Auteur : James C. Lewis, Directeur Marketing Technique KEMET Corp.
La technologie de ces compteurs est encore relativement nouvelle. Les approches de conception demeurent diverses, et les concepteurs ont besoin d'aide pour savoir comment traiter certains aspects importants comme la détection du courant consommé. Il existe un certain nombre de techniques, mais choisir la bonne est déterminante.
Conception de compteurs intelligents répondant à la demande
Des compteurs intelligents vont devoir être déployés en grands nombres si les " smart grids " (réseaux de distribution intelligents) veulent effectivement atteindre les objectifs attendus de réduction des gaz à effet de serre, d'intégration de sources d'énergie renouvelables, et de fiabilité supérieure. Le message est reçu. Il y a déjà plus de 50 millions de compteurs intelligents en service aux Etats-Unis à l'heure actuelle, selon l'US Energy Information Administration (administration américaine d'information énergétique). L'Union européenne a pour objectif de remplacer au moins 80% des compteurs conventionnels par des compteurs intelligents d'ici 2020. Certains grands pays d'Asie, comme la Corée du Sud et la Chine, sont également très engagés.
Le passage aux compteurs intelligents donne l'opportunité aux fabricants de compteurs de présenter de nouveaux produits dotés de caractéristiques évoluées et répondant aux besoins des opérateurs, des régulateurs, et des abonnés des différentes régions du monde. D'un point de vue technique, les compteurs intelligents évoluent encore et il reste de nombreux domaines à explorer au niveau application et au niveau interface utilisateur, ainsi que des techniques à utiliser pour capturer, traiter, et communiquer les données. Néanmoins tous les acteurs sont en gros d'accord sur le fait que les compteurs intelligents doivent être accessibles, faciles à installer, extrêmement fiables, et globalement sans-entretien. Ils doivent également satisfaire les normes établies en termes de précision. La Figure 1 montre les grands blocs fonctionnels d'un compteur intelligent, depuis la détection du courant, la mise en forme et le traitement du signal, jusqu'aux circuits d'affichage local et de transmission, reliant les compteurs à la société qui fournit l'énergie.
Technologie CPL ou sans-fil ?
La technologie de communication la plus populaire en Europe sont les courants porteurs en ligne (CPL), tandis que les fournisseurs d'énergie américains utilisent plutôt les technologies sans-fil. Un article de Greentechmedia avance que c'est parce que les réseaux de distribution américains font davantage appel à des transformateurs pour arriver jusqu'aux foyers, ce qui complique la transmission des données sur les lignes électriques.
Les grands fabricants de semiconducteur ont mis en avant différentes architectures sous forme de plateformes, permettant à leurs clients de construire des compteurs intelligents. Les concepteurs peuvent ainsi choisir parmi plusieurs compteurs intelligents sous forme de SoC (System on Chip, ou système sur puce) regroupant un microcontrôleur, un frontal analogique haute-précision, et des périphériques de métrologie spécifiques. Une autre approche combine un CI de comptage d'énergie dédié et un contrôleur DSC (Digital Signal Controller ou contrôleur numérique de signal), et tire profit du moteurs DSP intégré au DSC pour effectuer des calculs énergétiques.
Options de détection de courant
Au point de connexion entre le compteur intelligent et l'alimentation réseau, la détection précise du courant est essentielle pour calculer la consommation. Différents types de capteurs de courant permettent d'assurer cette tâche, comme une résistance shunt de précision, une bobine de Rogowski, un capteur à effet Hall, ou un transformateur de courant.
La résistance shunt offre certains avantages notamment un coût extrêmement faible et une bonne linéarité sur une large plage de mesure. D'un autre côté, la valeur de résistance doit être très faible pour minimiser la dissipation et ainsi répondre aux exigences réglementaires applicables aux compteurs électriques. Les normes IEC 62053-21 et 62053-23, par exemple, spécifient des pertes énergétiques maximum de 2W par phase. Une résistance de seulement quelques centaines de micro-ohms peut ainsi être utilisée, pour satisfaire aux exigences, ce qui se traduira par une tension très basse. Ce signal exige un filtrage précis et une amplification pour garantir la précision en présence de courants de faible intensité. A l'inverse, en cas d'intensité élevée, la dissipation thermique au sein du compteur peut poser un problème. En outre, un isolement galvanique peut s'avérer nécessaire, à l'aide de photocoupleurs ou de transformateurs, pour assurer la sécurité de l'utilisateur et éviter les courts-circuits entre phases dans les compteurs multiphasés.
Attention au coût
Une bobine de Rogowski ne présente pas les problèmes de dissipation thermique d'une résistance shunt, et elle est également plus facile à installer puisque la bobine n'est pas en circuit mais seulement placée "autour du câble principal" conduisant le courant. L'inconvénient de cette approche est que la bobine de Rogowski est sensible aux interférences extérieures, ce qui peut compromettre la précision de mesure aux faibles intensités, à moins que l'on installe un blindage. Ceci peut augmenter le coût de la solution.
Les capteurs à effet Hall sont typiquement plus coûteux que les capteurs de courant classiques, et sont également plus sensibles aux variations de température. Les capteurs non-stabilisés les moins chers perdent également leur précision avec le temps, tandis que les dispositifs stabilisés nécessitent des circuits de compensation qui augmentent le coût et la complexité. Les capteurs à effet Hall peuvent également saturer aux valeurs de courant continu les plus élevées.
Un transformateur de courant offre plusieurs avantages, notamment un faible coût, une dissipation énergétique minimale, une installation facile, et une très bonne stabilité, aussi bien au temps qu'à la température. L'immunité aux parasites est bonne, à la différence d'une bobine de Rogowski, puisque le circuit magnétique est fermé. Il faut néanmoins veiller, quand on choisit un transformateur de courant, à ce qu'il fonctionne bien dans sa plage linéaire et aussi à éviter la saturation par des courants continus élevés.
Conception utilisant un transformateur de courant
Le transformateur à bride C/CT-1216 montré en figure 2 et proposé dans le cadre du partenariat de KEMET avec NEC TOKIN, offre les avantages que l'on attend des transformateurs de courant, et il peut être installé facilement par serrage autour du câble d'alimentation sous tension. Il dispose d'une sortie tension, ce qui évite d'avoir à utiliser des résistances externes gênantes. Un autre avantage de ce dispositif est sa très faible erreur de phase, inférieure à 1°, qui peut facilement être compensée pour garantir une précision de mesure optimale.
Par rapport au rapport d'enroulement des transformateurs à usage universel, qui varie typiquement entre 1 / 10 et 1 / 1000, le rapport de transformation de courant de 1 / 3000 du C/CT-1216 permet une mesure précise sur une large plage de courant allant de 0.1A à 120A. L'incertitude relative de moins de ±1% est améliorée de 50% par rapport aux générations précédentes, ce qui garantit que toutes les pièces sont bien à l'intérieur des limites de précision demandées.
Quand on choisit un transformateur de courant, son courant nominal doit être assez haut pour qu'il ne sature pas aux valeurs les plus élevées du courant échantillonné. En général il faut prévoir autour de 130% du courant maximum à mesurer. D'un autre côté, choisir un transformateur de courant avec un courant nominal trop élevé, aboutira à une solution à la fois trop coûteuse et inutilement encombrante. Le C/CT-1216 présente un courant nominal de 120A efficaces, bien adapté aux applications de compteurs ménagers. La figure 3 montre la relation parfaitement linéaire entre la tension de sortie et le courant primaire, ce qui garantit une précision constante sur une large gamme de charges résistives.
Conclusion
La conception de compteurs intelligents continue d'évoluer, et pourrait converger vers une architecture fondamentale commune, avec la généralisation des " smart grids ". Bien que différentes techniques de détection de courant aient été testées, le transformateur de courant répond aux exigences les plus importantes, comme la précision, le rendement d'énergie, la fiabilité, et la facilité d'utilisation, le tout à un prix économique.
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