Brevet FR2533317A1 — publié le 19840323

L'invention concerne les appareils pour la mesure des courants et des tensions, et plus précisément, un appa- reil de mesure de valeur instantanée de courant Ledit appa- reil de mesure sert à former les signaux de réaction en cou- rant dans les systèmes de régulation automatique rapides, tels que les commandes électriques d'avance des machines- outils pour usinage par coupe. Les appareils de mesure de valeur instantanée de courant, qui existent actuellement, ont une fiabilité in- suffisante, une construction compliquée et de grandes dimen- sions. Il est connu un appae: idmesuredevaeurinstantanée de courant (voir, par exemple, le Certificat d'auteur de l'U R S S N 194 162, cl N 03 F 9/00), comprenant un ampli- ficateur push-pull magnétique à liaison par inductance, un formateur de dérivée de courant réalisé avec un transforma- teur de courant à entrefer et un filtre RC L'enroulement de commande de l'amplificateur magnétique est inséré dans le circuit du courant à mesurer et en série avec le primai- re du transformateur de courant Le secondaire du transfor- mateur de courant et la sortie de l'amplificateur push-pull magnétique sont connectés au filtre RC dont la sortie sert de celle de l'appareil de mesure de valeur instantanée de courant. Le filtre RC assure un niveau bas de pulsations à la sortie de l'appareil de mesure de valeur instantanée de courant. La compensation du retard de à ce filtre se fait à l'aide d'un signal prélevé sur le secondaire du transfor- mateur de courant à entrefer Le signal de sortie de l'ap- pareil de mesure correspond au courant à mesurer sans dis- torsions d'amplitude et de phase Mais en cas d'une varia- tion rapide du courant à mesurer dans le secondaire à plu- sieurs spires du transformateur à entrefer surgissent de hautes tensions lesquelles peuvent provoquer le claquage de l'isolation de l'enroulement De ce fait, lors des me- sures des courants variant très viitl'appareil cb roeste de valeur 253331 ? instantanée de courant présente une basse fiabilité. Il est encore connuunappareilcdmesuredevaleuristan- tanée de courant comprenant un transformateur de courant dont le primaire est inséré dans le circuit du courant à mesurer, et l'enroulement secondaire de commande est élec- triquement lié aux entrées de commande de deux portes de commutation en série, le point commun de celles-ci étant électriquement couplé à l'une des bornes de l'enroulement secondaire de sortie du transformateur de courant, l'autre borne de cet enroulement étant liée au point milieu d'une source d'alimentation desdites portes par l'intermédiaire d'une résistance dont le signal correspond à la valeur ins- tantanée du courant à mesurer (voir par exemple, le Certi- ficat d'auteur de l TU R S S N 706787, cl G 01 RI 9/00). L'appareil de mesure comprend aussi un bloc pour la mesure d'une dérivée de courant utilisant un transforma- teur de courant à entrefer, dont le primaire est mis en sé- rie avec le primaire du premier transformateur de courant, et dont le secondaire et une résistance sont reliés à un filtre RC Le bloc comporte aussi des portes de commutation qui sont à transistors. Dans l'appareil de mesure de courant en question vers le moment de commutation des portes de commutation à transistors le transformateur de courant se trouve saturé, et les portes de commutation à transistors laissent passer les courants de saturation sensiblement supérieurs aux valeurs de travail théoriques Cela amène une augmentation des pulsations du signal de sortie, une perte de puissan- ce supplémentaire aux portes de commutation et une dégra- dation de fiabilité du fonctionnement de l'apppareil de mesure de courant. Le fonctionnement de l'appareil de mesure de valeur instantanée de courant est caractérisé par une fai- ble fréquence de commutation des portes de commutation à transistors Afin d'avoir un bas niveau de pulsations du signal de sortie de l'appareil, on utilise un filtre RC 253331 Y présentant une grande constante de temps, cela entraînant une augmentation des dimensions La compensation du retard dé au filtre se fait à l'aide d'un signal prélevé sur le secondaire du transformateur de courant à entrefer d'air, ce dernier augmentant encore l'encombrement En outre, en cas d'une variation rapide du courant à mesurer de hautes tensions surgissant au secondaire du transformateur de cou- rant qui provoquent le claquage d'isolation de l'enroulement. Ce facteur rend plus mauvaise la fiabilitécel'appareildemesurede valeur instantanée de courant. La présente invention vise un appareil de mesure de valeur instantanée de courant dans lequel une diminution des courants de commutation passant par les portes de com- mutation ainsi que la suppression des surtensions dans le circuit permettraient d'améliorer la fiabilité, de réduire les dimensions et de simplifier la construction de cet appa- reil de-mesure. Le problème posé est résolu à l'aide d'un appa- reil de mesure de valeur instantanée de courant du type comprenant un transformateur de courant par un primaire du- quel passe le courant à mesurer, un secondaire de commande électriquement relié aux entrées de commande de deux por- tes de commutation en série ayant leur point commun élec- triquement couplé à l'une des bornes d'un secondaire de sor- tie de ce transformateur de courant, son autre borne étant reliée au point milieu d'une source d'alimentation des portes de commutation par l'intermédiaire d'une résistance, la tension à cette résistance correspondant à la valeur instantanée du courant à mesurer, ledit appareil de mesure étant selon l'invention, caractérisé en ce qu'il possède une self ayantl'uné de ses bornes reliée au point commun des portes de commutation, et la deuxième borne; reliée à l'une des bornes du secondaire de sortie du transformateur de courant, et un formateur de signaux de commande des por- tes de commutation ayant ses entrées reliées aux bornes du secondaire de commande du transformateur de courant, et ses 253331 ? sorties, reliées aux entrées de commande des portes de commutation. Il est utile que le formateur de signaux de com- mande des portes de commutation comporte un bloc de diffé- rentiation et un élément de seuil en série destinés à com- penser le retard introduit par la self à la fréquence d'auto-oscillations. Il est utile que le primaire du transformateur de courant embrasse le circuit magnétique de la self. Il est utile que le secondaire de sortie du trans- formateur de courant embrasse le circuit magnétique de la self. L'appareil de mesure de valeur instantanée de cou- rant proposé présente une fiabilité élevée grâce à l'inser- tion de la self dans le circuit du secondaire de sortie du transformateur de courant La présence d'une self permet de limiter les courants de commutation traversant les portes de commutation au niveau du courant d'alimentation du trans- formateur de courant L'insertion de la self dans un cir- cuit basse tension empoche l'apparition de hautes tensions sur cette self L'utilisation de la self et du formateur de signaux de commande des portes de commutation dans un circuit à faibles courants fonctionnant aux fréquences de commutation élevées permet de réduire les dimensions du amesureur lui-même car en régimes de fonctionnement sus-dits s'utilise une self de petites dimensions Le retard dû à la self est compensé par le formateur de signaux de com- mande des portes-de commutation comprenant un bloc de dif- férentiation et un élément de seuil, Le fait que la self a un enroulement auxiliaire inséré dans le circuit du courant à mesurer, le rôle de cet enroulement auxiliaire étant joué par le primaire du transformateur de courant, permet de limiter les courants de commutation passant par les portes de commutation au niveau du courant d'alimentation de la self Le formateur de signaux de commande des inverseurs représente dans ce cas un élément de mise à l'échelle. Une réduction supplémentaire des dimensions s'ob- tient gràce à ce qu'en tant qu'enroulement principal de la self s'utilise le secondaire de sortie du transformateur de courant, embrassant les circuits magnétiques de la self et du transformateur de courant. L'invention sera expliquée dans une description qui va suivre des versions concrètes de sa mise en oeuvre, en se référant aux dessins, auxquels: la figure 1 représente le schéma d'un appareil de mesure de valeur instantanée de courant, selon l'inven- tion; la figure 2 représente le schéma d'un appareil demesute de valeur instantanée de courant, une deuxième version de sa mise en oeuvre utilisant une self à enroulement auxi- liaire, selon l'invention; la figure 3 représente unschéma de disposition des enroulements de la self et du transformateur de courant sur les circuits magnétiques selon l'invention. L'appareil de mesure de valeur instantanée de courant comprend un transformateur de courant 1 (figure 1) dont un primaire 2 est relié au circuit du courant à mesu- rer, et les bornes d'un secondaire de commande 3 sont re- liées aux entrées d'un formateur 4 de signaux de commande de portes de commutation Les sorties du formateur 4 sont reliées aux entrées de commande 5, 6 des portes de commu- tation 7 et 8 mises en série. La porte de commutation 7 comporte un élément de commutation 9 à conduction unidirectionnelle, et une diode 10, alors que la porte de commutation 8 comporte un élément de commutation à conduction unidirectionnelle 11 et une diode 12 Les bornes du circuit composé des portes de commutation 7, 8 sont connectées sur une source 13 d'alimentation en tension continue ayant son point milieu 14. Le point commun 15 des portes de commutation 7, 8 est lié à l'une des bornes d'un secondaire de sortie 16 du transformateur de courant 1 à travers une self 17. L'autre borne du secondaire 16 est reliée par l'intermédiai- re d'une résistance 18 au point milieu 14 de la source d'alimentation 13. En parallèle avec la résistance 18 est connecté un voltmètre 19 dont la tension correspond à la valeur ins- tantanée du courant à mesurer. Le formateur 4 de signaux de commande des portes de commutation comprend un bloc de différentiation 20 et un élément de seuil 21 mis en série, les sorties de l'élé- ment de seuil 21 servant d e sorties au formateur 4. Une autre version de mise en oeuvre de l'ap- pareil de mesure de valeur instantanée de courant est pos- sible lorsque le primaire 2 (figure 2) du transformateur de courant 1 embrasse le circuit magnétique 22 de la self 17 et sert d'enroulement auxiliaire/tronçon 23 à la figure 2 de la self 17 On évite ainsi la nécessité en compensa- tion du retard dans le circuit du courant, et de ce fait, le formateur 4 de signaux de commande des portes de com- mutation représente un élément de mise à l'échelle. En tant qu'enroulement principal (tronçon 24 à la figure 2) de la self 17 sert le secondaire de sortie 16 du transformateur de courant 1, embrassant respectivement les circuits magnétiques 22 (figure 3), de la self 17 et du transformateur de courant 1. Le fonctionnement de l'appareil de mesure de valeur instantanée de courant consiste en ce qui suit. Un courant à mesurer i 1 passe par le primaire 2 (figure 1) du transformateur de courant 1 Les portes de commutation 7, 8 ensemble avec le transformateur de courant 1 et la self 17 constituent un multivibrateur o la commutation se fait grâce à l'existence d'une réaction en courant secondaire i 2 dont le circuit se ferme par la self 17, le secondaire de sortie 16, le secondaire de commande du transformateur de courant 1 et le formateur 4 de signaux de commande des portes de commutation. La fréquence d'oscillation dudit multivibrateur est adoptée élevée, et elle est fonction de la valeur d'inductance de la self 17, de la constante de temps du bloc de différentiation 20 et de la largeur de la boucle d'hystérésis de l'élément de seuil 21 réalisé sous forme d'une bascule de Schmidt En mesurant les courants variant à des fréquences se situant entre O et 150 Hz, on choisit une référence de commutation des portes de commutation 7,-8 dans la plage de dizaines de k Hz, par exemple, 50 k Hz. Lors du fonctionnement du multivibrateur il se produit en permanence le renversement d'aimantation alter- natif du noyau du transformateur de courant, cela permet- tant de transférer le courant aussi bien continu qu'alter- natif à-partir du circuit de mesure du courant vers le secondaire de sortie 16 La transformation du courant i 1 à mesurer en courant secondaire i 2 se fait grâce à l'éga- lité des valeurs d'ampères-tours des primaire 2 et secon- daire de sortie 16 du transformateur de courant 1 l Le courant secondaire i 2 passe par la résistance 18 dont la tension correspond à la valeur instantanée du courant ia à mesurer La chute de tension sur la résistan- ce 18 est adoptée petite comparativement à la tension de la source d'alimentation 13. Soit i 1 le courant de valeur constante passant par le primaire 2 du transformateur 1 de courant (indiqué par une flèche à la figure 1); le courant secoedaire i 2 aura alors le sens indiqué par la flèche i 2. La porte de commutation 7 étant ouverte, le courant i 2 = ki 1, o k est le coefficient de proportion- nalité, passe par l'élément de commutation 9 à travers la self 17, le secondaire de sortie 16 et la résistance 18 sous l'action d'-une tension positive en provenance de la source d'alimentation 13 Sous l'effet de cette tension se produit un renversement d'aimantation du circuit magné- tique 25 du transformateur 1 de courant vers les valeurs positives de l'induction A un certain moment commence la saturation de ce circuit magnétique 25, le courant i 2 augmentant alors. Grâce à la self 17 la rapidité de variation du courant i 2 s'avère limitée, et au moment du commencement de la saturation du transformateur 1 de courant les tensioms se trouvent redistribuées sur la self 17 et l'enroulement 16 de manière que la tension s'élève à la self 17 et dimi- nue aux enroulements 16 et 3 Lorsque la tension baisse à l'enroulement 3, il se forme à la sortie du bloc 19 de dif- férentiation une tension alternée, et au moment de passage par zéro de celle-ci l'élément de seuil 21 élabore un si- gnal commandant le blocage de l'élément de commutation 9. L'élémnet 9 étant bloqué, le courant i 2 commence à traverser la diode 12 de la porte de commutation 8 A l'enroulement 16 du transformateur de courant 1 s'applique à partir de ce moment une tension négative, et commence le renversement d'aimantation du circuit magnétique 25 vers les valeurs négatives d'induction Après une certaine pé- riode commence la saturation du circuit magnétique 25 du transformateur de courant 1 dans le domaine d'inductions négatives La tension à la self 17 commence alors à s'éle- ver, et à l'enroulement 3, à baisser Le bloc de différentia- tion 20 et l'élément de seuil 21 forment un signal de com- mande qui débloque l'élément 9 et le processus recommence. Grâce au fait que l'inductance de la self 17, la constante de temps du bloc de différentiation 20 et la lar- geur de la boucle d'hystérésis de l'élément de seuil 21 sont adoptées dans une proportion prédéterminée, il devient possible d'obtenir un régime de fonctionnement sans satura- tion du transformateur de courant 1 Par conséquent, il n'existe pas de pulsations du courant i 2 passant par la résistance 18. Le fonctionnement de l'appareil de mesure de la valeur instantanée du courant ensemble avecle transforma- teur 1 de courant et la self 17 réunis de façon construc- tive réside en ce qui suit. Les portes de commutation 7 (figure 2), 8 ensemble avec le transformateur de courant 1 et la self 17 constituent un multivibrateur assurant en permanence un renversement d'aimantation alternatif du circuit magné- tique 25 du transformateur 1 de courant ainsi qu'une transformation du courant i 1 à partir du circuit de mesure vers le circuit secondaire du courant i 2 Le circuit ma- gnétique 22 de la self 17 est sans entrefer mais il pré- sente une plus grande induction de saturation par comparai- son avec celle du circuit magnétique 25 du transformateur de courant ce qui est dû à l'utilisation de matériaux ma- gnétiques différents. Soit, il et i 2 sont les courants passant con- formément aux flèches à la figure 2, et l'élément 9 est débloqué Sous l'action d'une tension positive de la sour- ce d'alimentation 13 il se produit le renversement d'aiman- tation des circuits magnétiques 22, 25 de la self 17 et du transformateur de courant 1 vers les inductions positi- ves, et à un moment quelconque le circuit magnétique 25 du transformateur de courant 1 se trouve saturé Il ne se r-îm&t pas de saturation magnétique du circuit magnétique 22 de la self 17 car celui-ci présente une plus grande va- leur d'induction de saturation que le transformateur de courant 1 De ce faitau moment de la saturation du transfor- mateur de courant I la valeur de i 2 restera inchangée et correspondra à il' la tension dans son enroulement 3 tom- bera à 0, et puis après avoir changé de signe s'élèvera. Respectivement la tension variera à la sortie du formateur 4 réalisé sous forme d'éléments de mise à l'échelle, et l'élément 9 sera bloqué Une tension négative à partir de la source 13 d'alimentation s'applique alors à l'enroule- ment 16, et commence le renversement d'aimantation des circuits magnétiques 22, 25 de la self 17 et du transfor- mateur de courant 1 vers les inductions négatives; Après une certaine période il se produira une saturation du circuit magnétique 25 du transformateur de courant 1, la tension dans l'enroulement 3 et à la sortie du formateur 4 changera de signe, et la porte de commuta- tion 7 deviendra conductrice La saturation du transfor- mateur de courant 1 ne sera pas alors accompagnée dans la zone d'inductions négatives par une variation du courant vu que le circuit magnétique 22 de la self 17 restera non saturé Ainsi, il est assuré dans l'appareil de mesure du courant la mise en forme d'un signal dans la résistan- ce 189 ce signal étant en proportion avec le courant à me- surer et ne contenant pas de pulsations dues à la satu- ration du circuit magnétique 25 du transformateur de courant. La présente invention permet donc de simplifier la construction de l'appareil de mesure de valeur instan- tanée de courant grâce au fait que le signal de sortie à faible niveau de pulsations s'obtient sans recourir à un transformateur de courant à entrefer à construction com- pliquée et peu fiable dans le circuit du courant à mesurer ni à un filtre RC à grande constante de temps. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Appareil de mesure de valeuri Ettannée de ourantdu type comprenant un transformateur de courant ( 1) par un primaire ( 2) duquel passe le courant à mesurer, et un se- condaire de commande ( 3) qui est électriquement relié aux entrées de commande ( 5, 6) de deux portes de commuta- tion en série ( 7, 8), le point commun ( 15) desquels est électriquement couplé à l'une des bornes d'un secondaire de sortie ( 16) du transformateur de courant ( 1), une autre borne du secondaire de sortie ( 16) étant reliée au point milieu ( 4) d'une source ( 13) d'alimentation des portes de commutation par l'intermédiaire d'une résistance ( 18) la tension à cette résistance correspondant à la valeur ins- tantanée du courant à mesurer, caractérisé en ce qu'il comprend une self ( 17), qui a une borne reliée au point commun ( 15) des portes de commutation ( 7, 8), et l'autre borne reliée à l'une des bornes du secondaire de sortie ( 16) du transformateur de courant ( 1), et un formateur ( 4) de signaux de commande des portes de commutation dont les entrées sont reliées aux bornes dusecondaire de commande ( 3) du transformateur de courant ( 1), et les sorties aux entrées de commande ( 5, 6) des portes de commutation ( 7,8). 2 Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le formateur ( 4) de signaux de comman- de des portes de commutation comprend un bloc de différen- tiation ( 20) et un élément de seuil ( 21) en série destinés à compenser le retard dé à la self à la fréquence d'oscil- lations auto-excitées. 3 Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le primaire ( 2) du transformateur de courant ( 1) embrasse le circuit magnétique ( 22) de la self 17. 4 Appareil de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le secondaire de sortie ( 16) du trans- formateur de courant ( 1) embrasse le circuit magnétique ( 22) de la self ( 17).