Moniteur d’énergie à pince CT : guide de fabrication du SCT-013

Une pince CT peut mesurer le courant dans un circuit sous tension sans placer de résistance en série avec la charge. La réponse courte est qu’un SCT-013 et une résistance de charge correctement choisie forment un canal de courant utile, mais que le CT seul ne mesure ni le courant continu ni l’énergie réelle.

Choisir le CT et définir la mesure

Pour cette fabrication, utilisez un SCT-013-000 d’une valeur nominale de 100 A au primaire et de 50 mA RMS au secondaire. La version -000 possède un secondaire à sortie de courant et nécessite donc une résistance de charge externe. D’autres variantes du SCT-013, comme les versions à sortie de tension avec résistance de charge intégrée, nécessitent un calcul différent et ne doivent pas être considérées comme interchangeables.

Utilisez un Raspberry Pi Pico comme contrôleur d’échantillonnage, alimenté par une source USB régulée de 3,3 V. Le convertisseur analogique-numérique du RP2040 accepte une entrée de 0 à 3,3 V, donc le signal alternatif ne peut pas être branché directement à une broche du convertisseur. La sortie du CT oscille au-dessus et au-dessous de zéro, tandis que le convertisseur ne peut lire qu’une tension positive. Nous décalerons cette forme d’onde vers une tension médiane de 1,65 V.

Le CT ne réagit qu’au courant alternatif. Il ne peut pas mesurer une charge en courant continu, comme un chauffe-batterie ou un moteur CC alimenté par une batterie. Un redresseur ou un calcul logiciel ne règle pas cette limite; le transformateur a besoin d’un flux magnétique variable.

La pince doit entourer un seul conducteur qui transporte du courant. Si elle entoure ensemble les conducteurs de phase et de neutre, leurs champs magnétiques s’annulent généralement et la lecture s’approche de zéro. Sur un câble à conducteurs séparables, séparez les conducteurs uniquement à l’intérieur d’un boîtier ou d’un point d’accès approprié, en gardant les conducteurs du secteur isolés et fixés mécaniquement.

Le rapport du secondaire donne le premier calcul fixe :

• Courant primaire au point nominal : 100 A RMS
• Courant secondaire à ce point : 50 mA RMS
• Rapport du courant secondaire : 100 A / 0,05 A = 2000:1
• Alimentation du convertisseur : 3,3 V
• Cible de polarisation : 1,65 V

Ne concevez pas le montage en vous basant uniquement sur la valeur nominale. Une pince de 100 A peut être utilisée sur un circuit qui consomme normalement 8 A, et une résistance de charge choisie pour offrir une marge à pleine échelle produira un signal plus petit à cette charge normale.

Installer la résistance de charge avant de brancher le CT

La résistance de charge convertit le courant secondaire du CT en tension. Installez une résistance à film métallique de 18 ohms, 1 % — environ 18 ohms nominaux — directement entre les bornes du secondaire du CT. À 50 mA RMS, la tension nominale aux bornes de la résistance est de :

0.05 A × 18 ohm = 0.90 V RMS

Le pic de l’onde sinusoïdale est d’environ 1,27 V. Avec une polarisation de 1,65 V, le signal du convertisseur devrait donc varier approximativement de 0,38 V à 2,92 V au courant nominal du CT, ce qui laisse une marge utile par rapport à 0 V et à 3,3 V.

La résistance de charge n’est pas un accessoire de mesure facultatif. Un transformateur de courant dont le secondaire est en circuit ouvert peut produire une tension dangereuse, même lorsque le courant primaire est modeste. Gardez la résistance de charge installée en permanence entre les bornes du secondaire, y compris pendant l’installation, les essais et lorsque le contrôleur est débranché. Ne mettez jamais le secondaire du CT en circuit ouvert lorsque la pince entoure un conducteur sous tension.

La valeur de 18 ohms est un choix délibéré pour ce convertisseur de 3,3 V et ce CT de 100 A à 50 mA. La comparaison ci-dessous montre pourquoi une résistance plus grande n’est pas automatiquement préférable.

Si votre CT possède un rapport différent, calculez la résistance de charge à partir du courant secondaire indiqué par le fabricant au courant primaire maximal. Pour une onde sinusoïdale centrée, la limite supérieure approximative est R = VADC / (2 × sqrt(2) × Isecondary), et la valeur pratique devrait être plus faible afin de tenir compte des variations d’alimentation, de la distorsion de la forme d’onde et des courants transitoires.

Utilisez une résistance dont les valeurs nominales de tension et de puissance conviennent au CT. La dissipation nominale de la résistance de charge ici est 0.05² × 18, soit 45 mW au courant nominal, mais une résistance de 0,25 W offre une marge thermique utile. Un composant de 1 % réduit généralement l’erreur de calibration. Ne remplacez pas la résistance de charge permanente par un potentiomètre ajustable; son curseur peut perdre le contact et laisser le secondaire en circuit ouvert.

Construire l’entrée du convertisseur à tension médiane

Créez la polarisation avec deux résistances, généralement de 10 kΩ et de 1 % chacune, montées en série entre 3,3 V et la masse. Leur jonction est nominalement à 1,65 V. Ajoutez un condensateur électrolytique de 10 µF et un condensateur céramique de 100 nF entre cette jonction et la masse. Les condensateurs maintiennent le point médian stable pendant l’échantillonnage.

Branchez le secondaire du CT et la résistance de charge comme un signal isolé à deux fils. Reliez une borne de la résistance de charge à GP26, l’entrée ADC0 du Pico, par l’intermédiaire d’une résistance de 1 kΩ. Reliez l’autre borne de la résistance de charge au nœud de polarisation de 1,65 V. La tension CA du CT se superpose ainsi à la polarisation sans relier le circuit de détection au potentiel du secteur. Ajoutez un condensateur de 100 nF entre GP26 et le nœud de polarisation si le câblage est court et que la forme d’onde demeure propre; avec la résistance série de 1 kΩ, il forme une fréquence de coupure passe-bas proche de 1,6 kHz.

Voici une liste pratique des connexions :

• Borne secondaire A du SCT-013-000 vers le nœud de polarisation de 1,65 V
• Borne secondaire B du SCT-013-000 vers la résistance de charge de 18 ohms, puis vers la résistance série de 1 kΩ du convertisseur
• Résistance de charge de 18 ohms directement entre les deux bornes secondaires du CT
• Sortie de la résistance de 1 kΩ vers GP26 du Raspberry Pi Pico, ADC0
• Point milieu du diviseur de polarisation vers la référence de masse du convertisseur du Pico, selon la configuration de masse du circuit
• 3,3 V et masse de l’alimentation du Pico vers le diviseur de polarisation
• Condensateur de dérivation de 100 nF entre 3,3 V et la masse du Pico, près de la carte

La résistance de charge et les composants de polarisation doivent être installés sur une petite carte soudée ou une carte de circuit imprimé, et non sur une plaque d’essai non fixée à côté de câbles du secteur exposés. Gardez la paire du secondaire du CT torsadée, gardez le fil du convertisseur court et séparez la carte basse tension du boîtier du secteur au moyen d’une barrière isolante appropriée. Une source USB ne rend pas sécuritaire une installation du secteur mal protégée.

Avant de placer la pince sur un conducteur, alimentez le Pico et mesurez l’entrée du convertisseur avec un multimètre. Sans courant dans le CT, attendez-vous à une lecture CC proche de 1,65 V. La lecture exacte peut différer, car la tolérance des résistances, le comportement de l’entrée du convertisseur et la tension d’alimentation y contribuent tous. Si l’entrée se trouve près de 0 V ou de 3,3 V, arrêtez-vous là. Le réseau de polarisation n’est pas branché correctement ou la broche du convertisseur n’est pas celle que vous avez sélectionnée.

Mettez le circuit hors tension lorsque la méthode d’installation le permet, ouvrez le noyau ouvrant, placez-le autour d’un seul conducteur de phase isolé, puis refermez le noyau jusqu’à ce que ses faces de contact soient complètement appuyées l’une contre l’autre. Ne pincez pas un câble souple complet à deux conducteurs et ne forcez pas la charnière contre un câble trop gros pour l’ouverture du CT.

La fiche et le câble basse tension ont eux aussi besoin d’un serre-câble. Une fiche de CT partiellement insérée peut laisser le secondaire ouvert, ce qui est dangereux lorsque le primaire transporte du courant. Installez la fiche avant de mettre le circuit surveillé sous tension et laissez la résistance de charge branchée même si le Pico est retiré.

Le CT assure une isolation dans des conditions normales d’utilisation, mais cette isolation ne vous autorise pas à faire passer son câblage dans un compartiment du secteur sans tenir compte des distances d’isolement. Protégez les conducteurs basse tension contre l’abrasion et assurez-vous que le boîtier, les bornes et l’alimentation conviennent à l’installation. Si le circuit fait partie du câblage fixe d’un bâtiment, respectez les règles qui s’appliquent à cette installation et faites appel à un électricien qualifié lorsque nécessaire.

Le premier essai sous tension devrait utiliser une charge connue et stable. Un appareil de chauffage à résistance est plus facile à valider qu’un réfrigérateur, un gradateur, une alimentation à découpage ou un moteur, car ces charges déforment la forme d’onde et peuvent avoir un facteur de puissance faible.

Échantillonner, calculer et calibrer le courant

Échantillonnez le convertisseur polarisé à une fréquence fixe d’au moins 2 kHz pour un circuit de 50 ou 60 Hz. Un bloc contenant un nombre entier de cycles du secteur rend le calcul RMS moins sensible à la phase au début et à la fin du bloc. À 50 Hz, 400 échantillons à 2 kHz couvrent quatre cycles; à 60 Hz, 400 échantillons couvrent cinq cycles.

Commencez par estimer la polarisation à partir du bloc d’échantillons ou utilisez le point médian mesuré sans charge. Pour chaque échantillon, soustrayez ce point médian, convertissez les comptes du convertisseur en volts et calculez la valeur RMS :

Isecondary_RMS = Vburden_RMS / 18 ohm

Iprimary_RMS = Isecondary_RMS × 2000

Le rapport de 2000 s’applique aux caractéristiques du SCT-013-000 utilisées ici. Il ne s’applique pas à tous les modèles SCT-013.

Une calibration sur place plus utile utilise une pince ampèremétrique ou une charge résistive connue. Notez le résultat RMS brut du moniteur et le courant de référence, puis appliquez un facteur de correction dans le micrologiciel. Faites-le près de la plage de courant qui vous importe. La précision du CT, la tolérance de la résistance, le gain du convertisseur, la position du conducteur dans le noyau et la forme d’onde influencent tous le résultat. Une correction en un seul point ne garantit pas la précision sur toute la plage.

Pour une charge presque résistive, la puissance réelle estimée peut être calculée comme P ≈ Vrms × Irms, puis intégrée dans le temps pour obtenir des wattheures. Cette approximation ne constitue pas une mesure réelle de l’énergie pour les moteurs, les alimentations à découpage, les gradateurs ou d’autres charges présentant un déphasage ou un courant harmonique. Un canal CT qui mesure uniquement le courant mesure le courant. Un véritable compteur d’énergie pour l’ensemble du circuit a aussi besoin d’une référence de tension, de la relation de phase et d’une mesure de tension isolée appropriée.

Si le moniteur doit indiquer l’énergie plutôt que le courant, ajoutez un échantillonnage de tension conçu pour le réseau d’alimentation ou utilisez une valeur d’énergie vérifiée provenant d’un compteur qui mesure déjà les deux quantités. Ne branchez pas un diviseur de tension du secteur au convertisseur du Pico comme simple ajout à ce circuit.

Une lecture nulle signifie généralement que la pince entoure les deux conducteurs, que le noyau n’est pas fermé, que la fiche du CT n’est pas bien insérée ou que le micrologiciel soustrait le mauvais point médian. Une lecture constamment élevée signifie généralement que la polarisation est absente, que l’entrée du convertisseur est saturée ou que la résistance de charge n’est pas branchée comme illustré.

Une lecture qui correspond exactement à la moitié ou au double de la valeur attendue indique d’abord un problème lié au rapport du CT, à la conversion des unités ou à la constante de calibration. Une lecture qui change lorsque le câble bouge dans l’ouverture indique un problème de position du conducteur ou de fermeture du noyau. Une lecture bruitée sans charge indique un long fil de convertisseur non blindé, un nœud de polarisation faible, un secondaire flottant ou une source d’alimentation qui injecte du bruit.

Vérifiez les points suivants dans l’ordre :

• Confirmez le suffixe exact du CT et son courant secondaire indiqué.
• Mesurez 1,65 V au nœud de polarisation avant de brancher le CT.
• Vérifiez que la résistance de charge de 18 ohms est physiquement placée entre les bornes du secondaire.
• Confirmez que la pince entoure un seul conducteur.
• Vérifiez que les échantillons du convertisseur sans charge sont centrés autour de la polarisation mesurée.
• Examinez la forme d’onde brute pour détecter l’écrêtage avant d’appliquer le calcul RMS.
• Comparez le résultat à une charge résistive stable avant d’essayer des moteurs ou des alimentations électroniques.

N’achetez pas un convertisseur de résolution supérieure comme première réponse à une mauvaise lecture. Le câblage, la résistance de charge, la polarisation et le positionnement du conducteur causent davantage de problèmes dans cette fabrication que la résolution nominale du convertisseur. Un convertisseur externe peut aider une fois le signal correctement dimensionné, mais il ne peut pas corriger un secondaire ouvert, une forme d’onde écrêtée ou une pince autour des deux conducteurs.

Questions fréquentes

Un SCT-013 peut-il mesurer une charge CC alimentée par une batterie?

Non. Un transformateur de courant réagit au flux magnétique alternatif et ne fournit pas de lecture utile en régime permanent pour le courant continu. Utilisez un capteur à effet Hall ou un montage à shunt de calibre approprié pour le courant continu.

Pourquoi le CT a-t-il besoin d’une résistance de charge si le convertisseur possède déjà une résistance d’entrée?

L’entrée du convertisseur n’est pas une résistance de charge de mesure définie et sécuritaire pour le CT. La résistance externe règle la tension secondaire, contrôle l’échelle du signal et garde le secondaire fermé si le contrôleur est débranché. Sans elle, le secondaire du CT peut produire une tension dangereuse.

Ce circuit peut-il indiquer des kWh exacts à partir du courant seulement?

Non. Il peut estimer la puissance apparente à partir du courant et d’une tension présumée, ou estimer la puissance réelle pour une charge résistive connue. Une mesure précise de l’énergie réelle nécessite des renseignements sur la tension, le courant, la phase et la forme d’onde, ou un compteur qui mesure ces quantités ensemble.

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