Brevet FR2764707A1 — publié le 19981218

TRANSFORMATEUR DE MESURE La présente invention est relative à un transformateur de mesure apte à mesurer un courant indépendamment ou en combinaison avec un autre courant ou une tension et comprenant un circuit magnétique constitué d'un tore métallique et possédant au moins un entrefer pour recevoir un détecteur de champ magnétique. Les dispositifs de ce genre sont bien connus, par exemple, dans le domaine du comptage pour obtenir une mesure du courant ou même de la puissance totale consommée par un utilisateur. Un premier conducteur est disposé pour induire un champ magnétique dans le tore. La valeur du champ magnétique dans l'entrefer est mesurée par une cellule à effet Hall afin de fournir une mesure de courant au conducteur. Dans le cas où le courant d'alimentation de la cellule est lié à la valeur de la tension du réseau, la mesure fournie par la cellule sera directement proportionnelle à la valeur du courant multiplié par la tension, c'est-à-dire, la puissance. Une mesure de la différence entre deux courants peut être également obtenue par la provision d'un deuxième conducteur apte à induire un flux magnétique dans le sens opposé au flux induit par le premier conducteur. Le signal à la sortie de la cellule hall sera dépendant de la somme algébrique des deux flux induits dans le circuit magnétique, c'est-à-dire, de la différence entre les deux courants dans le premier et deuxième conducteur. Une mesure du courant différentiel peut être exigée, par exemple, dans le cas d'un compteur d'électricité apte à fonctionner selon les normes américaines. Les performances d'un tel transformateur dépend de la performance du tore magnétique utilisé dans le transformateur et notamment sa résistance à saturation et la linéarité de sa réponse dans la zone de mesure. Plus précisément, il faut réduire la non-linéarité du dispositif à un bas niveau de courant en évitant la saturation du circuit magnétique aux courants plus élevés. Or, il est souvent très difficile de satisfaire ces deux exigences à la fois, puisqu'un matériau possédant une bonne linéarité à des courants bas est en général un matériau avec une perméabilité initiale élevée et qui sature rapidement à des courants forts. Par contre, des matériaux possédants une bonne résistance à saturation sont normalement caractérisés par une perméabilité initiale faible et une non-linéarité à des courants bas. Des matériaux qui ont les deux caractéristiques d'une bonne linéarité et d'une bonne résistance à saturation sont connus, mais sont relativement chers. Ainsi, l'un des objets de la présente invention est de surmonter les problèmes associés aux transformateurs de mesure connus sans la nécessité d'utiliser des matériaux chers dans le tore. La présente invention est caractérisée en ce que le tore métallique est constitué de plusieurs tôles empilées pour former une structure feuilletée, au minimum une tôle de la stucture étant composée d'un premier matériau possédant une perméabilité initiale relativement élevée et une bonne linéarité à des courants bas, et au minimum une tôle composée d'un deuxième matériau possédant une perméabilité initiale relativement basse et une bonne résistance à saturation à des courants forts. Dans le cas d'un courant bas, la plupart du flux magnétique circulera dans les tôles du premier matériau, c'est à dire les tôles possédant une perméabilité initiale relativement élevée, et une réponse linéaire du dispositif sera obtenue. Le problème de saturation dans les tôles de ce matériau est également évité par la présence des tôles ayant une perméabilité élevée, qui seront toujours conductrices de flux même en présence d'un courant très fort. De préférence, les deux tôles qui définissent les deux faces extérieures du tore sont composées d'un matériau possédant une perméabilité initiale qui est relativement basse et une bonne résistance à saturation. A cause de la position des faces extérieures aux limites de la structure et leur contact avec le médium de l'air, le champ magnétique induit par le courant est normalement plus élevé dans ces tôles en comparaison avec le champ magnétique à l'intérieur du tore. L'utilisation d'un matériau ayant un champ de saturation élévé aux endroits où le champ magnétique est le plus fort permet ainsi à la structure d'être plus résistante aux risques de saturation dûs au champ magnétique induit par le conducteur. De plus, un effet de blindage est obtenu dans cette configuration, car les deux tôles définissant les faces externes de la structure protègent l'intérieur de la structure à l'encontre des effets des champs magnétiques extérieurs. Les tôles magnétiques disposées à l'intérieur du tore peuvent êtres déposées de plusieurs façons entre les deux faces externes. Par exemple, l'intérieur du tore peut être constitué exclusivement de tôles composées du premier matériau, c'est-à-dire, un matériau avec une perméabilité élevée. D'autres variantes, utilisant des tôles du premier et du deuxième type empilées dans un ordre irrégulier dans la structure sont également possible. Cependant, selon un mode de réalisation préférentiel, l'intérieur du tore entre les deux tôles externes est constitué de tôles du premier et du deuxième matériau disposées en alternance, c'est-à-dire, de façon qu'une tôle du premier matériau soit suivie par une tôle du deuxième matériau. Cette organisation de tôles à l'intérieur du tore assure une uniformité du champ magnétique à travers l'entrefer et facilite le positionnement du détecteur de champ magnétique dans l'entrefer. De préférence, l'intégralité du tore, y compris les deux tôles externes, est constitué des tôles du premier et du deuxième matériau disposées en alternance. Dans ce cas, les deux tôles externes pourront être constituées du deuxième matériau. D'autres réalisations sont possibles, par exemple, dans lesquelles les deux tôles externes sont formées d'un troisième matériau possédant aussi une forte induction à saturation ou des réalisations où l'une des tôles externes est voisine avec une tôle du même matériau à l'intérieur du tore etc. Selon un mode de réalisation, le tore du transformateur prend la forme d'un "C", l'entrefer pour le détecteur de champ magnétique étant constitué par l'espace entre les deux bras du "C". Dans ce mode de réalisation, le conducteur portant le courant à mesurer passe par l'aperture centrale du "C" pour indure un flux magnétique circulaire dans le tore. Selon un autre mode de réalisation, le tore du transformateur de mesure prend la forme d'un huit, l'entrefer pour le détecteur de champ magnétique étant positionné dans la barre centrale du huit. Dans ce mode de réalisation le conducteur portant le courant à mesurer passe par une aperture dans le huit et repasse dans l'autre direction via l'autre aperture pour induire des flux magnétiques complémentaires dans chaque boucle du huit pour augmenter la puissance du champ magnétique dans l'entrefer. Dans ce document. les termes "une perméabilité initiale relativement élevée" et "une perméabilité initiale relativement basse" par rapport au premier et au deuxième matériau signifient que le premier matériau a une perméabilité initiale plus grande relative à celle du deuxième matériau. Pour une géométrie de tore normal, une valeur de perméabilité initiale de plus de 30000 pour le premier matériau et de moins de 15000 pour le deuxième matériau sont des valeurs acceptables. Selon un mode de réalisation, le premier matériau est un alliage Fer Nickel composé de 80 % de Nickel. Selon un autre mode de réalisation, le deuxième matériau est un alliage Fer-Nickel composé de 50 % de Nickel. La présente invention concerne également un transformateur de mesure comme il est décrit ci-dessus comprenant une cellule à effet Hall comme détecteur de champ magnétique et un compteur d'électricité muni d'un tel transformateur de mesure. D'autres caractéristiques, avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lumière de la description suivante des exemples de mise en oeuvre illustrés dans les dessins annexés, dont: Fig. 1 est un compteur d'électricité muni d'un transformateur de mesure y compris un tore et une cellule à effet Hall; Fig. 2 montre la variation de la perméabilité d'un matériau ferromagnétique avec le champ magnétique et la saturation du matériau à des champs magnétiques forts; Fig. 3 montre la performance des deux matériaux ayant des valeurs de perméabilité différentes en réponse à une gamme de courants Fig. 4 montre un tore pour un transformateur selon un mode de réalisation de l'invention; Fig. 5 montre une variation du tore de la Fig. 4. La figure 1 montre de façon schématique les éléments d'un compteur d'électricité pourvu d'un transformateur de mesure 1, comprenant un circuit magnétique défini par un tore 2 et un entrefer 3 et muni d'un capteur à effet Hall pour mesurer le champ magnétique dans l'entrefer 3. Un conducteur 5, dans lequel circule le courant I pris par le consommateur passe par l'aperture 6 dans le centre du tore. Le capteur à effet hall est alimenté par un courant représentatif de la tension V sur le réseau, et le signal VH sortie du capteur à effet sera proportionnel au courant I multiplié par la tension V, c'est-à-dire, à la puissance consommée. La connexion du capteur à effet Hall dans le circuit électronique n'est pas montrée, mais est parfaitement standard. Le signal de sortie VH du capteur 4 est traité par un convertisseur analogique-numérique 7 et un microprocesseur 8 pour calculer la puissance. Cette valeur est affichée par un LCD ou d'autres moyens d'affichage 9. Des compteurs du type décrit ci-dessous sont bien connus dans le domaine du comptage et une description plus détaillée d'un tel compteur ne devrait pas être nécessaire. Comme il sera compris, la précision d'un compteur de ce type sera fortement dépendante des caractéristiques du transformateur de mesure, notamment la linéarité de sa réponse à une gamme de courants. Le comportement du tore à cet égard est critique à la performance globale du transformateur. En général, le tore d'un transformateur est composé d'un matériau ferromagnétique, par exemple un alliage Fer-Nickel. La Fig. 3 représente la variation de la perméabilité Str en fonction de l'induction magnétique B pour un matériau ayant une forte perméabilité initiale. A un faible niveau d'excitation la perméabilité du matériau croit d'une valeur, appelée la perméabilité initiale Pin, jusqu'à une valeur appelée la perméabilité maximale ou Pmax. A un très fort niveau d'excitation, le matériau magnétique sature, l'induction magnétique ne croît plus en fonction de l'excitation et la perméabilité décroit très rapidement pour converger vers la valeur limite de perméabilité de l'air. Quand le matériau est complètement saturé, le circuit magnétique ne sera plus conducteur de flux et le transformateur sera rendu inopérationnel. La conception du circuit magnétique doit ainsi tenir compte du choix du matériau ferromagnétique et de la dynamique de courant d'excitation. Il faut notamment réduire la non-linéarité intrinsèque que présente le matériau magnétique à un bas niveau d'excitation et d'éviter la saturation du matériau ferromagnétique à un fort niveau de courant. Il est souvent très difficile de satisfaire en même temps ces deux exigences. Par exemple, pour les alliages ferromagnétiques à base de Nickel, plus le taux de Nickel est élevé, plus la perméabilité initiale du matériau est élevée mais plus la résistance à saturation est faible. D'où un alliage avec 80% de Nickel présente une forte perméabilité initiale (supérieure à 30000) et est un bon choix pour minimiser les nonlinéarité à un très faible niveau d'excitation, mais à cause de sa faible résistance à saturation (inférieure à 0.7 Tesla), la circuit magnétique sature plus rapidement à un fort courant d'excitation. Par contre, le même matériau avec un taux de Nickel de l'ordre de 50%, à cause de sa faible perméabilité initiale (inférieure à 15000) induira une forte non-linéarité à faible courant, mais grâce à sa forte résistance à saturation (supérieure à 1.4 Tesla) permettra un fonctionnement à un très fort courant. Fig. 4 montre le comportement de ces types d'alliages dans le tore d'un transformateur par rapport au niveau du courant dans le conducteur du transformateur. L'axe vertical de la Figure 3 montre l'erreur dans la mesure de courant prise par le capteur placé dans l'entrefer. Un tore d'un transformateur selon un mode de réalisation de l'invention est représenté schématiquement dans la Fig. 4. Le tore 5 dans ce mode de réalisation a la forme d'un huit, et le conducteur 10 qui porte le courant I passe via chacune des apertures 11, 12 dans les sens indiqués pour induire un flux magnétique B dans l'entrefer 13. Cette forme de transformateur est également bien adapté pour mesurer la différence entre deux courants. Dans ce cas, un deuxième fil sera disposé dans le sens inverse au premier fil pour induire un champ magnétique dans l'autre sens. Le flux magnétique dans l'entrefer sera ainsi proportionnel à la différence entre les deux courants. Comme il est montré, le tore 15 est constitué de plusieurs tôles 16 empilées pour former une structure feuilletée. La structure est composée des tôles 22-25 d'un premier matériau ayant une perméabilité initiale qui est relativement élevée et une bonne linéarité pour des courants bas et des tôles 17-21 d'un deuxième matériau ayant une perméabilité initiale qui est relativement basse, mais qui possède une bonne résistance à saturation pour des courants forts. Les tôles externes 17, 18 de la structure sont fabriquées du deuxième matériau, puisque le champ magnétique induit par le courant I est plus forte dans les faces externes de la structure et il est souhaitable que ces tôles soient particulièrement résistantes à saturation. Les tôles 17, 18 agissent également comme un blindage et protègent l'intérieur du tore à l'encontre des effets des champs magnétiques extérieurs. Dans ce mode de réalisation, un ordre régulier des tôles entre les deux faces a été montré, c'est-à-dire, les tôles ayant une perméabilité basse sont en alternance avec les tôles ayant une perméabilité élevée. Cette structure possède certains avantages par rapport à l'uniformité du champ magnétique vu par le capteur à effet Hall positionné dans le centre de l'entrefer. D'autres modes de réalisation sont possible, par exemple, dans lesquelles les tôles 22, 25 sont aussi faites d'un matériau ayant une perméabilité basse et les tôles 19, 23, 20, 24 et 21 ont une perméabilité élevée. Le premier matériau est un alliage Fer-Nickel de 80% de Nickel et le deuxième un autre alliage Fer-Nickel de 50% de Nickel. Fig. 5 montre une variation de la forme de tore ayant la forme d'un "C". Dans ce mode de réalisation, le fil du courant passe une seule fois par le tore (voir la figure 1). De la même façon que la Fig. 4, les tôles 30-34 du tore sont composées du matériau Fer-Nickel (50% Nickel) et les tôles 35-38 du matériau Fer-Nickel (80% Nickel). REVENDICATIONS 1. Transformateur de mesure apte à mesurer un courant indépendamment ou en combinaison avec un autre courant ou une tension et comprenant un circuit magnétique constitué d'un tore métallique et possédant au moins un entrefer pour recevoir un détecteur de champ magnétique et caractérisée en ce que le tore métallique est constitué de plusieurs tôles empilées pour former une structure feuilletée, au minimum une tôle de la structure étant composée d'un premier matériau possédant une perméabilité initiale relativement élevée et une bonne linéarité à des courants bas, et au minimum une tôle composée d'un deuxième matériau possédant une perméabilité initiale relativement basse et une bonne résistance à saturation à des courants forts. 2. Transformateur de mesure selon la revendication 1, dans lequel les deux tôles qui définissent les deux faces extérieures du tore sont composées d'un matériau possédant une perméabilité initiale qui est relativement basse et une bonne résistance à saturation. 3. Transformateur de mesure selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'intérieur du tore entre les deux tôles externes est constitué de tôles du premier et du deuxième matériau disposées en alternance. 4. Transformateur de mesure selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l'intégralité du tore, y compris les deux tôles externes, est constitué des tôles du premier et du deuxième matériau disposées en alternance. 5. Transformateur de mesure selon une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le tore du transformateur prend la forme d'un "C", l'entrefer pour le détecteur de champ magnétique étant constitué par l'espace entre les deux bras du "C". 6. Transformateur de mesure selon une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le tore du transformateur de mesure prend la forme d'un huit, l'entrefer pour le détecteur de champ magnétique étant positionné dans la barre centrale du huit. 7. Transformateur de mesure selon une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le premier matériau est un alliage Fer-Nickel composé de 80 % de Nickel. 8. Transformateur de mesure selon une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le deuxième matériau est un alliage Fer-Nickel composé de 50 % de Nickel. 9. Transformateur de mesure selon une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant une cellule à effet Hall comme détecteur de champ magnétique. 10. Compteur d'électricité comprenant un transformateur de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.