Brevet FR2222656A1 — publié le 19741018

Dans le cas le plus général la puissance active consommée en monophasé par un récepteur ou fournie par un générateur est définie comme étant la valeur mo yenne de la puissance instantanée qui s 'écrit dans le cas de phénomènes périodiques, u et i sont les valeurs instantanées du courant et de la tension fonctions toutes deux du temps t. Dans l'état actuel de la technique, on utilise des wattmètres à deux cireuits (l'un dit fil fin, l'autre dit fil gros), des dispositifs utilisant l'ef- fet Hall, des appareils thermiques, enfin des systèmes électroniques de types divers. Dans de nombreux cas, la tension et le courant sont des fonctions sinusol- dalles du temps, de telle sorte que la puissance mesurée est P = U I cos , cos 9 t étant le facteur de puissance de l'installation. Les mesures deviennent délicates, meme en régime sinusoïdal,si 1 ton étudie des circuits à très faible facteur de puissance. Par ailleurs, la plupart des wattmètres courants ne permettent pas d'effectuer des mesures dans une gamme importante de fréquences ou si des harmoniques du fondamental interviennent (tension et courant non sinusoïdaux). Le procédé utilisé pour réaliser le dispositif ci-dessous décrit permet de pallier ces inconvénients, car le fonctionnement est possible meme pour de faibles valeurs du facteur de puissance (cas où courant et tension sont sinusoïdaux) et si tension et courant ou l'un des deux ne sont pas sinusoïdaux, la valeur de la puissance mesurée résultant de la définition intégrale elle-meme. De plus, il est possible d'effectuer des mesures en courant continu et pour une gamme très étalée de fréquences. Il est possible d'aller plus loin, puisque l'on pourrait envisager une me sure énergétique même si tension et courant ne sont pas périodiques. Parmi les systèmes électroniques existant, certains consistent à intégrer dans un appareil de mesure des créneaux rectangulaires dont l'amplitude est proportionnelle à U, la largeur à I cos 9 (ou inversement). Il est bien évident que ces dispositifs ne sont applicables qu'en courant périodique sinusoïdal. Suivant l'invention, on procède comme suit, en se reportant au schéme de la planche jointe donnée à titre d'exemple non limitatif. L'ensemble électronique est alimenté en courant continu entre les bornes marquées +E-et -E. La tension d'alimentation n'est pas critique et peut varier dans de larges limites, par exemple entre 6 volts eut 12 volts pour les composants choisis, de telle sorte que même si l'on part à l'origine d'une tension de 9 volts fournie par deux piles standard, le fonctionnement reste assuré après un très long usage. Examinant le schéma à partir de la gauche, on remarque le transistor T1 dont la base est alimentée par le pont formé par la résistance R1 et une diode Zener en série avec une diode formant ensemble D. T1 est donc un générateur de courant constant qui charge le condensateur C1 ; la tension en dent de scie qui apparaît aux bornes de C1 est de la même une fonction linéaire du temps. Si le temps de descente de la dent de scie doit être très faible devant le temps de montée, la fréquence n' est pas impérative. Par contre l'amplitude de la dent de scie doit rester constante pour le bon fonctionnement de l'ensemble. Le condensateur C1 se décharge au travers du transistor unifonction T2, mais comme il y a lieu de tenir compte des variations de la tension d'alimentation, soit que l'on tienne compte du vieillissement des organes d'alimentation, soit que l'on tienne compte de leurs fluctuations, il est nécessaire de maintenir constante l'amplitude de la dent de scie qui servira à découper l'un des éléments instantané de la puissance. A cet effet, on réalise une régulation faisant intervenir le transistor à effet de champ T3, monté en série avec la capacité C2. T3 We comporte donc comme une résistance variable qui fait que T2 est ali renté sous une tension constante. Le transistor T4 se comporte comme un adaptateur d' impédance qui conserve la linéarité de la dent de scie. En suivant le schéma, on trouve un amplificateur opérationnel comparateur A1 qui reçoit - sur l'une des entrées, une tension linéaire en dent de scie issue des étages précédents, d'amplitude constante. - sur l'autre entrée, une fraction de la tension instantanée. On désire que la sortie de l'amplificateur délivre un signal échantillonné en temps par la dent de scie. La durée d'un créneau est déterminée d'une part par le temps de la retombée de la dent de scie, d'autre part par le temps pour lequel Tl'amplitude de la tension u coïncide avec celle de la montée de la vint de scie. La durée d'un créneau échantillon est donc proportionnelle à la valeur instantanée de u. Il en résulte que l'amplitude de la dent de scie doit être supérieure à l'amplitude maximale de la tension u, ce qui ne pose pas de problème compliqué. Pour que le fonctionnement du dispositif bénéficie des meilleu X conditions de stabilité, il suffit que l'amplificateur A1 soit saturé, ce qui apparaît inévitablement si le gain est très élevé. On dispose donc, entre 0 et a d'un échantillon de tension. Il y a lieu de noter que le fait d'échantillonner permet d'éliminer, dans une certaine mesure, les bruits de fonds aléatoires pouvant apparaître dans u, à condition que la période de la dent de scie soit très différente de la période, ou de la pseudopériode de u. Les deux transistors NPN et PNP T et T5 fonctionnant en coninutation constituent un multiplicateur. Avant d'étudier le fonctionnement de ce multiplicateur, il y a lieu d'examiner la figure à partir de la droite. Le courant instantané i circule dans le shunt S, et la tension aux bornes de S est appliquée àlamplificateur opérationnel monté en inverseur A2, de gain modéré, et de large bande passante. Il est à noter que l'on a supposé que la tension est prise aux bornes d'un shunt, mais l'on pourrait aussi bien prélever cette tension aux bornes d'un transformateur d' intensité. Les réseaux de compensation figurant sur la figure assurent stabilite et large bande passante. On dispose ainsi, issu de A1 un échantillonnage de la tension instantanée u, et issue de A2 une tension proportionnelle à i. Le circuit multiplicateur peut être étudié en séparant les fonctions de T5 et T6. Si l'on considère par exemple le transistor uD Désignant par vB la tension échantillonnée appliquée entre a et 0, par vC la tension image de i appliquée entre b et 0, par vgg la tension base émetteur, par vCE la tension collecteur émetteur, on doit distinguer 4 cas possibles a) VC > O vB > 0 :le transistor est saturé, si son courant de base est suffisant, par suite vCE = 0 (pratiquement ). b) VC > O VB qui implique le bloquage du transistor ; dès lors VCE=vC (pratiquement) c) VC 0 : la Jonction BE est passante et vgE est voisine de 0 il en est de même de la fonction BC et abc est voisine également de 0. I1 en résulte que vCE = vCB + vBE est voisine de 0. + BE d) VC absolue de vC, les deux 3onctions base émetteur et base collecteur sont polarisées en inverse ; donc vCE = vC (pratiquement). En résumé Si Le transistor PNP T6 fonctionne de façon analogue, mais de sorte que La tension différentielle qui apparaît entre les collecteurs des deux transistors est donc telle que Comme les créneaux de vg ont une durée proportionnelle à la valeur instantanée de la tension u et comme l'amplitude de VC est proportionnelle à i, on obtient entre les deux collecteurs une tension échantillonnée de la puissance ui, d'autant plus facilement intégrable dans un appareil de mesure que la fréquence de la dent de scie nTa pas de relation avec la fréquence du phénomène à mesurer. La figure 2 représente les diverses phases de la transformation de u et de i, soit échantillonnage de u modulation par T5 des échantillons de tension, modulation par T6 des échantillons de tension, enfin tension échantillonnée obtenue entre les collecteurs de T et de T6. 5 Le multiplicateur qui utilise des transistors fonctionnant en commutation est donc très stable. Son fonctionnement n'est pas affecté par des variations même importantes de la tension d'alimentation. Le montage symétrique élimine les autres causes d'erreurs (tensions de saturation, courants de fuite). La tension entre collecteurs fait circuler un courant dans 1 'appareil de mesure H en série avec la résistance P. L'inertie du cadre de l'appareil de mesure (microampèremètre) permet l'intégration des créneaux, de telle sorte que son dadran peut être étalonné linéairement en valeurs de la puissance active. La résistance variable P permet d'obtenir, en régime sinusoïdal,la pleine déviation du microampèremètre pour diverses valeurs du facteur de puissance. On peut concevoir de disposer de plusieurs calibres de P correspondant à diverses valeurs du facteur de puissance, la valeur minimale du facteur de puissance n T étant limitée que par la sensibilité et la résistance du microampèremètre. Si l'on désire effectuer des mesures de puissance pour des tensions et des courants non sinusoïdaux, il suffit d'obtenir la pleine échelle en sinusoïdal pour cos f = 1 ou d'étalonner avec une tension U et un courant I continus ce qui est possible puisqu'il nty a aucune liaison capacitive entre les différents organes du dispositif. Il est à noter que le seul réglage de l'appareil est assuré par P, et encore sert-il à effectuer l'étalonnage. Il est à remarquer que T inertie du cadre mobile peut être insuffisante si les phénomènes étudiés (tension et courant) sont à très basse fréquence. Cependant il est possible alors, de shunter le microampèremètre par une capacité élevée pour augmenter l'amortissement. Il est même possible en agissant sur le côté intensité d'éviter les battements inévitables en très basse fréquence, sans altérer le principe même de la présente invention, ce qui permettrait de mesurer la puissance rotorique des moteurs asynchrones d'induction à bagues, par exemple. Il est bon, malgré la faible consommation de l'appareil, de vérifier l'état des piles d'alimentation : ctestvle but d'un "contrôle piles" non représenté sur la figure qui permet de vérifier avec le microampèremètre lié à Tappareil, débranché de ses deux bornes, et monté en voltmètre, que Tindication se situe dans une zone qui assure les performances des divers étages : on rappelle que les performances ne sont pas affectées si la tension des piles diminue notablement. Ce problème ne se pose évidement plus si l'alimentation est assurée par un dispositif redresseur alimenté par le réseau. Sans que cela sorte du cadre de la présente invention, on peut prévoir un affichage numérique lié directement au dispositif. Egalement, sans sortir du cadre de l'invention, le dispositif peut servir à la mesure des puissances réactives. La combinaison de deux ou plusieurs appareils du même type permet la mesure des puissances en régimes polyphasés équilibrés ou non, quelle que soit la forme d'onde des tensions et des courants. Le dispositif fonctionne donc en courant continu, et de quelques Hertz à plusieurs centaines de Hertz. REVENDICATIONS Rev. 1. Procédé de mesure de la puissance électrique véhiculée par un circuit quelle que soit la forme d'onde du courant et/ou de la tension, caractérisé en ce que d'une part on ouvre a un rythme régulier des fenêtres d'échantillonnage dont la largeur est proportionnelle a l'une des deux grandeurs courant ou tension, que d'autre part on prélève pendant la durée d'ouverture de ces fenêtres un signal d'entrée proportionnel a l'autre grandeur tension ou courant, et que l'on intégre le signal de sortie en résultant pendant un temps prédéterminé. Rev. 2. Dispositif permettant de mesurer la puissance électrique véhiculée par un circuit quelle que soit la forme d'onde de l'un ou l'autre des deux grandeurs concernées, courant et tension, comportant un générateur de dents de scie linéaires d'amplitude constante suivi d'un premier amplificateur fonctionnant en régime saturé, permettant d'échantillonner la tension, ou le courant, un deuxième amplificateur a caractéristique proportionnelle alimenté par l'autre variable, le courant ou la tension, un multiplicateur recevant d'une part, le signal de sortie du premier amplificateur et d'autre part, le signal de sortie du deuxième amplificateur, ledit multiplicateur étant suivi d'un intégrateur et d'un dispositif d'affichage ou dlenregistrement, caractérisé en ce que le générateur de dents de scie suivi du premier amplificateur délivre a la première entrée du multiplicateur de façon répétitive des portes ou signaux rectangulaires dont la largeur est proportionnelle a la valeur instantanée de la tension ou du courant, que le 2ème amplificateur fournit a la 2ème entrée du multiplicateur des signaux proportionnels a la valeur instantanée du courant ou de la tension et que en conséquence, le signal de sortie du multiplicateur tel qu'intégré par l'intégrateur est proportionnel à la valeur quasi instantanée de la puissance véhiculée par le circuit électrique. Rev. 3 Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en outre en cé que la fréquence des dents de scie est ajustable. Rev. 4 Dispositif conforme à l'unedes revendications 2 ou 3 caractérisé en outre en ce que le dispositif d'affichage est un milliampèrem- tre. Rev. 5 Dispositif conforme a l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en outre en ce que le dispositif d'affichage est du type à affi- chage numérique