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7 CHAPITRE 1 LA COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE 8 1.1- INTRODUCTION Les cherche

7 CHAPITRE 1 LA COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE 8 1.1- INTRODUCTION Les chercheurs qui ont étudié et développé l’Electricité et ses différentes applications, étaient loin de se douter que cette forme d’énergie, réputée propre, ne l'était pas réellement. Comme tout facteur de modernité et de développement, elle n'est pas sans produire des effets secondaires indésirables pour l’environnement. Les victimes de cette pollution, d’origine électrique et de nature électromagnétique, sont les êtres vivants ainsi que les équipements électriques et électroniques. Les premiers, ne possédant pas de "capteurs" ne peuvent s'en rendre compte, mais les éventuelles conséquences peuvent se manifester à long terme [1]. Les seconds, sous l'effet des perturbations électromagnétiques, peuvent avoir un dysfonctionnement d'une, de plusieurs, voire la totalité, de leurs parties ou sous-systèmes. La génération, la propagation et l'influence de cette pollution électromagnétique sont trois facteurs qui font l'objet d'études et de recherches dans le cadre de ce qu'on appelle désormais la Compatibilité Electromagnétique ou CEM [2]. Le début du XXème siècle a vu se développer les équipements électriques tant industriels que domestiques. Bien que très mal connue, l’influence d’un équipement électrique sur un autre faisait son apparition, d'où la notion de compatibilité électromagnétique. La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) est un concept devenu aujourd'hui fondamental, il est apparu avec le développement des appareils de radio-transmission au début du siècle (1920) [3, 4]. On s’était aperçu rapidement que la multiplication des appareils électriques liée à l’activité industrielle et domestique, entraînait des perturbations de réception de plus en plus importante. La Compatibilité ElectroMagnétique est la discipline qui étudie ces perturbations électromagnétiques (sources, causes, moyens de propagation, effets sur l’environnement, protection, etc…). L’étude de ces perturbations associe toutes les disciplines scientifiques et techniques. Une perturbation électromagnétique est un phénomène plus ou moins complexe de par ses causes et ses effets; elle est occasionnée par la source qui induira des tensions ou courants parasites dans la "victime". La principale cause de production des ces perturbations est la variation rapide des tensions (dV/dt), des courants (dI/dt), des champs magnétiques (dH/dt) et des champs électriques (dE/dt). La conséquence la plus importante est l’induction de tensions ou de courants parasites dans les dispositifs sous l’influence de la perturbation. Elle peut avoir un 9 caractère de source de tension, de courant ou d’énergie, selon la nature du phénomène physique qui la produit. Le tableau 1-1 donne un aperçu sur la nature des sources de perturbations électromagnétiques sur des types d'équipements [5]. Type d’équipement Source de tension Source de courant Source d’énergie Machine tournante ♦ Transformateur ♦ Arc électrique ♦ Coupure de courant dans une inductance ♦ Décharge de condensateur ♦ Convertisseur statique ♦ Foudre ♦ Impulsion nucléaire ♦ Tab. 1-1 : Nature des sources de perturbations Les effets perturbateurs de l’électricité ont été détectés dès ses premières applications en génie électrique. En effet, les premières perturbations ont été constatées lors de l’utilisation du télégraphe (1850) où des problèmes de diaphonie entre les deux lignes du dispositif sont apparus. Plus tard, vers 1910, au début de l’électrification du chemin de fer, les lignes de télécommunications ont été perturbées par les lignes de transport d’énergie : première interaction entre un signal fort et un signal faible. Les phénomènes perturbateurs se sont accrus, avec le développement rapide des technologies utilisant des signaux de plus en plus rapide et de niveaux d'intensité de plus en plus bas. Aujourd'hui, la CEM d’un dispositif électrique ou électronique quelconque est définie par son aptitude à fonctionner dans un environnement électromagnétique de façon acceptable et satisfaisante sans pour autant perturber, au-delà de certaines limites, ce qui se trouve autour de lui dans ce même environnement [6, 7]. Les acteurs, ou composantes, d'une situation de perturbation électromagnétique sont au nombre de trois : Une source de perturbations électromagnétiques, 10 Un moyen de propagation, Un dispositif électrique ou électronique, perturbé se présentant comme un récepteur de ces perturbations ou une équipement victime. Sa vulnérabilité est également appelée susceptibilité électromagnétique. Une source de perturbation électromagnétique. Fig. 1-1 : Composantes de la Compatibilité Electromagnétique Pour atténuer les niveaux de ces parasites, il faut réduire à la source les niveaux d’émission, interrompre le chemin de propagation ou encore protéger le récepteur de façon à l’immuniser contre les émissions. Il y a lieu de noter qu'une source qui perturbe peut aussi s'auto-perturber. 1.2- LES SOURCES DE PERTURBATIONS Une source de perturbation électromagnétique est, par définition, un dispositif électrique ou électronique qui, lors de son fonctionnement normal, produit un signal nocif pour les systèmes environnants. Depuis 1989, les perturbations électromagnétiques sont officiellement considérées comme une pollution qu’il faut combattre en limitant l’émission et en assurant une immunité minimale aux matériels, équipements et systèmes. Le terme perturbation est utilisé à la fois pour désigner une situation ou un effet. Le signal désigne la tension ou le courant, qui produit cette situation ou cet effet [8]. Une perturbation électromagnétique peut être une tension électrique, un courant électrique, un champ magnétique ou un champ électrique, susceptible de perturber le fonctionnement d’un appareil ou d’un système. Sa durée peut être brève, momentanée (coupure de courant dans une self, ouverture d’un contact électrique) ou permanente (convertisseur statique, machine tournante, etc.). Source de perturbations Equipement victime Conduction ou Rayonnement 11 Les sources perturbatrices sont nombreuses et d’origine naturelle ou artificielle, intentionnelle ou non. A titre d'exemple, nous pouvons citer : Les sources naturelles : essentiellement représentées par des décharges électrostatiques, des bruits cosmiques, et la foudre qui se traduit par une impulsion électromagnétique intense et très brève. Les sources artificielles intentionnelles : ce sont des dispositifs dont la fonction principale est de rayonner, à savoir : les systèmes de communication tels que les émetteurs radio, TV, police, militaires, radar, système de navigation. Les sources involontaires : elles sont nombreuses et variées telles que l'alimentation à découpage, les relais, les commutateurs, les équipements audiovisuels, les éclairages fluorescents, l'allumage des véhicules, le soudage à l’arc, les machines électriques, les fours à induction, les lignes de transport d’énergie, les convertisseurs d’énergie électrique à semi-conducteurs, etc… Il existe aussi une source de perturbations électromagnétiques assez particulière qu’on qualifie de para-naturelle : c’est l’Impulsion ElectroMagnétique Nucléaire (IEMN), qui résulte de l’explosion d’une bombe nucléaire. Elle se traduit par une impulsion de forte intensité capable de détruire ou de perturber tout système électronique non durci. Elle produit un rayonnement qui peut engendrer des conséquences négatives très importantes. En effet, il a été prouvé, en 1958, qu’une explosion nucléaire dans la haute atmosphère, à 50km d’altitude (espace neutre) pouvait mettre hors service les réseaux de télécommunications et de télécommandes à l’échelle d’un pays [9] ! Un bruit, ou perturbation, comme tous les signaux de même nature, peut être caractérisé aussi bien dans le domaine temporel que fréquentiel. En CEM, c'est la caractérisation sous la forme spectrale qui est intéressante. En effet, c'est le spectre de fréquences qui peut nous renseigner sur une éventuelle Interférence Electromagnétique (IEM) entre la source de la perturbation et un système victime. 1.3- LES MOYENS DE PROPAGATION Une source perturbatrice serait sans effet sur un système victime si aucun lien n'existe entre eux. Ce lien, ou mécanisme d'interaction est appelé couplage. Les perturbations se propagent en deux modes seulement : le mode conduit et le mode rayonné. Si la source et la victime sont proches et liées galvaniquement, la perturbation se propage sur un support physique (conducteur, câble, ...). Elle est dite alors conduite. 12 Fig. 1-2 : Courant parasite renvoyé par un convertisseur statique à l'alimentation Si la source et la victime sont éloignées, et n’ont aucune liaison galvanique, la perturbation est transmise par ondes électromagnétiques. On parle alors de perturbation rayonnée. Fig. 1-3 : Perturbations rayonnées par un microordinateur Le champ électromagnétique rayonné est composé d’un champ magnétique H et d’un champ électrique E. 1.4 – LES PERTURBATIONS CONDUITES L’analyse des perturbations conduites est, en fait, une étude de réseaux électriques. Elle nécessite l’utilisation de modèles fins des différentes composantes des réseaux. Les phénomènes perturbateurs sont les gradients de tension dV/dt et de courant dI/dt. Les signaux parasites sont conduits en mode commun ou en mode différentiel [10, 11, 12]. En mode commun ou mode asymétrique, les potentiels des fils de liaisons varient en même temps et indépendamment l’un de l’autre. Le courant parasite qui en résulte circule dans tous les conducteurs et retourne par la masse. source victime ∆I ∆I I I Fig. 1-4 : Courant parasite de mode commun C E M Alimentation Hacheur 13 En mode différentiel ou mode symétrique, le courant parasite se superpose au courant utile et se propage le long des conducteurs de phase. Il se referme en parcourant les liaisons en sens inverse. Du fait de leur longueur, les conducteurs parcourus par des perturbations conduites (courants parasites), se comportent parfois comme des antennes pouvant aussi rayonner des champs électrique et magnétique dans leur environnement. 1.5- LES PERTURBATIONS RAYONNEES Ces perturbations sont des gradients du champ magnétique H (dH/dt) et du champ électrique E (dE/dt). Dans ce cas, les perturbations sont rayonnées sous forme de champ magnétique et de champ électrique dans l’espace. Leur intensité dépend uploads/Industriel/ chap1-pdf 1 .pdf