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Étalonnage des fréquences harmoniques pour mesures de puissance
L’étalonnage des compteurs électroniques est vital lorsqu’ils fonctionnent à des fréquences élevées avec de fortes harmoniques. En l’absence d’un tel étalonnage, les mesures et les relevés seront incorrects. Il existe des solutions simples pour mesurer les harmoniques avec une grande précision.
Lorsqu’ils fonctionnent à des fréquences élevées, les compteurs électroniques ne sont pas toujours en mesure de mesurer le courant et la tension de manière fiable. L’étalonnage classique est effectué à 50 Hz, mais les harmoniques supérieures ne sont pas étalonnées et sont donc mal mesurées. La marge d’erreur qui en résulte est donc plus importante pour les harmoniques supérieures.
La mesure des harmoniques impose des exigences plus élevées aux instruments de mesure (les compteurs dans notre cas). Un taux d’échantillonnage plus élevé nécessite des convertisseurs AD plus rapides et une plus grande puissance de calcul du processeur pour le traitement des données. Ces problèmes sont connus et bien décrits. Mais ce qui n’est jamais vraiment discuté, c’est la fréquence de l’étalonnage. Ce n’est pas surprenant, car les normes actuelles n’affectent pas l’état du réseau.
Quel est le comportement des capteurs de tension et de courant à des fréquences plus élevées ?
Pour calculer la puissance électrique, et par conséquent l’énergie électrique, il est nécessaire de mesurer et de numériser avec précision les deux signaux – tension et courant. Outre la magnitude des signaux, le déphasage entre eux est crucial. Les deux canaux sont constitués du capteur lui-même (diviseur de tension résistif, transformateur de courant), suivi d’amplificateurs, de filtres passe-bas (LPF) et enfin de convertisseurs analogique-numérique (ADC).
Tous les composants modifient légèrement l’amplitude et la phase du signal – c’est pourquoi les canaux doivent être testés comme un système complet, plutôt que comme des éléments individuels.
La réponse du canal de courant se compose de caractéristiques passe-haut (transformateur de courant) et passe-bas (LPF suivant). La réponse du canal de tension n’est représentée que par les caractéristiques du filtre passe-bas.
Il est évident qu’il y a un déphasage significatif du signal dans la gamme de fréquences. Il faut donc recourir à l’étalonnage pour calculer correctement la puissance électrique.
Rationalisation des processus d’étalonnage
L’étalonnage au cours du processus de fabrication du compteur d’énergie doit être aussi rapide et facile que possible et il n’est donc pas approprié de le faire sur tous les points (30 pts.) comme dans les images ci-dessous.
La relation entre les erreurs de canal et la fréquence peut facilement être décrite par la combinaison des fonctions de transfert du HPF et du LPF. Dans ce cas, seuls quelques points doivent être mesurés. Les lignes continues dans l’image ci-dessous représentent les résultats d’un processus d’étalonnage en trois points. La fréquence nominale (50 Hz) et les multiples décimaux – 500 Hz et 5000 Hz (10e et 100e harmoniques) ont été choisis.
Les différences entre la dépendance de la fréquence mesurée et celle calculée pour l’étalonnage en trois points sont acceptables. Les différences sont inférieures à 0,2 degré et à 0,2 % des erreurs de phase et de rapport respectivement pour les canaux de courant et de tension.
Seules huit constantes d’étalonnage sont nécessaires pour décrire la dépendance des erreurs par rapport à la fréquence dans les deux canaux – tension et courant. Toutes ces constantes sont stockées dans le FPGA, qui peut calculer les corrections pour toutes les fréquences discrètes après le processus FFT. L’application d’une correction aux résultats des calculs de la FFT garantit que l’amplitude et les phases des composantes de fréquence sont correctes et que la puissance électrique calculée n’est pas affectée.
Considérations sur le comportement et les limites du canal
L’utilisation de la méthode de correction suppose le comportement invariable des canaux en conditions réelles. Dans cet article, un transformateur de courant linéaire tolérant au courant continu a été utilisé. Ces TC présentent une erreur de phase importante mais presque constante (environ 4 degrés à 50 Hz). Cette erreur est constante même en présence d’un courant continu.
En revanche, les TC à double noyau qui sont également utilisés dans les compteurs d’énergie sont capables de mesurer en présence de courant continu, mais l’erreur de phase change lorsque le courant continu se produit. Par conséquent, cette erreur de phase ne peut pas être corrigée car le compteur d’énergie ne contient pas d’informations sur le courant continu.
Conclusion
Nous avons montré qu’il est possible d’effectuer un étalonnage simple de la fréquence des TC avec très peu d’erreur. Tous les calculs d’étalonnage sont effectués dans le FPGA. Cette solution permet de mesurer avec précision l’énergie à haute fréquence et, en tant que sous-produit, de développer une analyse de fréquence de la tension et du courant dans le réseau.