Techniques de détection pour la surveillance de charge pour l'énergie intelligente et l'automatisation

La détection au service de l'énergie intelligente

La mesure de l'énergie est une préoccupation clé dans le monde actuel, à des fins de facturation et de conservation de l'énergie. La fermeture de centrales thermiques classiques selon des initiatives telles que la directive sur les grandes installations de combustion de l'Union européenne oblige les réseaux électriques à davantage se reposer sur les sources renouvelables. Cela soulève l'importance de gérer la demande et d'encourager les changements de comportement des consommateurs. Les gouvernements du monde entier se lancent dans le déploiement de compteurs intelligents visant à apporter aux fournisseurs et aux consommateurs les informations requises pour gérer l'alimentation et réduire la demande, afin de garantir une stabilité du réseau électrique tout en luttant contre les changements climatiques.

Le basculement vers les compteurs intelligents prendra du temps, mais les dispositifs d'affichage de l'énergie domestiques (Figure 1) sont déjà sur le marché. Ces derniers présentent aux utilisateurs des données de consommation en temps réel pour les aider à identifier des opportunités de faire des économies. Les calculs de puissance et d'énergie dépendent des mesures de flux de courant précises collectées par un capteur installé dans le coffret du compteur, qui émet les données sans fil vers un récepteur et une unité d'affichage dans la maison. Le capteur de courant doit pouvoir être installé avec un minimum de perturbations sur le compteur existant ou sur le câble d'alimentation principal entrant dans les locaux : l'idéal est de pouvoir simplement le pincer sur le câble d'alimentation, sans avoir à le brancher au circuit.

Figure 1 : Un affichage d'énergie domestique comprenant un capteur à pincer et une unité d'affichage d'informations fournit les données de consommation sans requérir une mise à niveau complète vers un compteur intelligent.

La détection au service de la protection et de la gestion de l'équipement

Outre les applications d'énergie intelligente émergeant actuellement, les capteurs de courant isolés jouent différents rôles dans l'automatisation industrielle, notamment la garantie d'un fonctionnement écoénergétique de l'équipement, la détection rapide des défaillances de l'équipement ou la coordination des systèmes de verrouillage de sécurité. Les courants à détecter peuvent aller de quelques milliampères à plusieurs dizaines voire centaines d'ampères. L'envoi des informations à un PLC permet au système de définir une alerte ou d'exécuter une action corrective (Figure 2).

Figure 2 : Commande de machines dépendant du courant et circuit externe.

La correction du facteur de puissance (PFC) est largement utilisée pour améliorer le rendement énergétique et empêcher la contamination harmonique de la ligne CA. Des charges comme de grands moteurs, qui sont hautement inductifs, présentent un facteur de puissance faible, sauf si des batteries de condensateurs de correction sont branchées à l'entrée. La capacité nécessaire est la plus élevée lorsque les conditions de charge sont les plus élevées, quand le facteur de puissance est le plus faible. Cependant, lorsque les charges sont moins élevées, une surcorrection peut se produire si la capacité n'est pas réduite. La surveillance du courant d'entrée du moteur permet au système de détecter la charge appliquée. Si la charge est faible, un commutateur actionné par le courant permet de déconnecter le condensateur PFC pour empêcher une surcorrection.

En cas de défaillance de l'équipement d'usine automatisé, il est essentiel de détecter la défaillance et de prendre une mesure corrective le plus rapidement possible. Le contrôle de fours industriels ou les processus de production pharmaceutique, nécessitant un chauffage à une température contrôlée précisément, sont quelques exemples. Il est indispensable de détecter rapidement toute défaillance d'un élément de chauffage pour empêcher une perte de productivité, mais la surveillance de la température peut mettre du temps à détecter la défaillance. Si aucune mesure n'est prise avant que la température n'ait changé de manière significative, cela peut compromettre la qualité et détériorer des matériaux précieux. La détection de la baisse de courant soudaine qui se produit dès que l'élément tombe en panne donne une indication instantanée, qui permet de déclencher une réponse immédiate, par exemple l'activation du chauffage de secours.

De la même façon, la détection de l'entrée de courant vers un moteur permet de détecter immédiatement des problèmes tels que l'obstruction d'un tapis roulant, et d'envoyer les mesures du courant vers le PLC, ce qui permet d'éteindre rapidement le moteur pour des raisons de sécurité.

Une autre application de la détection de courant dans l'équipement industriel est la gestion des systèmes de verrouillage de sécurité. Ceux-ci peuvent être conçus pour protéger les opérateurs en empêchant l'ouverture des dispositifs de protection lorsque les machines sont en cours de fonctionnement. Les systèmes de verrouillage peuvent également empêcher l'endommagement de l'équipement ou permettre de coordonner les processus en garantissant un fonctionnement des diverses commandes et des divers actionneurs uniquement suivant la séquence appropriée. Étant donné que la consommation de courant donne une indication fiable de l'activation ou de la désactivation d'un sous-système, les commutateurs actionnés par le courant représentent un moyen idéal pour coordonner les systèmes de verrouillage en question.

Finalement, parmi les initiatives qui visent à améliorer la sécurité industrielle en général, une protection contre les défauts à la terre est mise en place sur chaque machine en plus du circuit de protection habituellement installé au niveau des disjoncteurs principaux. L'utilisation d'un capteur de défaut à la terre surveillant le courant dans les lignes qui alimentent l'équipement permet de détecter rapidement et en toute sécurité de faibles courants de fuite, révélateurs d'un défaut dans le circuit de masse.

Choix de capteurs de courant

Un capteur adapté pour une utilisation dans des commutateurs actionnés par le courant, des détecteurs de défaillance et des circuits de mesure possède certains attributs importants : un isolement électrique pour une sécurité optimale, une absorption de puissance minimale dans le circuit surveillé, une facilité d'utilisation et un faible coût. Selon l'application, la plage de mesures et la bande passante, ainsi que la capacité de résistance dans des conditions environnementales difficiles peuvent également constituer des critères importants. Des dispositifs tels que les capteurs Hall, les transformateurs de courant et les capteurs à bobine de Rogowski sont les trois principaux types de capteurs qui répondent à ces exigences.

Capteurs Hall

Le capteur de courant à effet Hall répond au champ magnétique généré autour du conducteur de courant et produit une tension de sortie proportionnelle au courant circulant dans le conducteur. Un capteur de courant linéaire typique associe un circuit intégré contenant l'élément Hall avec un noyau magnétique, conçu pour concentrer le flux magnétique sur le circuit intégré à effet Hall. Le circuit intégré et le noyau sont intégrés dans un boîtier en plastique qui assure un positionnement précis des deux composants l'un par rapport à l'autre.

Le capteur Hall TLI4970 proposé par Infineon contient des composants Hall différentiels et ne nécessite pas de concentrateur. Les effets d'hystérésis sont éliminés étant donné qu'aucun concentrateur n'est requis, et le principe de détection différentielle empêche les champs magnétiques externes d'interférer avec les mesures de courant. Le TLI4970 intègre les capteurs Hall avec un circuit de mise en forme des signaux analogiques et numériques (Figure 3) et occupe environ un sixième de l'espace carte requis par des capteurs comparables. Il permet de mesurer les courants directs et alternatifs jusqu'à ±50 A. La capacité de mesure de courant élevée est un atout connu des capteurs Hall, même si d'autres capteurs tels que les bobines de Rogowski et les transformateurs de courant offrent généralement une linéarité plus importante sur leurs plages de mesures.

Figure 3 : Le TLI4970 élimine les effets d'hystérésis et permet d'économiser de l'espace sur la carte à circuit imprimé.

Transformateurs de courant

Les transformateurs de courant ont été longtemps utilisés pour le contrôle, la protection des circuits et la surveillance dans les équipements comme les alimentations à découpage, mais également pour réaliser des mesures de courant de précision dans les applications d'instrumentation. Ces dispositifs permettent de mesurer des courants alternatifs et de fournir un isolement électrique entre les enroulements primaires et secondaires.

Le courant nominal de l'enroulement primaire régit efficacement la plage de mesures et un rapport de transformation élevé permet une résolution élevée des mesures. En fonction du transformateur de courant et de l'application, ce rapport peut se situer entre 1:20 et 1:1000. Un rapport excessivement élevé peut accentuer les effets capacitifs et inductifs dans le transformateur, provoquant des mesures inexactes. D'un autre côté, la sélection d'un rapport de transformation trop faible peut également générer des imprécisions en raison de la distorsion du signal de sortie.

Un inconvénient des transformateurs de courant est que les dispositifs adaptés pour mesurer des courants élevés peuvent être volumineux. D'un autre côté, des petits transformateurs de courant à montage en surface, par exemple la série 5300 de Murata, sont adaptés pour une utilisation dans les équipements tels que les commandes moteur, les alimentations à découpage et les ballasts d'éclairage électroniques et permettent de mesurer des courants jusqu'à environ 10 A avec une bande passante maximale de 500 kHz.

Les transformateurs de courant typiques sont enroulés autour d'un noyau métallique toroïdal, à travers lequel le câble conducteur de courant doit être introduit. Il existe aussi une conception à noyau divisé, permettant de pincer le transformateur de courant autour du câble. Cela permet d'installer le capteur plus facilement, comme dans cet affichage de données domestique. CR Magnetics propose dans sa série CR4100 des transducteurs de courant CA efficace permettant de mesurer précisément des formes d'onde de courant sinusoïdales ou non sinusoïdales, et pouvant être commandés en configuration à noyau divisé ou toroïdale.

Capteurs à bobine de Rogowski

Les capteurs de courant qui utilisent le principe de la bobine de Rogowski proposeraient plusieurs avantages par rapport aux capteurs de type Hall ou aux transformateurs de courant. Ils incluent la capacité à mesurer des courants forts sans saturation, une bande passante plus importante que les autres types de capteurs et la capacité de mesurer des courants qui changent rapidement jusqu'à plusieurs milliers d'ampères par microseconde. Ils permettent également de mesurer de petits courants CA qui ont un décalage CC important.

Un capteur de courant à bobine de Rogowski est placé autour du conducteur de courant, comme illustré dans la Figure 4. Le courant circulant dans le conducteur induit une tension dans la bobine, proportionnelle au taux de changement du courant. Le courant instantané circulant est alors calculé en intégrant cette tension. Le circuit intégré peut être mis en place en externe ou intégré dans le capteur pour produire une tension aux bornes de sortie qui est proportionnelle au courant. Étant donné que la bobine n'est pas branchée électriquement au circuit conducteur, l'isolement électrique est implicite.

Figure 4 : La bobine de Rogowski est placée autour du câble conducteur du courant à mesurer.

Les capteurs de courant à bobine de Rogowski peuvent être conçus pour mesurer des courants allant de quelques centaines de milliampères à des centaines de kiloampères. Pulse Electronics présente une vaste sélection de capteurs, notamment la série PA320, avec une plage dynamique de 0,1 A à 1000 A, une bande passante de 500 kHz et une précision très élevée conforme aux spécifications de précision ANSI C12.20 de classe 0.2 et CEI 62053-21 de classe 1. Ces caractéristiques permettent d'utiliser les capteurs pour des mesures de courant de précision dans des compteurs intelligents.

Conclusion

De la mesure de courant haute précision dans les applications de mesure, à l'exploitation de la haute vitesse de la surveillance de courant pour faciliter la gestion des machines industrielles et détecter immédiatement les défaillances critiques, les capteurs de courant à effet Hall, les transformateurs de courant et les capteurs à bobine de Rogowski offrent aux concepteurs une grande souplesse de choix pour parvenir à une solution qui répond à leurs principaux objectifs, comme les performances, la fiabilité et les coûts.