Brevet FR2638235A1 — publié le 19900427

Procédé et dispositifs pour générer un courant alternatif secondaire dont l'intensité est proportionnelle à celle d'un courant primaire et compteurs équipés de ces dispositifs. DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procédé et des dispositifs pour générer dans un enroulement secondaire d'un transformateur un courant électrique alternatif, dont l'intensité est proportionnelle à celle du courant dans l'enroulement primaire dudit transformateur et des compteurs d'énergie électrique équipés de ces dispositifs. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils de mesure, des compteurs électriques et des asservissements électriques en courant alternatif. On se référera plus particulièrement ci-après aux transformateurs équipant les compteurs d'énergie électrique en précisant que cette application ntest pas limitative, et que le procéde et les dispositifs selon l'invention peuvent s'appliquer à tout transformateur de courant utilisé pour coupler un circuit primaire à un circuit secondaire comportant un appareil de mesure, un compteur ou un asservissement. La mesure de l'énergie électrique consommée ou la mesure de l'intensité d'un courant alternatif sont réalisées généralement en utilisant un transformateur de courant dont l'enroulement primaire est parcouru par le courant à mesurer et dont l'enroulement secondaire est connecté à l'appareil de mesure. Soit ni le nombre de tours de l'enroulement primaire du transformateur, I1 l'intensité instantanée du courant primaire, n2 le nombre de tours de l'enroulement secondaire et 12 l'intensité instantanée du courant secondaire. Les variations du flux magnétique qui circule dans le circuit magnétique induisent dans 1 'enroulement secondaire un courant qui tend à s'opposer à ces variations de flux. Lorsque le courant induit équilibre le courant inducteur on a la relation bien connue nl.I1 = n2.I2. Dans la pratique courant, on admet que cette relation théorique est toujours remplie, on mesure le courant I2 et on en déduit le courant I1 en multipliant I2 par le facteur constant n2. nl Pratiquement, l'impédance de l'appareil de mesure et de l'enroulement secondaire et les fuites de flux magnétique ne permettent pas d'obtenir l'annulation constante du flux magnétique et il y a un transfert d'énergie du primaire vers le secondaire qui perturbent le courant primaire d'où une première cause d'erreur de mesure. Les ampères-tours secondaires n'annulent pas exactement les amperes-tours primaires pour toutes les fréquences. Il existe des différences d'amplitude et de phase entre ces deux termes d'où création d'un flux magnétique résultant dans le circuit magnétique d'où une deuxieme cause d'erreur de mesure. La mesure du courant primaire sera d'autant moins -précise que l'on s'éloigne de la valeur nominale et que le rapport de transformation n2 sera plus faible. On a proposé différentes solutions pour améliorer les transformateurs de couplage afin d'augmenter la précision des mesures. On connait des transformateurs de couplage dans lesquels le circuit magnétique est interrompu par un entrefer dans lequel on place une cellule de Hall qui délivre une tension proportionnelle à l'intensité du champ magnétique résiduel. Le signal délivré par la cellule de hall sert à corriger le signal délivré par l'enroulement secondaire. Selon un mode de réalisation, le signal délivré par la cellule de Hall est amplifié et envoyé dans l'enroulement secondaire pour annuler le champ résiduel. Ces dispositifs connus nécessitent une cellule de Hall placée dans un entrefer, ce qui entraine inévitablement des pertes de flux magnétique et un prélèvement d'énergie sur le circuit primaire d'où des causes d'erreur de mesure. Un objectif de la présente invention est de procurer des moyens qui permettent d'éliminer les erreurs de mesure dues à l'application erronée de la formule ni. I1 = n2.I2, dans le cas où le courant I2 est induit par le courant Il, lesquels moyens sont conçus pour générer dans l'enroulement secondaire d'un transformateur un courant secondaire I'2 qui satisfait constamment la relation fondamentale nl.Il = n2.I'2 et qui permet donc de déduire Il de la mesure I'2 en utilisant un coefficient de proportionnalité constant n2 qui est exact quelle que soit la fréquence du courant alternatif. nl Un autre objectif de la présente invention est de procurer des moyens qui permettent d'engendrer dans l'enroulement secondaire d'un transformateur un courant dont l'intensité est constamment proportionnelle à celle du courant primaire à partir d'une source d'énergie indépendante du courant inducteur, de sorte qu'aucune énergie n'est prélevée sur le circuit primaire. Les objectifs de l'invention sont atteints par un procédé pour générer dans un enroulement secondaire d'un transformateur un courant alternatif dont l'intensité est proportionnelle à celle du courant qui circule dans l'enroulement primaire du transformateur, lequel procédé comporte les opérations suivantes : on place autour du circuit magnétique du transformateur un enroulement tertiaire que l'on connecte à un amplificateur opérationnel, ayant un gain élevé, lequel amplificateur débite dans l'enroulement secondaire du transformateur, de telle sorte que ledit amplificateur, ledit enroulement secondaire, ledit circuit magnétique et ledit enroulement tertiaire, constituent une boucle de contre-réaction qui maintient automatiquement un flux magnetique nul dans ledit circuit magnétique. Un dispositif selon l'invention pour générer dans l'enroulement secondaire d'un transformateur un courant alternatif dont l'intensité est proportionnelle à celle du courant qui circule dans l'enroulement primaire d'un transformateur comporte un enroulement tertiaire placé autour du circuit magnétique dudit transformateur, et un amplificateur opérationnel dont les bornes d'entree sont connectées audit enroulement tertiaire et dont la sortie est connectée audit enroulement secondaire, de telle sorte que l'apparition d'un champ dans le circuit magnétique fait varier automatiquement le courant dans l'enroulement secondaire, dans le sens qui annule ce champ. L'invention a pour résultat de nouveaux dispositifs de couplage entre deux circuits électriques et de nouveaux compteurs et appareils de mesure électrique qui sont équipés d'un etage d'entrée constitué par ces nouveaux dispositifs. Les dispositifs selon l'invention presentent la structure générale d'un transformateur comportant un circuit magnétique, un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Mais, à la différence des transformateurs, pratiquement aucun flux magnétique ne circule dans le circuit magnétique, car dès qu'un flux très faible apparait, il génère dans le circuit tertiaire un courant qui est très fortement amplifié et qui fait varier le courant dans le secondaire dans le sens qui annule aussitôt le flux magnétique. I1 en résulte que l'intensité du courant In2, qui circule dans l'enroulement secondaire est constamment rigoureusement proportionnelle à celle du courant Il dans l'enroulement primaire et ceci, dans une très grande plage de fréquences allant de quelques herz à plusieurs dizaines de kiloherz et dans une très grande plage de variations de l'amplitude du courant primaire pouvant atteindre 60 dB et même 80 dB pour des fortes intensites primaires égales ou supérieure à 50 A. Du fait que le flux magnétique est constamment très faible, on peut réduire considérablement la section du circuit magnétique et donc le diamètre des enroulements électriques, ce qui permet de construire des transformateurs de couplage de très faible poids et de très faible encombrement et d'incorporer ceux-ci dans des compteurs ou dans les appareils de mesure électroniques. Les transformateurs de couplage selon l'invention présentent l'avantage d'être pratiquement insensibles à la température dans la plage d'utilisation courante allant de - 3O0C à + 700C, puisque le courant secondaire est maintenu automatiquement proportionnel au courant primaire. Les dispositifs selon l'invention permettent de construire des appareils de mesure électriques ou des compteurs d'énergie ayant une très grande précision, sans mettre en oeuvre les solutions onéreuses, qui sont habituellement utilises pour atteindre des précisions de mesure supérieures à 0,5%. La description suivante se réfère aux dessins annexes qui représentent, sans aucun caractère limitatif. des exemples de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est un schéma d'un etage d'entrée selon l'invention d'un compteur d'énergie électrique ou d'un appareil de mesure électrique. La figure 3 est un schéma d'un étage d'entree d'un compteur qui est connecté directement par un tore ou par un circuit magnétique ouvrant à un cible de transfert d'energie, La figure 1 représente un circuit magnétique 1 qui est par exemple celui d'un transformateur de couplage entre un circuit 2 et un appareil 3 destiné à mesurer l'intensité du courant qui circule dans le circuit 2. Le repère 4 représente l'enroulement primaire du transformateur qui fait partie du circuit 2. Il est l'intensité instantanée du courant alternatif à mesurer qui circule dans le circuit 1. nl est le nombre de tours de l'enroulement primaire. Le repère 5 représente l'enroulement secondaire du transformateur ayant un nombre de tours n2. L'enroulement secondaire est connecté sur l'appareil de mesure 3 qui mesure le courant I2 qui circule dans l'enroulement secondaire Théoriquement, dans un transformateur parfait ni.Ii = n2.I2 donc la mesure de I2 permet de mesurer 11. L'ide de base de la présente invention est de générer dans l'enroulement secondaire un courant ayant une intensité I'2, qui suit automatiquement la relation nl.Il = n2.I'2 et de générer le courant I'2 au moyen d'un générateur de courant qui est alimenté pour l'essentiel par une source d'énergie externe autre que l'induction créée par le courant inducteur I1, ctest-å-dire par une source qui ne prélève pas son énergie sur le circuit primaire, de sorte que la mesure ne risque pas de perturber le courant à mesurer. Pour cela, on dispose autour du circuit magnétique 1 un troisième enroulement 6 dit enroulement tertiaire et on connecte cet enroulement tertiaire aux bornes d'entrée d'un amplificateur opérationnel 7 ayant un gain relevé, par exemple un gain de l'ordre de 1000. L'amplificateur 7 est alimenté par une source de courant continu branchée aux bornes d'alimentation 81 et 82. La sortie de l'amplificateur 7 est connectée sur une borne de l'enroulement secondaire 5, dont l'autre borne est connectée à l'appareil de mesure 3. Le fonctionnement est le suivant. Le courant I'2 qui circule dans l'enroulement secondaire crée dans le circuit magnétique 1 un flux qui doit rester constamment opposé au flux créé par l'enroulement primaire. Si cette condition est réalisée, aucun flux ne circule dans le circuit magnétique et la relation nl.Il = n2.I'2 est constamment remplie avec respect des amplitudes et des phases. On remarquera que compte tenu du gain important de l'amplificateur 7, le courant I'2 est généré presque entièrement par de l'énergie fournie par la source de courant continu qui alimente l'amplificateur 7. Si un flux magnétique apparait dans le circuit magnétique, c'est-8-dire si la relation nl.Il = n2.I'2 n'est plus exactement respectée, ce flux génère par induction un très faible courant dans 1' enroulement tertiaire, lequel est fortement amplifié par l'amplificateur 7 qui débite dans l'enroulement secondaire et qui fait varier l'intensité du courant dans l'enroulement secondaire dans le sens qui annule le flux magnétique, de sorte que la relation nl.Il = N2.I'2 est immédiatement et automatiquement rétablie. Le dispositif selon l'invention a donc pour effet de maintenir constamment le flux magnétique dans le circuit magnétique à une valeur quasi nulle. Le circuit composé de l'enroulement tertiaire 6, de l'amplificateur 7, de l'enroulement secondaire 5 et du circuit magnétique 1 constitue une boucle de contre-réaction qui tend automatiquement à maintenir le flux dans le circuit magnétique à une valeur nulle. Les conséquences et les avantages d'un dispositif selon l'invention sont les suivants. Aucun flux magnétique ne circulant dans le circuit magnétique, on peut donc diminuer considérablement la section de ce circuit d'où un gain très important de poids et d'encombrement. Le poids du transformateur peut être facilement divisé par dix. Les fils conducteurs qui constituent les enroulements ni et n2 entourent un circuit de section réduite et sont également allégés dans une grande proportion. L'enroulement tertiaire 6 peut être réalisé en un fil très fin puisque le courant qui y circule est toujours très faible gracie à la présence d'un amplificateur 7 à gain très élevé. La technologie électronique moderne permet de réaliser des amplificateurs très performants, 9 gain très élevé, ayant des encombrements très faibles, pour un coût très réduit. Aucun transfert d'énergie n'ayant lieu du primaire vers le secondaire, la fréquence de travail du transformateur peut varier sur une grand étendue. Aux basses fréquences. on ne risque pas d'atteindre la saturation du circuit magnétique puisque le flux magnétique est constamment nul. Un dispositif selon l'invention peut fonctionner avec une tres bonne précision entre quelques herz et plusieurs dizaines de kiloherz. Le champ magnétique dans le circuit magnétique restant toujours voisin de zéro, les coefficients de self induction sont très faibles, même aux fréquences élevées, ce qui évite les problèmes de temps de réponse. La dynamique de mesure, c'est-ê-dire l'étendue de l'échelle de mesure d'amplitude dans une classe de précision déterminée, est considérablement augmentée du fait que la relation ni.fl = n2.I'2 reste constamment vérifiée, alors que les transformateurs traditionnels ne sont lineaires que dans une plage d'intensité limitée. Une dynamique de 60 dB peut être obtenue sans difficulté et même de 80 dB pour les courant de forte intensité. Dans cette plage très étendue, le déphasage entre le courant primaire Il et le courant secondaire I'2 est toujours inférieure à lO' d'angle; L'erreur de linéarité est égale à celle de l'amplificateur et l'on sait réaliser couramment des amplificateurs dont l'erreur de linéarité est inférieure à .. 10-3. On peut réaliser des transformateurs ayant un rapport de transformation N = n2 allant de l'unité à plusieurs dizaines de nl mille, c'est-à-dire des transformateurs allant du simple transformateur d'isolement au transformateur associé à des appareils de mesure de grande précision dans le domaine du transport d'énergie. Du fait que le champ magnétique dans le circuit magnétique est constamment nul, ou presque nul, il est possible de placer l'amplificateur opérationnel très près du transformateur, de sorte que l'encombrement total est très réduit. De plus, un dispositif selon l'invention ne risque pas d'induire des courants parasites dans le voisinage puisque le champ magnétique est quasiment nul. Du fait que les courants primaire et secondaire sont constamment en phase, on peut utiliser un dispositif selon l'invention comme capteur de courant d'un appareil qui doit mesurer un produit instantané U.I, par exemple des watt mètres ou des compteurs d'énergie active et/ou réactive. Les pertes des transformateurs selon l'invention sont réduites, ce qui entraîne moins des risques d'échauffement des appareils de mesure ou des compteurs dans lesquels ils sont incorpores. Les transformateurs selon l'invention permettent de créer un courant secondaire dont l'intensité suit la valeur théorique avec une grande précision, ce qui permet de construire des appareils de mesure de très grande précision pour un prix de revient nettement moindre que celui des appareils de même précision connus à ce jour. Dans les transformateurs de courant traditionnels, la précision est fonction de la température de fonctionnement, qui fait varier la valeur de la résistance du bobinage secondaire. Les transformateurs selon l'invention sont insensibles à la température de fonctionnement puisque l'on maintient constamment le champ magnétique à une valeur aussi voisine de zéro que le permet le gain de la boucle de contre-reaction quelle que soit la température. La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un transformateur selon l'invention utilisé comme transformateur d'entrée d'un compteur d'énergie. Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères sur la figure i et 2. La seule différence est que l'ampèremètre 3 est remplacé par un compteur 9. Dans le cas d'un compteur d'énergie industriel qui doit être alimente en courant secondaire ayant une intensite maxima de 5 Ampères, les composants ont par exemple les valeurs numeriques ciaprès : nl = i, n2 = lOQO, n3 = 200, R1 = 1500# R2 = i,5 nu ~ gain G de l'amplificateur = 1000. Des essais ont été réalisés sur un prototype correspondant aux valeurs ci-dessus. Ces essais ont donné les résultats suivants Intensité I1 en Ampères Intensité I'2 en milliampères 10A 10,001 mA 5A 5000 mA 0,5A 0,500 mA 0,05A 0,050 mA 0,005A 0,005 mA. La bande passante de ce transformateur va de 1,5 Hz à20 KHz. La dérive due à une variation de température entre - 300C et + 70 C est inférieure à plus ou moins 0,15r: , lorsque le transformateur travaille à l'intensité nominale de 5 Amp. Un transformateur ayant les valeurs numériques ci-dessus peut être utilisé comme circuit d'entree du courant dans des compteurs industriels d'énergie active ou d'énergie réactive, comme circuit d'entree de wattmètres ou des Varmètres de mesure (Var = volt-ampères réactifs); comme circuits d'entrée des ampèremètres ou de tout autre appareil de mesure électrique, comme prise de mesure pour un asservissement d'onduleur. Le poids total d'un transformateur selon la figure 2 avec ses circuits électroniques de commande et leur alimentation est inférieure à 30 g alors qu'un transformateur traditionnel de classe 0,5 avec une dynamique de 30 dB seulement pese 220 grammes. Le dispositif selon la figure 2 peut être également utilisé comme étage d'entrée d'un compteur d'énergie domestique dans lequel le primaire du transformateur est pris sur la ligne de l'abonne et peut recevoir un courant de 50 Ampères. Dans ce cas les valeurs numériques des composants sont par exemple nl = 1, n2 = 2000, n3 = 200, R1 = 1500 Q R2 = 1,5 M#. , G = 1000. Des mesures effectuées sur un prototype construit avec ces valeurs numériques ont donné les résultats suivants Intensité I1 en ampères Intensité I2 en m.A. 100,000 49,999 Les figures 1 à 3 represen ten t schématiquement des enroulements secondaire 5 et tertiaire 6 qui sont éloignés pour la clarté du dessins. De préférence les enroulements 5 et 6 sont superposés, ce qui permet d'obtenir un temps de reponse de la boucle de contré-réaction plus court, donc une regulation plus précise du courant I'2. REVENDICATIONS 1. Procede pour générer dans un enroulement secondaire (5) d'un transformateur, un courant alternatif dont l'intensité est proportionnelle à celle du courant qui circule dans l'enroulement primaire (4) dudit transformateur, caractérisé en ce que l'on place autour dudit circuit magnétique (1) du transformateur, un enroulement tertiaire (6), que l'on connecte à un amplificateur opérationnel (7), ayant un gain élevé, lequel amplificateur debite dans itenroulement secondaire (5) du transformateur, de telle sorte que ledit amplificateur (7), ledit enroulement secondaire (5), ledit circuit magnétique (1) et ledit enroulement tertiaire (6), constituent une boucle de contre-reaction qui maintient automatiquement un flux magnétique nul dans ledit circuit magnétique. 2. Dispositif pour générer dans l'enroulement secondaire (5) d'un transformateur, un courant alternatif dont l'intensité est proportionnelle à celle du courant qui circule dans l'enroulement primaire (4) dudit transformateur, caracterisé en ce qu'il comporte un enroulement tertiaire (6), place autour du circuit magnétique (1) dudit transformateur, et un amplificateur opérationnel (7) dont les bornes d'entrée sont connectees audit enroulement tertiaire (6) et dont la sortie est connectée audit enroulement secondaire (5), de telle sorte que l'apparition d'un champ dans le circuit magnétique fait varier automatiquement le courant dans l'enroulement secondaire, dans le sens qui annule ce champ. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracterise en ce que lesdits enroulements secondaire (5) et tertiaire (6) sont superposés. 4. Compteur d'énergie électrique, caractérise en ce qu'il comporte un étage d'entrée constitué par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3.