Un analyseur pour le secteur 220 V 1ère partie

Le montage que nous vous proposons ici vous permettra non seulement de mesurer le cos-φ (c’est-à-dire le déphasage produit par des charges inductives) mais il vous indiquera aussi, sur un afficheur LCD, combien d’ampères et combien de watts consomme la charge connectée au réseau EDF. Cet instrument peut mesurer une puissance maximale de 2 kW.


Pour calculer la puissance en watts (W) de n’importe quel appareil électrique, il est nécessaire de connaître sa tension d’alimentation en volts (V) et le courant consommé en ampères (A).
En effet, vous le savez, la puissance est donnée par la formule :

W = V x A ou si vous préférez P = U x I.

Si la tension est alternative, cette formule ne nous donne que la puissance apparente.
La puissance active s’obtient en multipliant les deux données en notre possession, c’est-à-dire V et A (ou U et I), par le facteur de puissance ou cos-φ :
W actifs = V x A x cos-φ.

Le cos-φ est le cosinus de l’angle φ de déphasage produit entre la sinusoïde de la tension et la sinusoïde du courant.
Si la charge appliquée à la ligne est de type résistif, par exemple une ampoule à filament, un fer à repasser ou un chauffage (électrique, bien entendu !), etc., son cos-φ vaut 1 car aucun déphasage ne se produit entre V et A (ou U et I).
La puissance active d’un chauffage électrique consommant 4,5 A sous 220 V est égale à :
220 x 4,5 = 990 W.

Si, en revanche, les appareils électriques branchés à la ligne sont de type inductif, c’est-à-dire constituent une charge produisant des champs magnétiques comme, par exemple, des lampes fluorescentes, des transformateurs, des moteurs électriques, etc., un déphasage se produit et le courant est en retard par rapport à la tension (figure 6).
Dans ce cas le cos-φ n’est plus égal à 1 mais, théoriquement, il peut prendre une valeur comprise entre un maximum de 0,99 et un minimum de 0, même si, en pratique, 0 ne se produit jamais.
Par exemple, un moteur électrique monophasé consommant 3,5 A sous 220 V avec un cos-φ de 0,72 a une puissance de :
220 x 3,5 x 0,72 = 554 W.

Pour augmenter le facteur de puissance, c’est-à-dire cos-φ, il faut remettre la ligne en phase de manière à le ramener à 1 :
220 x 3,5 x 1 = 770 W.

La remise en phase s’obtient en appliquant en parallèle à la charge inductive des charges capacitives.
Pour savoir si une ligne électrique est déphasée, il faut la contrôler avec un instrument de mesure que nous avons appelé “analyseur pour le secteur 220 V” car, outre le fait qu’il mesure la valeur cos-φ de déphasage, il contrôle la tension de la ligne (V), le courant qui y circule (A) et la puissance active consommée (W).

Figure 1 : Face avant de l’analyseur pour le secteur 220 V, permettant de mesurer les volts, les watts utilisés, les ampères et le cos-φ. Les données apparaissent sur l’afficheur LCD.

Qu’est-ce que le déphasage φ
Comme nous l’a montré l’exemple précédent, en courant alternatif, si la valeur du courant n’est pas en phase avec la valeur de la tension, on a une perte de puissance. Si la charge appliquée à la ligne électrique est de type résistif (lampe à filament, fer à repasser, chauffage, etc.), le courant et la tension sont toujours en phase (figure 3).
Si la charge appliquée à la ligne électrique, en revanche, est de type inductif (tube néon, transfo, moteur, etc.), le courant est en retard par rapport à la tension (figure 3).
Si la charge appliquée à la ligne électrique est de type capacitif, le courant est en avance par rapport à la tension (figure 7).
Ceci dit, la plupart des charges sont de type inductif et pour remettre en phase tension et courant, il faut corriger le retard de ce dernier en reliant un condensateur en parallèle à la charge.

Figure 2 : Dans la première colonne du tableau se trouve indiquée la valeur du cos-φ, dans la seconde celle du sin-φ et dans la troisième la valeur en degrés du déphasage tension/courant (figures 6 et 7). Comme vous pouvez le remarquer, un cos-φ de 0,00 correspond à un sin-φ de 1,00 et à un déphasage V/A de 90°. Alors qu’un cos-φ de 1,00 correspond à un sin-φ de 0,00 et à un déphasage V/A de 0°. La valeur de sin-φ servira, comme nous l’expliquons dans le texte, à trouver la valeur en microfarad du condensateur à appliquer en parallèle à la charge inductive pour remettre en phase la ligne 220 V.

Figure 3 : Si on applique à une ligne électrique une charge purement résistive, par exemple, un fer à repasser, un chauffage ou une ampoule à filament, courant et tension seront en phase. Donc les fronts de montée et de descente des 2 signaux carrés arriveront sur les broches 4 et 10 du microcontrôleur IC4 au même instant.

Principe de fonctionnement
Pour mesurer le déphasage courant/tension d’une ligne électrique, il faut relever le passage par zéro de leurs sinusoïdes respectives. A cette fin, nous avons besoin de deux révélateurs de “zero crossing”. En pratique on convertit les ondes sinusoïdales de la tension et du courant en ondes carrées puis on applique ces signaux aux entrées d’un microcontrôleur (IC4) qui les compare.

Note : Pour relever le passage par zéro on préfère utiliser des signaux carrés car ils changent d’état chaque fois que l’amplitude sinusoïdale passe par zéro.
En utilisant cette forme d’onde, il est plus facile de mesurer le déphasage tension/courant, car il suffit de calculer la différence de temps écoulé entre 2 ondes carrées pour un changement d’état.

Si les signaux de tension et de courant sont en phase, leurs 2 signaux carrés passent en même temps par 0 volt (figure 3). Dans ce cas, le LCD affichera la valeur de cos-φ = 1.
Si les signaux de tension et de courant sont déphasés par une charge inductive, les signaux carrés du courant atteindront la broche 10 d’IC4 en retard par rapport aux signaux carrés de la tension atteignant la broche 4 du même IC4 (figure 6). Dans ce cas, le LCD affichera une valeur de cos-φ entre 0,00 et 0,99.
Plus grand sera le nombre (max 1 = pas de déphasage), plus faible sera le déphasage inductif de la ligne.
Note : Lorsque la charge appliquée à la ligne est de type inductif, le LCD affiche un nombre négatif, c’est-à-dire précédé du signe “–” (figure 5).
Si les signaux de tension et de courant sont déphasés par une charge capacitive, les signaux carrés du courant atteignent la broche 10 d’IC4 en avance par rapport aux signaux carrés de la tension atteignant la broche 4 (figure 7).
Dans ce cas le LCD affichera une valeur de cos-φ entre 0,00 et 0,99.
Plus petit sera le nombre affiché, plus important sera le déphasage capacitif de la ligne.
Puisqu’une charge inductive déphase une ligne en retard (signe “–”), pour la remettre en phase il suffit de connecter en parallèle à la charge une charge additionnelle capacitive qui, en produisant un déphasage en avance, annule le déphasage de la charge inductive.

Figure 4 : Pour mesurer le déphasage tension/courant on utilise 2 révélateurs de “zero crossing”. Puis on convertit les ondes sinusoïdales en ondes carrées car il est plus facile de contrôler leur passage de 1 à 0 (niveaux logiques) et vice-versa.
Le signal de la tension est prélevé sur le secondaire du transfo T1 et appliqué sur les broches 7 et 4 du microcontrôleur IC4, alors que le signal du courant est prélevé sur la self L1 et appliqué sur les broches 8 et 10 de ce même IC4.


Figure 5 : Avec notre analyseur vous pourrez mesurer les ampères, volts, cos-φ et watts. En présence d’un déphasage inductif, vous verrez apparaître sur l’afficheur LCD, à gauche du nombre, le signe “–”.

Figure 6 : Si vous appliquez à la ligne électrique une charge inductive, constituée, par exemple, d’un tube néon, d’un transfo, d’un moteur, etc., la sinusoïde du courant sera en retard par rapport à celle de la tension. Donc le front de montée et de descente de son onde carrée atteint la broche 10 en retard par rapport à l’onde carrée de la tension qui atteint la broche 4 du microcontrôleur IC4.

Figure 7 : Si vous appliquez à la ligne électrique une charge capacitive, la sinusoïde du courant sera en avance par rapport à celle de la tension. Donc le front de montée et de descente de son onde carrée atteint la broche 10 en avance par rapport à l’onde carrée de la tension qui atteint la broche 4. Ce déphasage peut se produire si l’on applique en parallèle à une charge inductive un condensateur de capacité trop importante.

Figure 8 : Le circuit imprimé principal peut être fixé sur le fond du boîtier à l’aide d’entretoises plastiques à bases adhésives.
En face avant, vous placerez le circuit imprimé de l’afficheur LCD avec des entretoises métalliques (figure 22).


Comment calculer cette capacité φ
Si nous branchons un moteur monophasé à notre analyseur pour le secteur 220 V, nous relevons les valeurs suivantes :
Tension du réseau  :   225 V
Courant consommé : 3,4 A
cos-φ : –0,78
Puissance active : 596 W

Il est évident que la ligne est déphasée puisque le cos-φ vaut 0,78 et non 1,00.
Pour remettre en phase la ligne nous devons appliquer un condensateur en parallèle au moteur, de façon à faire passer la valeur de cos-φ de 0,78 à 1,00.
Pour calculer la valeur de la capacité en microfarad, nous devons exécuter quelques opérations simples :
1 - Calculons le courant en ampère que le condensateur doit absorber pour contrebalancer la charge inductive, en utilisant la formule : courant capacité = ampère charge x sin-φ.
2 - Comme l’appareil de mesure indique seulement cos-φ, pour connaître le sin-φ correspondant, reportons-nous au tableau de la figure 2.
3 - Dans la colonne de cos-φ, cherchons 0,78 et dans la seconde colonne nous voyons qu’il correspond à un sin-φ de 0,625.

Note : Dans la troisième colonne nous avons reporté le déphasage en degrés (ici 38,74°).

4 - Connaissant sin-φ, nous pouvons calculer la valeur du courant que le condensateur doit absorber pour remettre la ligne en phase :
3,4 x 0,625 = 2,12 A.

5 - Connaissant le courant que le condensateur doit absorber, nous pouvons calculer sa capacité en microfarad grâce à la formule :
microfarad = (ampère x 159 000) : (volts x Hz).

Si l’on introduit dans la formule ci-dessus la valeur 2,12 A nous obtenons :
(2,12 x 159 000) : (225 x 50) = 29,96 microfarads.

Valeur que nous pouvons tranquillement arrondir à 30 microfarads. Si nous connectons aux bornes du moteur un condensateur de cette capacité, le cos-φ passera de 0,78 à 1,00, correspondant à un déphasage de 0,0° (figure 2).
Connaissant la valeur en microfarad d’un condensateur, nous pouvons déduire la valeur du courant qu’il absorbe, grâce à la formule :
ampère condensateur = (microfarad : 159 000) x (volts x Hz).

Ce qui donne :
(30 : 159 000) x (225 x 50) = 2,12 A.


Le schéma électrique
Après avoir appris, grâce au schéma par sous-ensembles de la figure 4, le principe de fonctionnement de cet analyseur pour le secteur 220 V, vous pouvez voir (figure 9) son schéma électrique détaillé.
Pour la description, nous partirons du secondaire du transformateur T1 dont les tensions alternatives 2 x 9 V, une fois redressées par le pont RS1, donnent des tensions symétriques +12 et –12 V par rapport à la masse : ces tensions alimentent les amplis opérationnels IC1 et IC2.
Les 2 autres circuits intégrés, IC4 et IC5, ainsi que le transistor TR1, sont en revanche alimentés à partir du +12 V pris sur le pont RS1 et ramené à 5 V stabilisés par IC3.
Nous prélevons aussi, toujours sur le secondaire de T1, à travers la résistance R22 et le condensateur C12, la tension alternative à 50 Hz que nous appliquons sur l’entrée non inverseuse de l’ampli-op IC2-C utilisé ici comme redresseur idéal, afin d’obtenir la valeur efficace des volts, affichée ensuite par le LCD.
La tension alternative prélevée sur le secondaire de T1, à travers R22 et C12, est appliquée également à l’étage composé des 2 amplis-op, IC2-A et IC2-B, utilisés pour transformer l’onde sinusoïdale
des 50 Hz en une onde carrée. Ce signal, appliqué à l’entrée, broche 4, du microcontrôleur IC4, sera comparé à l’onde carrée du courant entrant par la broche 10 du même IC4.
Le courant induit de la self L1, bobinée sur un tore de ferrite, est appliqué à travers IC1-A et IC1-B à l’ampli-op IC1-D pour être converti en signaux carrés et, enfin, appliqué à la broche 10 de IC4.
Comme à l’intérieur de cette self toroïdale L1 passe un des 2 fils du secteur 220 V alimentant la charge, plus fort sera le courant consommé par la charge, plus grande sera la valeur de la tension prélevée aux bornes de L1.
Le signal prélevé sur les fils de L1 est appliqué à travers la résistance R1 sur l’entrée non inverseuse de l’ampli-op IC1-A qui, de concert avec IC1-B, amplifie ce signal.
En tournant le curseur du trimmer R3 à mi-course, le premier ampli-op IC1-A amplifie la tension prélevée aux bornes de L1 environ 55 fois, alors que le second ampli-op IC1-B, dépourvu de trimmer de réglage, amplifie la tension 10 fois seulement.
Le gain des 2 amplis-op IC1-A et IC1-B est utilisé pour les charges consommant moins de 2 A car, dans ce cas, la tension aux bornes de L1 est très faible.
Lorsque la charge consomme un courant plus élevé, il est nécessaire de réduire le gain, car aux bornes de L1 se trouve une tension plus élevée.
Le signal amplifié est alors prélevé à la sortie du premier ampli-op IC1-A.
C’est le microcontrôleur IC4 qui, en excitant le relais 1, fait prélever le signal à la sortie de IC1-B si le courant consommé est inférieur à 2 A ou bien à la sortie de IC1-A si ce courant dépasse 2 A.
Le signal prélevé à la sortie de l’un ou l’autre de ces amplis-op est appliqué à travers le condensateur C5 à l’entrée non inverseuse de l’ampli-op IC1-D transformant l’onde sinusoïdale des 50 Hz, prélevée sur L1, en onde carrée appliquée à la broche 10 d’IC4 pour être comparée à l’onde carrée de la tension entrant dans IC4 par la broche 4.
C’est le microcontrôleur IC4 qui calcule le déphasage entre les 2 signaux.
Le même signal qui atteint l’entrée inverseuse de IC1-D atteint aussi l’entrée non inverseuse de IC1-C, utilisée comme redresseur idéal afin d’obtenir la valeur de courant efficace affichée par le LCD.
Le circuit intégré IC4 utilisé dans ce montage est un microcontrôleur ST62T01 déjà programmé en usine : il envoie en mode sériel les données au circuit intégré MM5452, ces données étant ensuite affichées par le LCD à 4 chiffres. Si nous tournons le bouton du commutateur S2, nous faisons varier la tension sur la broche 12 d’IC4 à laquelle S2 est connecté et de cette manière nous pouvons sélectionner la mesure que nous voulons voir affichée sur le LCD.

Figure 9 : Schéma électrique de l’analyseur pour le secteur 220 V. Les contacts du relais 1 sont utilisés pour prélever le signal à la sortie de l’ampli-op IC1-A ou IC1-B.
Tous les composants marqués d’un astérisque (*) doivent être montés sur le circuit imprimé de l'affichage (Figure 18a et 19a).


Mesure du courant en ampère
Si nous plaçons S2 sur la position “ampère”, nous pouvons lire sur le LCD la valeur du courant consommé avec une précision de 2 décimales jusqu’à la valeur de 2 ampères (par ex. 0,50 - 0,75 - 1,40 - 1,80 - etc.) ou bien avec une précision d’une décimale au-dessous de 2 ampères (par ex. 03,5 - 04,8 - 10,2 - etc.).
C’est le microcontrôleur qui change automatiquement la portée.

Figure 10 : Si le courant absorbé ne dépasse pas 2 A, le LCD affichera 2 décimales (exemple : 1,40 A). S’il les dépasse, le LCD affichera 1 seule décimale (exemple : 03,5 A).

Mesure de la tension en volt
Si nous plaçons S2 sur la position “volt”, nous pouvons lire sur le LCD la valeur efficace de la tension du secteur avec une résolution de 1 volt. Si nous lisons 220 V ou bien 226 V, il s’agit de la valeur réelle de la tension du réseau.

Figure 11 : Pour la mesure des tensions, la résolution est de ±1 V. Si le LCD affiche 226 V, la valeur effective peut être de 225 ou 227 V.

Mesure du déphasage cos-φ
Si nous plaçons S2 sur la position cos-φ, nous pouvons lire sur le LCD un petit triangle nous avertissant que nous mesurons le cos-φ (figure 12). Si la ligne est parfaitement en phase, le LCD affiche 1,00. Si la ligne est déphasée par une charge inductive, le nombre est précédé du signe –, par ex. –0,85 ou –0,70.

Figure 12 : Quand on mesure le cos-φ, une ligne parfaitement en phase fait apparaître sur le LCD le nombre 1,00. Si elle est déphasée par une charge inductive, à gauche du nombre est affiché le signe “–”.

Mesure de la puissance en watt
Si nous plaçons S2 dans la dernière position watt, nous pouvons lire sur le LCD la puissance en watts actifs, c’est-à-dire le produit des volts par le courant par le cos-φ. Le changement d’échelle est donc fonction du courant et il est exécuté automatiquement par le microcontrôleur, comme nous l’avons déjà expliqué ci-dessus dans le paragraphe “Mesure du courant en ampère”. L’afficheur LCD visualisera soit 3 chiffres suivis de 1 décimale, par exemple 090,3 - 185,7 - 440,2 watts, soit 4 chiffres sans décimale si les 450 W, par exemple 0460 - 0800 - 1000 W, sont dépassés.

Figure 13 : Pour la mesure des watts, le LCD affiche 3 chiffres et une décimale pour les puissances inférieures à 450 W et 4 chiffres sans décimale pour les puissances au delà.

À suivre…

2ème Partie

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