Nouveaux développements dans les mesures de puissance par

Nouveaux développements dans les mesures de puissance par oscilloscope
Les concepteurs de matériel industriel effectuent des mesures de puissance pour la validation de
conception, mise au point, certification et autre. Les appareils testés vont des contrôleurs de
moteur industriels aux alimentations ininterropues (UPS). Dans le passé, l’oscilloscope a été l’outil
de choix pour ce type de travail, mais les conditions de puissance présentent certaines difficultés
en termes de sécurité et de nature complexe des signaux mesurés. Cet article décrit les nouveaux
développements des oscilloscopes qui permettent d’effectuer des mesures de puissance
complexes de façon sûre, aisée et efficace.
Introduction
Les utilisateurs de puissance industrielle travaillent souvent sur des appareils caractérisés par des
tensions flottantes ou par différents points de réference et mesurent régulièrement des tensions et
des courants élevés posant des risques sérieux. D’autre part, les concepteurs de matériel
contenant des éléments électroniques de puissance ont besoin de valider leurs conceptions et de
s’assurer qu’elles respectent les normes réglementaires. Ils ont donc besoin d’instruments de
mesure assurant un niveau élevé de performance, sécurité et précision. De plus, ces instruments
doivent être portables afin de faciliter leur déplacement entre la table de travail, le laboratoire et le
terrain.
Aspects de sécurité
Traditionnellement, l’oscilloscope a été l’outil privilégié des ingénieurs qui souhaitaient étudier le
comportement de systèmes industriels. Pour faire des mesures de puissance, les ingénieurs ont
souvent besoin d’étudier des signaux C.A. complexes, et pas seulement les niveaux C.C. Ainsi, ils
doivent parfois mesurer des tensions flottantes qui ne sont pas référencées à la masse et qui
peuvent s’avérer dangereusement élevées.
La plupart des appareils électroniques sont équipés d’une « masse châssis » à laquelle sont
connectées les masses des différents circuits. Les signaux de l’appareil sont dits référencés à la
masse, avec un potentiel à la terre supposé égal à zéro volts. La masse châssis est à son tour
reliée à la prise de terre de l’alimentation secteur par l’intermédiaire du câble secteur. La plupart
des oscilloscopes sont conçus pour fonctionner dans cet environnement. Leurs systèmes de mise
à la terre (depuis leur propre câble secteur jusqu’aux câbles de masse de la sonde) sont
connectés à la même prise de terre que l’appareil testé.
Cependant, les signaux doivent souvent être acquis entre deux points de test sous tension, sans
qu’aucun des deux soit au potentiel de la terre. La connexion du câble de masse d’une sonde
passive d’oscilloscope classique à l’un des points de test donne au courant une voie
d’échappement facile, créant ainsi un court-circuit potentiellement dangereux et destructeur.
Voies isolées
Ces problèmes ont été surmontés par une nouvelle gamme d’oscilloscopes présentant des
entrées parfaitement isolées et spécialement conçus pour effectuer des mesures flottantes en
toute sécurité et avec précision (Fig.1). Avec cette nouvelle architecture d’entrée, aucun
conducteur de la voie d’entrée n’est mis à la masse, même quand l’oscilloscope fonctionne sur
courant alternatif. Il s’en suit qu’un concepteur peut simplement utiliser une sonde passive pour
mesurer les signaux avec des niveaux de référence supérieurs ou inférieurs à la prise de terre.
L’ingénieur ne doit pas se préoccuper de la polarité du signal ou de sa relation avec la masse.
Ceci permet d’éliminer le risque de court-circuit indésirable susceptible d’endommager le circuit
testé ou l’équipement de test, voire même de blesser l’opérateur. Pour des tensions plus élevées,
une sonde spéciale est disponible pour assurer une isolation sûre de la prise de terre et une
isolation complète entre les voies, avec une performance de voie isolée de 600 V efficace CAT II
(flottante) à jusqu’à 1000 V efficace.
Fig.1.
La série Tektronix TPS2000 d’oscilloscopes à mémoire numérique est spécialement conçue pour améliorer
la productivité des concepteurs de matériel industriel et des techniciens. Elle propose quatre voies et une
voie de déclenchement externe isolées, associées à une technologie d’isolation en instance de brevet, une
technologie d’échantillonnage numérique en temps réel, huit heures de fonctionnement sur batteries, des
capacités d’analyse de puissance et une carte mémoire CompactFlash intégrée. Le tout dans un boîtier
extrêmement portable.
Mesure des trois phases
Les quatre entrées isolées fournissent une plateforme idéale pour les mesures sur des appareils
et systèmes triphasés, où les ingénieurs ont besoin d’un moyen pour observer simultanément le
comportement des trois phases du signal de puissance (Fig.2). Grâce aux quatre voies d’entrée
isolées et indépendantes, il est possible de faire des mesures de phase à phase, phase à la terre
et de n’importe quelle phase ou toutes les phases à la fois. Il n’est pas nécessaire de déplacer la
sonde de phase à phase, comme avec un outil classique à double entrée. De plus, un concepteur
ou un installateur de matériel peut observer les effets de charge, les dépendances et les
conditions transitoires dans les trois phases dès qu’elles se produisent. D’autre part, il peut utiliser
la quatrième voie, plus l’entrée de déclenchement, pour surveiller d’autres signaux liés du
système. Toutes ces voies sont isolées de la terre pour des raisons de sécurité.
Fig.2.
En utilisant un oscilloscope 4 voies avec des voies isolées et les sondes de capacité adéquate, il est
possible d’effectuer facilement des mesures 3-phases telles que la tension C.A., le courant, le facteur de
crête, la fréquence et l’angle de phase.
Logiciel de mesure
Les ingénieurs qui travaillent avec des systèmes industriels ont souvent besoin de faire des
mesures complexes, comme par exemple des mesures d’harmoniques ou de pertes par
commutation. Ces tâches sont grandement simplifiées par la disponibilité du logiciel de mesure de
puissance pour oscilloscopes, qui permet aux ingénieurs de faire des tableaux de mesures sur
des équipements industriels allant des moteurs aux alimentations ininterrompues (UPS). Ce
progiciel offre de puissantes fonctions d’analyse et permet d’accélérer les mesures de
préconformité pour s’assurer que les conceptions remplissent les conditions de certification.
Enfin et surtout, le logiciel simplifie et accélère le processus de mesure et produit des résultats
stables et reproductibles. Il élimine les calculs manuels grâce à une analyse de puissance
automatisée, une analyse des signaux et une analyse des phases, et facilite l’interprétation des
mesures en ajustant automatiquement les unités d’affichage et les facteurs d’échelle de
l’oscilloscope pour lire les unités correctes quand il est utilisé avec les sondes de courant et de
tension appropriées. Tout ceci simplifie la tâche du concepteur qui est libéré des calculs laborieux
et de multiples mesures.
Harmoniques de puissance
Les ingénieurs qui travaillent avec des charges non linéaires savent que leurs conceptions ont
tendance à produire des crêtes de courant positives et négatives pointues. Les changements
rapides de l’impédance et du courant dans le système industriel peuvent affecter la représentation
oscillographique de la tension sur l’alimentation secteur, en l’aplatissant ou en la déformant. Ces
déviations de la forme idéale de l’onde sinusoïdale contiennent des harmoniques qui peuvent
entraîner la surchauffe du moteur et du transformateur, des résonances mécaniques et des
courants dangereusement élevés dans les conducteurs neutres du matériel triphasé. De plus, les
harmoniques de ligne sont susceptibles de violer les normes réglementaires. Ainsi, les
concepteurs de matériel doivent tenir compte du comportement harmonique dans leurs produits et
le mesurer.
Avec le nouveau progiciel de mesure de puissance, il est possible d’effectuer une analyse des
harmoniques sur les signaux de tension ou de courant à l’aide d’un seul bouton (Fig.3). Le logiciel
affiche les niveaux jusqu’à la 50ème harmonique et fournit les informations nécessaires pour
déterminer si le produit testé sera conforme aux normes réglementaires. Il donne un moyen
efficace pour évaluer la conformité avec les normes IEC EN61000-3-2 et EN61000-3-2 AM14 au
début du cycle de conception, ce qui permet de gagner du temps et d’éviter les coûteuses reprises
de conception.
Fig.3.
Tracés automatiques des niveaux harmoniques jusqu’au 50ème harmonique, fournissant les informations
nécessaires pour évaluer à l’avance la conformité aux normes IEC EN 61000-3-2 et EN61000-3-2 AM14
Pertes par commutation
La dissipation de puissance (perte) sur les éléments de commutation tels que les IGBT (transistors
bipolaires à porte isolée) affecte l’efficacité et le coût opérationnel des systèmes qui utilisent les
appareils. Les concepteurs doivent tenir compte de ces pertes et de ces insuffisances. Les
fréquences de commutation plus élevées ont aussi un impact sur les mesures des pertes par
commutation. Les mesures complexes de pertes par commutation peuvent faire perdre du temps
au projet, temps qui aurait pu être consacré à des activités d’innovation ou de perfectionnement
du produit.
Ici aussi, une fonction accessible à l’aide d’un seul bouton permet d'effectuer rapidement les
mesures de pertes par commutation. En lui associant un oscilloscope reposant sur une
technologie de suréchantillonnage numérique en temps réel (DRT), il devient possible de traiter
les plus hautes fréquences de commutation utilisées aujourd’hui, ce qui garantit des résultats
précis pour l’ensemble des topologies d’alimentation.
Une plateforme versatile
La technologie prouvée d’échantillonnage DRT utilisée dans ces nouveaux oscilloscopes assure
l’acquisition temps réel jusqu’à la totalité de la bande passante de l’appareil (jusqu’à 200 MHz)
pour acquérir précisément les événements transitoires intermittents ou rares et les temps de
montée rapide des signaux. Les utilisateurs bénéficient d’autres fonctions avancées, dont
notamment les déclenchements conditionnels pour isoler rapidement les signaux présentant un
intérêt, ainsi que 11 mesures automatiques différentes pour améliorer encore davantage la
productivité. Une fonction mathématique intégrée de Transformée de Fourier Rapide (TFR) fournit
des informations du domaine de fréquences permettant d’accélérer la mise au point et l’analyse de
base des distorsions.
Des boutons de menu rétro-éclairés et des commandes de contraste/luminosité permettent aux
utilisateurs de travailler dans des endroits sombres. Des boutons traditionnels sur chaque voie
facilitent l’utilisation de l’appareil, alors que des fonctions telles que le réglage automatique, la
plage automatique, les mesures automatiques, un assistant de contrôle de sonde et des menus
dépendant du contexte augmentent aussi bien la productivité des experts que des utilisateurs
novices. Un accessoire unique de suspension en option permet d’accrocher l’oscilloscope à portée
de la main sur une porte ou un rail d’armoire système pour les mises au point.
Un port de carte CompactFlash intégrée fournit une mémoire de grande capacité pour les
configurations des mesures et les résultats. En plus de ses avantages de gain de place par
rapport au stockage sur disque, la carte CompactFlash facilite le transfert des données de
l’oscilloscope vers les PC.
Portabilité
Pour répondre au besoin de portabilité mentionné plus haut, deux batteries remplaçables à chaud
permettent d’alimenter un cycle complet de 8 heures d’utilisation continue, avec la possibilité d’une
indépendance totale par rapport à une source d’alimentation secteur. Le concepteur de matériel
industriel est ainsi libre de travailler en atelier, d’emmener l’oscilloscope au laboratoire de
puissance puis de l’utiliser sur le terrain pour l’installation du matériel, ce qui est extrêmement
pratique. Les batteries éliminent également le besoin de travailler près d’une source d’alimentation
secteur et donnent le véritable sentiment de sécurité que l’on ressent quand on est visiblement
isolé de la prise de terre pendant des mesures flottantes de haute tension.
Une boîte à outils complète
L’association d’un oscilloscope portable équipé de voies d'entrée isolées et d'un logiciel
sophistiqué de mesure et d’analyse de puissance offre la flexibilité et la précision nécessaires pour
mesurer des signaux flottants haute tension et des signaux logiques basse tension tout aussi
facilement, et simultanément si besoin est. Le progiciel ajoute l’efficacité d’une analyse
automatisée à la plateforme, et crée ainsi une boîte à outils de mesure complète pour la
conception du matériel industriel et les applications de test.
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