SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Manosque les Iscles Les 5 et 6 mars 2008 Manosque les Iscles Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 1 Manosque Les Iscles 1

Le comptage de l’énergie sans fil Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Sommaire Introduction au comptage de l’énergie sans fil, Présentation des compteurs Wi-LEM, Le réseau de communication sans fil, L’interface logiciel, Exploitation pédagogique: En Electrotechnique, En Physique Appliquée. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Introduction au comptage de l’énergie sans fil Applications: Relever à distance les consommations électriques pour répartir les factures énergétiques. Vérifier l’efficacité énergétique de certains équipements. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Avantages du sans fil: Permet d’installer rapidement des sous-compteurs sur différents équipements d’un site. Les informations de consommation sont rapatriées instantanément sur un écran d’ordinateur. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Exemple d’application: En Grande Bretagne, une entreprise d’injection plastique compare la consommation des différentes lignes de production. Cinq armoires électriques alimentent chacune une ligne de trois machines, chaque armoire est équipée d ’un compteur. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Présentation des compteurs Wi-LEM La solution de comptage Wi - LEM (Wireless Local Energy Meter) est composée de boitiers compacts qui transmettent les mesures par voie radio. Les données peuvent être transmises à un enregistreur de données et exploitées par un logiciel de contrôle d’énergie. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Vue d’ensemble du compteur Le compteur (EMN) Le répéteur (Mesh Node) L’interface principale (Mesh Gate) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Présentation des 3 sous-ensembles Energie Meter Node(EMN): compteur divisionnaire mesurant différents paramètres électriques, et composé de capteurs de courant ( transformateurs d’intensité TI) à circuit magnétique ouvrant précâblés, d’un système de transmission de données radio. TI Système de transmission Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Mesh Node (MN): répéteur relayant le signal radio et permettant d’augmenter la distance de transmission Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Mesh Gate (MG): interface principale qui gère le réseau sans fil et collecte les données périodiquement envoyées par les compteurs. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Un logiciel de supervision qui permet: de configurer les compteurs, d’afficher les grandeurs mesurées à intervalle de temps prédéterminé. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

DESCRIPTION DES ELEMENTS Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Modèles d’EMN Plusieurs modèles d’EMN sont disponibles en fonction: de la configuration de câblage voulue (W : étoile; D : Triangle) du type de charge électrique (triphasée ou monophasée) du réseau électrique utilisé (monophasé ou triphasé) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Modèles d’EMN Chaque compteur EMN est défini par: Son calibre en courant Son numéro d’identifiant couplage et possède une mémoire tampon RAM Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Modèles d’EMN et câblages D3 Series* (Triangle, 3 fils) L3 L2 L1 N ΦC ΦB ΦA CT1 CT2 L O A D L3 L2 L1 N ΦC ΦB ΦA N CT1 CT2² CT3 LOAD W4 Series (Etoile, 4 fils) W0 Series (3 x monophasé) Φ N L3 L2 L1 N CT1 CT2 CT3 L O A D L3 L2 L1 N ΦB ΦA N CT1 CT2 LOAD W3 Series (Biphasé, 3 fils) L1 N Φ Φ,N CT1 L O A D W2 Series (Monophasé, 2 fils) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Caractéristiques électriques des EMN Fréquence: 50 / 60 Hz Consommation maximale: 2 W Plage de mesure de la tension primaire VPN: 90 à 265 Vrms Température ambiante d’utilisation: - 10….+ 55 °C Précisions ( à T = 25 °C): Tension VPN: 1,5 % Energie active: 1% (classe 1: norme CEI 62053-21) Energie réactive: 3% (classe 3: norme CEI 62053-23 ) Alimentation automatique sur ligne d’alimentation Masse: 400 g Indice de protection: IP2X Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Les Capteurs de courant Les compteurs EMN sont équipés de deux types de capteurs de courant LEM : Capteur de type CT(ou split core CT): Technologie Fluxgate Capteur à bobine de Rogowski (ou capteur LEM Flex) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Capteurs de courant LEM de type CT sortie en tension Technologie dite « Fluxgate »: Bobinage primaire (NP spires) commun aux deux tores Deux tores T1 et T2 (bobinage secondaire NS) T1 et T2 = enroulement de compensation de flux courant de sortie : IS = IP x NP/NS Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Caractéristiques capteurs de courant LEM CT Imax mesurable: 150 A Courant nominal primaire (IPN): 5 A / 20 A 50 A / 100 A Plage de mesure de IPN: 10 % ….120 % x IPN Excellente Précision typique: 0,1 % Bande Passante élevée (500 kHz) Temps de retard extrêmement court Bonne tenue aux surcharges (ex: >>15 kA pendant 150 ms pour IN = 1A pour le CT 1-S) Sortie protégée contre les courts-circuits Très haut niveau d’isolation et excellentes tenues aux décharges partielles (ex: 50 kVeff / 50 Hz / 1 min pour le CT 5-T/SP3) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Capteur de courant à bobine de ROGOWSKI capteur flexible LEM Flex Forte impédance Principe: une bobine de détection est couplée magnétiquement au flux créé par le courant I. Une tension est induite dans la bobine de mesure: E out(t) = L12•di(t)/dt Eeff = S12 • f • Ieff S12: sensibilité capteur Le signal délivré (fonction de la dérivée du courant primaire I)est traité par un amplificateur intégrateur de précision Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Caractéristiques capteurs de courant à boucle de Rogowski Sert exclusivement à la mesure des courants alternatifs (mono ou tri) ou impulsionnels Large plage de courant: 0 – 10 kA Bande Passante: 10 Hz – 100 Hz (extension possible à 1 MHz) Temps de retard: 10 – 50 ms Linéarité: ± 0,2 % image presque parfaite de Ip en régimes permanent et transitoire (pas de saturation, d’hystérésis, et rémanence) Excellente précision: 1 % pour 0,2.IPassigné < Ip < 10. IPassigné 5 % pour Ip > 200.IPassigné Calibres disponibles actuellement: 200, 500, 1000, 2000A Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Le Mesh Gate (M.G) Caractéristiques générales: gére le réseau sans fil Port de communication : RS 232/485 MODBUS RTU peut gérer jusqu’à 216 EMN et 30 MN distance des EMN : 15 m (25m pour version “ Long Range”) distance du Mesh Node : 25 m (140m pour Long Range) alimentation électrique extérieure Consommation électrique : 10 mW (Long Range) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Caractéristiques générales: Le Mesh Node (MN) Caractéristiques générales: Répéteur reconnu automatiquement par le Mesh Gate taille compacte Alimentation électrique extérieure Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

LE RESEAU DE COMMUNICATION SANS FIL Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Le Wi LEM utilise le réseau sans fil de courte distance Zigbee Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE La technologie Zigbee (ou IEEE 802.15.4) Cette norme de transmission de données permet d'obtenir des liaisons sans fil: De basse puissance De bas débits (250 Kb/s maxi) De portée variable (maxi 100 m environ) À bas coûts d’intégration (puce électronique) et avec une très faible consommation d'énergie La norme intègre la sécurité (algorithme de chiffrement AES 128) Zigbee fonctionne sur les bandes de fréquence de: 2,4 Ghz (bandes du Bluetooth et du Wifi) et sur 16 canaux du 866 Mhz (bande libre en Europe) et du 916Mhz aux US Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Les Réseaux sans fil PAN LAN WAN/ MAN 10k Range (m) 1 10 100 1000+ 100k 1M 10M 100M Data Rate (bps) GSM, CDMA, etc. GPRS, 3G WiMAX 802.16, 802.20 802.11 WiFi 802.11b WiFi5 a, g Blue tooth 802.15.1 BT1 BT2 802.15.4 (ZigBee) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Les Réseaux sans fil Comparaison de quelques protocoles sans fil actuels: Protocole Zigbee Bluetooth Wi-Fi IEEE 802.15.4 802.15.1 802.11a/b/g Besoins mémoire 4-32 Kb 250 Kb + 1 Mb + Autonomie avec pile Années Jours Heures Nombre de nœuds 65 000+ 7 32 Vitesse de transfert 250 Kb/s 1 Mb/s 11-54-108 Mb/s Portée 100 m 10-100 m 300 m Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Caractéristiques du réseau sans fil Pour le Wi LEM on a: Bande radio: 2,4 GHz Puissance RF: 1 mW Champ d’application entre EMN et MG ou MN: 20 m Champ d’application entre MG et MN: 30 m Chaque EMN et MG est équipé d’un module radio Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Topologies réseaux disponibles TOPOLOGIE LINEAIRE: Cheminement simple entre MG, MN et EMN MG MN EMN Câble RS 232 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Topologies réseaux disponibles TOPOLOGIE STAR (étoile simple): Association d’alimentation faible EMN avec un MG EMN MG Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

TOPOLOGIE STAR MESH (maillé étoilé): Association de fiabilité et de courant faible MG MN Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE L’INTERFACE LOGICIEL Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Grandeurs mesurées par l’EMN Énergie active Énergie réactive Énergie apparente Somme totale des énergies mesurées La fréquence du réseau électrique La valeur maximale « de la moyenne, sur 10 périodes, des courants efficaces » par phase La valeur minimale « de la moyenne, sur 10 périodes, des tensions RMS » du réseau par phase Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE L’Interface Logiciel Le logiciel peut gérer jusqu’à 50 EMN Mesures disponibles Grandeur affichée Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE L’Interface logiciel durée de l’intervalle d’enregistrement nombre d’éléments (EMN, MN et MG) constitutifs du réseau Identifiants des EMN et du Mesh Gate connectés au réseau sans fil fréquence (mesurée sur la phase 1) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Affichage des données Affichage des données mesurées par intervalles de temps Identifiant de l’EMN Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE L’Interface logiciel Énergies mesurées par phase Somme des énergies par phase Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

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SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE L’Interface Logiciel Identifiant EMN Les données mesurées sont stockées dans des fichiers sous format   CSV (Comma Separated Values) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

EXPLOITATIONS PEDAGOGIQUES Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Exploitation pédagogique en électrotechnique Travaux pratiques n°1: Objectif: Choix, mise en place du compteur et configuration du Mesh Gate. Procéder au choix du compteur, Repérer l’implantation possible du compteur dans l’installation, Vérifier l’ordre des phases, Consigner le départ mesuré, Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Installer les 3 transformateurs d’intensité, Raccorder les 3 fils de phases. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Configurer la liaison RS 232 entre Mesh Gate et PC: Débit, bits de données, parité, bit d’arrêt. Configurer les compteurs EMN à l’aide du logiciel EMN Monitor: Port de communication, Vitesse de transmission, Ajout du ou des compteurs, Calibre des compteurs. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Travaux pratiques n°2: Objectif: Exploiter les relevés du compteur. Calculer le facteur de puissance (compensation éventuelle), Observer les pointes de courant (délestage éventuel), Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Exploitation pédagogique en Physique Appliquée Travaux pratiques n°1: Prise en main d’EXCEL - Conversion de format (csv  standard) - Fonctions mathématiques élémentaires - L’outil graphique - Macros… Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Exploitation pédagogique en Physique Appliquée Travaux pratiques n°2: Relations énergies / puissances Calculs des puissances actives, réactives et apparentes à partir d’énergies exprimées en Wh, VARh et VAh Théorème de Boucherot Active Energy Sum [Wh] Reactive Energy Sum [VARh] Apparent Energy Sum [VAh] Puissance active (W) Puissance réactive (VAR) 48,75 103,94 117,50 585,00 1247,28 46,75 96,88 110,44 561,00 1162,56 48,63 103,19 116,94 583,56 1238,28 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Exploitation pédagogique en Physique Appliquée Travaux pratiques n°3:facteur de puissance détermination: k = P / S évolution temporelle Puissance apparente (VA) Facteur de puissance charge 1410 0,414893617 1325,28 0,423306773 1403,28 0,415854284 1277,28 0,418075911 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Exploitation pédagogique en Physique Appliquée Travaux pratiques n°4: réseau triphasé Réflexion sur la notion de déséquilibre Réflexion sur la déformation des courants du réseau Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

Exploitation pédagogique en Physique Appliquée Travaux pratiques n°5: Etude expérimentale du capteur de courant hystérésis rapport de transformation caractéristiques Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Yannick TOURNIAIRE Génie Electrique Merci de votre écoute ! Abdoulaye NDIAYE Physique Appliquée Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE