHz) - Eray max : 20 V/m GSM 900 et 29V/m GSM 1800 Victimes potentielles - Systèmes électroniques embarqués à bord des véhicules automobiles : ABS, injection électronique - Systèmes électroniques embarqués à bord des avions Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 29  Phénomènes perturbateurs Radars - Puissance rayonnée élevée(quelques MW) - Radars de navigation aérienne Fréquence entre : 1220-1370 MHz Puissance max  1.5 MW Emax 3-120 V/m d/radar : 1-2 km Victimes potentielles Équipements fonctionnant à faible niveau Exemple. Appareils à microprocesseurs, disques d’ordinateurs, Conduction : Systèmes de transmission par CPL Un courant porteur (f comprise entre 40 et 500 kHz) module le signal à envoyer Création d’un champ E.M. - Postes radio Victimes potentielles - Postes télévision - Calculateurs Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 30  Phénomènes perturbateurs Perturbations dues à des émissions non intentionnelles 1-Appareils industriels, scientifiques et médicaux (ISM) Soudeuses de plastique Four à séchage de bois Tables de cuisson à induction Fours à micro-ondes Bistouri électrique Stérilisateur Appareils utilisant l’énergie radiofréquence (spectre radioélectrique) dans un but autre que les télécommunications : Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 31  Phénomènes perturbateurs Émetteurs Industriels, Domestiques et Médicaux Utilisation Fréquence Puissance max E près de l’émetteur dB (mV/m) Table de cuisson à induction Q. dizaines de kHz Q. kW 110 à 130 à 3m (domestique) (fondamental) 70 à 100 à 3m (harmoniques) Machine à induction pour le 100 à 600 KHz Q. centaines de kW 90 à 110 à 3 m traitement des métaux Chauffage diélectrique pour 6.78 MHz Q. centaines de W à 80 à 130 à 30 m traitement des matières 13.56 MHz Q. centaines de kW plastiques 27,12 MHZ 40.68 MHz Appareillage HF médical 27 MHz Q. dizaines de W 60 à 90 à 30 m (bistouri électrique) 130 à 500 m Fours de séchage (laine, bois) 27 MHz Q. dizaines de kW 80 à 110 à 30 m Stérilisation 2450 MHz Q. kW 90 à 120 à 30 m Fours à micro-ondes 2450 MHz Q. centaines de W 80 à 110 à 3 m domestiques Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 32  Phénomènes perturbateurs 2-Alimentations à découpage (convertisseurs DC/AC et DC/DC) Ces convertisseurs sont caractérisés par la commutation rapide et à front raide de courants et tensions élevées. Les fréquences de découpage, selon la technologie (MOSFET,IGBT) des composants peuvent atteindre des centaines de MHz. Spectre radioélectrique perturbateur très important !!!  Les di/dt rapides générés permettent la création d’impulsions brèvesdede d’impulsions brèves tension tension aux bornes des inductances de connexion. Les dV/dt créent des impulsions decourant impulsions de courant dans les capacités parasites diverses. Le spectre de la tension perturbatrice créée par un convertisseur DC/DC à découpage est un spectre qui s’étale de 100 kHz à 30 MHz Risque de brouillage de la réception de la radiodiffusion (150 kHz-1.6 MHz). Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 33  Phénomènes perturbateurs 3-Appareils de traitement de l’information ATI C E M Ordinateurs et périphériques installés dans les bureaux, à l’échelle industrielle et domestique. Ce sont des sources de perturbations non intentionnelles car ils comportent : - des alimentations à découpage intégrées - des systèmes à logiques rapides intégrés et des systèmes d’alimentation THT pour les visuels. Spectre des signaux perturbateurs émis : Q. kHz à plusieurs centaines de MHz Brouillage de la réception des réseaux de télévision Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 34  Phénomènes perturbateurs 4-Appareils électrodomestiques  Rasoirs  Moulins à café  Aspirateurs  Machines à laver Appareils comportant des moteurs à balais + parfois des alimentations à découpage Étincelles Commutation Perturbations E.M. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 35  Phénomènes perturbateurs 5-Perturbations dues à l’exploitation du réseau électrique  Coupures de courants inductifs (manœuvres d’appareillage de coupure)  Cause : Manœuvres d’appareillages de Disjoncteurs coupure Contacteurs Interrupteurs Conséquences Sectionneurs o Surtensions … Matériel sensible Circuits électroniques sensibles Déformation de la tension du réseau suite à un choc de manœuvre Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 36  Phénomènes perturbateurs Conséquences Rayonnement E.M. H.F. : Champ EM transitoire HF Couplage avec tout élément conducteur Exemple : A 1 m d’une cellule moyenne tension 24 kV en manœuvre, des champs impulsionnels sinusoïdaux amortis atteignent une valeur crête de 7,7 kV/m et une fréquence de 80 MHz. Pour comparer Un talkie-walkie de 1 W génère, à 1 m de son antenne, des champs de l’ordre de 3 à 5 V/m. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 37  Phénomènes perturbateurs  Creux de tension et coupures brèves  Creux de tension = baisse de 10 % à près de 100 % de Unom pour t : 10 ms < t < Q.s.  Coupure brève = absence de tension pendant 1 s à 1 mn  Coupure très brève = absence de tension entre 10 ms et 1 s.  Microcoupure = coupure due à des phénomènes transitoires, absence de tension pour t < à 10 ms. Microcoupure de tension Creux de tension (DV) et coupure Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 38  Phénomènes perturbateurs  Causes Exploitation des Réseaux HT/MT  Mise sous tension de gros transformateurs, de condensateurs MT et des gros moteurs, courants d’enclenchement Creux de tension Défauts (court-circuit et défaut d’isolement). Exploitation des réseaux BT  Enclenchement de condensateurs; Démarrage de gros moteurs. Défauts (courts-circuits) sur la distribution principale BT.  Conséquences Plus gênantes pour les systèmes de petite puissance (faible inertie) Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 39  Phénomènes perturbateurs  Conséquences Enclenchement de relais et Ouverture de contacteurs Fonctionnement des protections et automatismes Problèmes de commutation des onduleurs assistés par le réseau Chute de couple(passage possible en zone instable) des moteurs asynchrones Possibilité de décrochage et de redémarrage de façon directe Extinction des lampes à décharges si le creux de tension est de 50% pendant 50ms Le ré allumage se produit quelques mn plus tard Défaut de fonctionnement des calculateurs - Perte de données remise à zéro (Reset) de systèmes numériques - Erreurs Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 40  Phénomènes perturbateurs  Fluctuations de tension  Variations rapides restant dans les limites de  10%, variation périodique ou une suite de variations aléatoires.  Causes Machines provoquant un appel de courant important tels que : -fours à arcs, -démarrages des moteurs asynchrones -démarrage des machines à souder  Conséquences Flicker à un niveau gênant pour les appareils à écrans ( téléviseurs) ou pour les lampes à incandescence. Variation de la tension secteur de quelques % Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 41  Phénomènes perturbateurs Flicker  Causes Des variations rapides de faible amplitude de la tension d'alimentation ayant pour cause :  la variation fluctuante de puissance appelée par divers récepteurs : fours à arc, soudeuses, moteurs… Ou :  la mise sous et hors tension de charges importantes : démarrage moteurs, manœuvre de batteries de condensateurs en gradins …  Conséquences Une fatigue physique et psychique pour les usagers de l’éclairage raccordés à proximité de la charge perturbatrice. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 42  Phénomènes perturbateurs Flicker Tension t Fluctuations de Flicker tension 10 % Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 43  Phénomènes perturbateurs  Fluctuations de tension  Variations lentes.  Causes  Variations de charge sur le réseau de distribution  Conséquences Chute de tension pour les abonnés situés près de gros consommateurs d’énergie  Surintensité ou surconsommation à puissance constante  Déséquilibre de tension Défini comme étant une différence d’au moins une des trois tensions du réseau électrique soit en amplitude et/ou en déphasage. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 44  Phénomènes perturbateurs Exemple : Dans un réseau triphasé, une charge monophasée, raccordée entre deux phases ou entre phase et neutre, peut provoquer un déséquilibre des tensions.  Causes  Présence de fortes charges monophasées raccordées non uniformément sur le réseau triphasé.  Conséquences  Apparition de composantes inverses de courant qui à leur tour engendrent des couples de freinage parasites et des échauffements dans les moteurs à courant alternatif.  Harmoniques Tensions et courants périodiques à des fréquences multiples entiers de la fréquence du réseau, de phase et d’amplitude différentes. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 45   Causes Phénomènes perturbateurs Certains appareils contenant des éléments non linéaires tel que :  les diodes, - Variateurs de vitesse et  les thyristors, convertisseurs  les bobines d’inductance, de fréquence, onduleurs…  les condensateurs - Fours à arc ou à induction (sidérurgie), appareils de soudure à qui absorbent des courants non sinusoïdaux. l’arc. - Postes de radiographie. - Appareils domestiques (téléviseurs, lampes à décharge et tubes fluorescents, etc). - Ordinateurs personnels. - Transformateurs saturés. - Machines tournantes(machines synchrones génératrices de l’harmonique 3). Exemple de déformation d’une sinusoïde par la superposition de l’harmonique de rang 3 Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 46  Phénomènes perturbateurs  Conséquences  Mesures faussées, fonctionnement défectueux des dispositifs de protection, de commande ou de comptage (compteurs d’énergie à induction).  Échauffements supplémentaires des moteurs asynchrones  Vieillissement prématuré et échauffement des condensateurs  Claquage diélectrique suite à la résonance entre la fréquence de l’harmonique et la fréquence propre d’un circuit résonant RLC.  Échauffement et saturation des transformateurs  Bruit, vibrations des appareils EM transformateurs, etc.)  Échauffement des câbles de transport d'énergie, surtout le neutre à cause de l'harmonique 3  Perturbation des liaisons courant faible (téléphone, contrôle-commande). Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 47  Phénomènes perturbateurs 6-Perturbations dues aux lignes de transport d’énergie électrique Deux catégories de perturbations :  Les perturbations à haute fréquence  Les perturbations à 50 Hz. Perturbations à haute fréquence  Causes  Effet Couronne  Aigrettes se produisant dans les zones locales à fort gradient de tension (décharges à la surface des isolateurs par exemple),  Décharges de type éclateur(défaut dans une ligne HT, mauvais contacts entre pièces métalliques).  Conséquences  Surtensions induites dans les lignes et structures conductrices (celles du poste de transformation par exemple)  Claquage diélectrique Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 48  Phénomènes perturbateurs Perturbations à 50 Hz : Champs EM perturbateurs  Causes Le passage du courant dans la ligne de transport HT  Exemples Emax produit au sol par une ligne à 400 kV est de l’ordre de 7kV/m. Hmax mesuré à 1 m au-dessus du sol = f(la charge de la ligne, la configuration des phases). Sa valeur est maximale pour des conducteurs disposés en nappe horizontale et peut atteindre 14 A/m à 15 m de l’axe de la ligne.  Conséquences Action sur les appareils comportant des canons à électrons tel que :  Les microscopes à balayage.  Les écrans de télévision ou d’ordinateurs. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 49  Phénomènes perturbateurs 7- Autres Perturbations -Perturbations provoquées par la soudure à l’arc -Perturbations dues à l’allumage des véhicules -Perturbations associées aux systèmes de traction électrique -Perturbations associées à l’éclairage fluorescent et enseignes lumineuses Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 50  Phénomènes perturbateurs Radiated : Rayonné EMI : Interférence Electromagnétique Conducted : Conduit EMS : Susceptibilité Electromagnétique Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 51  Phénomènes perturbateurs Termes Utilisés en C.E.M / E.M.C !!! Emissivité (Emission) Susceptibilité / Immunité Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 52  Phénomènes perturbateurs Frequency : fréquence Compatibility Margin : Marge de Compatibilité !!! Equipment : équipement Disturbance Level : niveau de perturbations Emission Limit : limite d’émission Immunity Level : niveau d’immunité Emission Level : niveau d’émission Immunity Limit : limité d’immunité Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 53 Phénomènes perturbateurs Perturbations Conduites Mode Commun Mode Différentiel ( Mode Asymétrique !!! ) ( Mode Symétrique Naturel !!! ) Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 54  Phénomènes perturbateurs Mode Commun Mode Différentiel Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 55  Phénomènes perturbateurs Mesure des Perturbations Conduites Mode Commun Mode Différentiel Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 56  Phénomènes perturbateurs Exemple sur la C.E.M des convertisseurs de puissance !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 57  Compatibilité Electromagnétique et Qualité de l’Energie Electrique ( C.E.M. & Q.E.E. ) ou bien Q.E.E. & C.E.M. (Q.E.C.E.). Année Universitaire 2020 – 2021. M2 / ETI / ETT / FGE / USTO-MB. Partie 3. Professeur Fouad AZZOUZ Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 1  Qualité de l’énergie électrique Q.E.E. & C.E.M. Ii T.H.D i (I )  Taux de Distorsion Harmonique individuel I1 du courant exprimée en % par rapport à la valeur efficace du courant du fondamental I1. Ii T.H.D i ( I / %)  x100 I1 Ui (U ) T.H.D i  Taux de Distorsion Harmonique individuel U1 de la tension exprimée en % par rapport à la valeur efficace de la tension du fondamental U1. Ui (U / %) T.H.D i  x100 U1 Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 2  Qualité de l’énergie électrique Q.E.E. & C.E.M. I 22  I 32 ...  I n2 T.H.D (FI / %)  x100 I1 I 22  I 32 ...  I n2  2 x100 I1  I 22   I 32   I 42   I n2     I2    I2    I2   ...    I2   x100  1   1   1   1   T.H.D  n (I ) 2  i x100 i 1 Taux de Distorsion Harmonique (T.D.H / T.H.D) du courant exprimée en % par rapport à la valeur efficace du courant du fondamental I1. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 3  Qualité de l’énergie électrique Q.E.E. & C.E.M. U 22  U 32 ...  U n2 T.H.D (FU / %)  x100 U1 U 22  U 32 ...  U n2  2 x100 U1  U 22   U 32   U 42   U n2    U 2   U 2   U 2   ...   U 2   x100  1   1   1   1   T.H.D  n (U ) 2  i x100 i 1 Taux de Distorsion Harmonique (T.D.H / T.H.D) de la tension exprimée en % par rapport à la valeur efficace de la tension du fondamental U1. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 4  Qualité de l’énergie électrique Q.E.E. & C.E.M. I 02  I 22  I 32 ...  I n2 T.H.D R / G / T  ( I / %) x100 I 02  I12  I 22  I 32 ...  I n2 I 2  I12 I 2  I12  x100  2 x100 I I 2  I1  2 I  1  x100  1    x100 1 I 2 I Taux de Distorsion Harmonique réel ou global ou total (T.D.H / T.H.D) du courant exprimée en % par rapport à la valeur efficace du courant réel. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 5  Qualité de l’énergie électrique Q.E.E. & C.E.M. U 02  U 22  U 32 ...  U n2 T.H.D R / G / T  (U / %) x100 U 02  U12  U 22  U 32 ...  U n2 U 2  U12 U 2  U12  x100  2 x100 U U 2  U1  2 U  1 x100  1    x100 1 U  2 U Taux de Distorsion Harmonique réel ou global ou total (T.D.H / T.H.D) de la tension exprimée en % par rapport à la valeur efficace de la tension réelle. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 6  Qualité de l’énergie (Q.E.E) et CEM Qualité de l’énergie = Qualité de la fourniture d’électricité. Auparavant Continuité de service Disponibilité de l’énergie chez le consommateur Aujourd’hui Évolution des critères de la Q.E.E avec le développement des équipements où l’électronique prend une place prépondérante dans les systèmes de commande et de contrôle Ces systèmes dégradent la qualité de la tension !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 7 Qualité de l’énergie (Q.E.E) et CEM Phénomènes intervenant dans la dégradation de la QEE.  creux de tension et coupures ,  harmoniques  surtensions temporaires ou transitoires,  fluctuations de tension ,  déséquilibres de tension,  variations de la fréquence d’alimentation Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 8  Qualité de l’énergie (Q.E.E) et CEM La Q.E.E. impose des contraintes sur :  la forme d’onde du courant ou de la tension (valeur maximale, fréquence)  la disponibilité de l’énergie. Le non respect de cette qualité Les performances de ses équipements = f(qualité tension d’alimentation) Insatisfaction du consommateur + Perturbations dans le fonctionnement des récepteurs sensibles. Effets immédiats Effets à long terme Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 9  Qualité de l’énergie (Q.E.E) et CEM Effets immédiats Exemple : Flicker ou la baisse de tension lors du démarrage d’un moteur ou de l’enclenchement de condensateurs Effets à long terme Exemple : Effets des harmoniques Effets cumulatifs, mal localisés souvent confondus avec la durée de vie des produits. Le contrôle de la qualité de l'énergie repose sur :  la surveillance des harmoniques,  la détection des creux et des fluctuations de tension  la détection des transitoires. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 10  Qualité de l’énergie (Q.E.E) et CEM En résumé : Qualité de l’énergie électrique = Qualité de la tension d’alimentation. + Fiabilité de la tension d’alimentation = f(interruptions et de leur durée) Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 11  Qualité de l’énergie (Q.E.E) et CEM Relation entre la CEM et la QE.E 1- Concept de base La CEM : Concept global et très large  Perturbations entrantes et sortantes  Entrées et sorties et l’alimentation  Conduction et rayonnement  Haute fréquence et basse fréquence. La QEE: Concept lié à la tension d’alimentation Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 12  Qualité de l’énergie (Q.E.E) et CEM 2- Critères Les critères de la Q.E.E sont directement issus de l’observation des perturbations électromagnétiques des réseaux électriques. CEM des réseaux électriques Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 13 Exemple d’une chaine de commande utilisée dans l’aviation : Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 14  CONCLUSION Ce qu’on peut retenir :  La CEM est une contrainte majeure dans la conception des systèmes.  Pour bien étudier un problème CEM il faut bien comprendre les phénomènes perturbateurs mis en jeux.  Ces phénomènes peuvent conduire à l’inconfort, la perte de l’outil de production, la mise en danger des personnes, la dégradation de la Q.E.E.  La Q.E.E. est un sujet stratégique pour les industriels.  La Q.E.E est liée aux perturbations EM présentes dans l’environnement du producteur d’énergie électrique et du consommateur de cette énergie. Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. / Q.E.C.E. 15  La présence est plus que souhaitée dans les séances de Cours et TDs !!! Merci de Votre Attention !!! Prof. Dr. Ir. Fouad AZZOUZ. 16