Brevet FR2720835A1 — publié le 19951208

CIRCUIT DE NIESURE DE COURANT COMPRENANT UN TRANSFORMATEUR A INDUCTANCE MUTUELLE ET UN CIRCUIT INTEGRATEUR La présente invention concerne un circuit de mesure de courant comprenant un transformateur à inductance mutuelle et un circuit intégrateur qui intègre le signal du transformateur à inductance mutuelle. L'utilisation des transformateLurs à inductance mutuelle pour mesurer des courants possède certains avantages en comparaison avec d'autres dispositifs de mesure. En particulier, dans le domaine du comptage d'électricité, l'utilisation d'un transformnateurl- à inductance mutuelle évite des problèmes de saturlation par des courants continus qui se présentent avec des transformnateurs ayant un noyau de fer et facilite la mesure séparée du courant par rapport aux autres mesures, par exemple. la mesure du courant sur d'autres phases d'un réseau multiphasé. Cependant, des transformateurs à inductance posent un problème particulier en ce sens que le signal fourni par le transformateur est seulement une image de la dérive du courant mesuré. Ainsi, l'utilisation d'un transfo-rmateur- à inductance mutuelle nécessite un circuit d'intégration pour traiter le signal. Un circuit de mesure doté d'un transformateur à inductance mutuelle et un circuit intégrateur sont décrits dans la demande de brevet européen EP 0403330. Le circuit intégrateur de cette demande de brevet est en particulier apte à bloquer des signaux de basse fréquence et des signaux continus parasites qui peuvent se présenter à la sortie des circuits intégrateurs conventionnels. Il est fréquent que des signauLx représentant un courant de mesure soient convertis par un convertisseur analogique numérique pour être traités plus tard. Une technique connue pour améliorer la résolution d'un convertisseur analogique numérique utilise un signal de perturbation ajouté au signal mesuré avant la conversion par le convertisseur. Ce signal de perturbation, dit signal de "dither" en anglais, peut être un signal aléatoire ou un signal périodique, par exemple un signal triangulaire ou un signal ayant la forme d'une rampe. En utilisant cette technique la valeur du signal mesuré peut être déterminée par une analayse des valeurs converties du lo signal avec une résolution plus fine que celle qui est possible normalement avec les étapes de quantification du convertisseur disponible. Les principes de la technique dither sont connus depuis longtemps et des exemples des systèmes de mesure et communication qui utilisent un signal de perturbation pour améliorer la performance d'un convertisseur sont décrits dans les brevets US 4 187 466, EP 0 181 719 et la demande de brevet européenne 93400496.1. Le brevet EP 0 181 719 en particulier décrit les principes d'un système qui ajoute un signal de perturbation triangulaire au signal de courant avant conversion. Il est ainsi souhaitable d'avoir un système pour mesurer des courants qui combine les avantages associés avec un transformateur à inductance mutuelle avec ceux associés avec l'utilisation d'un signal de perturbation. La génération d'un signal de perturbation peut poser des problèmes cependant au niveau du coût des composants et la complexité du système qui le génère. La présente invention vise à fournir un système qui profite des avantages des deux 3 0 techniques mais qui évite des problèmes de complexité et la duplication des composants. A cette fin la présente invention est caractérisée en ce que le circuit de mesure comprend également un circuit de perturbation qui ajoute un signal sensiblement rectangulaire au signal du transformateur avant l'entrée du circuit intégrateur afin que le circuit intégrateur fournisse un signal représentant le courant mesuré perturbé par un signal de perturbation sensiblement triangulaire. En général, un signal carré n'est pas approprié comme un signal de perturbation mais il est facilement généré dans un circuit électrique, par exemple, à une sortie d'un microprocesseur. La présente invention fournit un circuit i o dans lequel est produit un signal de courant modulé par un signal de perturbation triangulaire et qui peut' être envoyé à un convertisseurl- analogique numérique, mais qui évite la duplication des composants du fait que le circuit intégrateur sert à intégrer le signal du transformateur à inductance mutuelle et également à créer le signal de perturbation. Comme on l'a décrit ci- desssius. la valeur du signal mesuré par le transformateur peut être alors calculée après conversion par des étapes de traitement du signal avec une résolution plus fine que la résolution possible avec le convertisseur analogique numérique seul. Le circuit intégrateur peut être réalisé par un intégrateur analogique ou numérique d'une construction conventionnelle. Cependant, de préférence, un circuit 2 5 semblable au circuit du bre' et EP 0403330 est utilisé, lequel comprend un amplificateur associé à une résistance de gain et une liaison de rétroaction, la liaison de rétroaction comprenant un condensateur de rétroaction, le circuit intégrateur comprenant également un deuxième condensateur monté à la solrtie de l'amplificateur, en amont de la liaison de rétroaction. Par ces moyens, le cilcuit intégrateur supprime des fréquences basses et des signaLIux parasites continus qui peuvent se présenter dans des circuits analogiques conventionnels. De préférence, le circuit intégrateur peut comprendre également des moyens pour corriger les déphasages dans le signal intégré, en particulier celui introduit par la résistance de gain de l'intégrateur, comprenant un filtre passif monté en amont de l'amplificateur. Dans le cas o le circuit de mesure de courant fait parti d'un circuit d'entrée d'un compteur d'énergie électrique, y compris un circuit de mesure de tension, le filtre passif peut être dimensionné afin que tous les i o déphasages entre la voie de tension et la voie de courant soient corrigés par ce filtre, la tension dans le réseau étant mesurée directement sans changer sa phase. Par ces moyens, la voie de tension est débarrassée des contraintes liées aux composants nécessaires pour la correction de phase, ce qui est avantageux lorsque la voie de tension est utilisée aussi pour communiquer des données. Comme on l'a discuté ci-dessus, un signal carré est facilement généré par un circuit électronique. Dans un mode de réalisation, le signal rectangulaire peut être généré en utilisant un signal de modulation de durée d'impulsion, dit signal PWM, d'une borne d'un microprocesseur qui transmet via des moyens de commutation comprenant au moins une bascule pour diviser la fréquence moyenne du signal PWM et pour créer le signal carré. L'utilisation d'un signal de perturbation ayant la forme d'un signal triangulaire simple peut causer des problèmes associés avec la relation entre l'amplitude du signal et les niveaux de quantification du convertisseur. En particulier, un problème se présente si l'amplitude du signal de perturbation n'est pas égale à un nombre intégral des étapes de quantification du convertisseur. Pour surmonter ces problèmes, le circuit de perturbation fournit de préférence un signal rectangulaire qui est également modulé par un signal de modulation. Ce signal est alors intégré pour devenir un signal triangulaire modulé. L'utilisation d'un signal ayant cette forme surmonte les s problèmes associés avec les différences entre l'amplitude du signal triangulaire non-modulé et les niveaux de quantification du convertisseur. Effectivement, le signal de modulation introduit une composante aux valeurs converties qui dépend de l'erreur dûe aux différences entre l'amplitude i o du signal triangulaire et les étapes de quantification du convertisseur et qui peut être supprimée après la conversion dans la même étape de traitement qui supprime le signal de perturbation, par exemple, en utilisant un filtre de décimation. De préférence, le signal de modulation est aussi généré en utilisant le signal PWM du microprocesseur. Dans un mode de réalisation, les deux limites du signal de modulation peuvent être générés en utilisant deux circuits intégrateurs qui intègrent le signal PWM (et son inverse) pour créer chaque limite. Cependant, il est possible de faire mieux en ce qui concerne le nombre de composants utilisés. De préférence, le circuit de perturbation comprend un intégrateur qui intègre un signal PWM pour créer un signal 2 5 triangulaire représentant une limite du signal de modulation, ce signal étant fourni aux moyens de commutation pour créer un signal sensiblement rectangulaire ayant une seule limite qui varie selon le signal de l'intégrateur, le circuit de perturbation comprenant également un filtre qui filtre des composantes de basse fréquence pour ainsi fournir un signal rectangulaire qui est modulé et symétrique. Si on considère le signal rectangulaire modulé avant l'étape du filtrage, ce signal comprend un composant de fréquence correspondant au fréquence du signal rectangulaire et un composant basse fréquence correspondant au signal triangulaire qui module une des deux limites du signal rectangulaire. Le filtre élimine alors des composants basses fréquences et le signal prend une forme symétrique, c'est-à- dire les deux limites du signal sont également modulées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple illustratif et non-limitatif et faisant l o référence aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 montre un exemple d'un circuit d'entrée pour un compteur d'électricité comprenant un circuit de mesure de courant selon la présente invention; La Figure 2 montre les étapes de création du signal de perturbation ajouté au signal de courant mesuré par le circuit de la Figure 1. Comme le montre la Figure 1, le circuit d'entrée pour le compteur d'énergie électrique selon ce mode de réalisation comprend un circuit de mesure de courant y compris un circuit de perturbation 1 et un circuit intégrateur 2, qui intègre le signal d'un transformateur à inductance 3 combiné avec le signal carré fourni par le circuit de perturbation, un circuit de mesure de tension 4 et un convertisseur analogique numérique 5. Le circuit de perturbation 1 comprend une bascule 6 qui reçoit le signal PWM d'un processeur associé avec ce circuit. La bascule divise la fréquence moyenne du signal PWM pour créer un signal carré. Le signal de modulation est produit par le commutateur 8 qui découpe la tension de référence Vref en réponse au signal PWM du microprocesseur, et produit ainsi, après filtrage par la résistance et le condensateur 9 et 11 et addition de la tension Vref par les résistances 9, 10, 12, le signal Vref modulé. Ce signal est modulé triangulairement à la fréquence de variation du rapport cyclique de PWM avec une profondeur de modulation qui dépend du rapport R12 R9+R10 Ce signal est alors coupé par le deuxième commutateur 7 en i o réponse au signal carré produit par le signal PWM passé par la bascule 6 pour fournir le signal asymétrique des carrés modulés. Le condensateur 13 égalise les temps de montée et de descente du signal de modulation. Comme la Figure 1 le montre ce signal, qui est modulé à sa limite supérieure, est traité par un symétriseur comprenant un condensateur 15, qui élimine les composantes basses fréquences qui dissymétrisent les carrés modulés pour fournir des carrés trapèzés, et des résistances 16, 17 et un condensateur 18 qui fonctionnent ensemble pour compenser la distortion des carrés trapèzés sortant du condensateur 15. En effet, le symétriseur composé des composantes 15-18 constitue un filtre passe-bande, encadrant la fréquence du signal carré et ses premières harmoniques et excluant les 2 5 fréquences qui distorent la forme symétrique du signal. En se référant à la Figure 2, un signal carré modulé et symétrisé est ainsi produit. Comme la Figure 1 le montre le circuit de mesure de courant comprend également un transformateur à inductance mutuelle 3, lequel signal est l'image de la dérivée du courant qui passe dans la phase F1 d'un réseau à courant alternatif. Ce signal est fourni au circuit intégrateur 2 et ensuite au convertisseur analogique numérique 5. Le circuit intégrateur 2 comprend un amplificateur 20 associé à une liaison de rétroaction, qui comprend un condensateur 21 et une résistance 22 qui contrôle l'intégration du signal du transformateur. Le circuit comprend également un condensateur de couplage 23 monté à la sortie de l'amplificateur en amont de la liaison de rétroaction, qui change les caractérlistiques du circuit pour supprimer des fréquences basses et signaux continus, et une résistance de limitation de gain 24 qui évite l'auto-saturation de l'amplificateur. Uln diviseuri de tension 24, 25 est monté à la t o sortie du circuit et en amont du circuit et du convertisseur 5. En effet, ces éléments du circuit correspondent au circuit décrit dans le brevet EP 0403330 qui fournit un signal correspondant à l'intégral du signal du transformateur sans les effets parasites et les distor-tions du signal. Le circuit de mesure de courIant fait partie d'un circuit d'entrée d'uLn compteur d'électricité qui également comprend un circuit de mesure de tension 4, comprenant un diviseur de tension constitué des deux résistances 26, 27. Le circuit 2o d'entrée selon le présent mode de réalisation est différent du circuit du brevet EP 0403330 en ce qu'il n'a aucun élément de correction de phase dans la voie de tension, le condensateur 28 ne servant qu'à atténuer les fréquences élevées indésirables. Or, les éléments de correction de phase sont constitués par le condensateur 29 et la résistance 30 qui fonctionnent en combinaison avec les résistances 22 et 31 pour corriger la phase de voie de courant afin que les voies de courant et tension soient en phase à l'entrée du convertisseur analogique numérique 5. La voie de courant comprend aussi un condensateur 32 qui atténue les fréquences élevées indésirables. Les condensateurs 28 et 32 sont optionnels et peu,,ent être omis dans d'autres modes de réalisation. Le signal du circuit de perturbation 1 est additionné au signal reçu du transformateur 3 et fourni au circuit intégrateur 2 au point 33. La combinaison des signaux est alors intégrée pour créer un signal représentant l'image du courant mesuré par le transformateur perturbé par un signal de perturbation ayant la forme de triangles modulés par le trapèze. Les amplitudes des carrés et du signal de modulation fournis à l'intégrateur sont choisis pour créer un signal de perturbation comprenant un signal triangulaire 30 i o ayant une amplitude correspondant à plusieurs étapes de quantification du convertisseur modulé à chaque borne par une amplitude correspondant au moins à la moitié d'une étape de quantification. Ce signal est alors fourni à l'entrée du convertisseur analogique numérique. Comme on l'a décrit dans l'introduction l'utilisation d'un signal ayant cette forme améliore la résolution du signal par le convertisseur. Après l'étape de conversion le signal de perturbation peut être enlevé en utilisant un filtre numérique à décimation ou d'autres moyens connus, par exemple, par la conversion à une valeur numérique du signal de perturbation et la soustraction de ce signal du signal représentant la combinaison des valeurs de courant et le signal de perturbation. Les signaux de courant et tension ainsi calculés peuvent être utilisés dans un calcul de l'énergie consommée etc. 1,. REVENDICATIONS 1 Circuit de mesure de courant comprenant un transformateur à inductance mutuelle et un circuit intégrateur qui intègre le signal du transformateur caractérisé en ce que le circuit de mesure comprend également Un circuit de perturbation qui ajoute un signal sensiblement rectangulaire au signal du transfo-rmateur avant l'entrée du circuit intégrateur afin l0 que le circuit intégrateur fournisse un signal représentant le courant mesuré perturbé par un signal de perturbation sensiblement triangulaire. 2. Circuit de mesure de cour-ant selon la revendication 1 dans lequel le circuit de perturbation fournit un signal rectangulaire modulé par un signal de modulation. 3. Circuit de mresure de CourLIant selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le signal sensiblement rectangulaire est généré par des 1monens de commutation comprenant au moins une bascule qui reçoit un signal de modulation de durée d'impulsion PW.N\I et qui divise la fréquence de ce signal pour créer unL signal rectangulaire. 4. Circuit de mesure de courant selon la revendication 3 dans lequel le circuit de perturbation comprend un intégrateur qui intègre un signal de modulation de durée d'impulsion PWNI pour créer un signal triangulaire représenltanlt une limite du signal de modulation, ce signal étant fourni aux moyens de comnmutation pour crIéer uni signal sensiblement rectangulaire ayant uine seule limite qui varie selon le signal de l'intégrateur. le circuit de perturbation comprellnanlt égalelmenlt liun filtre qui filtre les composants de basse t'lrCéquence pour fournir ainsi un signal de perturbation qui est modulé et symétrique. 5. Circuit de mesure de cou-rant selon l'une quelconque des revendications précédentes, le circuit intégrateur comprenant un amplificateur étant associé à une résistance de gain et une liaison de rétroaction, y compris un condensateur de rétroaction, le circuit intégrateur compr-enant également un deuxième condensateur monté à la soritie de l'amplificateur, en o amont de la liaison de létroaction. 6. Circuit de mesure de courant selon la revendication 5 comprenant égalemLent des moyens pour corriger les différences de phase entre le signal intégré et le signal reçu du transformateuLr constitués d'un filtre passif monté en amont de l'amnplificateur. 7. Circuit d'entrée d'un compteur d'énergie électrique comprenant uLn circuit de mesure de tension et un circuit de mesure de cou-ranlt selon la revendication 6, le filtre passif du circuit de mesur-e de courant compensant les différences de phase entre les voies de courant et tension pour que le circui de mesure de tension puisse mesurer la tension dans le réseau sans changer sa phase et sans éléments de compensation de phase.