Brevet FR2639121A1 — publié le 19900518

Dispositif de mesure de courant continu bidirectionnel, à isolement galvanique et large bande passante La présente invention concerne un dispositif de mesure de courant continu bidirectionnel, à isolement galvanique et large bande passante, remarquable par son aptitude à fonctionner dans des conditions de températures élevées et d'espace restreint, telles que celles rencontrées par exemple, à l'intérieur des missiles. La mesure de courants continus avec isolement galvanique entre circuit de puissance et circuit de mesure a été utilisée primitivement dans des domaines où la fiabilité joue un rôle important, comme dans les chemins de fer et la marine. Dans les deux dernières décades, des besoins nouveaux sont apparus avec le développement des asservissements électroniques de puissance, destinés soit à des moteurs, soit à des sources d'alimentation électriques. L'isolement galvanique améliore en effet très sensiblement le rapport signal/bruit de la mesure de courant par rejet du mode commun et, ceci d'autant plus efficacement, que le spectre des fréquences utiles est plus large. Or, la bande passante requise atteint typiquement 10KHz pour des asservissements de moteurs et 100 fois plus dans le cas d'alimentations de radars. L'introduction récente de moteurs à courant alternatif (brushless) dans les servomécanismes, renforce le besoin en capteurs de courants continus isolés, bidirectionnels à large bande passante. Les dispositifs utilisés actuellement font très généralement appel à des moyens magnétiques associés ou non à des capteurs d'induction magnétique à effet HALL. Les dispositifs à effets HALL, tels que les modules LEM, de la LEM S.A. à Genève, présentent de bonnes performances dans leur domaine d'application. Celui-ci est toutefois limité par deux paramètres, à savoir a) la température : la dérive en température des capteurs à effet HALL limite leur emploi à une température maximale de fonctionnement de 70-C pour les modèles courants (cf. SIEMENS type SBV566) et peut atteindre 100 à 120'C pour des modèles spéciaux (cf. SPRAGUE, 91SS12-2). Cela exclut toutefois leur emploi dans les applications à températures supérieures, comme par exemple dans les missiles, l'aéronautique ainsi que l'automobile. b) le volume : l'amplificateur électronique associé au capteur de HALL doit obligatoirement être juxtaposé à la sonde de HALL, sous peine d'introduire un niveau de bruit inacceptable, compte tenu du niveau très bas du signal disponible en sortie de la sonde de HALL (15 mV/100 Gauss). Il en résulte un accroissement d'un ordre de grandeur au moins du volume du capteur de courant par rapport à celui du circuit magnétique, qui par ailleurs doit se loger dans le circuit de puissance, dans un espace souvent confiné. Cet accroissement de volume est un obstacle, notamment dans les domaines d'application les plus exigeants déjà cités au paragraphe précédent, où le volume disponible est typiquement celui d'un shunt remplissant la même fonction. Les dispositifs purement magnétiques actuels ne présentent pas les performances requises Le circuit de KRAMER décrit dans B.D. JENKINS, Introduction to instrument transformer, Georges Newnes Ltd, London, 1967, pp 144-146, est très utilisé dans la mesure de courants unidirectionnels. Dans sa forme originale, il ne peut être étendu à la mesure de courants bidirectionnels et ne délivre que la valeur absolue de la mesure. D'autres schémas exclusivement magnétiques et bidirectionnels, tels que le NON CONTACT CURRENT SENSOR de ANALOG DEVICES ont été proposés. Ils présentent l'inconvénient d'un temps de réponse important (1mus pour le dispositif cité de ANALOG DEVICES) incompatible avec les exigences des asservissements modernes. Cette limitation est liée à leur principe. On procède à un balayage linéaire en courant à l'aide de l'enroulement secondaire d'un transformateur de courant et à un échantillonnage-blocage au passage par l'égalité des ampère-tours primaire et secondaire, mise en évidence par la désaturation du circuit magnétique. L'inductance limite l'accroissement de la fréquence de balayage du transformateur de courant-et constitue une limite fondamentale à la réduction du temps de réponse de ce type d'équipements. La présente invention a pour objet la réalisation d'un dispositif réunissant les avantages qui étaient jusqu'alors répartis entre les différents dispositifs existants - tenue en températures élevées, - faible volume, - large bande pasante. Un dispositif selon l'invention est essentiellement constitué par - un circuit de KRAMER connu en soi et déjà mentionné qui définit la valeur absolue de la mesure de courant, - un dispositif original d'identification du signe du courant, et - un circuit d'aiguillage du signal de sortie qui agit sur son signe. Les caractéristiques et avantages du dispositif ressortiront de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation représenté sur le schéma, Figure 1. Deux circuits magnétiques identiques à cycle d'hystérésis rectangulaire sont porteurs chacun d'un bobinage primaire P1, P2 de 1 spire et d'un bobinage secondaire Li, L2, de n spires. Les bobinages des deux circuits magnétiques sont identiques. Les bobinages primaires sont parcourus par le courant à mesurer. Primaires et secondaires sont branchés en série entre eux, mais le branchement des secondaires est inversé par rapport à celui des primaires de telle sorte que lorsque le courant secondaire crée des ampère-tours additifs par rapport au courant primaire dans l'un des circuits magnétiques, il crée des ampère-tours soustractifs dans l'autre. Les extrémités K1, K3 des deux secondaires sont alimentées par une tension alternative rectangulaire et symétrique à travers une résistance R10, par les portes logiques de puissance U 1 A et U i B. Le courant qui circule dans ce circuit est alternatif et rectangulaire. Son amplitude est égale à celle du courant continu primaire à mesurer, au rapport de transformation n près. Elle est mesurée aux bornes de la résistance R10 par l'amplificateur différentiel U 3 B. Le générateur de tension alternative est constitué d'un circuit osciiiateur à ondes rectangulaires U 3 D et d'une bascule U 2 A diviseur par 2 qui alimente les portes de puissance U 1 A et U 1 B. Le principe du circuit décrit jusqu'ici est celui du circuit de KRAMER. Il ne délivre que la valeur absolue du courant à mesurer. Le signe du courant est établi par identification de celui des deux circuits magnétiques L 1, L 2 qui fonctionne dans le domaine de non-saturation. Pour cette identification, on exploite les données suivantes - le signe de la tension au point milieu K2 des bobinages secondaires par rapport à la tension moyenne à leurs bornes K1, K3. Ce signe est disponible en sortie 8 du comparateur U 3 C. - le signe de la tension alternative rectangulaire d'alimentation des enroulements secondaires. Il est établi par observation de l'état logique des sorties 12 et 13 des portes U 1 B et U 1 A. Chacune des quatre combinaisons de ces deux variables logiques définit de façon univoque lequel des deux circuits magnétiques est non saturé. Cette information est fournie par les deux signaux logiques complémentaires présents aux entrées 8 et 9 de la bascule U 2 B. Ils sont élaborés respectivement par les circuits logiques U 1 D, T 2 et U 1 C, T 1. Les temporisations unidirectionnelles R 21, D 6, C 5 et R 26, D il, C 7 permettent de neutraliser les périodes transitoires correspondant à l'inversion de la tension d'alimentation, pendant lesquelles les deux signaux, aux entrées 8 et 9 de la bascule U 2 B, sont simultanément à des niveaux logiques bas. Pendant ces périodes, le signe défini antérieurement est conservé par le signal présent en sortie 13 de la bascule U 2 B. Suivant l'état logique de ce signal, agissant par l'intermédiaire du transistor T 3, la mesure de courant, présente en sortie 7 de l'amplificateur U 3 B, se retrouve identique ou inversée en sortie 1 de l'amplificateur U 3 A. L'action de ces circuits a pour résultat que, lorsque L 1 est non saturé, le signe du courant tel qu'il est présent en 7 de U 3 B, est conservé en 1 de U 3 A et qu'il est au contraire inversé, lorsque c'est L 2 qui est non saturé. De ce redressement cohérent du courant alternatif délivré par le circuit de KRAMER, résulte la restitution du signe du courant primaire au signal de sortie, en i de U 3 A. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de courant continu bidirectionnel, à isolement galvanique et large bande passante, utilisant deux circuits magnétiques bobinés, de préférence identiques, à cycle d'hystérésis de préférence rectangulaire, dont les enroulements primaires (P1, P2)-, parcourus par le courant à mesurer, sont connectés en série et les enroulements secondaires,(L1, L2), alimentés par une tension alternative, sont connectés en opposition, de telle sorte qu'à chaque instant l'un au moins des deux circuits magnétiques travaille dans un état normal de non-saturation et que le courant secondaire alternatif ait une amplitude sensiblement égale à celle du courant primaire, au rapport de transformation près, conformément au montage de KRAMER, caractérisé en ce que la définition du signe du courant primaire est réalisée en affectant le courant alternatif secondaire du montage de KRAMER d'un coefficient multiplicateur + 1 ou - i en fonction de celui des deux circuits magnétiques qui se trouve en état de non saturation. 2. Dispositif suivant la renvendication 1 caractérisé en ce que l'identification de celui des deux circuits magnétiques en état de non-saturation est obtenue par comparaison des tensions aux bornes (K1, K3) de chacun des deux circuits secondaires et sélection de celui des deux circuits dont la tension est la plus grande en valeur absolue. 3. Dispositif suivant la revendication 2 où la comparaison en valeur absolue des tensions aux bornes des circuits secondaires est obtenue par combinaison logique du signe de la différence de potentiel entre le point commun (K 2) aux deux enroulements secondaires et le potentiel moyen aux bornes de l'ensemble de ces deux enroulements secondaires d'une part, et du signe de la tension aux bornes de l'ensemble de ces deux enroulements d'autre part. 4. Dispositif suivant la revendication 2 où la détermination du signe du courant primaire est neutralisée pendant des périodes où la tension d'alimentation alternative des circuits secondaires s'inverse et le signe utilisé durant ces périodes de neutralisation est celui déterminé immédiatement antérieurement et mémorisé.