CEM

CEM : Compatibilité Électromagnétique

Définition
Aptitude d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique, de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement (vocabulaire électrotechnique international VEI 161-01-07).

Elle est maintenant une discipline : celle d’améliorer la cohabitation entre des éléments susceptibles d’émettre des perturbations électromagnétiques et/ou d’y être sensibles.

Perturbations

Les perturbations sont générées de multiples manières. A la base, leurs faits générateurs sont principalement des variations brusques de grandeurs électriques, tension ou courant.
Ces perturbations peuvent se propager, par conduction le long des fils et câbles, ou par rayonnement sous forme d’ondes électromagnétiques.
Elles engendrent des phénomènes indésirables : le brouillage des ondes radio et les interférences des émissions radioélectriques dans les systèmes de contrôle-commande en sont deux exemples.

Ces dernières années, plusieurs facteurs se sont conjugués pour augmenter l’importance de la CEM :
– Les perturbations sont de plus en plus importantes car U et I augmentent.
– Les circuits électroniques sont de plus en plus sensibles.
– Les distances entre les circuits sensibles (souvent électroniques) et les circuits perturbateurs (de puissance), se réduisent.

Les perturbations électriques les plus courantes
 

La CEM est un critère fondamental à prendre en compte dans toutes les phases de développement et de fabrication des produits, mais aussi dans les phases d’installation et de câblage.
La CEM est prise en compte dans les normes et devient une contrainte législative.

Une théorie complexe

Toute approche de la CEM conduit à l’étude d’un système à trois composantes :
– Le générateur de perturbations ou source.
– La propagation ou couplage.
– L’élément qui subit ou victime.
Bien que ces trois composantes ne soient pas strictement indépendantes, dans la pratique elles sont supposées comme telles.

L’étude théorique est difficile, car elle impose celle de la propagation des ondes électromagnétiques régie par un ensemble d’équations différentielles complexes : les équations de Maxwell.
Leur résolution n’est généralement pas possible de façon exacte dans des structures physiques réelles, et même avec des moyens informatiques très performants, une résolution numérique approchée est également très difficile.
En pratique il faut donc traiter les problèmes de compatibilité électromagnétique en faisant un certain nombre d’hypothèses simplificatrices, en utilisant des modèles, et surtout en ayant un recours constant à l’expérimentation et à la mesure.

Identification et mesure

La connaissance, ou plus exactement l’identification et la mesure, des sources est indispensable car elle permet d’arrêter le choix des solutions à mettre en œuvre pour :
– Limiter leur perturbation (placer un bloc antiparasite RC en parallèle sur une bobine AC, ou une diode sur une bobine DC, d’un contacteur par exemple).
– Éviter les couplages (distance entre deux éléments difficilement compatibles par exemple).
– Insensibiliser les victimes potentielles (utiliser des blindages par exemple).

Ses principales causes
Tout appareil ou phénomène électrique qui émet une perturbation électromagnétique, par conduction ou par rayonnement, est qualifié de source.
Les causes de perturbations sont principalement la distribution d’énergie électrique, les ondes hertziennes, les décharges électrostatiques et la foudre.

exemple
 

– Dans la distribution d’énergie électrique la plus part des perturbations proviennent des manœuvres de fermeture et d’ouverture des circuits :
En basse tension (BT), les ouvertures des circuits inductifs comme les bobines de contacteurs, les moteurs, les électrovannes… produisent aux bornes des bobines des surtensions très élevées en hautes fréquences (quelques kV et des dizaines, voire centaines de MHz).

Exemple commutation d’un circuit inductif

En haute tension (HTA et HTB) l’ouverture et la fermeture des sectionneurs provoquent l’apparition d’ondes à front très raide (quelques nanosecondes). Ces ondes sont particulièrement perturbantes pour les systèmes à microprocesseur.

– Les ondes hertziennes provenant des systèmes de télésurveillance, de télécommande, radio communication, télévision, talkie-walkie…, sont, pour certains équipements électroniques, des sources de perturbation de l’ordre de quelques volts par mètre. Tous ces émetteurs sont de nos jours de plus en plus utilisés et conduisent à protéger ces équipements.

– Les charges électrostatiques qui se produisent par exemple en conduisant un véhicule.
Par temps froid et sec, son corps peut atteindre un potentiel supérieur à 25 kV. Tout contact avec un équipement électronique provoque alors une décharge électrique qui peut pénétrer dans l’appareil par conduction et par rayonnement, et dont le temps de montée très court (quelques nanosecondes) est très perturbateur.

Principales caractéristiques de ces perturbations
Ces sources de perturbations peuvent être intentionnelles (émetteur radio) ou non intentionnelles (soudeuse par point). Elles se distinguent par les caractéristiques des perturbations qu’elles induisent :

Le spectre :
– La forme d’onde, ou le temps de montée, ou l’enveloppe spectrale.
– L’amplitude.
– L’énergie.

Le spectre, ou bande de fréquences couverte par les perturbations peut être très étroit, cas des radiotéléphones, ou au contraire large, four à arc par exemple.
Les perturbations impulsionnelles ont en particulier un spectre très large, pouvant aller jusqu’à la centaine de MHz.

Dans cette dernière catégorie on trouve essentiellement des perturbations ayant pour source :

Des décharges électrostatiques : le fonctionnement d’appareillage tels que relais, sectionneurs, contacteurs, interrupteurs et disjoncteurs, en BT et en HTA et HTB.

Les couplages étant directement fonction de la fréquence, la représentation fréquentielle des perturbations électromagnétiques est couramment utilisée en CEM.
Cette représentation s’apparente, pour un signal répétitif, à sa décomposition en série de Fourier (comme une somme d’harmoniques).

La forme d’onde est caractéristique de l’allure temporelle de la perturbation, sinusoïdale amortie ou bi-exponentielle par exemple. Elle s’exprime sous la forme d’un temps de montée “t_m” , d’une fréquence équivalente à ce temps de montée (0,35 / t_m ), ou simplement de la fréquence de la perturbation si elle est à bande étroite, ou enfin sous la forme d’une longueur d’onde λ qui se ramène à la fréquence f par la
relation λ = c/f où c est la célérité de la lumière (3.10⁸ m.s^-1).

L’amplitude est la valeur maximale atteinte par signal, tension (volt), champ électrique volt/mètre).
L’énergie de la perturbation est l’intégrale de sa puissance sur toute la durée de cette perturbation (Joule).

Exemple de caractéristiques spectrales de perturbations
 

Modes de couplage

Par couplage il faut comprendre liaison, passage ou transmission des perturbations électromagnétiques de la source vers la victime.
Le couplage est caractérisé par un coefficient “k_f” dit de couplage, exprimé en dB (-75 dB par exemple), pouvant être défini comme l’efficacité de transmission d’une perturbation de la source à la victime potentielle (k = 20 log A reçue/A émise, avec A amplitude de la perturbation).
Ce coefficient doit être le plus faible possible.

Trois modes de couplage :
– Le couplage champ à câble, en mode commun (par rapport à la masse) ou différentiel (entre fils).
– Le couplage par impédance commune.
– Le couplage câble à câble en mode différentiel ou diaphonie.

Le couplage champ à câble, en mode commun ou différentiel

Un champ électromagnétique peut se coupler sur toute structure filaire, donc tout câble, et générer sur ces structures des tensions soit en mode commun (par rapport à la masse), soit en mode différentiel (entre fils), soit plus généralement les deux.
Ces couplages sont appelés champ à câble, c’est l’effet d’antenne des fileries, des pistes de circuits imprimés…

Les couplages en mode commun sont ceux qui mettent en œuvre des perturbations de type tension ou courant de mode commun.
Une tension conduite de mode commun (V_MC) est une tension qui s’applique à l’ensemble des conducteurs actifs. Elle est référencée par rapport à la masse ou par rapport à la terre (cas habituel en électrotechnique) : ainsi les essais d’isolement de mode commun, des disjoncteurs basse tension, se font entre toutes les phases reliées et la terre.
Un courant de mode commun (I_MC ) est un courant qui parcourt tous les conducteurs actifs dans le même sens. Le courant induit par un choc de foudre sur une ligne BT est un courant de mode commun.

Exemple : tension et courant de mode commun entre deux relais d’un caisson d’appareillage basse tension d’une cellule haute tension (HTA).
 

Les couplages de mode différentiel concernent des tensions ou courants par exemple entre les deux phases d’un disjoncteur ou entre les deux fils qui amènent un signal de mesure à l’électronique.

Le couplage entre la composante magnétique d’un champ électromagnétique et une boucle de surface S formée par des conducteurs

La composante magnétique H du champ induit en série dans la boucle une tension égale à :
e = µ₀ S dH/dt
avec µ₀ = la perméabilité du vide (4 π 10 -7 H/m).
Ainsi, par exemple, dans un poste HTA, la boucle (d’un fil ou d’un câble) de 100 cm² placée à 1 m d’une cellule, qui serait soumise à un champ impulsionnel de 5,5 kVeff/m, verrait en transitoire une tension induite en série égale à 15 V.
Cette loi est considérée comme correcte tant que la plus grande dimension de la boucle n’excède pas un dixième de la longueur d’onde de la perturbation.

Exemple de boucle de masse dans un caisson d’appareillage basse tension (BT) d’une cellule haute tension (HTA).
 

Couplage par impédance commune

Le couplage par impédance commune résulte de la présence d’une impédance commune à deux ou plusieurs circuits.
Cette impédance commune peut être la liaison de masse, le réseau de terre, le réseau de distribution d’énergie, le conducteur de retour de plusieurs signaux dans une même liaison courant faible, etc.

Dans un circuit A un courant de l’ordre de la dizaine de mA suffit pour créer dans un circuit B des tensions perturbatrices de plusieurs volts. Le circuit de mesure devrait avoir pour référence le point M et non le point A. Ceci peut être gênant avec des électroniques à circuits intégrés travaillant sous des tensions du même ordre de grandeur.

les mesures effectuées par l’amplificateur opérationnel seront erronées car un courant perturbateur dans le circuit A (d’alimentation) suffit pour créer dans le circuit B (de mesure) des tensions perturbatrices.
 

Dans cet exemple, l’impédance commune peut être les quelques mètres d’un câble commun aux deux circuits A et B.
La perturbation a alors une valeur Uc, telle que Uc = Ia Zc, avec :
– Ia : courant perturbateur.
– Zc : impédance commune.
La valeur de l’impédance commune est généralement extrêmement faible en basse fréquence. Pour un réseau de terre par exemple, la sécurité impose des valeurs minimales de section des conducteurs de protection en fonction du schéma des liaisons à la terre (régime du neutre). La valeur de l’impédance à 50 Hz entre deux points du réseau de masse est donc toujours très inférieure à 1 Ω.

Couplage câble à câble en mode différentiel ou diaphonie

La diaphonie est un mode de couplage qui se rapproche du couplage champ à câble. Selon qu’elle a pour origine une variation de tension ou une variation de courant, elle est nommée diaphonie capacitive ou diaphonie inductive.
Une variation brusque de tension entre un fil et un plan de masse ou entre deux fils génère un champ qui peut être à faible distance, moyennant certaines approximations, considéré comme principalement électrique. Ce champ peut se coupler dans une autre structure filaire qui lui est parallèle. C’est la diaphonie capacitive.
De la même manière, une variation de courant dans un fil ou câble génère un champ électromagnétique qui, moyennant les mêmes approximations, peut être considéré comme purement magnétique. Ce champ peut alors se coupler dans une paire et induit une tension perturbatrice. C’est la diaphonie inductive.

Diaphonie capacitive et diaphonie inductive interviennent dès que des conducteurs électriques ont un cheminement parallèle et proche. Elles sont donc susceptibles de s’appliquer dans tout chemin de câbles ou goulotte, et tout particulièrement entre les câbles de puissance véhiculant en mode différentiel des perturbations HF et les paires de fils d’un réseau véhiculant des signaux numériques. Elles sont d’autant plus efficaces que la longueur des fils circulant parallèlement est grande, que l’écartement des fils ou paires est faible, et que la fréquence des phénomènes est élevée.

Diaphonie capacitive
Une variation brusque de tension V entre deux fils génère un champ qui, à faible distance, peut être considéré comme principalement électrique, et induire une tension V_N dans une autre structure filaire qui lui est parallèle.
 

Diaphonie inductive
Une variation de courant dans un câble génère un champ électromagnétique qui, à faible distance, peut-être considéré comme purement magnétique et induit alors une tension perturbatrice dans des fils formant une boucle.
 

Les couplages capacitifs et inductifs de ce type sont considérablement réduits par l’utilisation de paires torsadées, et/ou blindées.

Les solutions

Cas des enveloppes électriques (boitiers, coffrets, armoires)
Les facteurs d’optimisation sont principalement :
– Les mises à la terre maillés.
– Le blindage continu des câbles victimes et sources.
– Le passage et croisement des conducteurs.

La réglementation liée à la sécurité des personnes impose l’équipotentialité des masses métalliques de tous les équipements d’un bâtiment. Les équipements de puissance et informatique sont donc tous reliés au réseau de terre unique du bâtiment. Grâce à ses mailles interconnectées, ce réseau fait aussi écran à la pollution par les ondes de haute fréquence (HF).
Les points de raccordements répartis de façon symétrique autour du bâtiment équilibrent l’impédance de la liaison à la terre.
On observe cependant, même sur les installations en parfait état, une circulation de courant de 50 Hz sur certains conducteurs de terre (courant vagabond).
Ce courant peut atteindre jusqu’à plusieurs ampères sous quelques millivolts si le conducteur est suffisamment long. Ce courant peut perturber les liaisons courant faible analogiques (lignes des capteurs 0-10 V…) si elle sont câblées sans précautions. Les liaisons numériques sont peu affectées.

Protection des signaux courant faible
Les signaux des capteurs analogiques et les flux de données sont sensibles aux perturbations. On utilise des câbles blindés pour les acheminer. Ces câbles sont utilisés aussi pour réaliser des liaisons de puissance (variateur moteur moins perturbateurs).

Le blindage est constitué :
– D’une tresse, barrière efficace pour les fréquences jusqu’à quelques Mégahertz.
– D’un feuillard, théoriquement efficace au-delà de ces fréquences mais facilement dégradable lors des manipulations.
– D’un feuillard + tresse pour une protection de large spectre mécaniquement robuste.

Le raccordement du blindage à la masse permet d’évacuer les perturbations à la terre.
Le choix du raccordement d’une ou des deux extrémités à la terre privilégie la protection contre les basses ou hautes fréquences (HF) :
– D’un seul côté, les courants vagabonds 50 Hz ne peuvent circuler, protection HF moyenne.
– Des deux côtés, présence possible de courant 50 Hz mais la barrière contre les fréquences supérieures est renforcée.

Le filtrage
Certains équipements sont générateurs de perturbations sur leurs liaisons amont ou aval : variateurs de vitesse, convertisseurs de fréquence, alimentations à découpage…
Le traitement le plus approprié consiste à disposer un filtre sur la ligne perturbée, le plus près possible de l’équipement pollueur.
Les caractéristiques du filtre approprié sont données par les constructeurs en fonction de la tension, du courant dans la ligne et de la fréquence des perturbations à réduire.

– Le boîtier métallique des filtres doit être fixé à la plaque de fond de tableau. La surface de contact doit être exempte de peinture/isolant et être maximale.
– Pour les ferrites plusieurs passages du fil en boucles autour de l’anneau de ferrite renforcent l’atténuation (tout en empêchant l’anneau de glisser si le fil est fin).

Tableau électrique
Si un tableau électrique sans trou stoppe les ondes radioélectriques par effet “cage de Faraday”, le rayonnement magnétique est atténué par les tôles selon la nature du matériau. L’atténuation la plus importante est obtenue avec des tôles Alu-zinc.
Il convient de connaître l’atténuation demandée pour les deux effets (champ électrique et magnétique) pour choisir convenablement le tableau approprié.

Importance de l’implantation
La juxtaposition sans précaution d’équipements courant fort et courant faible, le cheminement de câbles de nature différente dans les mêmes goulottes prédisposent à des dysfonctionnements sévères.

Séparer
La spécialisation des tableaux par classe (puissance, commande, contrôle commande) est la mesure la plus efficace pour obtenir un bon résultat “CEM”. Le cheminement séparé des câbles perturbateurs et sensibles garantit couplage minimal.
Une goulotte métallique assure l’équipotentialité des tableaux et une conduction efficace des perturbations BF et HF.

Partitionner
Le partitionnement du tableau en deux zones :
– Puissance.
– Bas niveau.
C’est une alternative. Une cloison métallique permettra d’améliorer encore la CEM par le confinement de chaque zone.

De façon générale, les contacteurs sont à éloigner des appareils électroniques.

Assemblage du tableau
– Optimisation des masses : Pour un bon écoulement des perturbations BF et HF, les panneaux sont interconnectés à l’aide de tresses, y compris la porte. La résistance des points de contact est réduite par le nettoyage préalable de toute trace de peinture ou d’autre revêtement isolant.

– Plan de masse
Une plaque métallique non peinte est disposée en fond de tableau pour constituer un plan de masse sur lequel seront raccordées les différentes tresses, l’arrivée du câble de terre, les blindages de câbles…

– Ouvertures
Les découpes des panneaux destinées à recevoir des appareils de mesure, des afficheurs, des écrans sont réduites au stricte nécessaire pour limiter l’entrée de flux haute fréquence.

Installation des boîtiers recevant des câbles polluées
Positionnement des filtres, alimentations : Ces composants s’installent dans le tableau.
Lorsqu’on présume que leur liaison avec l’extérieur se fera par un câble pollué, il conviendra alors de disposer les boîtiers de façon à ne laisser entrer qu’une longueur minimale de câble. Ainsi, le rayonnement des perturbations HF sera réduit.

L’emploi de câbles blindés est à privilégier, le blindage sera relié à la plaque de masse du tableau. Si la longueur de câble entrant dépasse 1 m, raccorder son blindage au point d’entrée et au niveau du filtre.
Le boîtier métallique sera fixé à la plaque de masse, les points en contact doivent être exempts de peinture ou de tout autre matériau résistif ou isolant.

Les câbles

Classification des signaux par niveau de perturbation
 

Type de câbles recommandés en fonction de la classe du signal véhiculé
 

Cheminement externe des câbles

Cheminement extérieur en chemins de câble (dalles ou cablofil) métalliques
Éloigner les câbles courant fort des câbles courant faible :
– Chemins de câble séparées si les câbles sont non blindés (D ≥5 cm).
– Chemin de câble unique possible si les câbles courant faible sont blindés mais espacement maximum.
 

Renforcement de l’efficacité du blindage des câbles
Le rayonnement d’un câble blindé de liaison variateur/moteur sera encore réduit si il chemine dans un chemin de câble métallique fermée ou, mieux, dans un conduit métallique. Chemins de câble et tube sont reliés à la terre à chaque extrémité.
 

Organisation des entrées des câbles
Regrouper les câbles par nature de courant :
– Courants forts : alimentation, PEN… actionneurs.
– Courants faibles (inférieur à 100 mA) : communication analogique.
Créer des entrées spécifiques dans le tableau, une par nature de courant.

Entrée des câbles blindés
L’utilisation de presse-étoupes métalliques à serrage sur 360° préserve de façon idéale la CEM.
Le blindage du câble se trouve raccordé à la masse du tableau sur tout son périmètre sans être interrompu. Il se prolonge sur tout le cheminement interne du câble jusqu’au bornier, au filtre ou au variateur de vitesse où il est de nouveau relié à la masse. Les joints de mise à la masse enserrant le blindage au point d’entrée sont une solution alternative aux presses étoupes.

Circulation des câbles dans le tableau
A éviter
– Les effets capacitifs
Deux câbles se côtoyant constituent les armatures d’un condensateur. Les composantes à haute fréquence présentes dans l’un (surtensions transitoires, impulsions, par exemple) passent dans l’autre câble en traversant la capacité parasite.

– Les boucles inductives
Un courant alternatif (50 Hz, harmoniques), ou impulsionnel (foudre…) circulant dans un tableau en formant une boucle crée une spire inductive. Tous les matériels électriques se trouvant dans cette boucle seront traversés par un courant image du courant d’origine. Son énergie pourra être importante si la spire est formée par un câble de puissance.

– Les perturbations électromagnétiques locales
Les champs électromagnétiques variables générés lors de la commutation d’une bobine de contacteur ou lors de l’ouverture des contacts de puissance perturbent par couplage les conducteurs voisins. L’effet est renforcé si les conducteurs perturbateurs et/ou perturbés forment des spires.
 

Mise à la masse des blindages
Raccordement des extrémités des blindages
Les blindages sont stoppés au plus près des équipements auxquels sont reliés les câbles.
Le raccordement est fait avec soin, en enserrant le blindage avec une bride qui sera :
> Fixée à une réglette de masse.
> Fixée sur la plaque de masse du tableau.

Raccordement des câbles “en attente”
Les fils non reliés à un potentiel constituent des antennes captant et rayonnant les perturbations de haute fréquence. Ce phénomène sera annulé en les reliant à la masse la plus proche.

Croisement de câbles
Faire croiser à angle droit les conducteurs ou câbles véhiculant des signaux de classes différentes notamment sensibles (1 – 2) et perturbateurs (3 – 4).

Mise à la terre des chemins de câble métalliques
 

Le chemin de câble est boulonnée sur le panneau de l’armoire ou du coffret.

Les principaux composants CEM

Schémas des liaisons à la terre (régime de neutre)

Courants importants dans le PE
Certains Schémas de Liaison à la Terre sont propices au développement de forts courants de défaut d’isolement (TNS – TNC – IT interconnecté en situation de double défaut).
En cas de défaut d’isolement :
> Une chute de tension importante apparaît le long du PE pouvant gêner la transmission de données.
> Un rayonnement électromagnétique intense est généré lors de ce défaut et induit des tensions transitoires dans toute boucle de courant.

Solutions pour réduire cette perturbation interne :
> Découplage galvanique des électroniques sensibles.
> Interconnexion multiple des matériels et des structures métalliques.

Le schéma TN-C
Il combine les modes commun et différentiel puisque le neutre et PE sont confondus (PEN), est sensible aux harmoniques (de rang 3 et multiples) qui circulent dans le neutre, affectant son équipotentialité.

En schéma TN-C, le conducteur PEN peut être parcouru par un courant important. La chute de tension dans le PEN se répercute le long des blindages ce qui peut perturber les équipements communicants.

– Couplage par impédance commune : Il est nécessaire d’utiliser des “ électroniques flottantes ” (totalement découplées) pour ces systèmes.

– Couplage inductif : En schéma TN-C les courants circulant dans le conducteur PEN (notamment les harmoniques de rang 3), créent des rayonnements électromagnétiques dans les chemins de câbles et les structures.
Il est recommandé :
> De connecter à la terre le chemin de câbles le plus souvent possible et de vérifier sa continuité.
> D’éviter de positionner des électroniques sensibles près des structures métalliques.
> De réduire au maximum les boucles de courant.

Conclusion

L’introduction de l’électronique dans un grand nombre d’applications, et notamment dans les appareillages électrotechniques, oblige à prendre en compte une contrainte nouvelle : la compatibilité électromagnétique CEM. La mise en œuvre du matériel nécessite la prise en compte et les moyens de protection contre ses perturbations.