Brevet FR2701591A1 — publié le 19940819

TRANSFORMATEUR DE COURANT NON BLINDÉ À COUPLAGE PAR DE L'AIR Domaine technique L'invention concerne d'une manière générale des transformateurs de courant et plus précis ément , des transformateurs de courant non blindés à couplage par de l'air présentant une structure nouvelle. Art antérieur Les transformateurs de courant à couplage par de l'air utilisés dans des instruments de mesure de courant électrique sont bien connus. Ils comprennent un enroulement primaire connecté en série à une ligne acheminant le courant à mesurer. La tension de sortie, qui est adaptée à l'instrument, est mesurée entre les bornes d'un enroulement secondaire à l'enroulement primaire par l'intermédiaire d'entrefers de grandes dimensions. Alors que la sortie d'un transformateur de courant classique est une tension mesurée aux bornes d'une résistance en série dans le circuit secondaire, qui est phase avec le courant de la ligne, la sortie d'un transformateur de courant à couplage par de l'air est une tension proportionnelle à la dérivée temporelle du courant de la ligne.Contrairement aux transformateurs de courant classiques, les transformateurs de courant à couplage par de l'air sont insensibles aux effets de saturation provoqués par la présence d'une composante continue de courant sur le secteur. On se référera à présent à la figure 1, dans laquelle un transformateur de courant à couplage par de l'air comprend un enroulement primaire 21 à une seule spire avec un bobinage secondaire concentrique 23. L'enroulement et le bobinage sont logés dans une boite magnétique à cinq faces 25, qui joue à la fois le rôle de blindage et de trajet pour le flux engendré par le courant du primaire. Des modifications ont été faites ultérieurement pour pouvoir loger des enroulements primaires doubles. Dans le cas du concept représenté dans la figure 2, un transformateur de courant à couplage par de l'air comprend deux enroulements primaires 31 et un bobinage secondaire 33 recouvert par une boite magnétique à quatre faces 35. L'immunité aux perturbations électromagnétiques externes est obtenue de la même manière pour ces deux concepts. La boite magnétique 25 ou 35, qui conduit le flux perturbateur autour du bobinage secondaire, constitue un blindage magnétique assurant une protection contre les perturbations électromagnétiques externes. Par conséquent, pour assurer une immunité vis-à-vis des perturbations électromagnétiques externes, les transformateurs à couplage par de l'air de l'art antérieur nécessitent un blindage magnétique constitué d'un alliage de nickel et de fer approprié tel que le CL-métal et requièrent des opérations de façonnage de métaux, comme un emboutissage profond ou une déformation, suivie d'une opération de recuit, par exemple d'un recuit à l'hydrogène sec. Par conséquent, il serait souhaitable de disposer d'un transformateur de courant à couplage par de l'air permettant d'atteindre une forte immunité vis-à-vis des perturbations électromagnétiques externes sans blindage magnétique. De plus, le facteur d'échelle reliant le courant d'entrée à la tension de sortie dépend de la taille de l'entrefer entre l'enroulement primaire et le bobinage secondaire. Du fait de la dilatation thermique de l'enroulement primaire et du bobinage secondaire, les variations de température conduisent à une variation de la taille de l'entrefer. Cela a pour conséquence que le facteur d'échelle dépend de la température. Par conséquent, il serait souhaitable de disposer d'un transformateur de courant à couplage par de l'air ayant un facteur d'échelle indépendant de la température. Description de l'invention Par conséquent, l'un des avantages de l'invention est de conférer à un transformateur de courant à couplage par de l'air une haute immunité vis-à-vis des perturbations électromagnétiques externes sans blindage magnétique. Un autre avantage de l'invention est de maintenir le facteur d'échelle d'un transformateur de courant à couplage par de l'air indépendant de la température. Un avantage supplémentaire de l'invention est de réduire le coût d'un transformateur de courant à couplage par de l'air. Les avantages de l'invention cités ci-dessus, ainsi que d'autres, sont atteints, du moins en partie, par un transformateur à couplage par de l'air comprenant un moyen à circuit primaire sensible à une ligne d'entrée fournissant un courant d'entrée, et un premier et un second moyens à circuits secondaires voisins du moyen à circuit primaire. Le premier moyen à circuit secondaire induit une première force électromotrice (fem) en réponse au courant d'entrée et une seconde fem en réponse à un flux magnétique perturbateur provenant d'une source externe. Le second moyen à circuit secondaire induit une troisième fem en réponse au courant d'entrée et une quatrième fem en réponse à un flux magnétique perturbateur provenant d'une source externe.Les premier et second moyens à circuits sont couplés de façon à élaborer un signal de sortie du transformateur correspondant à la somme de la première et de la seconde fem et à la différence entre la seconde et la quatrième fem. Un moyen de couplage magnétique est prévu pour maintenir un flux magnétique de couplage entre le moyen à circuit primaire et les premier et second moyens à circuits secondaires pour réduire la différence entre la seconde et la quatrième fem. Le moyen de couplage magnétique présente au moins une paire d'entrefers. Conformément à l'un des aspects de l'invention, le moyen de couplage magnétique comprend au moins une paire de pièces ferromagnétiques. Les premier et second moyens à circuits secondaires sont interposés entre la paire de pièces ferromagnétiques. Selon un autre aspect de l'invention, une ou plusieurs pièces d'écartement constituées d'un matériau à faible coefficient de dilatation thermique sont insérées dans les entrefers, ou des pièces d'écartement peuvent être réalisées sous la forme d'une seule unité, pour maintenir le facteur d'échelle du transformateur constant en fonction de la température. Chacun des premier et second moyens à circuits secondaires comprend un bobinage, et chacune des pièces d'écartement comprend une pièce d'écartement constituée d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique suffisamment faible, par exemple une pièce d'écartement céramique insérée dans le bobinage. Chacune des pièces ferromagnétiques comprend une plaque ayant une surface intérieure plane qui est fixée de façon rigide aux pièces d'écartement céramiques pour maintenir fixes les entrefers. Conformément à un aspect supplémentaire de l'invention, le moyen à circuit primaire comprend un conducteur de courant interposé entre les pièces ferromagnétiques et les bobinages, pouvant passer par une fenêtre formée par les pièces ferromagnétiques et les bobinages secondaires, et de façon à être mobile par rapport aux pièces ferromagnétiques et aux bobinages. D'autres avantages de la présente invention apparaîtront clairement aux spécialistes de cette technique à la lecture de la description détaillée présentée ci-dessous, dans laquelle on n'a représenté qu'un seul mode de réalisation préféré de l'invention, à seul titre d'illustration du meilleur mode de mise en oeuvre de l'invention. On notera que l'invention est susceptible d'autres formes de réalisation, et les différents détails présentés sont susceptibles d'être modifiés de diverses manières évidentes, tout en respectant le cadre de l'invention. Par conséquent, le dessin et la description doivent être considérés comme étant fournis à titre non limitatif d'illustration. Brève description des dessins La figure 1 est un diagramme représentant un transformateur de courant à couplage par de l'air de l'art antérieur muni d'un blindage à cinq faces. La figure 2 est un diagramme représentant un transformateur de courant à couplage par de l'air de l'art antérieur ayant des primaires doubles et un blindage à quatre faces. La figure 3 est une vue éclatée représentant les composants d'un transformateur de courant à couplage par de l'air d'un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 4 est un diagramme représentant le transformateur de courant à couplage par de l'air sous la forme d'un assemblage conforme au mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 5 est un diagramme schématique du transformateur de courant à couplage par de l'air muni à sa sortie d'un intégrateur différentiel. La figure 6 est un diagramme représentant la configuration du transformateur à couplage par de l'air dans une base d'appareil de mesure polyphasé. Les figures 7(a) et 7(b) représentent des bobinages secondaires disposés de façon à répondre de manière additive à un flux induit par un courant d'entrée et soustractive à un flux perturbateur provenant d'une source externe. Meilleur mode de mise en oeuvre de l'invention On se référera à présent à la figure 3 des dessins représentant des composants d'un transformateur de courant à couplage par de l'air conforme au mode de réalisation préféré de la présente invention, celui-ci comprenant un conducteur de courant 41 jouant le rôle de primaire et une paire de bobinages secondaires rectangulaires 43 et 45 entourant le conducteur 41. Les bobinages 43 et 45 sont symétriques par rapport au conducteur 41. Un courant d'entrée à mesurer circule dans le conducteur 41. Le courant d'entrée induit dans les bobinages secondaires des forces électromotrices correspondantes (fem), qui provoquent l'apparition d'une tension de sortie du transformateur aux bornes des bobinages. En l'absence d'un blindage magnétique, un flux magnétique perturbateur provenant d'une source externe (non représentée) passe librement à travers les bobinages secondaires. Pour assurer une protection contre le flux perturbateur externe, le sens de l'enroulement des deux bobinages secondaires est tel que la fem induite dans chaque bobinage par le flux perturbateur est soustractive, alors que la fem induite par le courant d'entrée est additive , comme le montrent symboliquement les figures 7(a) et 7(b). Si la densité de flux due à la source externe est spatialement uniforme, la fem induite par le flux perturbateur sera commune aux deux bobinages et sera rejetée. Cependant, si la densité de flux n'est pas spatialement uniforme, des gradients de flux se produiront le long des axes du transformateur. Comme les bobinages sont symétriques par rapport au conducteur, le transformateur est sensible au gradient de flux le long de l'un de ses trois axes. La direction de l'axe sensible est indiquée dans la figure 4, qui représente le transformateur de courant à air à l'état assemblé. Le gradient de flux le long de l'axe sensible provoque l'apparition d'un signal d'erreur aux bornes des bobinages secondaires. Le signal d'erreur est proportionnel à la différence de densité de flux moyen traversant chaque bobinage. Conformément au mode de réalisation préféré de la présente invention, pour réduire le gradient de flux observé par les bobinages secondaires, des noyaux magnétiques 47 et 49 (figure 3) sont prévus de façon à couvrir les bobinages secondaires sur leurs deux côtés. Comme ces noyaux sont d'excellents conducteurs magnétiques, ils tendent à homogénéiser ou réduire la pente du gradient de flux dans l'espace les séparant. Le mode de réalisation préféré de l'invention utilise des plaques ferromagnétiques rectangulaires d'une épaisseur de 0,157 cm comme noyaux 47 et 49. Ces plaques réduisent la sensibilité au gradient de flux d'un facteur 10. Plus précisément, sans les noyaux magnétiques, la tension de sortie provoquée par un gradient de flux le long de l'axe sensible serait dix fois plus élevée. De plus, la présence des noyaux magnétiques confère une immunité aux effets défavorables du matériau ferromagnétique lorsqu'il est situé au voisinage du transformateur. Dans un transformateur de courant entièrement couplé par de l'air, dans lequel le flux, qui couple le primaire au secondaire, passe entièrement à travers l'air, il existe une sensibilité à la présence d'un matériau ferromagnétique voisin. Comme le flux de couplage n'est pas spatialement confiné, comme cela serait le cas d'un transformateur à noyau de fer, un matériau magnétique situé à proximité peut altérer les caractéristiques du trajet de couplage par le flux. Par conséquent, le coefficient de couplage peut être modifié et avec lui, le facteur d'échelle du transformateur.Du fait de l'introduction des deux noyaux magnétiques rectangulaires 47, 49, qui font partie du circuit de couplage magnétique, le flux est confiné à une région de petite dimension. Le matériau magnétique se trouvant à proximité n'a aucun effet sur le coefficient de couplage. Pour la fabrication des noyaux magnétiques, on utilise un matériau ferromagnétique, comprenant de préférence un alliage contenant 80% de nickel. Les 20% restants de Alliage de nickel du mode de réalisation préféré, comprennent environ 17% de fer et 3% de molybdène, bien qu'une petite variation de cette proportion de 20% de l'alliage soit tolérable. Cependant, comme les noyaux magnétiques sont beaucoup plus petits que le blindage, une quantité de matériau très inférieure est nécessaire. De plus, contrairement au blindage, la fabrication des noyaux magnétiques 47, 49 consiste en une seule opération d'estampage, suivie d'un recuit facultatif à lthydrogène, qui optimise les propriétés magnétiques du matériau. Par conséquent, le coût du transformateur de l'invention est notablement inférieur à celui des dispositifs de l'art antérieur. Conformément au mode de réalisation préféré de l'invention, le flux magnétique qui passe à travers les bobinages secondaires, circule autour du trajet magnétique qui comprend deux noyaux magnétiques 47 et 49 et deux entrefers 44 et 46 contenant les bobinages secondaires 43 et 45. Le facteur d'échelle du transformateur à couplage par de l'air, qui relie le courant d'entrée à la tension de sortie, dépend de la longueur L (figure 3) de chaque entrefer 44, 46 se trouvant dans le trajet magnétique. Pour maintenir fixe la longueur de l'entrefer, des pièces d'écartement céramiques sont utilisées pour ajuster les entrefers. Comme le montre la figure 3, les pièces d'écartement céramiques 51 et 53 sont respectivement insérées dans les bobinages secondaires 43 et 45. Les noyaux magnétiques rectangulaires 47 et 49 sont fixés de façon rigide aux pièces d'écartement par des boulons 55 et des écrous 57. Les pièces d'écartement 51 et 53 sont faites d'oxyde d'aluminium, qui présente un très faible coefficient de dilatation thermique (6 Fm/m/ C). Comme la gamme normalisée de températures ambiantes de travail pour les appareils de mesure est aux Etats-Unis de -400C à +850C, la variation du facteur d'échelle dans cette gamme de températures est inférieure à + 0,04%. Les effets de chauffage dus aux pertes ohmiques dans le conducteur de courant, généralement constitué de cuivre, sont en outre notables. La quantité de chaleur transférée par conduction du conducteur vers le reste du transformateur de courant est proportionnelle à l'aire physique de l'interface. Dans le cas des concepts de l'art antérieur (figures 1 et 2), l'aire de l'interface était celle d'une spire complète. Dans le mode de réalisation préféré, où le primaire passe directement à travers l'interface, l'aire de cette dernière est réduite d'un facteur 5. Par conséquent, les effets de chauffage dus au courant primaire sont atténués. On se référera à présent à la figure 5, dans laquelle le diagramme schématique du transformateur de courant à couplage par de l'air représente le conducteur de courant 41 connecté en série à une ligne acheminant un courant d'entrée à mesurer. Les bobinages secondaires 43 et 45 sont représentés par des inducteurs connectés différentiellement. L'un des avantages des bobinages secondaires doubles utilisés de façon différentielle, est leur aptitude intrinsèque à rejeter les signaux électrostatiques qui sont couplés de façon capacitive entre le primaire et le secondaire. Ces signaux sont communs aux deux bobinages et sont rejetés. Cela élimine la nécessité d'un blindage électrostatique. Les sorties des bobinages secondaires sont des tensions en quadrature de phase avec le courant d'entrée. Pour élaborer la tension en phase avec le courant d'entrée, les sorties des bobinages secondaires sont connectées aux entrées de l'intégrateur différentiel 61, qui comprend un premier amplificateur opérationnel 63 dont les entrées sont connectées aux bobinages secondaires 43 et 45 par l'intermédiaire de résistances 65 et 67. Un circuit RC parallèle comprenant un condensateur 69 et une résistance 71 est prévu dans la boucle de contre-réaction de l'amplificateur 63. Un circuit RC parallèle constitué d'un condensateur 73 et d'une résistance 75 est connecté entre la masse et l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 63. Un second amplificateur opérationnel 77 a sont entrée inverseuse connectée à la sortie de l'amplificateur 63, par l'intermédiaire d'une résistance 79.Une boucle de contre-réaction de l'amplificateur 77 comprend une résistance 81 connectée en parallèle avec un circuit RC série constitué d'une résistance 83 et d'un condensateur 85. L'intégrateur différentiel 61 produit un déphasage de 900. Sa sortie est la tension en phase avec le courant à mesurer. On se référera à présent à la figure 6, qui représente la configuration générale des transformateurs de courant à couplage par de l'air 91, 93, et 95 utilisés sur chacune des trois phases, dans le cas d'un dispositif de mesure polyphasé. Dans un dispositif de mesure polyphasé, les perturbations externes affectant le transformateur à couplage par de l'air sont principalement dues au fait qu'un courant passe dans les primaires des transformateurs des autres phases. Les autres types de perturbations externes sont généralement soit trop éloignées pour poser un problème, soit non synchrones avec la tension de ligne et par conséquent, ne provoquent pas d'erreur de mesure. La non uniformité de la densité de flux due au courant des autres phases est connue et peut être ajustée par orientation des enroulements primaires. Comme le transformateur à couplage par de l'air de l'invention n'est sensible qu'à un gradient de densité de flux le long d'un axe, il peut être orienté de manière à ce que les gradients de densité de flux dus à des courants circulant dans les autres phases, soient orientés le long d'axes insensibles. Un exemple de cette orientation est représenté dans la figure 6, dans laquelle chacun des transformateurs à couplage par de l'air 91, 93 et 95 est orienté de façon à faire circuler un courant dans les primaires des transformateurs voisins dirigés suivant l'axe insensible. On a donc décrit un transformateur de courant à couplage par de l'air non blindé, qui comporte un circuit magnétique présentant des entrefers de grande dimension pour coupler magnétiquement un primaire à deux enroulements secondaires. Le sens d'enroulement des deux bobinages secondaires est tel que la fem induite dans chaque bobinage par un flux magnétique perturbateur externe est soustractive, alors que la fem induite par le courant circulant dans le primaire est additive. Le circuit magnétique, qui comporte deux noyaux ferromagnétiques, accentue la réjection de la fem induite par le flux perturbateur. Par conséquent, on peut conférer à un transformateur de courant à couplage par de l'air une forte immunité à des perturbations électromagnétiques externes sans blindage magnétique. Comme le facteur d'échelle d'un transformateur de courant à couplage par de l'air dépend de la longueur des entrefers dans le circuit magnétique, celle-ci variant avec la température, deux pièces d'écartement céramiques insérées dans les entrefers sont utilisées pour maintenir la longueur d'entrefer à une valeur fixe. Par conséquent, le facteur d'échelle d'un transformateur de courant à couplage par de l'air est maintenu indépendant de la température. Dans le présent fascicule, on n'a représenté et décrit que le mode de réalisation préféré de l'invention, mais il est clair que l'invention peut être modifiée tout en respectant le nouveau concept décrit ici. A titre d'exemple, bien que les pièces d'écartement 51 et 53 soient décrites comme étant constituées de céramique, d'autres matériaux à faible coefficient de dilatation thermique ou une combinaison de matériaux ayant un coefficient de dilatation thermique net de faible valeur, peuvent être utilisés. REVENDICATIONS 1. Appareil pour transformer un courant d'entrée circulant dans une ligne d'entrée en un signal de sortie, comprenant: un moyen à circuit primaire sensible à ladite ligne d'entrée fournissant le courant d'entrée, un premier moyen à circuit secondaire voisin dudit moyen à circuit primaire pour induire une première force électromotrice (fem) en réponse au courant d'entrée et pour induire une seconde fem en réponse à un flux magnétique perturbateur externe, un second moyen à circuit secondaire voisin dudit premier moyen à circuit primaire pour induire une troisième fem en réponse au courant d'entrée et pour induire une quatrième fem en réponse au flux magnétique perturbateur externe, lesdits premier et second moyens à circuits secondaires étant couplés de façon à former un signal de sortie correspondant à la somme de la première et de la seconde fem et à la différence entre la seconde et la quatrième fem, et un moyen de couplage magnétique pour produire un flux magnétique de couplage entre ledit moyen à circuit primaire et lesdits premier et second moyens à circuits secondaires afin de minimiser la différence entre la seconde et la quatrième fem, ledit moyen de couplage magnétique ayant au moins une paire d'entrefers. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen de couplage magnétique comprend au moins une paire de pièces ferromagnétiques, les entrefers étant situés entre lesdites pièces ferromagnétiques. 3. Appareil selon la revendication 2, dans lequel lesdits premier et second moyens à circuits secondaires sont interposés entre lesdites deux pièces ferromagnétiques. 4. Appareil selon la revendication 3, dans lequel au moins une paire de pièces d'écartement faites d'un matériau à faible coefficient de dilatation thermique se situe à l'intérieur des entrefers. 5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel chacun desdits premier et second moyens à circuits secondaires comprend un bobinage, et chacune desdites pièces d'écartement comprend une pièce d'écartement céramique à l'intérieur dudit bobinage. 6. Appareil selon la revendication 5, dans lequel chacune des dites pièces ferromagnétiques comprend une plaque rectangulaire fixée de façon rigide à ladite pièce d'écartement céramique. 7. Appareil selon la revendication 6, dans lequel ledit moyen à circuit primaire comprend un conducteur de courant interposé entre lesdites pièces ferromagnétiques et lesdits bobinages de façon à ce qu'il soit perpendiculaire à une fenêtre formée par lesdites pièces ferromagnétiques et lesdits bobinages. 8. Transformateur à couplage par de l'air pour transformer un courant d'entrée circulant dans une ligne d'entrée en un signal de sortie, comprenant: un circuit primaire couplé à ladite ligne d'entrée pour fournir le courant d'entrée, un premier circuit secondaire voisin dudit circuit primaire, un second circuit secondaire voisin dudit circuit primaire, lesdits premier et second circuits secondaires étant couplés de façon à former le signal de sortie en réponse au courant d'entrée et à réduire un flux magnétique perturbateur provenant d'une source externe, et un circuit magnétique couplant magnétiquement ledit circuit primaire et lesdits premier et second circuits secondaires pour réduire encore davantage le flux magnétique perturbateur, ledit circuit magnétique ayant au moins une paire d'entrefers. 9. Transformateur à couplage par de l'air selon la revendication 8, dans lequel ledit circuit magnétique comprend au moins une paire de pièces ferromagnétiques, les entrefers étant situés entre lesdites pièces ferromagnétiques. 10. Transformateur à couplage par de l'air selon la revendication 9, dans lequel lesdits premier et second circuits secondaires sont interposés entre lesdites deux pièces ferromagnétiques. 11. Transformateur à couplage par de l'air selon la revendication 10, dans lequel au moins une paire de pièces d'écartement faites d'un matériau à faible coefficient de dilatation thermique se situe à l'intérieur desdits entrefers. 12. Transformateur à couplage par de l'air selon la revendication 11, dans lequel chacun desdits premier et second circuits secondaires comprend un bobinage, et chacune desdites pièces d'écartement comprend une pièce d'écartement céramique à l'intérieur dudit bobinage. 13. Transformateur à couplage par de l'air selon la revendication 12, dans lequel chacune desdites pièces ferromagnétiques comprend une plaque rectangulaire fixée de façon rigide à ladite pièce d'écartement céramique. 14. Transformateur à couplage par de l'air selon la revendication 13, dans lequel ledit circuit primaire comprend un conducteur de courant interposé entre lesdites pièces ferromagnétiques et lesdits bobinages de façon à ce qu'il soit perpendiculaire à une fenêtre formée par lesdites pièces ferromagnétiques et les bobinages. 15. Transformateur à couplage par de l'air pour transformer un courant d'entrée circulant dans une ligne d'entrée en un signal de sortie, comprenant: un circuit primaire couplé à ladite ligne d'entrée pour fournir le courant d'entrée, un premier circuit secondaire voisin dudit circuit primaire, un second circuit secondaire voisin dudit circuit primaire, lesdits premier et second circuits secondaires étant couplés de façon à former un signal de sortie en réponse au courant d'entrée et à réduire un flux magnétique perturbateur provenant d'une source externe, un circuit magnétique couplant magnétiquement ledit circuit primaire et lesdits premier et second circuits secondaires pour réduire encore davantage le flux magnétique perturbateur, ledit circuit magnétique ayant au moins une paire d'entrefers comportant au moins une paire de pièces d'écartement céramiques insérées dans lesdits entrefers pour rendre le facteur d'échelle dudit transformateur indépendant de la température.