Développement et avantages technologiques du comptage d'énergie en courant continu

Le comptage d'énergie en courant continu améliore la précision de la facturation énergétique

Les gouvernements du monde entier mettent actuellement en œuvre des plans d'action pour relever le défi à long terme et complexe de la réduction des émissions de CO2. Les émissions de CO2 ont été identifiées comme un contributeur majeur aux conséquences du changement climatique, entraînant une demande rapide de nouvelles technologies de conversion d'énergie efficaces et de chimies de batteries améliorées. 

Aujourd'hui, la demande pour des solutions énergétiques plus efficaces et respectueuses de l'environnement est en pleine croissance. Bien que les premiers développeurs de réseaux aient trouvé plus simple de fournir du courant alternatif (AC) au monde, le courant continu (DC) offre une efficacité nettement améliorée dans de nombreux domaines. Les applications de mesure d'énergie en courant continu sont variées, les stations de recharge en courant continu pour véhicules électriques étant sur le point de devenir une direction de développement cruciale.

Ces dernières années, des efforts significatifs ont été déployés pour augmenter la capacité et la durée de vie des batteries, parallèlement au déploiement d'un réseau de stations de recharge pour véhicules électriques à grande échelle. Ce réseau est essentiel pour éliminer les préoccupations liées à l'autonomie de conduite ou aux temps de recharge, permettant ainsi des voyages longue distance confortables. De nombreux fournisseurs d'énergie et entreprises privées installent des bornes de recharge rapide avec des capacités allant jusqu'à 150 kW, l'intérêt public étant également suscité par des bornes ultra-rapides pouvant atteindre jusqu'à 500 kW par station de recharge. Étant donné la puissance de crête locale de charge atteignant des mégawatts dans les stations de recharge ultra-rapides et les tarifs premium associés à l'énergie pour une recharge rapide, la recharge des véhicules électriques est appelée à devenir un marché substantiel d'échange d'énergie électrique, nécessitant une mesure d'énergie précise à des fins de facturation.

Une autre application cruciale de la distribution en courant continu est celle des micro-réseaux, qui sont essentiellement des versions réduites des systèmes publics de distribution d'énergie nécessitant des sources d'énergie sûres, fiables et efficaces. Les micro-réseaux sont utilisés dans des environnements tels que les hôpitaux et les bases militaires et peuvent même fonctionner comme partie intégrante des systèmes publics où la production d'énergie renouvelable, les générateurs à carburant et le stockage d'énergie créent collectivement un système de distribution énergétique fiable.

Les micro-réseaux sont également utilisés dans les structures de bâtiments, où l'utilisation généralisée de générateurs d'énergie renouvelable permet aux bâtiments de produire leur propre électricité. L'énergie générée par des panneaux solaires sur les toits et de petites éoliennes est suffisante pour un fonctionnement autonome tout en recevant un soutien du réseau public.

Les centres de données alimentés par une alimentation en courant continu constituent une autre application importante. Les opérateurs de centres de données examinent activement diverses technologies et solutions pour améliorer l'efficacité énergétique des installations, étant donné que l'énergie représente l'un de leurs principaux coûts.

Les opérateurs de centres de données reconnaissent les avantages associés à la distribution en courant continu, qui non seulement réduit le besoin de conversions minimales entre AC et DC, mais facilite également une intégration plus simple et plus efficace avec les sources d'énergie renouvelable. Réaliser des économies d'énergie de 5 % à 25 % peut améliorer l'efficacité de la transmission et de la conversion, réduire la génération de chaleur et doubler la fiabilité et la disponibilité tout en diminuant l'espace au sol requis de 33 %. Avec de nombreux opérateurs adoptant des approches de mesure basées sur la consommation électrique pour facturer les clients, le comptage précis de l'énergie en courant continu devient de plus en plus important.

La mesure de l'énergie électrique nécessite la capacité de détecter les défauts et les manipulations de l'électricité

Au début du 20e siècle, les compteurs CA traditionnels étaient entièrement électromécaniques. Ils utilisaient une combinaison de bobines de tension et de courant pour induire des courants de Foucault dans un disque en aluminium en rotation. Le couple produit sur le disque en aluminium, en raison du produit du flux magnétique généré par les bobines de tension et de courant, était proportionnel à l'électricité consommée. Enfin, un aimant de freinage a été ajouté au disque en aluminium pour garantir que la vitesse de rotation soit directement proportionnelle à la puissance réelle consommée. En comptant le nombre de rotations sur une période de temps, la consommation d'électricité pouvait être mesurée.

Les compteurs CA modernes sont beaucoup plus complexes et précis, et ils peuvent également prévenir le vol d'électricité. Les compteurs intelligents avancés peuvent surveiller leur précision absolue et détecter des signes de vol sur place en continu. Qu'il s'agisse de compteurs modernes, de compteurs traditionnels, de compteurs CA ou de compteurs CC, ils sont classés en fonction de leurs constantes d'impulsions kilowattheures et de leurs niveaux de précision en pourcentage.

Pour mesurer la puissance consommée par une charge (P = V × I), au moins un capteur de courant et un capteur de tension sont nécessaires. En général, le courant traversant le compteur est mesuré du côté haute tension lorsque le côté basse tension est à potentiel de masse. Cette configuration minimise le risque de fuite de courant non mesurée. Toutefois, le courant peut également être mesuré du côté basse tension si l'architecture de conception l'exige, ou les deux côtés peuvent être mesurés. La technique implique souvent de mesurer et de comparer le courant des deux côtés de la charge pour permettre des capacités de détection de fautes et de détection de falsification dans le compteur. Lors de la mesure du courant des deux côtés, au moins un capteur de courant avec isolation est nécessaire pour gérer le potentiel élevé entre les conducteurs.

La tension est généralement mesurée à l'aide de diviseurs de potentiel résistifs, où une série de résistances est utilisée pour réduire la tension proportionnellement à un niveau compatible avec l'entrée ADC du système. Une mesure précise de la tension peut facilement être réalisée en utilisant des composants standard en raison de la grande amplitude du signal d'entrée. Cependant, il est important de prendre en compte le coefficient de température et le coefficient de tension des composants sélectionnés afin de garantir la précision requise sur l'ensemble de la plage de température.

Fournir un ADC haute vitesse avec un courant d'entrée ultra-faible

Dans les applications de mesure d'énergie en courant continu, les AD7779, AD8629 et ADA4528-1 de ADI jouent des rôles significatifs. Parmi eux, l'AD7779 est un ADC à échantillonnage simultané à 8 canaux qui intègre 8 ADC Σ-Δ complets sur puce. L'AD7779 dispose d'un courant d'entrée ultra-faible, permettant une connexion directe aux capteurs. Chaque canal d'entrée comprend un étage de gain programmable avec des gains de 1, 2, 4 et 8, ce qui permet de mapper les sorties de capteurs à faible amplitude à la plage d'entrée de pleine échelle de l'ADC, maximisant ainsi la plage dynamique de la chaîne du signal. L'AD7779 accepte une VREF de 1 V à 3,6 V. Les entrées analogiques acceptent des signaux d'entrée analogiques unipolaires (0 V à VREF/GAIN) ou véritablement bipolaires (±VREF/GAIN/2 V), avec des tensions d'alimentation analogiques de 3,3 V ou ±1,65 V. L'entrée analogique peut être configurée pour accepter des signaux en mode différentiel véritable, pseudo-différentiel, ou asymétrique afin de correspondre aux différentes configurations de sortie des capteurs.

Chaque canal inclut un modulateur ADC et un filtre numérique sinc3 à faible latence. Le AD7779 utilise un SRC pour un contrôle précis de la fréquence de sortie des données (ODR). Ce contrôle est utile pour les applications où la résolution de l'ODR doit maintenir la cohérence lorsque la fréquence de ligne change de 0,01 Hz. Le SRC peut être programmé via une interface périphérique série (SPI). Le AD7779 prend en charge deux interfaces différentes : une interface de sortie des données et une interface de contrôle SPI. L'interface de sortie des données ADC est dédiée à l'envoi des résultats de conversion ADC du AD7779 vers le processeur. L'interface SPI est utilisée pour configurer les registres de configuration du AD7779 pour les opérations de lecture/écriture et pour contrôler et lire les données de l'ADC SAR. L'interface SPI peut également être configurée pour sortir des données de conversion Σ-Δ.

Le AD7779 est doté d'un ADC SAR 12 bits pouvant être utilisé pour des diagnostics au sein du AD7779 lui-même, éliminant ainsi le besoin de consacrer un canal ADC Σ-Δ spécifiquement aux fonctions de mesure du système. Grâce à des multiplexeurs externes (contrôlés à l'aide de 3 broches d'entrée/sortie polyvalentes, GPIO) et au conditionnement de signal, l'ADC SAR peut être utilisé pour vérifier les résultats de mesure de l'ADC Σ-Δ dans des applications nécessitant une sécurité fonctionnelle. De plus, l'ADC SAR du AD7779 comprend un multiplexeur qui peut être utilisé pour détecter des nœuds internes.

Le AD7779 intègre une source de tension de référence de 2,5 V et un tampon de référence. Le coefficient de température de la source de tension de référence est de 10 ppm/°C (typique). Le AD7779 fonctionne en deux modes : mode haute résolution et mode faible consommation. Le mode haute résolution offre une plage dynamique plus élevée avec une consommation d'énergie de 10,75 mW par canal, tandis que le mode faible consommation fonctionne avec une spécification de plage dynamique inférieure et une consommation d'énergie de 3,37 mW par canal. La plage de température de fonctionnement nominale pour le AD7779 est de -40 °C à +105 °C, avec une température de fonctionnement maximale de l'appareil de +125 °C.

Un amplificateur avec des caractéristiques de bruit, de dérive et de courant ultra-faibles

L'amplificateur AD8629 de ADI offre un décalage ultra-faible, une dérive minimale et de faibles courants de polarisation, ce qui en fait un choix idéal pour les applications de précision. C'est un amplificateur à large bande passante avec auto-zéro, offrant des capacités de fonctionnement rail-à-rail en entrée et en sortie, ainsi que des caractéristiques de faible bruit. L'AD8629 fonctionne avec une tension d'alimentation unique de 2,7 V à 5 V (ou avec une tension d'alimentation double de ±1,35 V à ±2,5 V).

Le AD8629 offre des avantages auparavant réservés aux amplificateurs auto-zero ou à hachage coûteux. Ces amplificateurs à dérive nulle utilisent la topologie de circuit d'ADI pour combiner un coût réduit avec une haute précision et des performances à faible bruit, le tout sans besoin de condensateurs externes. De plus, le AD8629 réduit significativement le bruit de commutation numérique présent dans de nombreux amplificateurs à hachage.

Le AD8629 présente une tension d'offset de seulement 1 µV, une dérive de tension d'offset inférieure à 0,005 µV/°C et un bruit de seulement 0,5 µV crête à crête (0 Hz à 10 Hz), ce qui le rend adapté aux applications où les sources d'erreur ne sont pas tolérées. Ces dispositifs présentent une dérive quasi nulle dans leur plage de température de fonctionnement, ce qui les rend particulièrement avantageux pour des applications telles que les capteurs de position et de pression, les équipements médicaux, et les amplificateurs de jauges de contrainte. De nombreux systèmes peuvent bénéficier des capacités de swing d'entrée et de sortie rail-à-rail du AD8629 pour réduire la complexité du biais d'entrée et atteindre des rapports signal/bruit plus élevés.

L'AD8629 a une plage de températures nominale allant de -40°C à +125°C, s'étendant aux plages de températures industrielles. Il est disponible en boîtiers plastiques SOIC étroit standard à 8 broches et MSOP.

Un autre amplificateur d'ADI, l'ADA4528, est un amplificateur opérationnel à ultra-faible bruit et à dérive nulle, avec des capacités d'entrée et de sortie rail-à-rail. Il offre une tension de décalage de 2,5 µV, une dérive de tension de décalage de 0,015 µV/°C et un bruit de 97 µV crête-à-crête (0,1 Hz à 10 Hz, AV = +100), ce qui le rend particulièrement adapté aux applications où les sources d'erreur ne sont pas tolérées.

L'ADA4528 fonctionne sur une large plage de tension d'alimentation de 2,2 V à 5,5 V et offre un gain élevé, d'excellentes spécifications CMRR et PSRR, ce qui en fait un choix idéal pour l'amplification de précision de signaux de faible niveau dans des applications telles que les capteurs de position et de pression, les jauges de contrainte, l'instrumentation médicale, et bien d'autres.

L'ADA4528 a une plage de température nominale de -40°C à +125°C, s'étendant aux plages de températures industrielles. L'ADA4528-1 est disponible en boîtiers MSOP à 8 broches et LFCSP à 8 broches, tandis que l'ADA4528-2 est proposé en boîtier MSOP à 8 broches.

Avec une tension de décalage maximale de 2,5 µV et une dérive maximale de la tension de décalage de 0,015 µV/°C, l'ADA4528 est parfaitement adapté pour fournir une amplification ultra-faible dérive, 100 V/V pour des signaux de courant faible. Par conséquent, il peut être directement connecté à l'étage d'amplification d'un échantillonnage synchrone, ADC 24 bits tel que l'AD7779, qui présente une dérive de référence d'entrée de 5 nV/°C. En utilisant un diviseur de tension résistif avec un rapport de 1000:1 directement connecté à l'entrée de l'ADC AD7779, des tensions CC élevées peuvent être mesurées avec précision.

Conclusion

La mesure d'énergie en courant continu offre une précision plus élevée par rapport à la mesure d'énergie en courant alternatif. Dans des marchés en pleine croissance rapide tels que les stations de recharge, les micro-réseaux, les centres de données et d'autres applications, la mesure d'énergie en courant continu permet une facturation équitable et réduit le besoin de conversions entre courant alternatif et courant continu, minimisant ainsi les pertes d'énergie. L'intégration avec des sources d'énergie renouvelable est également plus facile et plus efficace avec la mesure en courant continu, ce qui en fait une tendance significative dans le développement. ADI est un expert leader de l'industrie en technologie de détection de précision, offrant des chaînes de signal complètes pour des mesures précises de courant et de tension afin de respecter des normes strictes. Les produits présentés dans cet article figurent parmi les meilleurs choix pour les applications de mesure d'énergie en courant continu.