Introduction

Dans le cadre du Projet de Recherche Technologique de la dernière année du cursus ingénieur de l’INSA Strasbourg, quatre étudiants en Génie Électrique ont à développer un système de mesure. Il sera intégré dans un des pupitres de travaux pratiques de la plateforme électrotechnique de l’école. Son but est de mesurer en temps réel et de stocker dans la plateforme IdO de CaMéX-IA la consommation électrique du pupitre. Ces données seront ensuite utilisées par l’école pour identifier les TPs qui consomment le plus d’énergie et partager les données acquises avec le reste des lycées et écoles participants aux projets CaMéX-IA.

Cette table permet d’alimenter différents appareils et charges électriques afin de réaliser les travaux pratiques. Il y a au total 8 tables alimentées par trois mêmes réseaux :

• Un réseau triphasé 230/400 V
• Deux lignes à courant continu 120 V
• Une ligne à courant continu 48 V

Figure 1 : Un des pupitres de l’INSA Strasbourg

Ce projet est divisé en deux parties. La première partie consiste à mettre en place le système d’acquisition des données dans le pupitre et de transmettre ces données via un protocole de communication. La deuxième partie a pour but de récupérer et stocker les différentes mesures dans la plateforme IdO de CaMéX-IA.

Figure 2 : Synoptique du projet

Acquisition des données : Cahier des charges

Cette partie a pour but d’acquérir les données souhaitées. Celles-ci sont définies dans un cahier des charges qui a été réalisé en amont avec les enseignants. Il répond au besoin d’un électrotechnicien qui souhaite mesurer les différentes grandeurs du pupitre de TP afin de mettre en place d’éventuels filtres ou améliorations.

Les mesures seront les suivantes :

• Tension simple 230 Vac
• Intensité dans les phases
• Intensité dans le neutre
• Tension continue 48 Vdc et 2×120 Vdc
• Intensité dans les circuits à courant continu

Ces mesures devront permettre de calculer les grandeurs ci-dessous dans chaque circuit :

• Puissance active
• Puissance réactive (AC)
• Puissance apparente (AC)
• Puissance déformante (AC)
• Facteur de puissance (AC)
• cos φ/sin φ (AC)
• Les harmoniques jusqu’au rang 13 minimum (AC)
• La fréquence (AC)

Finalement, d’après les mesures qui devront être acquises, cela revient à intégrer un analyseur de réseau permanent au pupitre qui communique et envoie les mesures vers une base de données.

Les harmoniques sont les composantes sinusoïdales d’un signal électrique périodique décomposé en série de Fourier. Il est intéressant et utile de connaître la puissance déformante et les harmoniques de courant/tension afin de pouvoir les limiter et de mettre en place des filtres. La présence d’harmoniques augmente les pertes et peut interférer avec le réseau.

La fréquence d’échantillonnage des données sera également modulable. Il n’est pas intéressant d’avoir une acquisition par seconde lorsque le pupitre n’est pas utilisé mais lors d’une séance de TP cela est nécessaire. De plus, afin de pouvoir atteindre au moins l’harmonique 13 (650 Hz), la fréquence d’échantillonnage et la bande passante des capteurs et moyens d’acquisition doivent être suffisamment élevées.

Les points importants qui vont nous aider à définir les solutions de mesures sont les suivants :

1. La sécurité : il est indispensable que l’installation respecte la norme NF C 15-100 ;
2. La précision des mesures : garantir au minimum 2% de précision
3. La fiabilité du système : il doit pouvoir perdurer dans le temps
4. Le coût : bien que ce paramètre ne soit pas prioritaire sur le projet, il reste important de garantir la répétabilité du projet en minimisant les coûts ;

Le système de mesure doit être intégré dans le coffret électrique du pupitre afin de ne pas encombrer les tables où sont réalisés les travaux pratiques. Voici à quoi ressemble le coffret électrique du pupitre et son schéma électrique :

Figure 3 : Coffret électrique d’un pupitre

Figure 4 : Schéma électrique du coffret

Présentation de la solution retenue

Nous avons fait le choix de séparer le système en deux parties. La première étant la mesure du réseau triphasé et la seconde la mesure des trois lignes à courant continu. Voici un tableau récapitulatif des chaînes de mesure utilisées :

Figure 5 : Solution retenue

La mesure du réseau triphasée est gérée par le compteur d’énergie PM5563 de Schneider. Notre choix s’est porté sur ce compteur, car il est montable sur rail DIN, il permet de mesurer jusqu’à l’harmonique de rang 63 et il dispose de plusieurs ports de communication (série, Ethernet et digitaux). De plus, il effectue seul les différents calculs permettant d’obtenir la tension et le courant RMS ainsi que les différentes puissances et harmoniques. Ces calculs sont réalisés grâce à un échantillonnage des tensions et courants et nécessitent une puissance de calcul non négligeable et qui dans notre cas aurait été trop important pour un Raspberry Pi. La mesure des courants est réalisée avec 4 transformateurs de courant 50A/50A. Nous utiliserons ensuite une liaison série avec un câble RS-485 / USB branché entre la centrale et notre Raspberry Pi pour établir une connexion Modbus RTU afin de récupérer les données du compteur.

La mesure des réseaux à courant continu est effectuée par des transducteurs d’intensité et de tension. Ceux-ci transforment les tensions et les intensités en faibles tensions qui seront lues par une carte d’acquisition MCC118 branchée sur notre Raspberry Pi 4. Ces transducteurs sont associés à des résistances et à une alimentation +15V et -15V. Nous avons alors réalisé des circuits imprimés (« printed circuit board » ou « PCB » en anglais) afin de pouvoir les souder dessus et les monter sur un rail DIN à l’aide d’adaptateurs :

Figure 6 : PCB réalisés avec en haut les transducteurs de tension et en bas les transducteurs de courant

Voici les schémas électriques de notre système séparé en deux parties :

• Le compteur d’énergie avec ses transformateurs de courant
• Les cartes de mesure de tension et de courant et son alimentation

Figure 7 : Schémas électriques de branchement de la partie AC et DC

Transmission et stockage des données

Cette partie a pour but de récupérer les données acquises et de les stocker sur la plateforme IdO de CaMéX-IA afin qu’elles puissent être exploitées. Tout d’abord, il faut définir comment ces données seront acquises. Pour l’instant, nous avons deux pistes qui permettraient de transmettre les données :

• Utiliser un compteur d’énergie qui réalise la partie mesure et qui dispose d’un port de communication pour envoyer les données
• Acquérir les données des capteurs sur une carte d’acquisition qui dispose d’un port de communication pour envoyer les données

Il faudra ensuite mettre en forme ces données afin d’en tirer certaines informations qui nécessitent des calculs comme les harmoniques par exemple. Ici se pose donc la question du traitement des données et comment elles peuvent être manipulées. Plusieurs pistes sont envisagées qui dépendent du protocole de communication de la carte d’acquisition :

• Utilisation d’un Raspberry Pi comme carte d’acquisition et réaliser les calculs sur celui-ci
• Mettre en place un système à part qui traite et met en forme les données avant de les stocker sur le cloud

Enfin, il faut stocker ces données sur la plateforme IdO. Pour l’instant, cette partie n’est pas encore définie et nous travaillons sur le protocole de communication à utiliser pour communiquer avec la plateforme.

Auteurs/Autrices : David RÖDER, Valentin MEYER, Maya PIVERT, Lorys BAETA. Étudiants en génie électrique de l’INSA Strasbourg

Mesure et transmission de la consommation des pupitres de la salle L012A de l’INSA Strasbourg vers la plateforme IdO © 2023 by David RÖDER is licensed under CC BY-SA 4.0