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7.2 Mesure de grandeurs électriques

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7.2.1 Mesure du courant

Les appareils qui mesurent le courant électrique sont appelés appareils de mesure du courant ou ampèremètres. Le symbole de l’intensité est I et la mesure s’effectue généralement en ampères (A) (unité du SI).

L’illustration 14 montre une installation simple dans laquelle le courant électrique qui passe à travers une résistance R doit être mesuré à l’aide d’un appareil de mesure du courant. La source de tension est ici représentée par son schéma de remplacement avec la tension de marche à vide Uq et la résistance interne Ri.

Mesure du courant électrique I par la ­résistance R

Illustr. 14: Mesure du courant électrique I par la ­résistance R
Basé sur: Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: ­Grundlagen, Messverfahren, Geräte, p. 89

L’appareil de mesure du courant est connecté en série. Etant donné qu’il possède une résistance interne Ra, la charge de la source varie également. Le courant mesuré ne correspond ainsi plus au courant réel sans appareil de mesure. L’appareil de mesure possède donc une rétro­action systématique sur la grandeur de mesure, qui doit être corrigée pour la détermination du courant réel. Pour les appareils de mesure du courant à basse impédance, c’est-à-dire Ra « Ri + R, l’écart de mesure dû à la rétroaction peut toutefois être négligé [8].

7.2.2 Mesure de la tension

La tension électrique est mesurée à l’aide d’un appareil de mesure de la tension ou voltmètre. Le symbole de la tension électrique est U et l’unité SI associée est le volt (V).

Pour la mesure de la tension via une résis­tance R l’appareil de mesure est connecté parallèlement à la résistance (Illustr. 15).

Spannungsmessung

Illustr. 15: Mesure de la tension
Basé sur: Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: ­Grundlagen, Messverfahren, Geräte, p. 91

Là encore, comme dans la mesure du courant, on observe une rétroaction par l’appareil de mesure. La tension mesurée ne correspond pas à la tension réelle sans l’appareil de mesure.

Ici, l’écart de mesure pour Ra « R // Ri peut être négligé, c’est pourquoi les tensions doivent être mesurées à l’aide d’un appareil de mesure ayant la plus haute impédance possible [9].

7.2.3 Résistance à transformateur de courant (shunt)

Pour la mesure d’intensités importantes notamment, on utilise un procédé dans lequel une résistance à transformateur de courant à basse impédance est intégrée dans le circuit électrique. Un appareil de mesure de tension mesure alors la tension via la résistance à palpeur de courant précisément définie et en déduit l’intensité. Le shunt possède généralement une résistance inférieure à 0,01 Ω [10].

7.2.4 Pince d’injection de courant

Une pince d’injection de courant permet de mesurer des courants sans devoir couper le circuit électrique.

Une pince d’injection pour courant alternatif se compose d’une bobine et d’un noyau annulaire qui peut être ouvert. Le conducteur est entouré par le noyau annulaire, ce qui induit un courant secondaire dans la bobine. Le courant secondaire est ensuite mesuré et l’on peut en déduire le courant primaire dans le conducteur.

Avec une résistance côté secondaire, le courant peut être converti en une tension proportionnelle puis par exemple s’afficher sur un oscilloscope ou un multimètre [11].

Pour la mesure du courant continu, une sonde de Hall peut être utilisée dans le circuit de mesure.

Les pinces de mesure de courant actuelles sont généralement des appareils de mesure multiples qui disposent de différents capteurs et possibilités de mesure (Illustr. 16).

Stromzange zur Messung von Wechselstrom, Gleich- und Wechselspannung, Kapazitäten und Widerstand im HLK-Bereich

Illustr. 16: Pince d’injection de courant pour la mesure du courant alternatif, de la tension continue et alternative, des capacités et de la résistance dans le domaine CVC
Fluke

7.2.5 Puissance électrique

Les appareils qui mesurent et indiquent la puissance électrique sont appelés wattmètres. La puissance est indiquée par le symbole P et est généralement mesurée en watts (W) (unité du SI).

Dans le circuit à courant continu, la puissance peut être facilement déterminée via la relation P = U² ÷ R et les relations dérivées de la loi ohmique et P = I² · R.

La mesure de la puissance dans le circuit à courant alternatif doit être abordée d’une autre manière, car le courant et la tension sont alors des grandeurs alternatives sinusoïdales en fonction du temps. La puissance devient ainsi une grandeur dépendante du temps p(t) = u(t) · i(t), appelée puissance momentanée.

Si la puissance momentanée est moyennée sur le temps, on obtient la puissance active P. La puissance active entretient avec les valeurs effectives de l’intensité et de la tension, I et U et l’angle de décalage de phase Φ la relation suivante: P = U · I · cos (Φ).

La puissance réactive Q ne contribue en moyenne pas à un transport de puissance jusqu’au consommateur et résulte de Q = U · I · sin (Φ).

La puissance apparente S est calculée avec les valeurs effectives de l’intensité et de la tension selon l’équation S = U · I berechnet [12], [13].

L’intensité I est d’autant plus importante que le décalage de phase F est grand (ou que la valeur de cos cos (Φ) est faible). Etant donné que des intensités relativement importantes génèrent des pertes ohmiques plus élevées dans le réseau de distribution, la puissance réactive est peu appréciée dans la pratique [14].

La mesure de la puissance réactive peut par exemple être déterminée à l’aide d’un appareil de mesure électronique fonctionnant sur la base d’un procédé de balayage. Les valeurs momentanées de l’intensité et de la tension i(t) et u(t) sont mesurées dans une trame temporelle donnée. Le décalage de phase entre l’intensité et la tension est déterminé et la puissance réactive est calculée [15].

La définition précise de la grandeur de mesure est également importante dans la mesure de la puissance. Pour le dimensionnement d’un réseau de distribution, des valeurs maximales peuvent par exemple être intéressantes, tandis que pour une mesure de la consommation, des valeurs moyennes sont primordiales.

7.2.6 Energie électrique (kWh)

L’énergie électrique est généralement indiquée en kilowattheures (kWh). L’énergie représente l’intégration de la puissance sur une certaine durée. Dans les appareils numériques, on multiplie pour cela la différence de temps entre deux ­mesures avec la puissance observée pendant cette période.

7.2.7 Appareils de mesure de la puissance et de l’énergie (kWh)

Compteurs enfichables

Les appareils de mesure de l’énergie permettent de mesurer facilement la puissance (W) et la consommation (kWh) de divers appareils électriques. Souvent, la tension de réseau (V) et le flux de courant (A) peuvent être affichés. Généralement, les appareils sont limités à la mesure de consommateurs 230 V, et ne peuvent ainsi mesurer qu’une seule phase.

L’appareil de mesure est raccordé à la prise de courant, puis la fiche de l’appareil consommateur est reliée à la prise de l’appareil de mesure. Ainsi, l’information souhaitée peut être lue sur l’affichage. Ces appareils de mesure de l’énergie renferment une électronique complexe qui fonctionne avec de faibles courants continus. Pour le traitement de la tension alternative issue du réseau électrique, ces signaux d’entrée analogiques doivent donc être relevés à de brefs intervalles. Les valeurs ainsi obtenues sont traitées numériquement (Illustr. 17).

Steckdosen-Messgerät für Stromleistung und Energie, mit Datenspeicher und USB-Schnittstelle

Illustr. 17: Appareil de mesure raccordé à la prise de courant pour ­mesurer la puissance et l’énergie, avec stockage des données et interface USB
EMU Elektronik AG

Compteurs de facturation

Un compteur d’électricité permet de mesurer l’énergie fournie en kWh. Les compteurs sont placés dans chaque unité de bâtiment et sont la propriété du fournisseur d’électricité. Le courant est relevé par des collaborateurs du fournisseur d’énergie ou dans de rares cas par les habitants, et sert de base au calcul du prix à payer.

Il existe deux compteurs d’électricité fondamentalement différents en termes de fonctionnement, les compteurs d’électricité électroniques ou numériques et les compteurs à induction mécaniques. Dans bon nombre de vieux bâtiments, des compteurs à induction électromécaniques sont encore utilisés (Illustr. 18). Dans le cas de ces compteurs, un disque d’aluminium est mis en rotation par un champ magnétique rotatif. La vitesse de rotation du disque est proportionnelle à la puissance qui doit être mesurée, et le mouvement de rotation est ensuite transmis à un compteur mécanique. Le champ rotatif est créé par une bobine d’intensité et une bobine de tension, disposées des deux côtés du disque rotatif. Le courant électrique à mesurer passe à travers la bobine de faible résistance. La tension est mesurée dans la bobine, qui possède une résistance très élevée et est connectée en parallèle. Les compteurs électromécaniques sont de moins en moins utilisés au profit des compteurs numériques.

Drehstromzähler

Illustr. 18: Compteur triphasé
KMJ

 

Digitaler Stromzähler

Illustr. 19: Compteur d’électricité numérique
GWF MessSysteme AG

Les compteurs d’électricité numériques (Illustr. 19) déterminent la consommation électrique à l’aide d’une mesure électronique. L’affichage sur l’appareil s’effectue également de manière électronique. Ce type de compteur promet une précision maximale grâce à une technique de mesure moderne et une grande plage de mesure. Ils présentent également l’avantage de proposer des fonctions supplémentaires intéressantes, telles qu’un tarif de rachat séparé ou plusieurs tarifs variables dans le temps. Les données peuvent être stockées, pour déterminer par exemple le moment précis d’un pic de consommation. La lecture peut également s’effectuer via une interface de données.

Aujourd’hui, on parle de plus en plus de compteurs d’électricité intelligents (Smart Meters, Illu­str. 20). Ces compteurs sont en réalité des compteurs électroniques qui disposent en plus d’une interface de communication ainsi que, la plupart du temps, d’un processeur interne doté de fonctions supplémentaires, voire d’une « intelligence ». De tels compteurs d’électricité capables de communiquer permettent de réaliser un relevé ou une surveillance à distance. La communication peut être bidirectionnelle, de manière à permettre des tarifs dynamiques ou le renvoi d’informations au client. Ces compteurs permettent également de transmettre des ordres de commutation pour, par exemple, refuser des charges dans des périodes de pointe ou activer et désactiver des consommateurs. Aujourd’hui, l’objectif déclaré de l’utilisation des Smart Meters est souvent de pouvoir responsabiliser les clients à un comportement plus économe en termes de consommation électrique. Le client peut recevoir des informations précises sur sa consommation d’énergie. A l’inverse, la possibilité d’une surveillance durable en temps réel suscite des controverses quant au respect de la sphère privée et pose la question de la protection des données.

Smart Meter für den gewerblichen Bereich

Illustr. 20: Smart Meter pour le domaine artisanal
GWF MessSysteme AG

Compteurs privés

Les compteurs privés sont des compteurs d’électricité qui ne sont pas utilisés à des fins de facturation. C’est pourquoi ils ne sont pas non plus soumis à une obligation d’étalonnage et sont souvent moins coûteux que les compteurs de facturation. Les compteurs privés sont utilisés pour surveiller et mesurer des distributions de courant et des sorties ou pour mesurer la consommation électrique de différents consommateurs. L’objectif peut être de garantir la sécurité d’approvisionnement pendant l’exploitation, d’éviter les défaillances ou de déterminer leur cause, ou encore de mesurer la consommation électrique pour la gestion de l’énergie.

On trouve sur le marché différents produits, du simple compteur d’énergie bon marché jusqu’aux appareils de mesure universels (­Illustr. 21) et analyseurs de réseau avec les fonctions les plus diverses. Aujourd’hui, la plupart de ces appareils de mesure sont des appareils électroniques capables de communiquer. Ils permettent de lire des données de mesure via des bus et de les collecter dans des mémoires de données de mesure. Mais aussi, de stocker des données localement dans l’appareil ou de régler des valeurs d’alarme, par exemple en présence d’une puissance trop élevée ou en ­fonction d’autres paramètres de ­réseau tels que la tension, le flux d’images, le taux de distorsion ou le taux d’ondes harmoniques.

Universal-Messgerät für festen Einbau mit Mikroprozessor und Datenschnittstelle

Illustr. 21: Appareil de mesure universel pour l’intégration fixe avec microprocesseur et interface de données
Janitza electronics GmbH


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2018-09-24T10:17:47+00:00
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