Un seul circuit intégré permet de relever le défi de la mesure d'énergie monophasée

De nos jours, les discussions concernant l'« énergie » et la « puissance » sont omniprésentes. Il ne s'agit pas seulement du niveau « micro » lié à la quantité utilisée par un circuit ou un système. Il y a également des considérations liées à l'énergie et à la puissance de ligne CA, principalement en ce qui concerne l'utilisation de l'énergie, les économies d'énergie et les sources d'énergie renouvelables. Voyons ce que ces termes signifient réellement et comment les mesurer efficacement.

L'une des premières leçons que les étudiants en ingénierie apprennent est ce que l'on entend par « énergie » et « puissance ». Ces deux éléments sont liés, mais clairement différents, et pourtant ils sont souvent utilisés de manière interchangeable dans les conversations et les rapports (même parmi les ingénieurs !).

Officiellement, l'énergie est la capacité à effectuer une tâche et la puissance est la vitesse à laquelle l'énergie est dépensée ou acquise. Mathématiquement, la puissance est la dérivée temporelle de l'énergie, tandis que l'énergie est l'intégrale temporelle de la puissance.

La valeur efficace (RMS) de la tension et du courant est essentielle dans l'analyse de la puissance et de l'énergie. Mathématiquement, la valeur efficace d'une tension variable au cours du temps f(t) est calculée à l'aide de l'équation suivante :

Équation 1

Où T = la période de la forme d'onde.

Notez que pour une onde sinusoïdale de base non déformée, il existe une relation simple entre la tension CA de crête et la valeur efficace :

Équation 2

Quelle est la signification de la valeur efficace d'une manière générale ? La valeur efficace d'un signal CA compare la valeur calorifique d'un signal CA inconnu à celle d'un signal CC connu sur des charges identiques et correspond à la quantité de CC nécessaire pour produire la même quantité de chaleur dans la charge. Lorsque la puissance dissipée dans les charges est égale, la tension CC connue correspond à la valeur efficace du signal CA inconnu.

Par exemple, si 1 volt (V) CA RMS est appliqué à un élément chauffant résistif, il produira la même quantité de chaleur que 1 V CC. En fait, certains instruments CC RMS avant l'avènement de l'électronique utilisaient une configuration dans laquelle une source CC et la source RMS inconnue chauffaient des résistances identiques. La source CC était ensuite réglée de manière à ce que les températures des résistances correspondent, ce qui permettait d'indiquer la valeur efficace.

Heureusement, les circuits intégrés ont permis de déterminer la valeur efficace assez facilement en utilisant des configurations de calcul entièrement analogiques (Figure 1). Dans ce circuit, l'amplificateur différentiel à gain programmable AD628 d'Analog Devices (configuré ici pour un facteur d'atténuation de 25) réduit le signal de la ligne électrique avant de l'appliquer au convertisseur RMS-CC AD8436 d'Analog Devices.

Figure 1 : Ce circuit entièrement analogique à deux circuits intégrés fournit une sortie CC représentant l'entrée RMS de la ligne d'alimentation CA. (Source de l'image : Analog Devices)

L'amplificateur différentiel a une entrée de mode commun de ±120 V et une plage en mode différentiel, ce qui en fait une solution idéale pour diviser la ligne d'alimentation haute tension. L'équivalent CC précis de la valeur efficace de la forme d'onde CA est fourni à RMS OUT.

La réalité actuelle de la ligne CA est beaucoup plus exigeante

Bien que l'approche entièrement analogique RMS-CC fonctionne, elle ne peut vous dire qu'une seule chose. Dans l'environnement de gestion de l'énergie actuel, le système a besoin d'en savoir beaucoup plus sur la forme d'onde CA monophasée, en plus de sa valeur efficace.

Le fait que la tension CA ne soit pas une onde sinusoïdale nette et précise, mais présente de nombreux écarts par rapport à la valeur nominale ainsi que des distorsions, complique le problème. De plus, la charge est rarement une résistance pure, ce qui entraîne des déphasages entre la forme d'onde de la tension et la forme d'onde du courant. Dans l'ensemble, certains attributs ne peuvent être déterminés que par une analyse numérique supplémentaire.

C'est dans cette réalité de la ligne CA qu'excelle le circuit intégré de compteur d'énergie ADE9153A avec auto-étalonnage d'Analog Devices (Figure 2). Il cible des applications comme les compteurs d'énergie monophasés, la mesure de l'énergie et de la puissance, l'éclairage public, les systèmes de distribution de puissance intelligents et la surveillance de l'état des machines. Le port SPI (Serial Peripheral Interface) haute vitesse de 10 mégahertz (MHz) de l'ADE9153A permet d'accéder aux registres de l'ADE9153A. Il fonctionne à partir d'une alimentation de 3,3 V et est disponible dans un boîtier LFCSP à 32 sorties.

Figure 2 : Le circuit intégré de compteur d'énergie ADE9153A avec auto-étalonnage cible les applications monophasées et dispose de blocs fonctionnels analogiques et numériques internes pour une analyse détaillée. (Source de l'image : Analog Devices)

L'ADE9153A fait bien plus que fournir la fonction de base de numérisation des valeurs de tension et de courant de la ligne CA. Son moteur de métrologie avancé calcule les principaux résultats liés à l'énergie et à la puissance, et peut calculer la tension et le courant de ligne, l'énergie active (wattheure [Wh]), l'énergie réactive fondamentale (voltampère réactif/heure [VARh]), l'énergie apparente et les calculs RMS du courant et de la tension.

L'ADE9153A inclut également des mesures de la qualité de la puissance comme la détection de passage par zéro, le calcul de la période de ligne, la mesure de l'angle, la détection des baisses et des hausses, la détection des crêtes et des surintensités, ainsi que les mesures du facteur de puissance (PF). Il fournit ces mesures tout en respectant les normes définies par les organismes de réglementation, comme les normes relatives à l'énergie active (CEI 62053-21 ; CEI 62053-22 ; EN50470-3 ; OIML R46 et ANSI C12.20) et les normes relatives à l'énergie réactive (CEI 62053-23 et CEI 62053-24).

Les performances commencent avec les canaux de capteurs

Les performances réelles obtenues en utilisant les fonctionnalités de tout dispositif avancé de mesure de l'énergie dépendent fortement de canaux de capteurs efficaces et crédibles. L'ADE9153A aborde ces points par deux approches : une connectivité physique appropriée pour les capteurs de courant et de tension, et un schéma d'étalonnage unique.

L'ADE9153A possède deux canaux de courant. Le canal A est un chemin de données sophistiqué optimisé pour l'utilisation avec un shunt et est présenté sous forme simplifiée et détaillée à la Figure 3.

Figure 3 : Circuit d'application simplifié avec un capteur de courant shunt sur le canal de courant A (en haut) ; chemin de données détaillé du canal de courant A (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Le canal B est destiné à être utilisé avec un transformateur de courant, également illustré en versions simplifiée et détaillée à la Figure 4. Notez qu'un intégrateur numérique est inclus dans le canal de courant B pour communiquer avec un capteur de courant di/dt comme une bobine de Rogowski.

Figure 4 : Circuit d'application avec un transformateur de courant comme capteur de courant sur le canal de courant B (en haut) ; chemin de données détaillé du canal de courant B (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

De même, l'ADE9153A possède un seul canal de tension avec son propre chemin de données, illustré en versions simplifiée et détaillée à la Figure 5.

Figure 5 : Circuit d'application simplifié avec tension détectée via un diviseur de résistance (en haut) ; schéma plus détaillé du chemin de données du canal de tension (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Pour relever le défi permanent de l'étalonnage des canaux, l'ADE9153A intègre la fonctionnalité d'auto-étalonnage mSure pour réduire de manière significative le temps d'étalonnage, la main-d'œuvre et les coûts d'équipement. Cette fonctionnalité permet à un compteur d'étalonner automatiquement les canaux de courant et de tension sans avoir besoin d'une source précise ou d'un compteur de référence lorsqu'une résistance shunt est utilisée comme capteur de courant.

La constante de conversion (CC) de chaque canal peut être mesurée en mettant le compteur sous tension. Cette seule valeur suffit à effectuer l'auto-étalonnage (la constante CC est la valeur que mSure renvoie lors de l'estimation de la fonction de transfert du capteur et du circuit d'entrée). Les compteurs de classe 1 et de classe 2 conformes aux normes de l'industrie sont pris en charge par l'auto-étalonnage mSure. Bien qu'aucun chiffre ne puisse rendre compte des nombreuses facettes de la précision de ce circuit intégré, une précision d'environ 1 % constitue une bonne base pour les résultats.

Assemblage

Un circuit intégré avancé comme l'ADE9153A est puissant et sophistiqué, mais il n'est pas simple de le configurer et d'exploiter pleinement son potentiel. Pour résoudre ce problème, Analog Devices accompagne l'ADE9153A d'une fiche technique de 50 pages, ainsi que d'autres documents qui fournissent des détails sur les meilleures pratiques pour la disposition du circuit imprimé, mais aussi des informations techniques supplémentaires (voir Contenu connexe).

La carte d'extension d'évaluation EV-ADE9153ASHIELDZ, basée sur la plateforme shield Arduino (Figure 6), offre une aide supplémentaire à l'intégration. Le shield dispose d'une résistance shunt intégrée pour la mesure du courant de ligne et permet une évaluation et un prototypage rapides des systèmes de mesure de l'énergie qui utilisent l'ADE9153A.

Figure 6 : La carte d'extension d'évaluation EV-ADE9153ASHIELDZ est un shield Arduino permettant d'accélérer l'évaluation et le prototypage des systèmes de mesure d'énergie qui utilisent l'ADE9153A. (Source de l'image : Analog Devices)

Le shunt intégré pour la mesure du courant de ligne supporte un courant nominal de 5 A et un courant maximal de 10 A. Il prend en charge les mesures de tension ligne-neutre jusqu'à 240 V RMS (nominal).

Une bibliothèque Arduino et des exemples d'applications pour l'ADE9153A sont également disponibles pour simplifier l'implémentation de systèmes plus importants. Grâce à l'auto-étalonnage mSure, le shield peut être étalonné pour mesurer l'énergie avec une précision de 1 % sur la plage dynamique sans avoir besoin d'équipements d'étalonnage coûteux.

Conclusion

Les défis auxquels sont confrontés les concepteurs pour répondre aux exigences actuelles en matière de mesure de la ligne CA dans un souci d'économie d'énergie ne peuvent pas être relevés par un convertisseur RMS-CC de base. Il convient de numériser les valeurs de tension et de courant de la ligne CA, puis d'appliquer des fonctions de calcul pour déterminer les nombreux paramètres de puissance et d'énergie nécessaires. L'ADE9153A d'Analog Devices offre les fonctionnalités et la précision nécessaires à cet effet grâce à ses chemins de données d'interfaçage des signaux d'entrée de tension et de courant, à un cœur de moteur de métrologie interne et à une interface SPI standard.

Contenu connexe

1. AN-1562, Layout Considerations when Adding Energy Monitoring to a System Using the ADE9153A

2. UG-1253, EV-ADE9153ASHIELDZ User Guide

3. UG-1247, ADE9153A Technical Reference Manual