Un routeur Photovoltaïque a besoin de connaitre avec précision la puissance échangée avec le réseau public en entrée de maison. Nous avons deux situations :
- de la consommation avec de la puissance ou énergie soutirée
- de la surproduction avec de la puissance ou énergie injectée
Pour mesurer le niveau de puissance et connaitre son sens de transfert, il faut connaitre à tout instant la tension électrique et le courant électrique entre le disjoncteur principal et le tableau électrique. Il existe différentes possibilités pour effectuer ces mesures. Ici, nous allons nous intéresser à un montage en composants discrets :
- un transformateur branché sur le 230V / 6V AC nous isolant du secteur et fournissant une bonne représentation proportionnelle de la sinusoïde de tension secteur
- une sonde de courant que l’on passe autour du fil de phase uniquement (et non pas phase et neutre) pour récupérer un champ magnétique et un micro courant proportionnel au courant qui passe dans la phase.
Ce montage, je l’ai baptisé UxI car pour connaitre avec détail la puissance, on effectue de nombreux produits U (la tension) fois I (le courant) dans le temps.
Les signaux en sortie du transformateur et de la sonde de courant sont numérisés par un microcontrôleur ESP32 qui suivant la situation de puissance ouvrira plus ou moins un Triac servant de robinet pour fournir la puissance disponible en excédant à, par exemple, un chauffe-eau. Les LEDS fournissent suivant le clignotement, l’état du système.
Matériels
Pour réaliser l’ensemble, il faut les matériels suivants:
Capteur du Courant
Pour mesurer le courant en entrée de la maison, on utilise un capteur de courant dans lequel on fait passer le fil de phase du secteur. En sortie, agissant comme un transformateur, il fournit un courant identique, mais 2000 fois plus faible. Ce courant est envoyé aux bornes d’une résistance et nous allons mesurer la tension générée.
Il existe différents modèles suivant le courant Max que l’on souhaite mesurer. La modèle SCT013 de 100A est adaptée à un domicile ayant une puissance max délivrée de 12kVA. On le trouve en Chine chez Aliexpress.
Capteur de la tension
Pour mesurer la tension, on utilise un transformateur bobiné classique abaisseur de tension qui nous isole du secteur. Par exemple un 230v/6v. Il faut un modèle le plus petit possible, on ne prélève aucune puissance. Cela n’est plus très facile à trouver. Un transformateur, dit de sonnette, peut faire l’affaire.
Principe de mesure de la puissance
Pour savoir si de l’énergie rentre ou sort de la maison on compare la phase du courant I et de la tension U. Durant 20 ms, la durée d’une période du secteur à 50 Hz, on effectue 100 mesures de tension U et 100 mesures de courant I. C’est-à-dire une mesure toutes les 200 μs.
C’est le signe de la somme des 100 produits UxI qui donne le sens de transfert de la puissance ou de l’énergie. C’est le paramètre le plus important pour un routeur afin de savoir si on soutire de l’énergie ou injecte de l’énergie.
Micro-Calculateur ou Microcontrôleur
Pour effectuer les mesures de tension et les calculs, L’ESP32 est un microcontrôleur adapté à notre besoin. Il comprend :
- des entrées analogiques pour mesurer des tensions,
- des entrées/sorties numériques pour actionner un relais ou un triac si besoin,
- une bonne capacité de calcul
- une liaison WIFI pour faire du reporting à distance sur une page web ou un système de domotique.
Toute la partie logicielle et le pilotage du Triac font l’objet d’un autre article sur ce blog.
Mesure Courant et Tension
La mesure des 2 tensions représentantes du courant et le la tension secteur se fait par les entrées analogiques de l’ESP32. Ces entrées acceptent une tension positive entre 0 et 3.3V et numérisent la valeur sur 12 bits, valeurs entre 0 et 4095.
Pour s’adapter à la dynamique d’entrée, on crée une référence de tension au milieu de la plage à 1.65V =3.3V/2 à laquelle on rajoutera la tension en sortie du transformateur et de la sonde de courant.
On prélève le 3.3V de l’ESP32 qui en passant par un pont de 2 résistances (R6 et R7) de 4700 ohm connecté à la masse nous fourni au milieu une référence de 1.65V. Pour éviter du bruit de mesure, un condensateur de 470uF (C2) filtre le 3.3V et un autre de 10uF (C1) filtre le point milieu à 1.65V.
Cadrage dynamique
Afin de ne pas dépasser les 3.3V crête à crête des signaux à mesurer, ou 1.65V crête, on se fixe une limite de +-1V efficace maximum.
Pour la sonde de courant avec 80A et une résistance de 24 Ω , on arrive à peu près au 1V efficace.
24*80A/2000=0.96V efficace ou 2*1.36V crête à crête.
Ainsi la tension à mesurer sera dans la plage 1.65V +/- 1.36V.
Chez moi, avec un abonnement de 12KVA, je ne devrai pas dépasser les 60A.
Pour la mesure de tension, il faut mettre un pont de résistances (R4 et R5) pour abaisser le 6V autour de 1V efficace et avoir ainsi un signal à mesurer entre 1.65V +/- 1.41V.
Vin*R5/(R4+R5)=Vout ou 6V*4700/28700=0.98V efficace
En cas d’utilisation d’un transformateur ne fournissant pas du 6V AC, il faut reprendre les valeurs du pont diviseur R5/(R4+R5)
Raccordement à l’ESP32
La difficulté avec les différentes cartes qui intègrent un ESP32, est de trouver les GPIO disponibles et non utilisés pour la programmation Flash etc.
Dans notre cas, on mesure les tensions suivantes:
– GPIO 35 : la tension de référence à 1.65V en théorie.
– GPIO 32 : la tension en sortie du transformateur réduite par le pont de résistances R4 et R5
– GPIO 33 : la tension représentant le courant à mesurer
Certaines cartes n’ont pas le GPIO33. Utilisez le GPIO34 et remplacez la déclaration en début de programme : « const int AnalogIn2 = 33; » par « const int AnalogIn2 = 34; »
Mesure
La mesure des 2 valeurs représentant la tension et le courant prend environ 150uS. En pratique, on prévoit sur une période de 20ms (1/50Hz) de prélever 100 couples de valeurs, ce qui donnera une bonne description de la tension à priori sinusoidale et du courant souvent chahuté par les alimentations à découpage.
Pour bien caler dans le temps chaque mesure, on utilise le compteur des micro-secondes de l’ESP32.
Toutes les 40 ms, on effectue :
– la mesure des tensions (V) et courants (I) durant 20ms
– une moyenne sur les dernières mesures pour lisser et réduire le bruit de mesure
– le calcul du courant efficace Ieff
– le calcul de la tension efficace Ueff
– le calcul de la puissance apparente Pva en kVA
– le calcul de la puissance active Pw en kW
– le cosinus φ ou facteur de puissance (Power Factor)
Recadrage de la dynamique d’entrée en tension
Suivant le transformateur servant à la mesure de tension, il peut y avoir des ajustements à faire pour centrer les signaux électriques entre 0 et 3.3V comme décrit plus-haut. Si la courbe rouge de tension, dans la page données brutes, est une belle sinusoïde, ne changez pas R4 et R5. Si la courbe est plate en haut ou en bas, il faut augmenter R4 ou baisser R5.
Montage
Dans une boite d’électricien, on installe :
- ESP32 (3 choix)
- ESP32 38P (classique)
- Antenne Wifi externe
- ESP32 Wroom DevKit v2 de uPesy en France
- Une alimentation 230V – 5V 1A DC pour l’ESP32
- Un transformateur basse tension 230V – 6V AC pour mesurer la tension (Aliexpress)
- Gradateur ( gradateur 16A ou 24A de RobotDyn suivant la puissance du chauffe-eau (Aliexpress). Voir l’article correspondant.)
- Sonde de courant 100A/50ma (Aliexpress)
- Résistances R1 et R2 : entre 470 et 820 Ω 1/4 ou 1/8W
- R3 : 24 Ω 1/4W
- R4 : 24000 Ω 1/4 ou 1/8 W (À ajuster suivant transformateur)
- R5 : 4700 Ω 1/4 ou 1/8W (À ajuster suivant transformateur)
- R6 et R7 : 4700 Ω 1/4 ou 1/8W
- Condensateur C1 : 10μF ou plus en 12V ou plus
- Condensateur C2 : 220μF à 470μF en 12V ou plus
- LEDs
- Du fil de câblage (Câbles Dupont) et une plaque à trou pour le montage
Il est possible remplacer le couple résistance + LED par des modules pré câblés. Modules LED
Page données brutes
La page données brutes du serveur Web de l’ESP32 donne les courbes détaillées de la tension électrique en rouge et du courant en vert en entrée de maison. Si U et I sont en phase, on consomme de l’énergie. En opposition, on injecte de l’énergie.
Calibration
L’ESP en charge de la mesure de tension et du courant nécessite une calibration des valeurs mesurées pour s’adapter aux disparités des transformateurs, résistances etc. Commencer par la tension en mesurant votre tension secteur avec un voltmètre ou l’affichage du Linky et adapter le coefficient multiplicateur pour avoir la même valeur affichée sur la page d’Accueil. Un coefficient de 1000, correspond au schéma avec un transformateur de 6V. Baisser ce coefficient si la tension affichée est trop haute, montez-le si elle est trop basse.
Pour la calibration du courant, il est préférable de le faire lorsque la consommation de la maison est forte avec une charge résistive comme un four. On utilise la puissance apparente instantanée affichée en VA au niveau du Linky. On ajuste le coefficient pour avoir sur la page d’accueil des valeurs similaires à celle du Linky.
Unités en Photovoltaïques
Si vous voulez en savoir plus sur la mesure de puissance, regardez cette vidéo.
Sécurité
En travaillant sur ce projet en 230V, vous acceptez d’assumer la responsabilité de votre propre sécurité et de prendre toutes les précautions nécessaires pour éviter les accidents électriques.
