Banc solaire AZYX

DOCUMENTATION TECHNIQUE BANC SOLAIRE AZYX
Banc solaire BS2007
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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
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I Partie hardware
Cartes de mesures
Carte contrôleur/alim
Figure 1 : face avant
I.1 Cartes de mesures
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
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 .
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I.1.a Principe de fonctionnement
Câblage
in
+
+
V
-
DC/DC
out
-
A
-
V
A
PV
-
+
+
Batterie
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.
in
+
-
DC/DC
out
-
V
V
+
A
+
-
PV
A
+
Batterie
Figure 4 : schémas de câblage des cartes 0000Xxx
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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).
333µs
•
Pmax
•
•
• • • •
Pmoy
1/fMPPT
Figure 5 : forme de la MPPT
Figure 6 : forme du courant et de la tension d'entrée
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.
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.
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La chaine d’acquisition :
Analogical
Digital
φ
ADC
G
V
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(7)
ADC
or
EXTERNAL
RFI
FILTER
Transducer
(1)
(6)
(2)
Instrumentation
Amplifier
INA141 + INA 143
(3)
Butterworth
Lowpass Filter 4th Order
LTC1563-2
(4)
Analog to Digital Converter
ADS8326 + ADR444
(5)
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.
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I.1.b Micro code de la carte de mesure (FIRMWARE)
Chaque carte possède son propre microcontrôleur. Les cartes sont synchronisées entre elles.
Micro Controler
Computer
Data Receiver
Synchronous Acquisitions
ipv
n=0
Ipv = 0
Vpv = 0
Ibat = 0
Vbat = 0
Ppv= 0
Pbat= 0
n=n+1
vpv
ibat
Offset Calculation
ipv = ipv – offset ipv
vpv = vpv – offset vpv
ibat = ibat – offset ibat
vbat = vbat – offset vbat
Power Calculation
ppv = ipv x vpv
pbat= ibat x vbat
vbat
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
Data Save
Find Ppvmax
Sum Calculation
Ipv = Ipv + ipv
Vpv = Vpv + vpv
Ibat = Ibat + ibat
Vbat = Vbat + vbat
Ppv= Ppv +ppv
Pbat= Pbat +pbat
NO
n=1024
YES
Data Transfer
Figure 8 : algorithme des mesures
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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.
LED témoins
D’alimentation
BNC
Synchronisation
OUT/IN
Figure 9 : carte contrôleur /alim
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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.
USB
Secteur
Connexions des cartes de mesures aux PV (jaune +, vert -) et aux batteries (rouge +, noir -)
Figure 10 : face arrière du châssis
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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.)
Position
Carte
Carte
active/inactive
Courant in
Tension in
Puissance in
Rendement
MPPT
Courant out
Tension in
Puissance out
Rendement
DC/DC
Température
carte
info Carte
Figure 11 : message de démarrage
Numéro
de série
Carte
Couleur
de la
courbe
Figure 12 : interface carte
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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.
Informations
sur la Carte
Gammes
de la
Carte
Convertisseur
DC/DC relié à
la Carte
Numéro
de PV
relié à la
Carte
Options 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
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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
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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
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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.
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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)
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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.
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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
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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.
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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 (f3db=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.
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Figure 27 : interface principale du programme
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+5VA
C20
10u
C21
I-
14
9
8
7
6
100n
Vcc
Ip1Ip2Ip3Ip4-
U10
GND
Vout
13
Ip1+
Ip2+
Ip3+
Ip4+
CKSR-LEM
2
3
4
5
12
11
Vout
Vref
I+
Figure 28 : capteur de courant CKSR carte série X
L3
+5VA
9
10uH
+Vout
U11
8
GNDout
NMA0505DC
L4
14
+Vin
7
NC
1
-Vin
11
C23
1u /25V
-Vout
C22
1u /25V
-5VA
10uH
U12
IN
BY P
OUT
4
C24
10n
5
+5VA
2
1
LT1761ESS-5
SDHN
GND
3
C25
1u /25V
C26
10u
C27
+5VA
U13
4
5
6
V+
R+
C1
NC
C3
PVN012
C28
3
2
1
R19
10u
C30
820R
100n
NC
K
A
10u
C29
100n
C32
100n
Vsense-
U15
4k02
6
5
4
C3
NC
C1
C31
X2Y 10nF
PVN012
A
K
NC
1
2
3
3
2
R23
U16
V-
VDD2
Vout+
VoutGND2
4k02
820R
5
Vin+
V+
VDD1
Vin+
VinGND1
8
7
6
5
Vout
Vin-
Gain
Vref
Gain
INA129
V-
1k
ACPL-C784
6
Vout
1
8
R22
NC
NC G=1
4
U14
1
2
3
4
7
R20
R21
Vsense+
CMDsense
R24
C33
100n
C34
10u
-5VA
Figure 29 : mesure de la tension carte série X
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+5VA
1
2
3
4
5
6
7
8
R322M2
R35 2M2
R34 2M2
Vout
U18
C37
100n
Vin
C38
100n
LP
V+
SA
LPB
NC
NC
INVA INVB
NC
NC
LPA
SB
AGND NC
VEN
16
15
14
13
12
11
10
9
R31 2M2
R33 2M2
R36
2M2
LTC1563-2
-5VA
Figure 30 : Filtrage carte série X
J3
PV+
1
FLTR Iin
Iin
I+
J15 DC/DC in+
I
Vout
V
1
Vin
Vout
TP4 I in
I-
TP15GND
f ilter
amp
Vin
TP5
sense DC/DC in+
RP1Vin
RP2Vin
100k 1/4W
NC Vin
VsenseV-
TP7 sense DC/DC inJ6
DC/DC in1
v olt
J4
CMDsense
FLTR Vin
V+
R+
Vsense+
Vout
Vin
Vout
TP6 V in
f ilter
TP16GND
PV-
1
TP8 CMD sense in
Figure 31 : 1/2 étage analogique carte X
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