Mesure de l'intensité du courant électrique et du facteur de puissance par un réseau de capteurs à effet Hall

Juneau, Marc (2018). Mesure de l'intensité du courant électrique et du facteur de puissance par un réseau de capteurs à effet Hall. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Un système de mesure qui utilise un réseau de capteurs à effet Hall (HES) sans fil fut l’objet de travaux antérieurs. Les capteurs HES ont l’avantage d’un coût très bas ainsi qu’un niveau d’intégration qui permet un boîtier de petite taille. De plus, leur installation ne requiert pas le débranchement du fil conducteur à mesurer. En contrepartie, le gain de mesure de ce capteur dépend de son positionnement et ses mesures peuvent présenter de la diaphonie, puisqu’il mesure sans discrimination l’ensemble des champs magnétiques de son environnement.

Ce projet contribue à faire avancer le domaine en améliorant les capacités de mesure du système développé antérieurement. À partir du même circuit analogique, le capteur est modifié afin d’augmenter la fréquence d’échantillonnage à 2KHz et intègre un protocole de communication qui synchronise l’information avec l’unité centrale de traitement (UCT). Cette synchronisation des données est exploitée afin d’ajouter la mesure du facteur de puissance pour chacun des circuits mesurés par les capteurs HES. Ces améliorations permettent l’application de la plupart des algorithmes de désagrégation du signal, un domaine de recherche connexe.

La grande quantité de données échangées entre les capteurs et l’UCT requiert l’intégration d’une compression des données. Après analyse, la transformée en cosinus discrète (DCT) est préférée à d’autres méthodes dont la compression Free Lossless Audio Codec (FLAC), la transformée de Fourrier rapide (FFT) et la transformée en ondelette discrète (DWT).

La calibration automatique d’un réseau de capteur HES proposée dans ce projet utilise la mesure unique d’un capteur avec transformateur de courant (CT). L’algorithme de separation des sources (SS) élaboré détermine ainsi dynamiquement les gains de mesures et retire la diaphonie. Un filtre passe-bande qui exploite directement les coefficients de la DCT réduit l’influence du bruit de fond et améliore la détection des petites charges. Au final, la SS et le filtre permettent de réduire l’erreur moyenne de mesure individuelle des capteurs à 0.2A. La mesure du déphasage des capteurs HES présente une erreur maximale observée de 6 degrés alors que le capteur CT présente une erreur maximale observée de 24 degrés. Il est recommandé d'améliorer ce dernier lors des prochains travaux, puisqu'il influence la précision globale du système.

L’ajout de l’algorithme du gradient stochastique normalisé (NLMS) permet de réduire l’écart entre la somme des mesures des capteurs HES et la mesure du capteur CT à 0.2%. Sans l’utilisation du NLMS, cet écart était de 4.7%. Son utilisation augmente cependant l’erreur de mesure individuelle moyenne des capteurs à 0.4A pour la combinaison SS, filtre et NLMS.

Titre traduit

Current-sending and power factor measurement through a Hall effect sensor network

Résumé traduit

A measurement system, using a wireless Hall Effect Sensor (HES) network was the subject of previous work. HESs have the advantage of a very low cost, and a level of integration that allows a small housing. In addition, their installation does not require the disconnection of the conductor wire to be measured. In return, the measurement gain of this sensor depends on its positioning and its measurements may have crosstalk, since it measures, without discrimination, all the magnetic fields of its environment.

This project contributes to advancing the field by improving the measurement capabilities of the previously developed system. Based on the same analog circuit, the sensor is modified to increase the sampling rate to 2KHz and incorporates a communication protocol that synchronizes the information with the central processing unit (CPU). This data synchronization is exploited to add the power factor measurement for each of the circuits measured by the HESs. These enhancements allow the application of most signal desaggregation algorithms, a related research area.

The large amount of data exchanged between the sensors and CPU requires the integration of data compression. After analysis, the Discrete Cosine Transform (DCT) is preferred over other methods including Free Lossless Audio Codec (FLAC), Fast Fourier Transform (FFT), and Discrete Wavelet Transform (DWT).

The automatic calibration of a HES network, proposed in this project, uses the measurement of a current transformer sensor (CT). The elaborate source separation algorithm (SS) thus dynamically determines the measurement gains, and removes the crosstalk. A band-pass filter, that directly exploits DCT coefficients, reduces the influence of background noise and improves detection of small loads. In the end, the SS and the filter make it possible to reduce the average measurement error of the sensors to 0.2A. The measurement of the phase shift by the HESs has a maximum observed error of 6 degrees, while the CT sensor mesurement has a maximum observed error of 24 degrees. It is recommended to improve the latter in future work, as it influences the overall accuracy of the system.

The addition of the normalised least-mean-squares algorithm (NLMS) makes it possible to reduce the difference between the sum of the measurements of the HES sensors and the measurement of the CT sensor at 0.2%. Without the use of NLMS, this gap was 4.7%. However, it increases the average individual sensor measurement error to 0.41A for the SS, filter and NLMS combination.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 159-162)
Mots-clés libres:	calibration, HES, LMS, NLMS, FFT, WDT, DCT
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, Ghyslain
Codirecteur:	Codirecteur Thibeault, Claude
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	22 nov. 2018 15:16
Dernière modification:	22 nov. 2018 15:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2159

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