Brevet FR2808090A1 — publié le 20011026

DISPOSITIF DE MESURE DE COURANT ET APPAREIL ELECTRIQUE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF. L'invention concerne un dispositif de mesure de courant pour mesurer un courant circulant un conducteur électrique et fournir un signal représentatif dudit courant, ainsi qu'un appareil électrique comportant un tel dispositif. dispositifs de mesure connus comportent un généralement une résistance mesure stable appelée shunt pour générer un signal de mesure dont la tension est proportionnelle courant qui traverse la résistance. Avec ce type de mesure, une liaison galvanique existe entre ladite résistance de mesure et un circuit électronique de traitement recevant signal mesure. Dans le cas de mesure de courant dans un réseau d'alimentation électrique, les contraintes d'isolement deviennent importantes. De plus, si le réseau est triphasé les références de mesures doivent être différentes pour les trois phases. Ceci a effet de compliquer considérablement le circuit électronique de traitement. Pour remédier à ces difficultés il est connu d'utiliser un transformateur de courant pour fournir un signal secondaire proportionnel à un courant primaire à mesurer. Cependant, un transformateur de courant sous la forme d'un tore de mesure est un composant très encombrant et onéreux du fait de la section du fil des enroulements primaire secondaire, de la distance d'isolement des enroulements, et de la taille du circuit magnétique qui ne doit pas saturer sur la plage de courant à mesurer. Le tore de mesure comporte de nombreuses imperfections notamment la linéarité de la mesure dépend de la linéarité du circuit magnétique difficile à obtenir sur une large plage de courant. De plus, le coefficient de couplage primaire secondaire n'est en pratique jamais égal à 1, ce qui induit d'autres erreurs de mesure, par exemple, un déphasage entre les signaux sur les enroulements primaire et secondaire. Souvent, la mesure est très dépendante de la composition spectrale du courant au primaire, par exemple, la composante continue n'est pas transmise et les très basses fréquences sont pas détectables. Par ailleurs, les harmoniques à hautes fréquences sont fortement atténuées par la chute de la perméabilité du matériau magnétique. Ainsi, si le signal n'est sinusoïdal, une distorsion apparaît. Selon la disposition des tores, la mesure est sensible aux champs magnétiques ambiants produits par des conducteurs électriques situés le voisinage. Pour résoudre certains problèmes liés à l'utilisation de transformateurs de courants, des dispositifs de mesure de courant comportent des capteurs à effet disposés dans un entrefer d'un circuit magnétique pour remplacer l'enroulement secondaire. L'utilisation de capteurs à effet Hall a l'avantage de permettre une mesure du courant depuis le continu jusqu des fréquences élevées. Cependant, ces dispositifs nécessitent toujours un circuit magnétique encombrant et un circuit de traitement très complexe. D'autres dispositifs utilisent un circuit magnétique qui comprime une piézoélectrique. Un dispositif est divulgué dans le document EP-A-0452175. Dans ce cas, la lame fournit un signal proportionnel au carré du courrant primaire à mesurer. Un tel dispositif est très sensible au champ magnétique environnant et ne permet pas une mesure correcte du courrant. De plus la lame est proche du circuit primaire et les mesures peuvent être affectées par des différences de températures. Même ci le circuit magnétique peut être réduit, de tels dispositifs sont difficiles à mettre en oeuvre et à calibrer correctement. L'invention a pour but un dispositif de mesure de courant économique ayant un volume réduit et évitant des problèmes décrits ci-dessus. Un dispositif de mesure de courant selon l'invention comporte un coupleur piézoélectrique comportant - une première partie comportant au moins deux électrodes d'excitation disposées sur un matériau piézoélectrique et destinées à être connectées à une résistance de mesure d'un courant électrique à mesurer, - une seconde partie comportant au moins deux électrodes de sortie disposées sur un matériau piézoélectrique et destinées à être connectées à un circuit traitement pour lui fournir un signal représentatif du courant électrique à mesurer, et - une troisième partie en matériau isolant susceptible de transmettre des contraintes mécaniques disposée entre les électrodes d'excitation et les électrodes sortie pour assurer un isolement électrique entre lesdites électrodes. De préférence, le matériau piézoélectrique de la première partie, le matériau piézoélectrique la seconde partie, et le matériau isolant la troisième partie sont réalisées avec un même matériau piézoélectrique. Avantageusement, la première partie, la seconde partie, et la troisième partie sont empilées, les électrodes d'excitation et de sortie étant sensiblement dans des dispositions parallèles. De préférence, première partie, la seconde partie, et la troisième partie sont maintenues et comprimées au moins deux cotés opposés. Dans un mode réalisation préférentiel, la première partie, la seconde partie, et la troisième partie sont maintenues et comprimées par un étrier rigide. Dans un mode réalisation particulier, les électrodes d'excitation comportent chacune moins deux plaques disposées de façon entrelacée entre des couches de matériau piézoélectrique augmenter la valeur du signal fourni sur les électrodes de sortie coupleur. De préférence, nombre de couches de matériau piézoélectrique entre des plaques électrodes d'excitation est supérieur à trois. Avantageusement, le coupleur piézoélectrique est réalisé en technologie multicouche. De préférence, le coupleur piézoélectrique comporte au moins un blindage pour protéger les électrodes de sortie contre des perturbations électromagnétiques. Avantageusement, le dispositif comporte une résistance de mesure de valeur inférieure à un ohm connectée aux électrodes d'excitation. Avantageusement, le dispositif comporte un circuit de traitement comportant une entrée ayant une impédance d'entrée supérieure à un mégohm connectée aux électrodes de sortie. préférence, le matériau piézoélectrique a une fréquence de résonance mécanique supérieure à 10 kilohertz. une utilisation particulière, le dispositif de mesure de courant est utilisé dans un dispositif de mesure de tension, une résistance de mesure d'un pont diviseur de tension étant connectée aux électrodes d'excitation (2) et une résistance de chute tension dudit pont diviseur étant connectée en série avec ladite résistance de mesure. Un appareil électrique selon l'invention comporte un dispositif de mesure courant tel que défini ci-dessus. un mode de réalisation particulier, l'appareil électrique comporte moyens de détermination d'une puissance électrique et des moyens de comptage d'énergie électrique. appareil électrique disjoncteur selon l'invention comportant au moins un contact principal, un relais de déclenchement pour déclencher l'ouverture dudit au moins un contact, au moins une résistance de mesure disposée sur un conducteur connectée audit contact principal, et un circuit de traitement pour effectuer des fonctions de déclenchement connecté audit relais, comporte un dispositif de mesure de courant tel que défini ci-dessus et ayant des électrodes d'excitation connectées à au moins une résistance de mesure et des 'lectrodes de sorties connectées au circuit de traitement. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 montre un schéma d'un dispositif de mesure de courant selon l'invention; - la figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un coupleur pour un dispositif selon l'invention ; - la figure 3 représente un second mode de réalisation d'un coupleur pour un dispositif selon l'invention ; - la figure 4 montre schéma d'un appareil électrique comportant un dispositif selon l'invention. Un dispositif de mesure de courant selon un mode réalisation de l'invention représenté sur la figure 1 comporte coupleur piézoélectrique 1 ayant une première partie comportant deux électrodes d'excitation 2 disposées sur un matériau piézoélectrique 3 et une seconde partie comportant deux électrodes de sortie 4 disposées sur un matériau piézoélectrique 3. Sur ce schéma, les électrodes d'excitation sont connectées à une résistance de mesure 5 pour mesurer un courant électrique Ip circulant dans un conducteur 6. Les électrodes de sortie sont connectées circuit de traitement 7 pour fournir un signal Vs représentatif du courant Ip à mesurer. La figure 2 montre détail un mode réalisation d'un coupleur piézoélectrique 1. Une première partie 8 comprend un matériau piézoélectrique disposé entre les deux électrodes d'excitation 2 et une seconde partie 9 comprend un matériau piézoélectrique disposé entre les deux électrodes de sortie 4. Une troisième partie 10 en matériau isolant susceptible de transmettre des contraintes mécaniques est située entre les électrodes d'excitation 2 et les électrodes de sortie 4 assurer un isolement électrique entre des entrées 11 et des sorties 12 du coupleur. Avantageusement, le matériau piézoélectrique de la première partie 8, le matériau piézoélectrique de la seconde partie 9, et le matériau isolant la troisième partie 10 sont réalisés avec un même matériau piézoélectrique 3. De préférence, la première partie 8, la seconde partie 9, et la troisième partie 10 sont empilées, les électrodes d'excitation 2 et de sortie 4 étant sensiblement dans des dispositions parallèles. Pour assurer un bon transfert du signal entre les entrées et les sorties du coupleur, la première partie, la seconde partie, et la troisième partie sont maintenues et comprimees sur au moins deux cotés opposés 13 et 14. Avantageusement, un étrier rigide 15 permet de maintenir et comprimer efficacement les trois parties. Ainsi, un courant à mesurer Ip circulant dans la résistance de mesure 5 génère une tension d'entrée Vp est appliquée sur les électrodes d'excitation 2. Le champ électrique présent sur les électrodes 2 produit des premières contraintes mécaniques sur le matériau piézoélectrique de la première partie 8. Le matériau se déforme dans la partie 8 et génère des secondes contraintes mécaniques sur le matériau piézoélectrique de la seconde partie 9. Les secondes contraintes mécaniques génèrent à leur tour une tension électrique sortie Vs sur les électrodes 4. Les premières contraintes mécaniques étant proportionnelles à la tension Vp présente sur les électrodes d'excitation 2 et la tension de sortie étant proportionnelle aux secondes contraintes mecaniques, la tension de sortie Vs est proportionnelle à la tension d'entrée Vp appliquée aux électrodes d'excitation et au courant circulant dans la résistance. Par exemple, tension de sortie Vs peut s'exprimer de la façon suivante Vs=KVp =KRIp où K est un coefficient de transfert qui dépend de la géométrie de la première de la seconde partie, et R est la valeur de la résistance 5. La figure 3, montre un mode de réalisation préférentiel où les électrodes d'excitation comportent plusieurs plaques disposées en alternance de façon entrelacée entre des couches 16 du matériau piézoélectrique 8 de la première partie. Une telle disposition augmente l'amplitude des premières contraintes mécaniques et par conséquent l'amplitude du signal sur les sorties 12. Dans ce cas, la tension de sortie Vs est aussi proportionnelle à un nombre N de couches de matériau piézoélectrique entre des plaques des électrodes d'excitation. Avec un nombre de couches N, la tension de sortie Vs peut s'exprimer de la façon suivante: Vs=KVp =N RIp Dans le mode réalisation de la figure 3, les électrodes d'excitation ont chacune trois plaques. Les couches 16 de matériau piézoélectrique dépend du nombre d'intervalles entre les plaques. conséquent, dans ce cas, le nombre de couches est cinq. Le coupleur piezoélectrique peut comporter aussi s un blindage pour protéger les électrodes de sortie contre des perturbations électromagnétiques. Par exemple, blindage peut être réalisé sous la forme d'une couche métallique supplémentaire 24. Pour faciliter fabrication du dispositif de mesure, le coupleur piézoélectrique est réalisé de préférence en technologie multicouche. Le coupleur peut aussi etre avantageusement conditionné sous forme d'un composant électronique. Pour assurer une tres bonne précision de la mesure, insensible aux variations impédance du matériau piézoélectrique, les électrodes d'excitation sont, de préférence, excitées par une source à basse impédance et les électrodes de sortie fournissent le signal de sortie Vs à un circuit de traitement ayant une entrée à haute impédance. Ainsi, la resistance de mesure a, de préférence, une valeur inférieure à un ohm, et le circuit de traitement a, de préférence, une impédance d'entrée supérieure à un mégohm connectée aux électrodes de sortie. Puisque l'impédance de sortie est élevée, le coupleur ne transfert très peu d'énergie entre l'entrée et sortie. Le matériau piézoélectrique peut être alors de très petite dimension est réalisé de manière économique. La troisième partie isolante peut avoir une faible dimension tout en ayant une tenue diélectrique élevée. Par exemple une partie en matériau isolant de type piézoélectrique de l'ordre de un millimètre peut tenir une tension de claquage de plusieurs kilovolts. Un coupleur selon un mode réalisation de l'invention permet de mesurer depuis des fréquences très basses jusqu'à des fréquences élevées. Cependant, une bonne précision de mesure est obtenue si la fréquence de résonance du matériau du coupleur est supérieure à la fréquence du signal à mesurer. Dans le cas de mesures à des fréquences d'un reseau électriques comportant des harmoniques, la fréquence de résonance du matériau du coupleur est de préférence supérieure à 10 kHz. Un appareil électrique triphasé comportant des dispositifs de mesure selon des modes réalisation de l'invention est représenté sur la figure 4. Sur ce schéma, un réseau électrique comporte trois conducteurs de phase A, B et C et un conducteur de neutre N. Le dispositif de mesure comporte trois résistances de mesure 5A, 5B et 5C disposées sur les conducteurs de phase respectivement A, B et C. Pour la mesure de chaque courant de phase, le dispositif mesure comporte trois coupleurs piézoélectriques IA, 1 B et 1 C dont les entrées sont connectées aux trois résistances de mesure respectivement 5A, 5B et 5C. Les sorties des trois coupleurs piézoélectriques sont connectés à un circuit de traitement 7. Dans ce mode de réalisation de la figure 4, le circuit de traitement 7 comporte trois amplificateurs 17A, 17B et 17C ayant des entrées à haute impédance connectées aux sorties trois coupleurs piézoélectriques respectivement IA, 1 B et I C. Les sorties des amplificateurs sont connectées à un convertisseur analogique-numérique 18 pour fournir un signal numerisé à un circuit électronique de traitement de fonctions 19. Le circuit 19 peut être notamment un microprocesseur ou un microcontrôleur. Le circuit traitement 7 est alimenté par un circuit d'alimentation 20 ayant des entrées connectees ' des conducteurs du réseau d'alimentation et des sorties fournissant très basse tension continue à une ligne d'alimentation V+. Un condensateur de filtrage 21 est connecté entre la ligne V+ et une ligne de référence. Ainsi, l'ensemble des circuits électroniques du circuit de traitement 7 sont alimentés par la ligne V+ et la ligne référence. Le circuit électronique de traitement de fonctions 19 peut avoir notamment des fonctions de compteur d'énergie électrique ou d'autres fonctions ayant besoin d'un signal représentatif d'un courant. Ainsi, un appareil électrique un mode réalisation de l'invention peut comporter fonctions de détermination d'une puissance électrique et des fonctions de comptage d'énergie électrique. Avec un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, il est aussi possible de mesurer des tensions. Dans ce cas, par exemple, les électrodes d'excitation peuvent être connectées à une résistance de mesure d'un pont diviseur de tension. La résistance de mesure est alors connectée en série avec une autre résistance pour assurer, si besoin, une chute de tension. Si l'appareil de la figure 4 est destiné à être un disjoncteur, le circuit 19 à des fonctions d'un déclencheur électronique. Il comporte aussi les contacts principaux 22 disposés en série avec des conducteurs de phase A, B et/ou C, et un relais de déclenchement 23 pour déclencher l'ouverture desdits contacts. Le relais de déclenchement est connecté entre une sortie du circuit de traitement et la ligne V+ pour recevoir un signal de déclenchement, notamment, lorsqu'un courant circulant dans un conducteur du réseau à proteger dépasse un seuil de courant pendant un temps prédéterminé. Dans les modes réalisation des coupleurs décrits ci-dessus les premieres seconde et troisième parties sont alignées ou empilées. Cependant, d'autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, les trois parties peuvent être imbriquées avec les électrodes d'excitation vers cotés extérieurs d'un matériau piézoélectrique et électrodes de sorties à l'intérieur dudit matériau piézoélectrique. Dans ce cas, les électrodes de sorties peuvent être disposées entre les électrodes d'excitation. Certaines portions du matériau piézoélectrique peuvent aussi avoir plusieurs fonctions des premières, secondes et troisièmes parties du coupleur, notamment, générer des contraintes mécaniques en fonction d'une tension électrique, recevoir des contraintes mécaniques pour générer un signal de sortie, isoler les électrodes d'excitation et de sortie, et transmettre des contraintes mécaniques. REVENDICATIONS 1. Dispositif mesure de courant caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur piézoélectrique comportant - une première partie (8) comportant au moins deux électrodes d'excitation (2) disposées sur un matériau piezoélectrique (3) et destinées à être connectées à une résistance (5) mesure d'un courant électrique (Ip) à mesurer, - une seconde partie (9) comportant au moins deux électrodes de sortie (4) disposées sur un matériau piézoélectrique (3) et destinées à être connectées à un circuit de traitement pour lui fournir signal (Vs) représentatif du courant électrique à mesurer, et - une troisième partie (10) en matériau isolant susceptible de transmettre des contraintes mécaniques disposée entre les électrodes d'excitation (2) et les électrodes de sortie (4) assurer un isolement électrique entre lesdites électrodes. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau piézoélectrique de la première partie, le matériau piézoélectrique de la seconde partie, et le matériau isolant la troisième partie sont réalisées avec un même matériau piézoélectrique (3). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la première partie (8), la seconde partie (9), et la troisième partie (10) sont empilées, les électrodes d'excitation (2) et sortie (4) étant sensiblement dans des dispositions parallèles. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que première partie (8), la seconde partie (9), et la troisième partie (10) sont maintenues comprimées sur au moins deux cotés opposés (l3, 14). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que première partie (8), la seconde partie (9), et la troisième partie (10) sont maintenues et comprimées par un étrier rigide (15). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les électrodes d'excitation (2) comportent chacune au moins deux plaques disposées de façon entrelacée entre des couches (16) de matériau piézoélectrique pour augmenter la valeur du signal (Vs) fourni sur les électrodes de sortie du coupleur. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le nombre de couches (1 matériau piézoélectrique entre des plaques des électrodes d'excitation (2) est supérieur trois. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que coupleur piézoélectrique (1, l A, 1B, 1C) est réalisé en technologie multicouche. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que coupleur piézoélectrique (1, IA, 1B, I C) comporte au moins un blindage (24) pour protéger les électrodes de sortie contre des perturbations électromagnétiques. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte une résistance de mesure (5, 5A, 5B, 5C) de valeur inférieure à un connectée aux électrodes d'excitation. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce comporte un circuit de traitement (7) comportant une entrée ayant une impédance d'entrée supérieure à un mégohm connectée aux électrodes de sortie (4). Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le matériau piézoélectrique (3) a une fréquence de résonance mécanique supérieure à kilohertz. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce est utilisé dans un dispositif de mesure de tension, une résistance de mesure d'un pont diviseur de tension étant connectée aux électrodes d'excitation (2) et une résistance de chute de tension dudit pont diviseur étant connectée en série avec ladite résistance de mesure. 14 Appareil électrique comportant au moins un conducteur électrique (A, B, C, 6) caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure de courant selon quelconque des revendications 1 13 pour mesurer un courant circulant dans ledit conducteur. 15. Appareil électrique selon la revendication 14 caractérisé en ce comporte des moyens de détermination d'une puissance électrique et des moyens de comptage d'énergie électrique connectés au dispositif de mesure de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 16 Appareil électrique disjoncteur comportant au moins un contact principal (2), un relais de déclenchement (23) pour déclencher l'ouverture dudit au moins contact, au moins une résistance de mesure (5, 5A, 5B, 5C) disposée sur un conducteur (6, A, B, C) connectée audit contact principal, et un circuit de traitement (7) pour effectuer des fonctions de déclenchement connecté audit relais, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 ayant des électrodes d'excitation (2) connectées à au moins une résistance de mesure (5, 5A, 5B, 5C) et des électrodes de sorties (4) connectées audit circuit de traitement (7).