SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

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1 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 Manosque Les Iscles 1

2 Le comptage de l’énergie sans fil
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3 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

4 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

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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

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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

7 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

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

9 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

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

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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

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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

13 DESCRIPTION DES ELEMENTS
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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

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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

16 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

17 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 ) Energie réactive: 3% (classe 3: norme CEI ) Alimentation automatique sur ligne d’alimentation Masse: 400 g Indice de protection: IP2X Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

18 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

19 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

20 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

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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

22 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

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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

24 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

25 LE RESEAU DE COMMUNICATION SANS FIL
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26 Le Wi LEM utilise le réseau sans fil de courte distance
Zigbee Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

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La technologie Zigbee (ou IEEE ) 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

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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, 802.11 WiFi 802.11b WiFi5 a, g Blue tooth BT1 BT2 (ZigBee) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

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Les Réseaux sans fil Comparaison de quelques protocoles sans fil actuels: Protocole Zigbee Bluetooth Wi-Fi IEEE 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 Mb/s Portée 100 m m 300 m Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

30 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

31 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

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

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

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L’INTERFACE LOGICIEL Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

35 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

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

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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

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

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

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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

42 EXPLOITATIONS PEDAGOGIQUES
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43 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

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

45 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

46 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

47 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

48 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

49 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, 1325,28 0, 1403,28 0, 1277,28 0, Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE

50 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

51 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

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