Capteur UxI pour routeur photovoltaïque

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

Toute la partie logicielle et le pilotage du Triac font l’objet d’un autre article sur ce blog.

Mesure Courant et Tension

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 I_eff
– le calcul de la tension efficace U_eff
– le calcul de la puissance apparente P_va en kVA
– le calcul de la puissance active P_w 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)
  • ESP Wroom-32U avec 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)
• Un gradateur 16A ou 24A de RobotDyn suivant la puissance du chauffe-eau (Aliexpress). Non traité ici mais 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
• 2 LEDS en face avant
• Du fil de câblage 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.

Code Source et installation du logiciel

Pour télécharger le code source, le compiler puis le transférer dans l’ESP32, allez sur la page : Routeur photovoltaïque simple à réaliser

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.

Responsabilité

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