Brevet FR2469715A1 — publié le 19810522

La présente invention concerne la mesure de l'énergie électrique consommée ou fournie par un système ; celui-ci pouvant être en particulier un véhicule de transport à moteur électrique fonctionnant ou non en récupérateur d'énergie. I1 est connu de mesurer la consommation d'énergie des trains au moyen de compteurs à bac de mercure constitués d'un disque moteur baignant dans le mercure et parcouru par le courant issu d'un shunt de mesure, et d'un inducteur alimenté par la tension de la source. Mais ces compteurs présentent de nombreux inconvénients :ils ne peuvent pas prendre en compte des variations brutales de puissance du fait de l'inertie du disque, ils ne sont pas isolés galvaniquement de la source d'énergie, leur précision est limitée en raison notamment des pertes internes et de la résistance des cordons de liaison. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients et en outre de disposer de la possibilité de mesurer, avec un même compteur, aussi bien une énergie consommee qu'unie énergie fournie. Le compteur électronique d'énergie selon l'invention comporte un capteur analogique de tension et un capteur analogique d'intensité dont les signaux sont appliqués à un circuit analogique de multiplication qui fournit en sortie une tension proportionnelle au produit de ladite tension et de ladite intensité, et qui alimente un intégrateur qui convertit ladite tension de sortie du circuit de multiplication en impulsions dont la fréquence est proportionnelle à cette tension, et un compteur d'impulsions qui affiche une grandeur proportionnelle au nombre des impulsions qu'il reçoit dudit intégrateur. Dans un mode particulier de réalisation, afin de mesurer simultanément et distinctement l'énergie reçue (positive) et l'énergie fournie (négative), ledit compteur comporte en outre un détecteur de signe placé à la sortie dudit circuit de multiplication, un circuit redresseur interposé entre ce dernier et l'intégrateur, et un aiguilleur commandé par ledit détecteur de signe et dirigeant les impulsions fournies par ledit intégrateur respectivement vers deux compteurs selon que ledit signe de la tension de sortie du circuit de multiplication est positif ou négatif. Selon une caractéristique particulière de l'invention, ledit intégrateur est composé de deux chaînes d'intégration identiques comportant chacune un convertisseur tension-courant qui charge un condensateur lequel se décharge à travers un transistor après que sa charge ait atteint une valeur prédéterminée, chaque chaîne fonctionnant alternativement en charge et en décharge pendant que l'autre fonctionne respectivement en décharge et en charge grâce à une bascule à deux sorties de type "un sur deux" qui reçoit en entrée les impulsions produites par les deux chaînes d'intégration chaque fois que la charge de leur condensateur atteint ladite valeur prédéterminée et dont les deux sorties bloquent et débloquent alternativement lesdits transistors. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit convertisseur tension-courant de chaque chaîne d'intégration, constitué par un amplificateur opérationnel pilotant un transistor, comporte un deuxième amplificateur opérationnel monté en suiveur dans la contreréaction du premier. Avantageusement, ledit capteur analogique de tension ou d'intensité comporte une première bobine parcourue par un courant proportionnel à ladite tension ou à ladite intensité et une cellule à effet Hall placée dans le champ électromagnétique de ladite bobine et commandant un amplificateur opérationnel, lequel fournit un courant qui est envoyé dans une deuxième bobine dont le flux s'oppose au flux de la première. Dans un mode particulier de réalisation, afin de ne pas prendre en compte les faibles valeurs de la puissance, ledit détecteur de signe est constitué par deux amplificateurs opérationnels montés en comparateur et recevant chacun sur une première entrée une tension image de ladite puissance et sur l'autre entrée une tension de référence correspondant à un seuil de puissance prédéterminé. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront à l'étude du mode préféré de réalisation donné ci-après à titre illustratif et nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel . - la figure 1 est une représentation schématique d'ensemble d'un compteur simple - la figure 2 est une représentation schématique d'ensemble d'un compteur à deux voies, distinguant les puissances positive et négative - la figure 3 est une représentation schématique détaillée du capteur de tension - la figure 4 est une représentation schématique détaillée du circuit redresseur - la figure 5 est une représentation schématique détaillée de l'intégrateur à deux chaînes d'intégration - la figure 6 est une représentation schématique détaillée du détecteur de signe et de l'aiguilleur. Le compteur électronique d'énergie représenté schématiquement à la figure 1, comporte un capteur de tension (1) et un capteur d'intensité (2) qui délivrent chacun un courant proportionnel respectivement à la tension et à l'intensité dans la ligne sur laquelle doit être effectuée la mesure d'énergie. Ces courants sont envoyés dans un circuit analogique de multiplication (3) qui fournit une tension de sortie proportionnelle au produit de la tension et de l'intensité dans la ligne donc à la puissance instantanée. Cette tension de sortie est appliquée à un intégrateur (4) qui effectue la conversion de cette tension en fréquence sous la forme d'impulsions dont la fréquence est proportionnelle à la valeur de la tension.Un compteur (5) reçoit ces impulsions et affiche une indication proportionnelle à leur nombre, ce qui représente la quantité d'énergie qui a parcouru la ligne électrique depuis sa mise à zéro. Lorsque la puissance peut être tantôt positive, tantôt négative, c'est-d-dire consommée ou fournie, le compteur d'énergie comporte deux voies, comme représenté à la figure 2. Dans ce cas, un circuit redresseur (6) est interposé entre le multiplieur (3) et l'intégrateur (4), et un détecteur de signe (7) placé à la sortie du multiplieur (3), commande un aiguilleur (8) dont la fonction est d'orienter les impulsions de sortie de l'intégrateur (4) vers l'un ou l'autre des deux compteurs (9) et (10) selon que la tension de sortie du multiplieur (3) est positive ou négative. On notera que le détecteur de signe peut aussi bien être connecté à la sortie du capteur d'intensité (2) si le signe de la tension est constant. Divers modes de réalisation des circuits mentionnés cidessus sont bien connus de l'homme du métier et peuvent être adoptés pour la mise en oeuvre de la présente invention. Toutefois, un mode de réalisation particulièrement avantageux est donné ci-après pour les capteurs de tension et d'intensité, le redresseur, le détecteur de signe et l'intégrateur. Le capteur de tension est représenté à la figure 3. La tension (U) est appliquée aux bornes d'une résistance (11) et d'une bobine (12)-montées en surie ; la résistance servant à limiter le courant parcourant la bobine qui produit ainsi un flux proportionnel à la tension (U). Une cellule à effet Hall (13) soumise au flux de la bobine (12) commande un amplificateur opérationnel (14) qui délivre un courant (i) dans une deuxième bobine (15) placée de manière telle que son flux vient s'opposer à celui de la première bobine (12). Ainsi la cellule (13) commandera une augmentation du courant (i) jusqu'à ce que le flux de la bobine (15) soit égal et opposé à celui de la bobine (12), ce qui traduit la proportionnalité du courant (i) à la tension (U). On notera en particulier qu'une telle réalisation assure l'isolation galvanique entre la ligne et les circuits de mesure. Un capteur semblable produit un courant image de l'intensité du courant dans la ligne. Pour cela la résistance (11) est supprimée et la bobine (12) est parcourue directement par le courant de ligne, ou par un courant déduit de celui-ci et proportionnel. Les courants images de la tension et de l'intensité sont envoyés sur le circuit de multiplication (3) -de tout type connu. Toutefois, si celui-ci nécessite des tensions comme grandeurs d'entrée, des convertisseurs courant-tension y seront adjoints. te circuit redresseur (6) mentionné à la figure 2 doit être sans seuil pour ne pas introduire une erreur systématique. Pour cela, un mode de réalisation connu en soi et avantageux est représenté schématiquement à la figure 4. I1 consiste en deux amplificateurs opérationnels (16) et (17) montés en suiveur et de gain unitaire. Deux diodes (18) et (19) montées chacune dans un sens dans la boucle de contre-réaction du premier amplificateur (16) sont reliées chacune respectivement à une entrée du deuxième amplificateur (17), celle dans le sens passant à la borne "+" et celle dans le sens bloquant à la borne "-".De la sorte, si la tension d'entrée P appliquée à la borne "-" de l'amplificateur (16) est positive, la contre-réaction de celui-ci se fait au travers de la diode (18) qui est conductrice et le gain à ce niveau est égal à - 1 la tension issue de la diode (18) agit sur l'entrée négative de l'ampli ficateur (li) qui donne aussi un gain égal à - 1 ; d'où un gain total + I c'est-à-dire un signal de sortie IPI égal au signal d'entrée P, soit |Pl = P. Inversement, Si la tension P est négative, la contre- réaction de l'amplificateur (16) se fait par la diode (19) qui est conductrice, le gain est de - 1, mais la tension issue de la diode (19) étant appliquée sur l'entrée positive de l'amplificateur (17) le gain de celui-ci est de + 1, soit un gain total de - 1, soit lPt = - P.La possibilité de régler le gain de chaque amplificateur à l'unité (en valeur absolue) avec une grande précision permet d'obtenir un redressement du signal sans faire apparaître de seuil. L'intégrateur (4) des figures 1 et 2 pourrait être tout type connu de convertisseur tension-fréquence qui délivre en sortie des-impulsions à une fréquence proportionnelle à la tension d'entrée. Mais, pour disposer d'un compteur à grande dynamique et à grande linéarité et très précis, il est avantageux d'utiliser l'intégrateur à deux chaînes parallèles représenté à la figure 5. I1 se compose de deux convertisseurs tension-courant (20) et (21) identiques qui alimentent chacun un condensateur (22) et (23), de deux amplificateurs opérationnels (24) et (25) qui travaillent en comparateur entre la tension du condensateur (22) ou (23) correspondant et une tension de référence V et délivrent une impulsion chaque fois que la tension du s condensateur atteint la valeur Vs et d'une bascule bistable (26) qui reçoit par l'intermédiaire d'une porte OU (27) les impulsions des deux amplificateurs (24) et (25) et dont les deux sorties qui sont sous tension alternativement à raison d'une impulsion sur deux, sont reliées chacune à la base de deux transistors (28) et (29), lesquels sont montés en parallèle avec les condensateurs (22) et (23) et assurent la décharge de ceux-ci lorsqu'ils sont rendus conducteurs. Le fonctionnement de l'intégrateur (4) se présente donc comme suit. Au départ, l'un des transistors est bloqué (28 par exemple) et l'autre (29) est passant. Le convertisseur tension-courant (20) délivre un courant proportionnel à la tension lP' qui charge le conden sateur (22). Lorsque la tension à ses bornes atteint la valeur , l'amplificateur (24) délivre une impulsion qui fait commuter la bascule (26) ; il s'en suit le blocage de l'autre transistor (29) alors que le premier (28) devient passant et assure la décharge du condensateur (22) qui lui est associé. C'est alors l'autre convertis sur (21) qui charge l'autre condensateur (23) jusqu'à la tension V s qui fera à nouveau basculer l'ensemble, et ainsi de suite. De cette façon, la mesure n'est absolument pas affectée par le temps de décharge du condensateur comme dans les intégrateurs traditionnels à une seule chaîne, car la décharge de chaque condensateur, toujours plus rapide-que la charge de l'autre, est toujours totale et la commutation d'une chaîne sur l'autre est instantanée. Pour une meilleure précision de la mesure, les convertisseurs tension-courant (20) et (21) conçus suivant le schéma connu d'un amplificateur opérationnel (30) commandant un transistor (31), comportent en outre un second amplificateur opérationnel (32) monté en suiveur dans la boucle de contre-réaction du premier (30). Ceci a pour effet d'éviter que le courant nécessaire à cette contre-réaction ne soit prélevé sur celui alimentant le transistor (31), c'est-à-dire celui qui charge le condensateur (22) ou (23), ce qui serait la source d'une erreur systématique dans la mesure. Le compteur représenté à la figure 2 permet de distinguer les énergies positive et négative, c'est-à-dire celle reçue et celle restituée, au moyen notamment d'un détecteur de signe (7) et dtun aiguilleur (8) de manière à remplir sein le cas le compteur d'impulsions (9) ou (10). La figure 6 représente schématiquement un mode de réalisation de ceux-ci. La tension P produite par le multiplieur (3) - voir figure 2 - est appliquée respectivement aux entrées "+" et "-" de deux amplificateurs opérationnels (33) et (34) montés en comparateur. Ainsi, une tension apparaît à la sortie de l'amplificateur (33) lorsque la tension P est positive, et à la sortie de l'amplificateur (34) lorsqu'elle est négative. En fait, dans le schéma représenté, les bornes d'entrée "-" et "+" respectivement des amplificateurs (33) et (34) sont portées à une tension différente- du zéro, respectivement positive et négative. Ceci a pour effet d'introduire un seuil de déclenchement prédéterminé qui permet d'éliminer les valeurs faibles de P de part et d'autre de zéro, ce qui peut etre nécessaire dans certains cas d'application. Le détecteur de signe (7) est suivi de l'aiguilleur (8) qui est composé de deux portes ET (35) et (36) recevant le signal de sortie respectivement des amplificateurs (33) et (34) d'une part et les impulsions des deux chaînes d'intégration regroupées par la porte OU (27) - voir figure 5 - d'autre part. Chaque porte ET (35) et (36) actionne un compteur d'impulsions (9) et (10). Ainsi, lorsque la tension P est positive (énergie reçue) la porte ET (35) est passante et la porte ET (36) est bloquée, donc les impulsions chargent le compteur (9), tandis que lorsqu'elle est négative (énergie restituée) c'est au contraire la porte ET (36) qui est passante et 1' autre (35) qui est bloquée, et les impulsions chargent le compteur (10). Les compteurs (9) et (10) sont de tout type connu : soit électroniques, soit électromécaniques, voire même une combinaison des deux. Les applications du compteur d'énergie selon l'invention sont nombreuses et variées puisque, sous réserve d'adapter les caractéristiques électriques de la ligne, toutes les gammes de mesure sont envisageables. Toute-fois, il faut remarquer que le mode de réalisation décrit et représenté est -plus spécialement conçu pour la mesure d'énergie sur des circuits électriques dont la forme des courants et tensions est continue. Quelques adaptations pourraient être néeessaires dans le cas de courants et tensions alternatives, notamment pour tenir compte de facteur de puissance (cossé). Un exemple d'application particulièrement intéressant est la mesure de énergie à bord d'un véhicule à traction électrique. Dans un tel cas, le compteur représenté à la-figure 2 permet de mesurer distinctement l'énergie consommée pendant les phases de traction et celle restituée lors du freinage lorsque celui-ci s'effectue par récupération de l'énergie sous forme électrique. REVENDICATIONS 1 - Compteur électronique pour mesurer l'énergie consommée et/ou fournie par un circuit branché sur une ligne électrique, caractérisé par le fait qu'il comporte un capteur analogique de tension auquel est appliquée la tension de ladite ligne et un capteur analogique d'in tensité parcouru par le courant consommé ou produit par ledit circuit, les signaux desdits capteurs étant appliqués à un circuit analogique de multiplication qui fournit en sortie une tension proportionnelle au produit de ladite tension et de ladite intensité, et qui alimente un intégrateur qui convertit ladite tension de sortie du circuit de multiplication en impulsions dont la fréquence est proportionnelle à cette tension, et un compteur d'impulsions qui affiche une grandeur proportionnelle au nombre des impulsions qu'il reçoit dudit intégrateur. 2 - Compteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit compteur comporte en outre un détecteur de signe placé à la sortie dudit circuit de multiplication, un circuit redresseur interposé entre ce dernier et l'intégrateur, et un aiguilleur commandé par ledit détecteur de signe et dirigeant les impulsions fournies par ledit intégrateur respectivement vers deux compteurs selon que ledit signe de la tension de sortie du circuit de multiplication est positif ou négatif. 3 - Compteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit détecteur de signe est constitué par deux amplificateurs opérationnels montés en comparateur et recevant chacun sur une première entrée une tension image de ladite puissance et sur l'autre entrée une tension de référence correspondant à un seuil de puissance prédéterminé. 4 - Compteur selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que ledit intégrateur est composé de deux chaînes d'intégration identiques comportant chacune un convertisseur tensioncourant qui charge un condensateur lequel se décharge à travers un transistor après que sa charge ait atteint une valeur prédéterminée, chaque chaîne fonctionnant alternativement en charge et en décharge pendant que l'autre fonctionne respectivement en décharge et en charge grâce à une bascule à deux sorties de type "un sur deux" qui reçoit en entrée les impulsions produites par les deux chaînes d'intégration chaque fois que la charge de leur condensateur atteint ladite valeur prédéterminée et dont les deux sorties bloquent et débloquent alternativement lesdits transistors. 5 - Compteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit convertisseur tension-courant de chaque chaîne d'intégration, constitué par un amplificateur opérationnel pilotant un transistor, comporte un deuxième amplificateur opérationnel monté en suiveur dans la contre-réaction du premier. 6 - Compteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit capteur analogique de tension ou d'intensité comporte une première bobine parcourue par un courant proportionnel à ladite tension ou à ladite intensité et une cellule à effet Hall placée dans le champ électromagnétique de ladite bobine et commandant un amplificateur opérationnel, lequel fournit un courant qui est envoyé dans une deuxième bobine dont le flux s'oppose au flux de la première.