Comment réduire les perturbations CEM des variateurs de vitesse?

Dans le secteur industriel, les variateurs de vitesse sont de plus en plus largement utilisés pour le transport de marchandises, la ventilation, etc. Ces convertisseurs alimentent et contrôlent des moteurs électriques. Les critères de dimensionnement de ce type de convertisseur sont le coût et la fiabilité. Les topologies les plus utilisées sont les redresseurs à diode pour absorber l’énergie sur le réseau couplés à des onduleurs triphasés (2 niveaux). Les moteurs étant fortement inductifs, les onduleurs sont très majoritairement utilisés sans filtrage. Les tensions commutées sont appliquées directement aux bornes du moteur, ce qui est tout à fait rationnel selon les critères établis plus haut. Mais depuis un certain nombre d’années, ce n’est pas un constat récent, les problèmes engendrés par cette architecture ont été bien identifiés, de même que leurs solutions. En cause, les fronts de tension extrêmement raides des commutateurs (entre 1 et 30 V/ns) entraînant des effets de propagation/réflexion dans les câbles entre le convertisseur et le moteur, avec comme conséquence des surtensions importantes sur le moteur. Ces fronts excitent également toutes les capacités parasites entre les câbles et la terre, provoquant la circulation de courants significatifs qui dégradent notamment les roulements à billes des moteurs. Sur une gamme de fréquence plus élevée (~10MHz à 500 MHz), ces fronts génèrent un bruit électrique à haute fréquence (des tensions de mode commun) qui peuvent perturber certains appareils électroniques, notamment des instruments de mesure présentant de fortes capacités à la terre ou aux masses métalliques du système.

Afin de limiter l’amplitude des fronts de tension, il est possible de modifier la topologie du variateur de vitesse (son schéma électrique). L’idée est d’augmenter le nombre de paliers de tension, ce sont les topologies multi-niveaux. Par exemple, un onduleur 3 niveaux présente des paliers entre U/2 et 0 et entre 0 et –U/2, où U est la tension total du bus DC. Un onduleur 2 niveaux présente lui des paliers entre U/2 et –U/2. Les paliers sont donc deux fois plus petits à 3 niveaux, les surtensions et le niveau des courants de circulation seront réduits. Cette solution doit être envisagée durant la phase de conception de l’installation et présente un coût d’investissement supérieur.

Il est également possible de filtrer ces perturbations de moyenne fréquence (~100kHz à 1MHz), mais ce filtrage est assez énergétique et fait intervenir des composants passifs relativement volumineux. Il s’agit des filtres « dv/dt » qui viennent limiter la pente des fronts de tension. Mais ces filtres ne sont généralement plus efficaces sur les fréquences élevées (> 1 MHz). Ces filtres peuvent être insérés à posteriori mais nécessitent une conception sur mesure du filtre et présente un coût relativement important.

Pour filtrer les perturbations hautes fréquence (> 1 MHz), des filtres de mode commun peuvent être utilisés. Ces filtres n’auront pas ou peu d’impact sur les surtensions et les courants de circulation, mais servent à réduire le niveau de bruit électrique sur des plages de fréquences élevées. La première bonne nouvelle, c’est que ces filtres de mode commun, par conception, ne sont pas excités par le courant différentiel, c’est-à-dire le courant utile. Si leurs conducteurs supportent le courant efficace de l’application, les champs générés par les conducteurs positif et négatif s’annulent dans le noyau magnétique. Il est alors possible d’utiliser des matériaux de fortes perméabilités, et donc d’obtenir des valeurs d’inductance très élevées. La deuxième bonne nouvelle, c’est que plusieurs fabricants proposent des inductances de mode commun sur catalogue, souvent disponible chez les détaillants, pour des courants jusqu’à 10 à 20 A. Il est donc assez facile, peu onéreux et peu volumineux d’installer des filtres de mode commun sur des variateurs de vitesse jusqu’à 5 kVA en monophasé et 15 kVA en triphasé.

Si vous avez des équipements sensibles à proximité, n’hésitez pas, optez pour le filtre de mode commun !