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DOCUMENTATION TECHNIQUE BANC SOLAIRE AZYX


SOMMAIRE

I Partie hardware

Cartes de mesures

Carte contrôleur/alim

Châssis

II Partie software

III Précision des mesures

IV Calibrage

V Influence de la température

VI Calibrage

VI Influence électrique

VII Annexe


I Partie hardware

Figure 1 : face avant

I.1 Cartes de mesures

Figure 2 : face avant carte de mesures

Il existe à ce jour 3 types de cartes : Type A0000xx : PCB version janvier 2008 avec filtre TLC04 (capacité commutée) et sans filtre RFI Type 0000Zxx: PCB version janvier 2008 avec filtre LTC1563 (temps continu) et filtre RFI Type 0000Yxx: PCB version juillet 2008 avec filtre LTC1563 (temps continu) et filtre RFI Type 0000Xxx: PCB version janvier 2010, ces cartes seront entièrement isolées et sont équipées de la technologie fluxgate et opto isoler .

Cartes de mesures

Carte contrôleur/alim

LED d’activité de mesures

Connexion jaune

DC/DCin + Connexion verte

DC/DCin - Connexion noire

DC/DCout - Connexion rouge

DC/DCout +

Numéro de série de la carte


I.1.a Principe de fonctionnement

Câblage

Figure 3 : schémas de câblage

Sur les cartes de type A0000xx, 0000Zxx et 0000Yxx la mesure des courants se fait sur le potentiel négatif. Il y a un risque de court circuit sur les mesures de courant si l’on utilise des sondes d’oscilloscopes non isolées. La mesure de la tension se fait aux bornes de la carte de mesure. Elle mesure donc les pertes (tension du convertisseur + les chutes de tension dans les fils).

Sur les futures cartes type 0000Xxx la mesure des courants se fera sur le potentiel positif. Il y aura aussi la possibilité de faire une mesure 4 fils. Un mode 2 fils restera possible.

Figure 4 : schémas de câblage des cartes 0000Xxx

A

A

V

V

PV

Batterie

DC/DC

in

out

+

+ +

+

-

-

-

-

A

A

V

V

PV

Batterie

DC/DC

in

out

+

+ +

+

-

-

-

-


Les mesures Les mesures sont spécifiques aux fonctionnements de convertisseur DC/DC avec une MPPT. La fréquence de la MPPT doit être supérieure à 6Hz et inférieure à 500Hz. La mesure se fait sur plusieurs périodes de MPPT au moins 2. La mesure est constituée de 1024 échantillons faits toutes les 330µs (la mesure dure 338ms). Le choix d’une fréquence d’échantillonnage de 3Khz est fixée par le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon et la mesure d’au moins 2 harmoniques (3 x 500Hz x2 = 3kHz). Un filtre passe bas coupe toutes les fréquences supérieures à 1.5kHz. Cette mesure détermine le courant, la tension et la puissance moyenne ainsi que la puissance maximum et son couple courant, tension (Pmax=Imax x Umax).

Figure 5 : forme de la MPPT Il est impératif de ne pas introduire de déphasage dans la mesure du courant et de la tension. Si l’on veut avoir la forme exacte de la MPPT.

Figure 6 : forme du courant et de la tension d'entrée La mesure du courant de sortie s’avère être la plus complexe à mesurer car elle a la forme de la puissance d’entrée avec en plus le bruit de découpage du convertisseur DC/DC.

Figure 7 : forme du courant de sortie La forme de la tension de sortie est pratiquement plate. Il faut prendre la précaution de ne pas avoir trop de chute de tension entre la batterie et la carte de mesures. Sinon la forme de la tension deviendra de plus en plus proche de celle du courant de sortie.

1/fMPPT

Pmax

•

Pmoy

• • •

• •

333µs

•


La chaine d’acquisition :

Les chaines d’acquisition ont pour but de conditionner et de numériser deux grandeurs physiques (la tension et le courant).

(1) les transducteurs : ils convertissent la grandeur physique d’entrée en une tension compatible avec l’électronique, pont diviseur pour la tension, et résistance shunt pour le courant.

(2) Filtre RFI (interférence radio fréquence) élimine le bruit des convertisseurs à caractériser. Ce bruit perturbe l’amplificateur d’instrumentation.

(3) L’amplification : elle permet d’amplifier les signaux issus des transducteurs pour les rendre compatibles avec la numérisation (tension entre 0 et 4.096V). Le fait que l’on puisse régler le gain apporte la possibilité d’avoir plusieurs gammes. Ces amplificateurs sont de type d’instrumentation, ils offrent une très grande impédance entrée (10 GΩ), un fort taux de rejection de mode commun (>100db).

(4) Le filtrage : il a pour but d’éliminer toutes les fréquences qui ne respectent pas le critère de la bande passante (BW 1.5kHz). Il est réalisé avec un filtre intégré en temps continu de type Butterworth 4éme ordre.

(5) La numérisation : elle a pour but de transformer la tension issue des étages analogiques en données numériques brutes (conversion sur 16bits 1LSB = 62.5µV). Les convertisseurs analogiques numériques sont tous synchronisés, la fréquence d’échantillonnage et de 3Khz.

(6) Un traitement numérique permet de compenser les offsets et de calculer les différentes puissances. Ce traitement est fait localement par un microcontrôleur. Les valeurs moyennes sont calculées sur 1024 échantillons.

(7) Un ordinateur met en forme les données et les stocke.

Les chaines d’acquisition ont été développées pour avoir un déphasage négligeable et être synchronisées entre la tension et le courant. Pour cela on a choisi d’avoir une grande partie similaire de la chaîne. Tous les composants ont une dérive thermique très faible.

Analogical

Digital

φ

V

G

ADC

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

ADC

or

Instrumentation Amplifier

INA141 + INA 143

Butterworth Lowpass Filter 4th Order

LTC1563-2

Analog to Digital Converter ADS8326 + ADR444

Transducer

(1) (3) (4) (5)

EXTERNAL RFI

FILTER

(2)


Data Receiver

Data Save

Data convert int16 -> float32

Ipv= KIpv x Ipv /1024 Vpv= KVpv x Vpv /1024 Ibat= KIbat x Ibat /1024

Vbat= KVbat x Vbat /1024 Ppv= KPpv x Ppv /1024

Pbat= KPbat x Pbat /1024 Ppvmax= Kpvmax x Ppvmax

Computer

Power Calculation ppv = ipv x vpv

pbat= ibat x vbat

NO

YES

Data Transfer

Find Ppvmax

Synchronous Acquisitions

ipv vpv ibat vbat

Offset Calculation ipv = ipv – offset ipv

vpv = vpv – offset vpv ibat = ibat – offset ibat

vbat = vbat – offset vbat

Sum Calculation Ipv = Ipv + ipv

Vpv = Vpv + vpv Ibat = Ibat + ibat

Vbat = Vbat + vbat Ppv= Ppv +ppv

Pbat= Pbat +pbat

n=1024

n=n+1

n=0 Ipv = 0 Vpv = 0 Ibat = 0 Vbat = 0 Ppv= 0

Pbat= 0

Micro Controler

I.1.b Micro code de la carte de mesure (FIRMWARE)

Chaque carte possède son propre microcontrôleur. Les cartes sont synchronisées entre elles.

Figure 8 : algorithme des mesures


I.2 Carte contrôleur/alim

Chaque châssis possède une carte contrôleur /alim. Cette carte assure deux fonctions distinctes. La première est l’alimentation de l’ensemble des cartes en 2 tensions brutes de +5,5V et -5,5V. La seconde est la gestion du synchronisme des cartes, ainsi que leur réinitialisation RESET.

Figure 9 : carte contrôleur /alim

LED témoins D’alimentation

BNC Synchronisation

OUT/IN


I.3 Châssis

Le châssis a pour but de maintenir les cartes entre elles et d’assurer leurs interconnexions. Il indique aussi aux cartes quelle est leur position au sein de celui-ci. Chaque châssis a un identifiant unique. Il est possible de synchroniser 2 châssis entre eux pour piloter 18 cartes.

Figure 10 : face arrière du châssis

USB

Secteur

Connexions des cartes de mesures aux PV (jaune +, vert -) et aux batteries (rouge +, noir -)


II partie software

Le logiciel « Software » a pour but de collecter les données de les traiter et de les stocker.

Démarrage

Lancer l’application par son icône ou par le menu démarrer de Windows. Le logiciel vérifie la présence des cartes (Dans l’exemple une carte contrôleur et 6 cartes de mesures). Si le logiciel ne trouve pas de carte, il se terminera, Après avoir validé le message suivant (Figure 11).

Le logiciel initialise chaque carte.

Les cartes se positionnent automatiquement dans le logiciel en affichant l’interface suivante (Figure 12). Il est possible de désactiver chaque carte individuellement (aucune mesure ne sera faite avec cette carte.)

Figure 11 : message de démarrage

Figure 12 : interface carte

Carte active/inactive

Position Carte

Courant in Tension in

Puissance in Rendement

MPPT

Courant out

Puissance out Tension in

Rendement DC/DC Température

carte info Carte

Numéro de série

Carte

Couleur de la

courbe


Il est alors possible de renseigner les informations propres à chaque carte par la touche info de l’interface carte. Une nouvelle interface apparaît. Il est possible d’indiquer le nom du convertisseur qui est relié à la carte ainsi que le PV. D’autres options sont en cours de développement.

Figure 13 : interface info carte

Lancement direct des mesures

Il est possible de lancer des mesures instantanément par l’interface suivante. Il est alors demandé où sauvegarder les données. Si la sauvegarde est annulée les mesures commencent sans sauvegarde. Sinon un nom du type : « BANC SOLAIRE-2009_4_14-8h34m41s-00000Y01-PV5-DCDCaloña3ph.dat » est donné à chaque fichier correspondant à chaque carte. Les sauvegardes sont mises dans un dossier nommé « 2009_4_14-8h34m » et un fichier d’info est créé en plus « info-2009_4_14-8h34m41s.txt » il contient des informations sur les cartes de mesures.

Figure 14 : interface de contrôle

Lancement programmé des mesures

Il est possible de programmer le départ et l’arrêt des mesures. L’interface Timer permet de faire cette programmation. Il est alors demandé où sauvegarder les données. Si la sauvegarde est annulée il n’y pas de programmation. Sinon la LED devient verte. La programmation est journalière chaque jour il sera créé un dossier du jour avec les fichiers de chaque carte.

Figure 15 : interface Timer

Gammes de la Carte

Convertisseur DC/DC relié à

la Carte Numéro

de PV relié à la

Carte

Informations sur la Carte

Options en cours de

développement


Au démarrage des mesures les interfaces des cartes désactivent les touches inhibition et d’info. Les valeurs des mesures apparaissent. L’interface de contrôle désactive le bouton START et active le bouton STOP.

Figure 16 : interface de contrôle en mesure

Figure 17 : interface carte en mesure


III Précision des mesures

Précision (uncertainty en anglais) des mesures Principaux facteurs : A l’heure actuelle cinq principaux facteurs d’erreurs ont été trouvés. L’erreur se décompose en cinq erreurs influencées par quatre principaux paramètres Err= Erroffset + Erroffset température + (Errgain+ Errgaintempérature) * mesure +Errfréquence + Errbruit

Erroffset : elle correspond à un décalage elle est constante quelque soit la mesure, elle est fixée à une température donnée 23°C et en courant continu (direct courant DC). Errgain : elle correspond à une dérive du gain, elle est fonction de la mesure, elle est fixé à une température donnée 23°C et en courant continu. Errtempérature : elle correspond à la variation des Erroffset et des Errgain en fonction de la température Errfréquence : elle correspond à un décalage du à des fréquences parasites des convertisseurs DC/DC Errbruit : elle correspond à un ensemble d’erreurs complexes (bruit électronique, résolutions des conversions ADC (resolution en anglais), etc …) Ce modèle mathématique n’est pas parfait, il y a interaction entre les différents paramètres et les erreurs. De plus l’influence de la température peut être dure à maitriser pour de forts courants (dérivent des shunts).

La représentation classique des mesures ne donne pas assez de détail sur les erreurs. Le calcul de la régression linéaire donne des informations. Mais elle moyenne énormément les valeurs.

Figure 18 : représentation des mesures

La représentation des erreurs (en bleu l’erreur d’offset, en rouge l’erreur de gain en vert l’erreur de bruit, et en noir l’erreur globale) donne beaucoup plus d’informations. Mais elle reste difficile à interpréter. Mais elle permet l’identification des types d’erreur.


Figure 19 : Erreurs d'offset de gain et de bruit

La représentation de l’erreur relative donne une assez bonne idée de l’influence de l’erreur sur la précision de la mesure. Dans notre exemple on voit que l’erreur d’offset entraine une erreur maximale sur les faibles valeurs mesurées. Elle ne permet pas d’identifier les erreurs en cause. Par contre elle permet de fixer les limites de précisions.

Figure 20 : erreur relative à la mesure Une autre façon d’analyser les erreurs d’offset de gain et de bruit est de faire une représentation statistique des erreurs.

La représentation sous forme histogramme des erreurs est plus facile à analyser. On peut faire ressortir deux paramètres assez représentatif 3σ et µ. 3σ représente 3 écarts type des erreurs. µ est l’écart entre la moyenne des erreurs et la référence. Ce qui selon la loi de Student(1) donne un niveau de confiance de 99.7%.

Figure 21 : histogramme des erreurs La représentation sous forme d’histogramme des erreurs relatives montre que la plupart des mesures sont bonnes. Mais que quelques unes sont très importantes sans dire lesquelles. Elle permet de comparer les cartes entre elles.

Figure 22 : histogramme des erreurs relatives (1) http://fr.wikipedia.org/wiki/Erreur_(m%C3%A9trologie)


IV Calibrage

Les cartes sont calibrées sur banc spécial. Celui-ci étalonne les cartes avec des tensions et des courants continus. La tension est mesurée sans charge et le courant en court-circuit. Le banc de calibrage mesure et calcule les coefficients de conversions entre les valeurs brutes et les mesures en unité SI. Ces coefficients correspondent au gain (exprimé en unité SI /Volt) et à l’offset (exprimé en LSB pour une correction directe par le micro contrôleur).

Figure 23 : interface du banc de calibrage

Le logiciel de calibrage peut tester la précision des cartes. Le logiciel effectue 100 mesures. Il calcule l’erreur (différence entre la valeur lue par la carte et la valeur lue par un appareil de référence Err=Mcarte-Mref). Il donne deux valeurs 3σ et µ ainsi qu’une représentation graphique. 3σ représente 3 écarts type des erreurs. µ est l’écart entre la moyenne des erreurs et la référence. Ce qui selon la loi de Student donne un niveau de confiance de 99.7% (dans notre cas au moins 99 mesures sont dans l’intervalle ±3σ+µ pour Iin 3σ=170µA et µ=-190µA pour des valeurs de test de 0.3A à 2.6A). Le graphique quant à lui donne en abysse l’erreur relative ErrR= (Mcarte-Mref)/ Mref et en ordonnée le nombre de mesures (dans notre cas toutes les mesures sont comprises entre ±0.1%). Le choix de cette représentation est faite pour qu’un opérateur puisse voir rapidement si une carte est bonne ou pas. En regardant le graphique on voit de suite si le test est concluant ou pas. 3σ et µ donne une idée de la limite basse des mesures (360mA erreur max 360µA).

Dérive dans le temps

Figure 24 : même test 3 jours après

Même test 3 jours après on constate qu’une dérive des mesures 3σ est passée de 170µA à 900µA et µ de -190µA à -3.56mA. Les tensions semblent moins affectées. A l’heure actuelle il n’y a pas d’explication à ce phénomène.


V Influence de la température

Les tests précédents ont été faits avec des cartes mises en température au moins 30min avant les tests avec un courant de 2A. Des tests ont montrés que les sondes de température des cartes mettaient dans les 30min pour se stabiliser à la mise sous tension du banc.

Figure 25 : dérive de température à la mise sous tension du banc


Test dans une enceinte thermique

Figure 26 : tests thermiques

Les tests montrent une dérive de l’offset et du gain en fonction de la température. Mais à eux seuls ils n’expliquent pas toutes les dérives constatées. Dans des limites raisonnables (±5°C et mesure>FSR/5) les dérives de température reste acceptables. La dérive du gain pour 10°C, reste inférieure à 0.5% et la dérive d’offset pour 10°C reste inférieure à 1% de FSR.


VI Influence électrique

Bruit électrique direct :

Les convertisseurs DC/DC génèrent beaucoup de bruit électrique (amplitude, fréquence). Il se trouve que les étages des amplificateurs sont sensibles à des fréquences supérieures à leurs fréquences de coupures.

1er test : ampli d’instrumentation INA129(1er étage seul)

Test du composant INA129 étage d’entrée de tension (gain 0dB alimentation ±5V). Test avec GBF la courbe de réponse en fréquence est correcte (voir doc constructeur TI).

Par contre une composante continue s’ajoute à la sortie même sur un signal sans composante continue. fréquence entrée sortie AC DC AC DC 100khz 2.2Vpp* -18mV 2.2Vpp -14mV 500khz 2.2Vpp -18mV 2.92Vpp +74mV 1Mhz 2.2Vpp -18mV 1.3Vpp +488mV 1.5Mhz 2.2Vpp -18mV 0.44Vpp +530mV *pour un calibre de 60V 2.2V correspondent à 330V en entrée du pont diviseur Pour éviter ces perturbations les étages d’entrée sont équipés de filtres du premier ordre (f-

3db=500Hz). Mais il faut dans la mesure du possible que les convertisseurs DC/DC soient les mieux filtrés possible (fc <<1Mhz). Tous les tests montrent que les mesures les plus influencées sont sur le courant de sortie. Le passage à des capteurs de courant de type fluxgate devrait régler en partie ce problème. Des tests avec un convertisseur BUCK/BOOST LTC3780 (fréquence de découpage 400kHz) montre une dérive constante en courant de -17mA entre le convertisseur et la mesure sans convertisseur.



Figure 27 : interface principale du programme


Figure 28 : capteur de courant CKSR carte série X

Figure 29 : mesure de la tension carte série X

U10

CKSR-LEM

Ip1+

2

Ip2+

3

Ip3+

4

Ip4+

5Ip

4-6

Ip3-

7Ip

2-8

Ip1-

9

Vref11Vout12

GN

D13

Vcc

14

C20

10u

+5VA

C21

100n

Vout

I-

I+

NC G=1

U15

INA129

Vref5

Vin+3

Vout6

Vin-2

V+

7V

-4

Gain1

Gain8

C27

10u

+5VA

C29

100n

C34

10u

-5VA

C33

100n

R22NC

R20

4k02

R23

4k02

R+

C32100n

C28

10u

+5VA

C30

100n

C31X2Y 10nF

+5VA

-5VA

U13 PVN012

A1K2NC3

C14

NC5

C36

R19

820R

CMDsense

V-

V+

U11

NMA0505DC

+Vou

t9

-Vou

t11

+Vin14

-Vin1

NC7

GNDout8

U14 ACPL-C784

VDD11

Vin+2

Vin-3

GND14

GND25Vout-6Vout+7VDD28

U12 LT1761ESS-5

IN1

GN

D2

SDHN3

BYP4

OUT5

C2410n

C2610u

C251u /25V

R21

1k

L3

10uH

L4

10uH

C221u /25V

C231u /25V

Vsense+

Vsense-

U16 PVN012

A1

K2

NC3

C14 NC5 C36

R24

820R

Vout


Figure 30 : Filtrage carte série X

Figure 31 : 1/2 étage analogique carte X

U18

LTC1563-2

LP1

SA2

NC3

INVA4

NC5

LPA6

AGND7

V-8

EN9NC10SB11NC12INVB13NC14LPB15V+16 R31 2M2

R33 2M2

R35 2M2

R322M2

R34 2M2

R362M2

C37100n

C38100n

+5VA

-5VA

Vout

Vin

RP1Vin100k 1/4W

TP15GND

TP16GND

RP2VinNC Vin

VI

FLTR Iin

f ilter

Vin Vout

FLTR Vin

f ilter

Vin Vout

TP8 CMD sense in

TP4 I in

TP6 V in

Vin

v olt

V+

V-

Vout

Vsense+

Vsense-

CM

Dse

nse

R+

Iin

amp

Vout

I-

I+

J4 PV-

1

J3 PV+

1

J15 DC/DC in+

1

J6 DC/DC in-

1

TP5sense DC/DC in+

TP7 sense DC/DC in-

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