Les analyseurs de puissance de précision

Le 23/10/2019 à 13:30  

E lle fait partie de notre quotidien, à un point tel que l'on n'imagine pas comment faire si elle venait à manquer, même quelques heures seulement. Je parle ici de la fée électricité, comme elle était surnommée à la fin du XIX e siècle et au début du XX e siècle. D'aucuns pensent évidemment à tous les appareils du quotidien qui fonctionnent sur le réseau électrique ou qui doivent être rechargés régulièrement; mais il faut également prendre en compte l'ensemble des équipements industriels.

« La liste est beaucoup plus large qu'on ne le pense.Il y a évidemment tous les fabricants de moteurs, de pompes et de compresseurs, ainsi que ceux d'onduleurs, d'inverters, etc. Mais on retrouve aussi les constructeurs,équipementiers et intégrateurs automobiles, ainsi que les acteurs de l'énergie, de l'aéronautique civile et militaire, des réseaux et smart grids, de l'électroménager – même si ces derniers sont de moins en moins nombreux en France », indique Rodolphe Herrero, Business Development Manager Measure, Power chez MB Electronique, qui représente en France le japonaisYokogawa Electric. Cette tendance à l'électrification ne cesse de s'étendre à d'autres secteurs encore. « Si les constructeurs automobiles commercialisent des véhicules tout électriques depuis une vingtaine d'années – leur dévelop-pement remonte à plusieurs années avant –,des secteurs comme l'avionique sont en train de passer des organes hydrauliques et/ou pneumatiques à des commandes électriques », constate Renaud Simper, directeur de Dewetron France. Voire de passer à un aéronef tout électrique, mais ce n'est pas encore pour demain.

Avec l'électrification d'une multitude d'équipements, la recherche d'une efficience énergétique, etc., de nombreux industriels se doivent de caractériser la puissance de leurs produits. Pour cela, ils peuvent mettre en œuvre un analyseur de puissance de précision, et non un wattmètre, pour travailler sur les signaux.

Au-delà de l'apparition de ces nouvelles demandes, d'autres raisons expliquent la croissance du marché de l'analyse de la puissance. Les industriels veulent réduire la consommation électrique des moteurs, des turbines et autres équipements de leurs usines, et nous sommes en pleine évolution de la mobilité dans les villes, par exemple. « C'est également un secteur normalisé , affirme Guillaume Mairesse, Technical Support Engineer chez QualitySource (groupe Spherea). Un marché qui tend à croître,car l'UE impose de plus en plus de normes aux constructeurs. » « Si la recherche sur les énergies renouvelables et les véhicules électriques a connu une croissance à deux chiffres au cours de la dernière décennie, c'est au tour de la R&D dans le sec-teur de l'énergie qui devrait prendre son envol à l'avenir.La conception de convertisseurs éco-énergétiques réduit nos besoins globaux en énergie et permet de stocker l'énergie dans des cellules.Aujourd'hui,les consommateurs s'interrogent sur l'autonomie des voitures électriques ou le coût des panneaux solaires. Bientôt, ils achèteront des solutions solaires et des véhicules électriques en fonction de leur prix, à mesure que ces derniers baisseront et que l'offre augmentera », ajoute Bill Griffith, Power Products Marketing chez KeysightTechnologies.

L'analyse de puissance se démocratise

Preuve de l'engouement suscité par le secteur de l'analyse de puissance –les principaux fabricants du secteur sont l'américain Fluke, le japonais Hioki, l'américain Keysight Technologies, le britannique Newtons4th, l'américain Vitrek, Yokogawa Electric, l'allemand ZES Zimmer–, des acteurs qui n'étaient jusqu'à présent pas sur le marché y viennent ( voir encadré page 46 ). « Des constructeurs d'oscilloscopes numériques ou d'enregistreurs proposent progressivement des fonctions d'analyse de puissance dans certains de leurs modèles… avec plus ou moins de succès », indique Rodolphe Herrero (MB Electronique).

Un wattmètre est au multimètre ce que l'analyseur de puissance est à l'oscilloscope numérique. Le premier permet de vérifier immédiatement une puissance, tandis que le second assure la visualisation des signaux, des calculs avancés, etc., pour caractériser des phénomènes transitoires.

La modernisation des interfaces utilisateurs, avec l'accès aux fonctions de la face avant et des écrans couleur tactiles, par exemple, a ainsi contribué à la disponibilité de logiciels plus modernes, proposant des fonctionnalités toujours plus nombreuses et avancées.

« Lorsque l'on parle d'analyse de puissance,les néophytes pensent spontanément à des applications mettant en œuvre des courants forts. Mais cette analyse devient également plus complexe au sein des systèmes embarqués et des produits grand public (smartphones plus puissants et moins gourmands en énergie, par exemple), ce qui requiert des composants spéciaux et donc des mesures spécifiques. Nous voyons ainsi une légère croissance du marché, qui reste un marché de niche pour les oscilloscopes numériques », explique Jean Laury, EMEAVice President of Sales Deputy de Teledyne LeCroy.

Ce que confirme Céline Côme, Managing Director du département Tests, Energie, Mesures d'Equipements scientifiques, qui représente notamment en France Hioki et Newtons4th: « Il y a maintenant des convertisseurs dans de très nombreux équipements, en particulier des inverters dans les véhicules électriques. Comme la bande passante des analyseurs de puissance est limitée aux alentours de 5 MHz, il y a une demande croissante pour les oscilloscopes,qui permettent de visualiser les interférences.Et il existe un marché important pour l'analyse de puissance dans les bancs de test en énergie ».

Derrière le vocable «analyseur de puissance» se cachent plusieurs types d'instruments de mesure différents, ce qui peut bien souvent amener une certaine confusion lorsque l'on va à la pêche aux informations sur un moteur de recherche internet. On trouve en effet les termes « wattmètre » ( power meter en anglais), «analyseur de qualité électrique» ( power quality analyzer ) et, évidemment, «analyseur de puissance» ( power analyzer ), l'objet de cet article. Passons rapidement sur la deuxième catégorie: « Le rôle d'un analyseur de qualité est de surveiller dans le temps la qualité d'un réseau électrique – le “50 Hz” ou celui d'un avion, à 400 Hz –, ou au niveau d'une machine, et de générer des alarmes en cas de pro-blème sur les paramètres clés, tels que la fré-quence,le déphasage, le facteur de puissance », précise Xavier Boulet, ingénieur tech-nico-commercial et responsable Applications pour la gamme eDrive chez HBM France. Il s'agit essentielle-ment d'appareils portables, aux précision et fréquence d'échantillonnage peu élevées, permettant de réaliser tout un ensemble de mesures (puissances, éner-gies, harmoniques, etc.), sur une certaine durée, lors d'opérations de maintenance sur le terrain.

Différence entre wattmètre et analyseur

Intéressons-nous maintenant aux deux autres catégories d'instruments de mesure.Wattmètres et analyseurs de puissance ont en commun le fait qu'ils mesurent tous les deux une tension et un courant pour en déduire les para-mètres de puissance via un calcul d'intégrale. « Yokogawa Electric distingue deux technologies distinctes pour déterminer la puissance électrique : le wattmètre en continu ( streaming data ),ou wattmètre traditionnel, et l'analyseur à mémoire numérique (PX8000 ou ScopeCorder DL850E/EV, par exemple), dans lequel les mesures sont mémorisées puis posttraitées »,explique Rodolphe Herrero (MB Electronique).

Dans le cas d'un wattmètre traditionnel, les mesures de la tension et du courant permettent de calculer la puissance électrique en intégrant les mesures sur un certain temps. « Pour que le calcul soit juste, il faut un nombre entier de périodes (en fait un nombre de passages à zéro),ceci signifie que cela ne peut fonctionner que sur des signaux répétitifs ou presque, en régimes continus. La présence d'une modulation de largeur d'impulsions (PWM),par exemple,rend vite le calcul de la période plus complexe », poursuit-il. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle le fabricant propose d'ajouter une voie pour la source de synchronisation, voie servant à calculer le nombre de périodes.

Le nombre de voies de mesure (une voie correspond à deux mesures, la tension et le courant) disponibles dans un analyseur est un paramètre important à prendre en compte. La quasi-totalité des modèles intègre 1 à 3 ou 4 voies, certains en proposant jusqu'à 6 ou 7.

Pour Bill Griffith (Keysight Technologies), « un wattmètre fournit et affiche des mesures de base,telles que la tension et le courant mono/triphasés, les puissances active,apparente et réactive,le facteur de puissance.Le prix d'un wattmètre a tendance à être inférieur à celui d'un analyseur de puissance, mais un wattmètre ne dispose pas d'un affichage de type oscilloscope. » Il est possible d'associer à un wattmètre un oscilloscope ou un enregistrement. Ce qui fait dire à Céline Côme (Équipements scientifiques) qu'« un wattmètre est au multimètre ce que l'analyseur de puissance est à l'oscilloscope numérique. Le premier permet de vérifier immédiatement une puissance,tandis que le second assure la visualisation des signaux, une analyse FFT, le calcul de filtres avancés et/ou de fonctions mathématiques, l'enregistrement des formes d'onde, etc., pour caractériser des phénomènes transitoires ». Plusieurs facteurs ont participé au déploiement des analyseurs de puissance, face aux wattmètres. Pour Renaud Simper (Dewetron France), « les signaux à mesurer étant plus complexes, il faut maintenant des appareils capables de travailler sur des signaux pulsés, de plus hautes fréquences. Les solutions existantes n'étaient plus assez rapides .» « S'ils partagent la même unité pour les résultats (le watt), un wattmètre et un analyseur de puissance diffèrent par leur vitesse d'échantillonnage, qui est bien plus grande pour le second, afin d'identifier plus rapidement un défaut, une rupture ou un pic de tension », précise Marc Comptdaer, commercial Nord et responsable Mesure chez Dimelco, distributeur du suisse Infratek.

De son côté, Bill Griffith (Keysight Technologies), ajoute que, « alors que les rendements énergétiques des équipements approchent 98 %, les analyseurs de puissance nécessitent une résolution et une précision élevées pour suivre les gains incrémentiels. » Xavier Boulet (HBM France) résume la description d'un analyseur de puissance de la manière suivante: « Il s'agit d'un outil plus complet [qu'un wattmètre], qui aide, en règle générale, à la caractérisation et à l'analyse fine d'une machine électrique. Les ingénieurs recherchent un niveau de précision fin sur les mesures électriques et mécaniques pour dérouler des calculs de rendement précis ».

Ne pas sous-estimer les voies de mesure

Maintenant que l'on connaît un peu mieux le rôle respectif des wattmètres et des analyseurs de puissance, il convient de se pencher sur les principales spécifications de ces derniers pour trouver chaussure à son pied.Le nombre de voies de mesure est l'un des premiers paramètres en prendre en compte. « Quand on parle d'entrées pour un analyseur de puissance, il s'agit de voies correspondant chacune à deux mesures, à savoir la tension et le courant d'une phase. Il peut arriver qu'il y ait un petit déphasage entre tension et courant – si les deux grandeurs ne sont pas appariées –, un déphasage lié aux câbles, aux impédances des sondes externes.ZES Zimmer permet,dans ses modèles, de compenser ces délais de groupe », précise Guillaume Mairesse (QualitySource).

Pourquoi ne pas utiliser un oscilloscope numérique ?

Dans le tableau recensant l'offre des analyseurs de puissance commercialisés en France, on trouve également le MDA800A de l'américain Teledyne LeCroy, une version d'oscilloscopes numériques dédiée à ce type de mesure. Mais les utilisateurs peuvent également mettre en œuvre des analyses de puissance avec de nombreux oscilloscopes dotés des options ad hoc . « Il ne s'agit pas de faire des tests sur le réseau électrique ou une machine fonctionnant en régime établi statique.

Grâce à sa bande passante au-delà de 1GHz, sa longue mémoire,etc.,un oscilloscope va permettre de travailler en régimes dynamiques,sur toute la phase de démarrage d'un système embarqué », explique Laurent Beaudouin, ingénieur d'applications et formateur chez Teledyne LeCroy France.

« Si un oscilloscope a pour lui l'avantage de la bande passante,et aussi de plus en plus du nombre de voies,il pêche toutefois en termes de précision (quelques pourcents seulement) et d'isolation des voies », nuance Pierre Dupont, ingénieur d'applications chez Tektronix France. Le fabricant américain propose néanmoins les sondes isolées IsoVu pour ses oscilloscopes numériques.

« Avec un oscilloscope,les concepteurs disposent d'un seul et unique instrument pour réaliser des tests en haute fréquence et des analyses de bus,les drivers IGBT ou Mosfet étant contrôlés par un bus », ajoute Pierre Dupont. Les oscilloscopes, et les analyseurs de spectre d'ailleurs, et les analyseurs de puissance de précision sont donc plutôt vus comme des appareils complémentaires.

La quasi-totalité des analyseurs de puissance intègre 1 à 3 ou 4 voies, certains modèles proposant même jusqu'à 6 ou 7 voies. « Mais les clients ne s'arrêtent plus aux seules mesures électriques. Ils veulent, en plus, pouvoir récupérer des mesures de couple, de vitesse de rotation, de vibrations, d'élongation,de température [ ces fonctions supplémentaires sont disponibles en options, NDLR ], et toutes ces valeurs devant être synchronisées entre elles pour pouvoir déterminer des rendements mécanique et électrique », constate Renaud Simper (Dewetron France). D'où l'apparition de systèmes modulaires, qui permettent également aux utilisateurs de choisir des modules aux spécifications les plus adaptées aux types de mesure, que ce soit à l'achat et ultérieurement, si ses besoins évoluent. « Selon le module,l'utilisateur peut alors bénéficier d'une précision plus fine ou d'une dynamique meilleure, ou encore d'une fréquence d'échantillonnage moindre pour mesurer une température, et donc d'un module bien plus économique », poursuit-il.

La précision jusqu'au bout des sondes

À côté des analyseurs de puissance modulaires, à l'instar du Dewe3-PA8 de Dewetron, des PX8000 etWT5000 ( voir Mesures n° 908 ) de Yokogawa Electric ou du PW6001 d'Hioki, on trouve par ailleurs des systèmes d'acquisition de données dédiés à la mesure de puissance. C'est le cas, entre autres, du Sirius-R8DB du slovène DeweSoft et de l'eDrive de l'allemand HBM. « Parmi les idées de synergie avec la gamme Genesys,l'une a été de coupler notre système d'acquisition de données à nos capteurs de couple, largement déployés dans des bancs d'essais, pour mesurer différentes grandeurs physiques. Et à l'époque – eDrive a été lancé en 2014 –,il existait très peu de systèmes tout-en-un répondant aux exigences des ingénieurs travaillant sur les transmissions électrique et hybride. Mais il nous a fallu du temps pour faire connaître le concept, identifier les clients potentiels, faire changer les habitudes », rappelle Xavier Boulet (HBM France). Et si les 24 ou 64 voies maximales respectives de l'eDrive et du Sirius-R8DB ne suffisent pas, il est toujours envisageable de piloter plusieurs systèmes –c'est aussi possible avec certains analyseurs de puissance– pour accroître encore plus le nombre de voies total.

De plus en plus d'analyseurs de puissance permettent de mesurer, en plus de la tension et du courant, d'autres grandeurs physiques (couple, vitesse de rotation, vibrations, élongation, température, etc.), ce qui permet de calculer des rendements électrique et mécanique.

Si les utilisateurs ne connaissent pas forcément la double mesure (tension et courant) par voie, il n'en demeure pas moins que, pour des raisons de sécurité notamment, c'est un point à ne pas sous-estimer. La très grande majorité des analyseurs de puissance commercialisés sur le marché affiche des gammes de tension jusqu'à 1000Veffi-caces (RMS) et des gammes de courant jusqu'à 20 ou 30A efficaces. Il faut donc s'assurer que l'appareil dispose des agréments ad hoc (CAT III 600V, par exemple) et d'une excellente isolation entre voies. En ce qui concerne les gammes de courant, les utilisateurs peuvent même ajouter des sondes externes, parmi un large éventail de modèles tiers ou du fabricant (shunts, transformateurs de courant, pinces ampérométriques…), pour atteindre des courants jusqu'à 5000A efficaces, voire 10000A efficaces. « Pour éviter de recourir à une alimentation externe, certains analyseurs de puissance peuvent alimenter directement les sondes actives, ce qui ne pénalise pas la compacité des appareils, un critère parfois très important », indique Céline Côme (Équipements scientifiques). Comme Bill Griffith (Keysight Technologies) l'évoquait précédemment, les analyseurs de puissance se distinguent par une précision bien meilleure que celle des wattmètres. La justesse de base, pour une mesure de tension,s'étend, en règle générale,entre 0,01 et 0,3 % de la mesure, selon le modèle, ce qui assure une bonne précision du rendement calculé. C'est d'ailleurs l'une des quelques évolutions apportées par les fabricants ces dernières années. Mais ces précisions ne sont valables qu'au niveau de l'analyseur de puissance.

Il ne faut pas oublier de prendre en compte l'incertitude de la sonde externe, des pertes en ligne du câble, des effets d'échauffement du shunt, qui entraînent une dérive dans le temps. L'incertitude de la chaîne de mesure est alors moins bonne que celle du seul analyseur de puissance. « L'une des forces de Hioki est que,en tant qu'un des rares fabricants de capteurs de courant, il est capable de garantir une précision au point de test, et non au niveau de l'analyseur », affirme Céline Côme (Équipements scientifiques). Le fabricant propose également une fonction de décalage de phase (Phase Shift Function), qui permet de compenser l'erreur de phase de la sonde.

Avec la multiplication des équipements fonctionnant avec des signaux pulsés, à des fréquences plus élevées, comme le constatait Renaud Simper (Dewetron France), les critères de bande passante et de fréquence d'échantillonnage méritent désormais que l'on se penche dessus avec un plus grand intérêt. Si l'on regarde la bande passante indiquée pour chaque modèle du tableau, les analyseurs de puissance peuvent être rangés dans deux grands groupes: les modèles dont la bande passante va jusqu'à 200 ou 300kHz, voire 500kHz (PA4400A de l'américano-britannique Powertek) et ceux qui affichent une bande passante d'au moins 1 MHz, jusqu'à 10 MHz, pour les modèles Norma 4000 et Norma 5000 de Fluke, LMG 610, LMG 640 et LMG 671 de ZES Zimmer, voire 20MHz, pour l'analyseur de puissance PX8000 deYokogawa Electric.

S'interroger sur la fréquence d'échantillonnage

« Mais il faut faire attention aux appareils dont la fréquence d'échantillonnage est égale à la bande passante », signale Céline Côme (Équipements scientifiques). « Les constructeurs ne sont en effet pas clairs en ce qui concerne la fréquence d'échantillonnage , confirme Rodolphe Herrero (MB Electronique). Dans de nombreuses fiches techniques, la fréquence d'échantillonnage n'était jusqu'à présent pas mise en avant, parce que cela aurait même plutôt prêté à confusion. » Les fabricants ont encore des progrès à faire, car la fréquence d'échantillonnage n'est mentionnée que dans seulement un tiers des produits listés dans le tableau. Et il s'agit des analyseurs de puissance affichant une fréquence d'échantillonnage comprise entre 1 et 10 Méch/s, voire 100 Méch/s pour le PX8000.

Dans les analyseurs de puissance de ZES Zimmer, les utilisateurs peuvent voir deux fréquences d'échantillonnage différentes, 1,2 Méch/s et 150kéch/s. Ce n'est pas une erreur, mais la technologie propriétaire Dual Path. « L'utilisation d'un CAN par voie n'est pas toujours suffisante. Avec les appareils traditionnels, soit il y a des risques de repliement,et donc d'erreurs importantes,si le signal n'est pas filtré, soit la bande passante est sacrifiée au détriment de l'énergie “vue”. En ajoutant un second CAN pour créer deux chemins indépendants, pour chaque voie de tension et de courant, Dual Path, disponible dans les modèles de la série LMG600, permet de réaliser simultanément une mesure non filtrée sur toute la bande passante (1,2 Méch/s) et une mesure filtrée sur une bande étroite (150 kéch/s) », explique Guillaume Mairesse (QualitySource). Le fabricant allemand a par ailleurs travaillé sur les impédances des voies d'entrée, pour améliorer encore un peu plus le rapport signal/bruit.

En plus du nombre de voies, les analyseurs de puissance disponibles sur le marché se distinguent les uns des autres par d'autres critères, à savoir leur précision, leur bande passante, leur fréquence d'échantillonnage, leur modularité, les fonctionnalités proposées, l'offre de sondes externes, etc.

« S'il y a très peu d'évolution depuis une dizaine d'années – les normes n'ont pas changé –, les fabricants ont toutefois amélioré la partie logicielle », constate Marc Comptdaer (Dimelco). Et donc aussi l'interface utilisateur de leurs analyseurs de puissance. Hioki, par exemple, a repensé l'ergonomie de ses modèles plus récents. Finie la consultation de pages et de pages; les utilisateurs ont maintenant accès aux réglages et aux différentes fonctions depuis la face avant, via des boutons (rotatifs comme sur un oscilloscope pour la visualisation). « Et la grande majorité des analyseurs de puissance disposent désormais d'un écran couleur, voire d'un grand écran couleur tactile, comme la série LMG 600. ZES Zimmer a d'ailleurs ajouté une option, qui permet de créer et d'afficher à l'écran un synoptique de l'équipement testé », ajoute Guillaume Mairesse (QualitySource).

Interface utilisateur et logiciels évoluent

La modernisation des interfaces utilisateurs a ainsi contribué à la disponibilité de logiciels plus modernes, proposant des fonctionnalités toujours plus nombreuses et avancées. « Notre logiciel est compatible Microsoft Windows, avec des calculs mathématiques déjà implantés, des fonctions de multifenêtrage et d'impression de rapports. Près de 80 % des besoins des utilisateurs sont ainsi couverts, le reste requérant de passer à Matlab », indique Renaud Simper (Dewetron France). Guillaume Mairesse (QualitySource), lui, cite « la fonction permettant de saisir et de déclarer des scripts dans l'analyseur de puissance, pour calculer un rendement bien particulier, par exemple ».

La solution eDrive de HBM apporte d'autres atouts: « Les analyseurs de puissance traitent les données en interne, et éventuellement les transmettent au contrôle d'un banc de test. Si un ingénieur souhaite corriger un paramètre de son test, il doit le modifier puis relancer un nouveau cycle, car les valeurs sont perdues.

Pour éviter cette perte de temps, eDrive permet d'enregistrer les signaux bruts et les calculs,puis de les rejouer une fois le paramètre modifié. L'ingénieur peut donc voir en temps réel l'évolution de tous les signaux », avance Xavier Boulet (HBM France). Le fabricant allemand a doté sa solution de la cartographie de rendement obtenue en quelques minutes seulement, de l'analyse en temps réel Space Vector et de la transformée dq0.

Pour Bill Griffith (Keysight Technologies), « les ingénieurs doivent avoir confiance dans leurs analyses en étant capables de visualiser leurs formes d'onde de plusieurs manières possibles.D'où tout l'intérêt d'un appareil facile à configurer et à utiliser. Les analyseurs de puissance constituent un outil essentiel, au cœur des bancs de test, pour les personnes concevant les systèmes énergétiques de demain. » Et la demande n'est pas près de s'arrêter, l'électrification étant un marché porteur en France et dans le monde entier.