Triacs gradateurs pour routeur photovoltaïque

Gradateur / Triac 16A ou 24A

Le Triac est monté sur un ensemble appelé gradateur que l’on pilote simplement à partir du 0 / 3.3V en sortie du microcontrôleur ESP32.

Un signal « Zero Crossing » donne une impulsion de 3.3V à chaque passage par zéro de la tension alternative du secteur 230V. Ce signal permet à l’ESP32 de synchroniser ses commandes par rapport au secteur.

Pour ajuster le courant à injecter vers un chauffe-eau ou un chauffage, on utilise un gradateur de chez RobotDyn . Il existe en 16A ou 24A et est disponible chez Aliexpress.

Attention, le refroidisseur d’origine du Triac est largement sous-dimensionné si vous avez une charge de plus de 1000W, sachant qu’il devra fonctionner pendant plusieurs heures. Remplacez-le par un plus-grand. Vous dessoudez le Triac et le montez sur un gros refroidisseur. Pensez à raccorder le refroidisseur à la terre du secteur pour la sécurité.

De même les 2 pistes entre le connecteur 230V et le Triac sont un peu faibles. On peut, en rajout, souder une couche de fil de cuivre ou brancher directement les 2 anodes du Triac sur le bornier..

Pour les grosses puissances à commuter, par exemple 3000W, on peut remplacer le Triac d’origine par un BTA40-800B en boitier RO91 qui dissipe beaucoup mieux la chaleur et tient 40A 800V. On connecte les 2 pins en 230V directement au bornier du gradateur et par un petit fil soudé, on connecte la gâchette du Triac. Le Triac est fixé sur un gros dissipateur en aluminium. Petit conseil : avant de monter le Triac sur le dissipateur, souder les fils dessus, sauf si vous le montez avec des cosses. Après, il sera difficile de les souder.

Avec un Triac 16 A, ne dépassez pas les 2kW.
Avec un Triac 24 A, ne dépassez pas les 3kW.
Si vous changez le Triac par un BTA40_800B ne dépassez pas les 6kW de charge résistive.

Attention, ce système, permettant d’ajuster finement la puissance disponible, ne fonctionne que pour les chauffe-eaux électriques ou chauffages classiques dans lesquels se trouvent une résistance électrique et un thermostat électro-mécanique pour contrôler la température. Pour les thermostats électroniques, il faudra placer le Triac, entre le thermostat et la résistance électrique.

Schéma de branchement pour un chauffe-eau monophasé

Avec le schéma ci-dessus, l’ESP32 recherche les mesures de puissance sur un autre ESP. S’il doit mesurer en local, il faut rajouter le schéma sur la gauche pour des mesures type UxI , UxIx2 ou Linky. Voir l’article correspondant.

Les LEDs et résistances (visible sur d’anciens schémas) en Gpio18 et 19 ont été remplacées par des modules pré-câblés.

Fonctionnement

Le signal Zéro Crossing (courbe verte) fourni une impulsion au passage par zéro de la tension 230V (courbe rouge). Le Triac ne conduit plus à partir de cet instant. L’ESP32 compte le temps et rend le Triac conducteur au bout d’un retard entre 0 et 10ms, suivant le résultat du calcul interne sur la puissance consommée ou injectée à l’entrée de la maison. Ici sur ce schéma, l’ouverture se fait à 50% du temps, soit 5ms. Le chauffe-eau ou chauffage reçoit de l’énergie jusqu’au prochain passage par zéro de la tension.

Actionneur Relais

Ce projet permet l’ajout de relais sur les GPIOs libres de votre choix (sauf le 27) pour commander un ou plusieurs dispositifs suivant l’état de consommation ou injection de puissance au niveau de la maison.

Vous pouvez connecter un relais solide (SSR). Il en existe de nombreux de 10, 25 ou 40A. Ils doivent être commandables en 3.3V et prenez des courants Max correspondant à 2 ou 3 fois le besoin. Pour les gros ampérages, rajoutez un dissipateur thermique.

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Oscillogramme

Ci dessous 3 courbes qui montrent l’ouverture du Triac (courant en sortie en bleu) et la tension secteur en jaune avec une échelle de 10ms par carreau.

Schéma de branchement pour un chauffe-eau triphasé avec neutre

Ici on rajoute 2 relais pour commuter les phases une par une fois que le Triac arrive à 100%. On met par exemple le seuil du Triac à 0W, le relais 1 à -50W et le relais 2 à -70W. Si le thermostat du chauffe-eau est mécanique, pas de soucis. Si le thermostat est électronique, mettre les relais et le Triac après le thermostat pour toujours l’alimenter et bénéficier de sa protection.

Gradateur / Triac 40A avec ventilateur

Un nouveau modèle est à présent disponible sur Aliexpress avec une capacité de commutation de 40A et un ventilateur assurant un bon refroidissement.

Le ventilateur peut s’alimenter directement en 5V, il consomme 100mA. On ne peut donc pas le piloter directement depuis une sortie d’ESP32. Le laisser branché en permanence est une solution, mais attention à l’usure. Un jour il s’arrêtera… et là, ce sera la catastrophe. Dans le montage ci-dessous pour le routeur photovoltaïque, on utilise un transistor 2N2222A pour l’actionner uniquement quand le triac est actif. Branché au signal de pilotage du triac (pwm), la vitesse variera suivant le degré d’ouverture du Triac.

Avec le schéma ci-dessus, l’ESP32 recherche les mesures de puissance sur un autre ESP. S’il doit mesurer en local, il faut rajouter le schéma sur la gauche pour des mesures type UxI , UxIx2 ou Linky. Voir l’article correspondant.

Une alternative de pilotage du ventilateur est de brancher une sonde de température sur le GPIO13 et de brancher la résistance de 2200Ω qui pilote le 2N2222A en GPIO17 par exemple au lieu du GPIO22. En rajoutant une règle suivant la température dans les actions du routeur, il est possible d’actionner le ventilateur si la température s’élève.

Une autre alternative est tout simplement de ne pas brancher le ventilateur si la charge n’est pas trop puissante (< 2kW).

Montage Routeur à un Chauffe-Eau

Dans le schéma ci-dessous, on garde le contacteur Jour/Nuit et on installe en parallèle le routeur. Le routeur ne coupe pas le neutre comme le contacteur Jour/Nuit, mais la phase uniquement.

Sans contacteur, on peut programmer une plage horaire sur le routeur durant laquelle on force à On le Triac.

Pour les chauffe-eaux triphasés, on peut faire le même type de montage en faisant attention de ne pas mélanger les phases.

Exemple de routage et régulation à Zéro Watt

Dans cet exemple, visible pour les routeurs UxI, l’ouverture du triac vers le chauffe-eau est d’environ 50% du temps (5ms). Le système se régule pour avoir une puissance échangée avec le réseau public autour de 0W . Sur une durée d’une demi sinusoïde de 10 ms, on a une première période où l’on injecte de l’énergie puis le Triac s’ouvre, on consomme de l’énergie sur le réseau. En faisant une centaine de mesures du produit U*I sur la période de 20 ms on a un résultat proche de zéro en Watt. Par contre, pour la puissance apparente qui est le produit de la tension et du courant efficaces qui ne tient pas compte du signe, on a une valeur importante en VA.

Votre fournisseur d’électricité vous facture en fonction des W ou Wh et non pas sur le VA (puissance apparente).

Commutation de charges inductives

Si le triac est utilisé pour contrôler une charge inductive, un déphasage entre le courant et la tension se produit. Ainsi la tension ne sera pas nulle au passage à zéro du courant qui est retardé. Cela peut se traduire par un déclenchement incorrect du triac que l’on voit par une consommation en dent de scie. Dans l’application du routeur, les charges sont principalement résistives pour chauffer. Le phénomène a été rencontré sur des chauffages d’appoint avec ventilateur.

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.

En particulier :

• Mettez à la terre (fil jaune/vert) le radiateur électrique du Triac ou des relais SSR
• Ne désinstallez pas le thermostat d’origine d’un chauffe-eau. Il assure la sécurité en cas de surchauffe.

En plus des risques électriques, assurez-vous de monter suffisamment en température pour les risques de salmonelle ou légionellose. En vertu de l’arrêté du 30 novembre 2005, la température de votre ballon d’eau-chaude doit être réglée entre 50° et 60° Celsius pour les dispositifs de moins de 400 litres et entre 55°C et 60°C si le « volume total des équipements de stockage est supérieur ou égal à 400 litres ».

Responsabilité

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