Topologie shunt en trois

Auteurs : Salil JAIN, ingénieur du personnel, STMicroelectronics,Alok Kumar MITTAL, responsable de groupe senior, STMicroelectronicsMarilena Gaetana SAMBATARO, responsable des applications, STMicroelectronics

Cet article explique les conceptions de référence du compteur d'énergie intelligent triphasé développé par STMicroelectronics et les avantages des shunts par rapport aux capteurs de courant pour la métrologie polyphasée.

De nos jours, les gens sont de plus en plus préoccupés par la surveillance et le contrôle de la consommation d'énergie, qu'il s'agisse de machinerie lourde ou d'appareils électroménagers. Comme le montre la figure 1, les solutions de mesure à base de shunt, associées à la nouvelle technologie d'isolation galvanique avancée de STMicroelectronics, présentent plusieurs avantages par rapport à la méthode de détection de courant par transformateur de courant (TC) traditionnelle :

STMicroelectronics fournit des solutions fiables pour le comptage, conformes aux dernières normes disponibles (EN 50470-x, IEC 62053-2x, ANSI12.2x) pour les wattmètres AC.

Les TC sont largement utilisés dans l'industrie du comptage pour mesurer le courant alternatif (CA). Il a un noyau ferromagnétique, un enroulement primaire et secondaire de fil de cuivre.

La phase ou le fil neutre sur lequel le courant à mesurer est passé à travers l'anneau CT. Le courant alternatif dans le fil de phase (primaire) produit un champ magnétique alternatif dans le noyau qui induit alors un courant alternatif dans l'enroulement secondaire du TC. Le nombre de tours dans les enroulements primaire et secondaire est choisi pour mettre à l'échelle le courant primaire à une valeur mesurable. Une résistance de charge connectée aux bornes de l'enroulement secondaire produit une tension de sortie basée sur la quantité de courant qui le traverse.

La figure 2 présente un compteur d'énergie traditionnel basé sur CT. Certains avantages qui rendent CT universel dans la conception de mesure sont :

Par conséquent, la principale raison derrière l'utilisation de CT est la sécurité contre les risques de haute tension.

Pour les raisons ci-dessus, il convient d'envisager des topologies utilisant un shunt pour les compteurs triphasés.

Les shunts peuvent être utilisés pour de nombreuses applications telles que la diode shunt, la protection des circuits et la mesure du courant. Pour la mesure de courant, peu de variantes de shunts sont utilisées.

Pour les conceptions mentionnées ci-dessous, un shunt à cinq bornes est utilisé pour mesurer le courant consommé. C'est une résistance de 3W et 0,3 mΩ. Un gain de préamplification de 16x sur le canal de courant, sélectionnable pour les deux appareils de métrologie (STPMS2 et STPM32/STPM33) assure une plage de courant jusqu'à 100A. La tension aux bornes de la résistance shunt, proportionnelle au courant d'entrée, est détectée par les ADC de ces dispositifs.

Le STPM3x est une famille de produits standard spécifiques à une application (ASSP) conçue pour la mesure de haute précision de la puissance et des énergies dans les systèmes de lignes électriques.

Le STPMS2, un modulateur sigma-delta de second ordre 24 bits à deux canaux, peut mesurer la tension et le courant pour chaque phase. Il suréchantillonne ensuite les signaux à l'aide d'une horloge synchronisée de 4 MHz et multiplexe les trains de bits sigma-delta de tension et de courant sur une seule broche de sortie.

Dans les solutions à base de shunt, il est obligatoire d'isoler les phases les unes des autres, car la différence de potentiel sur la carte de circuit imprimé (PCB), due au contact direct avec le fil de ligne, peut être de l'ordre de centaines de volts. Cela peut produire un courant de décharge qui détruirait la carte et les équipements qui y sont connectés. L'isolation est obtenue à l'aide du STISO621, un isolateur numérique à double canal basé sur la technologie d'isolation galvanique à oxyde épais 6kV de ST pour transférer des données entre des domaines isolés dans une variété d'applications industrielles.

Comme on peut le voir sur la figure 3, un isolateur est utilisé entre le microcontrôleur et le dispositif de mesure STPM32 ou STPMS2.

Les consommateurs qui souhaitent contrôler leurs factures d'électricité et les industries où la puissance, l'énergie et le facteur de puissance précis des machines lourdes doivent être surveillés, ce compteur (comme illustré à la figure 4) fournit un moyen de détecter et de contrôler la puissance et la consommation d'énergie. Il calcule tous les paramètres de métrologie essentiels pour mesurer chaque milliwatt d'énergie consommée par l'industrie ou le ménage. Le circuit intégré de mesure STPM32 et le microcontrôleur STM32L486 sont utilisés pour cette conception.

La figure 5 et la figure 6 expliquent le schéma fonctionnel de la conception.

Compteur d'énergie triphasé basé sur STPMS2 (EVALST-3PHISO)

La carte d'évaluation EVALSTPM-3PHISO (comme illustré à la figure 7) implémente un compteur d'énergie triphasé complet avec des capteurs de courant shunt. La solution est basée sur le dispositif STPMS2, un modulateur sigma-delta de second ordre 24 bits à double canal. Les circuits de détection et la disposition des circuits imprimés sont optimisés pour maximiser le rapport signal/bruit pour une précision optimale.

Le STPMS2 suréchantillonne le signal à l'aide d'une horloge de 4 MHz distribuée de manière synchronisée par le microcontrôleur et produit des trains de bits sigma-delta de tension et de courant, multiplexés sur la même broche. La communication à deux fils entre le modulateur STPMS2 et le MCU est isolée par STISO621W, un Interface isolée galvanique 6 kV, permettant un débit jusqu'à 100 Mbps et une faible distorsion d'impulsion (<3ns) pour un transfert de données sûr et rapide entre des domaines isolés. Le micrologiciel intégré à la solution exploite les filtres DFSDM du STM32F413RH pour convertir les six flux binaires en 24 -bits de données de tension et de courant, à un taux de 200us. Il implémente également une communication Virtual COM Port pour accéder facilement aux paramètres internes afin de lire les données de métrologie, de modifier la configuration interne pour une grande flexibilité de l'application et de calibrer la carte.

La figure 8 est le schéma fonctionnel de EVALSTPM-3PHISO. La documentation, les outils et les ressources pour cette conception sont disponibles sur https://www.st.com/en/evaluation-tools/evalstpm-3phiso.html .

Compte tenu de l'intérêt croissant pour la détection de courant shunt pour l'industrie du comptage, ST propose une solution fiable et précise pour la mesure et le contrôle de l'énergie dans l'environnement domestique et industriel, montrant comment utiliser le shunt pour la détection de courant. Il assure une immunité complète aux champs magnétiques CC et CA et à la détection de courant sans aucun déphasage tout en réduisant le coût global du système. Le petit facteur de forme garantit une carte de circuit imprimé compacte, avec très peu de composants à assembler. Bien sûr, cela ne se limite pas seulement au comptage d'énergie. Les onduleurs solaires, la surveillance des processus et les dispositifs de protection peuvent tous bénéficier de la topologie Shunt.