Surmonter les défis de conception dans la mesure d'énergie DC de précision

Grâce au développement de la technologie de conversion d'énergie efficace basée sur les semiconducteurs à large bande interdite, la mesure d'énergie DC de précision devient pertinente, surtout là où la facturation énergétique est impliquée. Cet article discute les défis de la mesure DC et propose une proposition pour un design de compteur d'énergie DC.

Les premiers développeurs de réseaux ont travaillé avec le courant alternatif (AC) pour alimenter le monde car c'était plus facile à utiliser. Dans de nombreux domaines, cependant, le courant continu (DC) peut améliorer considérablement l'efficacité, et de nombreuses applications voient maintenant les avantages de passer à l'échange d'énergie DC grâce au développement de technologies de conversion d'énergie efficaces et économiques basées sur les semiconducteurs à large bande interdite. En conséquence, la mesure d'énergie DC de précision devient pertinente, surtout là où la facturation énergétique est impliquée.

Dans le premier article de cette série en deux parties, nous avons discuté des opportunités pour la mesure DC dans les stations de recharge de véhicules électriques, la génération d'énergie renouvelable, les fermes de serveurs, les microgrids et le partage d'énergie pair-à-pair. Cet article discute les défis de la mesure DC et propose une proposition pour un design de compteur d'énergie DC.

Au début des années 1900, les compteurs d'énergie AC traditionnels étaient entièrement électromécaniques. La combinaison d'une bobine de tension et d'une bobine de courant était utilisée pour induire des courants de Foucault dans un disque d'aluminium rotatif. Le couple résultant sur le disque était proportionnel au produit du flux magnétique généré par les bobines de tension et de courant. Finalement, l'ajout d'un aimant de freinage pour le disque a rendu la vitesse de rotation directement proportionnelle à la puissance réelle consommée par la charge. À ce stade, mesurer l'énergie consommée est simplement une question de compter le nombre de rotations sur une période de temps.

Les compteurs AC modernes sont significativement plus complexes, précis et protégés contre la fraude. Maintenant, un compteur intelligent à la pointe de la technologie peut même surveiller sa précision absolue et détecter des signes de fraude 24/7 alors qu'il est installé sur le terrain. C'est le cas de l'IC de mesure Analog Devices ADE9153B, activé avec la technologie mSure^®. Les compteurs d'énergie — qu'ils soient modernes, traditionnels, AC ou DC — sont tous classés par leur constante d'impulsions par kWh et leur précision de classe en pourcentage. Le nombre d'impulsions par kWh désigne le taux de mise à jour d'énergie, ou la résolution. La précision de classe certifie l'erreur de mesure maximale de l'énergie.

Similaire à l'ancien compteur mécanique, l'énergie dans un intervalle de temps donné est calculée en comptant ces impulsions ; plus la fréquence d'impulsions est élevée, plus la puissance instantanée est élevée, et vice versa.

Architecture du compteur DC

L'architecture de base d'un compteur DC est représentée dans la Figure 1. Afin de mesurer la puissance consommée par la charge (P = V × I), au moins un capteur de courant et un capteur de tension sont requis.

cliquer pour l'image en taille réelle

Figure 1. Architecture système de compteur d'énergie DC. (Source : Analog Devices)

Lorsque le côté bas est au potentiel de terre, le courant circulant à travers le compteur est généralement mesuré côté haut pour minimiser le risque de fuites non mesurées, mais le courant peut également être mesuré côté bas, ou les deux côtés si requis par l'architecture de conception. La technique de mesure et de comparaison des courants des deux côtés de la charge est souvent utilisée pour doter le compteur de capacités de détection de défaut et de fraude. Cependant, lorsque le courant est mesuré des deux côtés, au moins un capteur de courant doit être isolé afin de gérer le haut potentiel à travers les conducteurs.

Mesure de tension

La tension est généralement mesurée avec un diviseur de potentiel résistif, où une échelle de résistances est utilisée pour réduire proportionnellement le potentiel à un niveau compatible avec l'entrée ADC du système.

En raison de la grande amplitude du signal d'entrée, une mesure de tension précise peut être facilement réalisée avec des composants standards. Cependant, une attention doit être portée aux coefficients de température et de tension du composant choisi, afin de garantir la précision requise sur toute la plage de température.

Comme discuté dans l'article précédent, les compteurs d'énergie DC pour des applications telles que les stations de recharge EV sont parfois tenus de facturer exclusivement l'énergie transférée au véhicule. Afin de satisfaire l'exigence de mesure, les compteurs d'énergie DC pour chargeurs EV peuvent être tenus d'avoir plusieurs canaux de tension, permettant au compteur de détecter la tension également au point d'entrée du véhicule (mesure 4 fils). La mesure d'énergie DC en configuration 4 fils assure que toutes les pertes résistives de la pile de charge et du câble sont déduites de la facture d'énergie totale.

Mesure de courant pour la mesure d'énergie DC

Le courant électrique peut être mesuré soit par connexion directe, soit indirectement, en détectant le champ magnétique généré par le flux du porteur de charge. La section suivante discute les capteurs les plus populaires pour la mesure de courant DC.

Résistance shunt

La détection de courant par connexion directe est une méthode éprouvée pour mesurer le courant AC et DC. Le flux de courant est routé à travers une résistance shunt de valeur connue. La chute de tension à travers la résistance shunt est directement proportionnelle au courant circulant comme décrit par la loi d'Ohm bien connue (V = R × I), et elle peut être amplifiée et numérisée, fournissant une représentation précise du courant circulant dans le circuit.

La détection par résistance shunt est une méthode bon marché, précise et puissante pour mesurer le courant de mA à kA, avec une bande passante théoriquement illimitée. Cependant, la méthode souffre de certains inconvénients.

Lorsque le courant circule dans une résistance, de la chaleur Joule est générée proportionnellement au carré du courant. Cela causera non seulement des pertes en termes d'efficacité, mais l'auto-échauffement changera la valeur résistive du shunt lui-même avec une dégradation de précision conséquente. Pour limiter l'effet d'auto-échauffement, une faible valeur de résistance est utilisée. Cependant, lorsqu'une petite résistance est utilisée, la tension à travers l'élément de détection est également petite et parfois comparable avec le décalage DC du système. Dans ces conditions, atteindre la précision requise sur le bas de la plage dynamique peut ne pas être une tâche triviale. Les étages analogiques de pointe, avec un décalage DC ultra-faible et une dérive de température ultra-faible, peuvent être utilisés pour surmonter les limitations des petites résistances shunt. Cependant, comme les amplificateurs opérationnels ont un produit gain-bande passante constant, un gain élevé limitera la bande passante disponible.

Les shunts de détection de courant à faible valeur sont généralement fabriqués à partir d'alliages métalliques spécifiques tels que manganèse-cuivre ou nickel-chrome, qui annulent les dérives de température opposées de leurs constituants pour aboutir à une dérive globale de l'ordre de dizaines de ppm/°C.

Un autre contributeur d'erreur dans la mesure DC par connexion directe peut être le phénomène de force électromotrice thermique (FEM), aussi connu sous le nom d'effet Seebeck. L'effet Seebeck est un phénomène dans lequel une différence de température entre au moins deux conducteurs ou semiconducteurs électriques dissemblables formant une jonction produit une différence de potentiel entre les deux. L'effet Seebeck est un phénomène bien connu, et il est largement utilisé pour la détection de température dans les thermocouples.

cliquer pour l'image en taille réelle

Figure 2. FEM thermique dans les shunts causé par gradient de température. (Source : Analog Devices)

Dans le cas de shunts de courant connectés 4 fils, la chaleur Joule se forme au centre de l'élément résistif d'alliage, se propageant tandis que les fils de détection en cuivre, qui peuvent être connectés à un PCB (ou un milieu différent), et qui peuvent avoir une température différente.

Le circuit de détection formera une distribution symétrique de matériaux différents ; par conséquent, le potentiel aux jonctions sur les fils de détection négatif et positif s'annulera approximativement. Cependant, toute différence de capacité thermique, comme un fil de détection négatif connecté à une masse de cuivre plus grande (plan de masse), peut produire une inadéquation dans la distribution de température, résultant en une erreur de mesure causée par l'effet FEM thermique.

Pour cette raison, une attention doit être réservée à la connexion du shunt et à la distribution de la chaleur générée.

Détection de champ magnétique — Mesure de courant indirecte

Effet Hall à boucle ouverte

Le capteur est construit avec un anneau à haute perméabilité magnétique à travers lequel le fil de courant mesuré est passé. Cela concentre les lignes de champ magnétique entourant le conducteur mesuré sur un capteur à effet Hall, inséré dans la zone de section transversale du noyau magnétique. La sortie de ce capteur est préconditionnée et généralement disponible dans différentes saveurs. Les plus courantes sont : 0 V à 5 V, 4 mA à 20 mA, ou interface numérique. Bien qu'offrant isolation et gamme de courant élevée pour un coût relativement bas, les précisions absolues ne descendent généralement pas en dessous de 1 %.

Effet Hall à boucle fermée

Un enroulement secondaire multi-spires sur le noyau perméable piloté par un amplificateur de courant fournit une rétroaction négative pour atteindre une condition de flux total nul. En mesurant le courant de compensation, la linéarité est améliorée et il n'y a pas d'hystérésis du noyau avec une dérive de température globale supérieure et une précision plus élevée comparée à la solution à boucle ouverte. Les plages d'erreur typiques descendent à 0,5 %, mais le circuit de compensation additionnel rend le capteur plus cher et parfois limité en bande passante.

Fluxgate

Est un système complexe à boucle ouverte ou fermée où le courant est mesuré en surveillant les variations de flux magnétique d'un noyau intentionnellement saturé. Une bobine est enroulée autour d'un noyau ferromagnétique à haute perméabilité qui est intentionnellement saturé par une bobine secondaire pilotée par une onde carrée symétrique en tension.

cliquer pour l'image en taille réelle

Figure 3. Un transducteur de courant à boucle ouverte basé sur un concentrateur de flux et un capteur magnétique. (Source : Analog Devices)

cliquer pour l'image en taille réelle

Figure 4. Un exemple du principe de fonctionnement des transducteurs de courant à boucle fermée. (Source : Analog Devices)

L'inductance de la bobine s'effondre chaque fois que le noyau approche la saturation positive ou négative, et le taux de changement de son courant augmente. La forme d'onde du courant de la bobine reste symétrique à moins qu'un champ magnétique externe ne soit appliqué en plus, auquel cas la forme d'onde devient asymétrique. En mesurant la taille de cette asymétrie, l'intensité du champ magnétique externe, et par conséquent le courant qui l'a généré, peut être estimée. Elle fournit une bonne stabilité de température et une précision jusqu'à 0,1 %. Cependant, l'électronique complexe du capteur en fait une solution coûteuse avec des prix 10 fois plus élevés que les autres solutions isolées.

Mesure d'énergie DC : Exigences et standardisation

Bien que la standardisation de la mesure d'énergie DC ne semble pas trop difficile à atteindre comparée à l'écosystème de standards de mesure AC existant, les parties prenantes de l'industrie débattent encore des exigences pour différentes applications, demandant plus de temps pour finaliser les détails exacts de la mesure DC.

L'IEC travaille sur la CEI 62053-41 afin de définir les exigences spécifiques pour les compteurs statiques DC pour l'énergie active avec des classes de précision de 0,5 % et 1 %.

Le standard propose une gamme de tensions et courants nominaux et fixe des limites sur la consommation maximale de puissance des canaux de tension et de courant du compteur. De plus, comme l'exigence de mesure AC, une précision spécifique est définie sur la plage dynamique, ainsi que le seuil de courant pour la condition de non-charge.

Dans le projet, il n'y a pas d'exigence spécifique pour la bande passante du système, mais un test de variation de charge rapide est requis pour être accompli avec succès, définissant une exigence implicite sur la bande passante minimale du système.

La mesure DC dans les applications de recharge EV est parfois conforme au standard allemand VDE-AR-E 2418 ou à l'ancien standard ferroviaire EN 50463-2. Selon EN 50463-2, les précisions sont spécifiées par transducteur, et l'erreur d'énergie combinée est alors une somme quadratique de l'erreur de tension, courant et calcul :

Tableau 1. Erreur de courant maximale en pourcentage selon EN 50463-2

Plage de courant	Classe 0,2R	Classe 0,5R	Classe 1R
1% à 5% IN	1%	2,5%	5%
5% à 10% IN	0,4%	1%	1,5%
10% à 120% IN	0,2%	0,5%	1%

Tableau 2. Erreur de tension maximale en pourcentage selon EN 50463-2

Plage de tension	Classe 0,2R	Classe 0,5R	Classe 1R
<66% VN	0,4%	1%	2%
66% à 130% VN	0,2%	0,5%	1%

Preuve de concept d'un compteur DC conforme au standard

Analog Devices est un leader de l'industrie dans la technologie de détection de précision, offrant une chaîne de signal complète pour des mesures de courant et de tension de précision répondant aux exigences restrictives des standards. La prochaine section montrera une preuve de concept pour un compteur d'énergie DC conforme au standard applicatif à venir CEI 62053-41.

En considérant l'espace de la mesure d'énergie DC de qualité facturation dans les microgrids et centres de données, nous pouvons émettre l'hypothèse des exigences montrées dans le Tableau 3.

Tableau 3. Spécifications du compteur d'énergie DC — Preuve de concept

Caractéristique

Nominal	Plage Dynamique	Mesure (Max Range)
Tension ±400 VDC	100:1	±600 V
Courant ±80 A	100:1	±240 A
Précision 1% à 5% INOM	1%
5% à 120% INOM	0,5%
Température –25°C à +55°C	–40°C à +70°C stockage
Constante compteur 1000 imp/ kWh
Bande passante Tension et Courant 2,5 kHz

Une détection de courant bon marché et précise peut être réalisée en utilisant un shunt de faible valeur et faible FEM (<1 μV_FEM/°C). Maintenir la résistance du shunt faible est fondamental pour réduire l'effet d'auto-échauffement et maintenir le niveau de puissance en dessous des limites requises par le standard.

Un shunt commercial de 75 μΩ maintiendra la puissance dissipée en dessous de 0,5 W.

cliquer pour l'image en taille réelle

Figure 5. Architecture système de compteur DC. (Source : Analog Devices)

Cependant, 1 % des 80 A nominaux générera un petit signal de 60 μV sur un shunt de 75 μΩ, nécessitant une chaîne de signal dans la gamme de performance de dérive de décalage sous-microvolt.

L'ADA4528, avec une tension de décalage max de 2,5 μV et une dérive max de tension de décalage de 0,015 μV/°C, est bien adapté pour fournir une amplification ultrfaible dérive, 100 V/V pour le petit signal shunt. Par conséquent, l'ADC 24 bits à échantillonnage simultané AD7779 peut être directement connecté à l'étage d'amplification, avec une contribution de dérive de décalage referencée entrée de 5 nV/°C.

La haute tension DC peut être mesurée avec précision avec un diviseur de potentiel résistif de ratio 1000:1 directement connecté à l'entrée ADC AD7779.

Finalement, un microcontrôleur implémente une fonctionnalité de métrologie simple, pilotée par interruption, échantillon par échantillon, où pour chaque échantillon ADC la routine d'interruption :

• Lit les échantillons de tension et courant
• Calcule la puissance instantanée (P = I × V)
• Accumule la puissance instantanée dans un accumulateur d'énergie
• Vérifie si l'accumulateur d'énergie dépasse le seuil d'énergie pour générer une impulsion d'énergie et réinitialise le registre d'accumulation d'énergie

De plus, en plus de la fonctionnalité de métrologie, le microcontrôleur active des interfaces au niveau système telles que RS-485, affichage LCD, et boutons-poussoirs.

cliquer pour l'image en taille réelle

Figure 6. Preuve de concept — prototype. (Source : Analog Devices)

---

Luca Martini a reçu un diplôme M.Eng. en électronique et génie des télécommunications pour l'énergie de l'Université de Bologne, Italie, en 2016. Dans le cadre de son M.Eng., il a passé sept mois à Fraunhofer IIS, Nuremberg, Allemagne, développant un système de contrôle de précision temps réel pour la caractérisation de récupérateurs d'énergie piézoélectrique. De 2006 à 2016, Luca a travaillé comme développeur système et matériel dans le secteur biomédical. En 2016, Luca a rejoint le groupe Energy and Industrial System chez Analog Devices, à Édimbourg, UK. Il peut être contacté à luca.martini@analog.com.

---

Contenus connexes :

• Le besoin croissant de mesure d'énergie DC de précision
• Amélioration de la confidentialité et sécurité dans le cycle de vie du compteur intelligent
• Atteindre la promesse de la vraie technologie de puissance sans fil
• Capteurs anti-fraude supportent la mesure intelligente
• Solutions émergentes améliorent la gestion de l'énergie des véhicules électriques
• Préparer les designs de compteurs de services de base pour le Smart Grid

Pour plus Embedded, abonnez-vous à la newsletter hebdomadaire d'Embedded.