Brevet FR2920881A1 — publié le 20090313

DISPOSITIF DE MESURE DE L'INTENSITE D'UN COURANT ELECTRIQUE ET APPAREIL ELECTRIQUE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF Domaine technique= La présente invention concerne un dispositif de mesure de l'intensité d'un courant électrique, comportant au moins un circuit magnétique disposé à proximité d'un conducteur électrique traversé par un courant à mesurer pour canaliser le champ magnétique induit autour de ce conducteur par le courant à mesurer, au moins une bobine électrique associée audit circuit magnétique pour délivrer une tension proportionnelle à la dérivée de l'intensité du courant à mesurer, et au moins un module de traitement de cette tension pour délivrer une valeur de l'intensité mesurée. L'invention concerne aussi un appareil électrique équipé d'un tel dispositif, cet appareil électrique pouvant être un appareil de coupure du type interrupteur, interrupteur-commutateur, disjoncteur, ou tout autre appareil équivalent, monophasé, polyphasé, avec ou sans neutre. Technique antérieure : Il existe plusieurs types de dispositifs permettant de mesurer l'intensité d'un courant alternatif traversant un conducteur électrique. Les plus connus sont sans doute les transformateurs de courant, qui utilisent un tore magnétique monté sur chaque conducteur électrique formant le primaire du transformateur, et une bobine enroulée autour du tore pour former le secondaire de ce transformateur et délivrer un signal de tension proportionnel à l'intensité mesurée. Néanmoins, ces transformateurs de courant nécessitent une mise en oeuvre particulière. Ils sont relativement encombrants et ont une dynamique de mesure limitée. D'autres dispositifs utilisent un capteur d'induction de type à effet Hall ou similaire, disposé dans l'entrefer étroit d'un circuit magnétique autour duquel est enroulé le conducteur électrique dans lequel on veut mesurer l'intensité du courant qui le parcourt. Lorsqu'il est traversé par les lignes de champ magnétique induit par le courant à mesurer, ce type de capteur délivre un signal de tension à ses bornes représentatif de l'intensité de ce courant. Néanmoins, ces capteurs d'induction sont particulièrement sensibles aux champs magnétiques environnants ou parasites qui ont pour effet de fausser la mesure d'intensité. On peut pallier à cet inconvénient en augmentant la section du circuit magnétique, mais c'est au détriment de son encombrement. De plus, ce type de capteur à une dynamique de mesure très limitée lorsqu'il est utilisé dans une configuration en boucle ouverte. Cette dynamique peut être notablement améliorée en utilisant une configuration en boucle fermée, où un enroulement de compensation permet d'annuler le champ de l'entrefer, le courant traversant l'enroulement de compensation étant alors l'image du courant primaire. Toutefois, ce type de capteur nécessite une alimentation relativement puissante pour pouvoir fournir le courant de compensation. D'autres dispositifs utilisent le principe de Rogowski, qui consiste en un bobinage dans l'air placé autour d'un conducteur électrique traversé par un courant à mesurer, ce bobinage pouvant être formé d'une ou de plusieurs bobines électriques raccordées en série. L'absence de noyau magnétique risquant d'être saturé autorise une large dynamique de mesure. Néanmoins, la réalisation industrielle des bobines de Rogowski de bonne qualité est très complexe, onéreuse et difficilement reproductible. De plus, la réalisation d'un dispositif de mesure ouvrant, c'est à dire réalisé en deux parties pour faciliter sa mise en place autour d'un conducteur électrique existant, est également délicate, la régularité du bobinage étant un élément essentiel à la qualité d'un tel dispositif Il ressort de cet état de la technique qu'aucun dispositif connu pour mesurer l'intensité d'un courant ne présente une configuration lui permettant de s'intégrer dans l'encombrement réduit d'un appareil électrique standardisé, tel qu'un appareil de coupure. Dans ce type d'application, l'intervalle disponible entre les conducteurs électriques qui entrent et sortent de l'appareil est relativement faible, par exemple de l'ordre de 15 à 30mm, rendant impossible la mise en place des dispositifs de mesure existants sur chaque conducteur. De plus, la proximité des conducteurs électriques induit obligatoirement des champs parasites qui faussent les mesures. Par ailleurs, les dispositifs connus ont une dynamique de mesure limitée, puisqu'ils sont destinés à une application de mesure spécifique. Ainsi, ils ne peuvent pas être utilisés pour des applications complémentaires de comptage d'énergie et/ou de protection contre les surintensités, pour lesquelles la plage d'intensité mesurée est multipliée par un coefficient de 10 au moins. Exposé de l'invention : La présente invention vise à apporter une solution à ce problème en proposant un dispositif de mesure de l'intensité d'un courant de conception simple, économique, ayant un encombrement réduit pour s'intégrer facilement à tout type d'appareils électriques, offrant une grande dynamique de mesure pour pouvoir être polyvalent et faire aussi bien de la mesure que du comptage d'énergie et/ou de la protection contre les surintensités selon les besoins, ce dispositif étant conçu pour être insensible aux champs parasites ainsi qu'à la position du conducteur électrique à mesurer et pour pouvoir être réalisé en au moins deux parties facilitant sa mise en place. Dans ce but, l'invention concerne un dispositif de mesure du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que le circuit magnétique est ouvert et délimite au moins un entrefer large, en ce que la bobine électrique est logée dans ledit entrefer large, et en ce que ledit circuit magnétique et ladite bobine électrique délimitent un chemin fermé pour la circulation dudit champ magnétique, cet entrefer ayant une largeur au moins supérieure au double de la section du circuit magnétique. Dans une variante de réalisation, le dispositif peut comporter un circuit magnétique dont la forme est choisie parmi les formes en U, C ou V, et une seule bobine électrique disposée dans l'entrefer. Dans une forme préférée de l'invention, le chemin fermé présente une forme sensiblement en parallélogramme, et le dispositif comporte un circuit magnétique formé de deux plaques disposées de part et d'autre du conducteur et deux bobines disposées dans l'entrefer des plaques de part et d'autre de ce conducteur. Dans une autre variante de réalisation, le chemin fermé peut présenter une forme sensiblement en polygone, et le dispositif peut comporter un circuit magnétique formé d'un nombre N de plaques disposées autour dudit conducteur et d'un nombre N de bobines disposées dans l'entrefer des plaques autour de ce conducteur. Les bobines sont avantageusement identiques, montées en opposition et raccordées électriquement en série, de sorte que leurs champs utiles s'ajoutent et leurs champs parasites s'annulent. De préférence, chaque bobine est réalisée sous la forme d'un circuit imprimé. Dans ce cas, les spires de la bobine peuvent être gravées sur le substrat du circuit imprimé pour former des spires parallèles entre elles, chaque spire comportant au moins un brin supérieur et un brin inférieur rectilignes et parallèles, au moins un des brins de chaque spire comportant un tronçon d'extrémité incliné par rapport audit brin pour relier les spires entre elles. Dans la forme de réalisation préférée, le circuit magnétique est réalisé en matériaux ferromagnétiques à forte perméabilité magnétique, de sorte que le champ magnétique induit par le courant à mesurer soit négligeable dans ledit circuit magnétique par rapport au champ magnétique dans la ou les bobines. Ce dispositif comporte avantageusement au moins une platine de support sur laquelle sont montés le circuit magnétique et la ou les bobines, cette platine de support comportant au moins une ouverture pour le passage du conducteur et au moins un circuit électrique de liaison pour raccorder la ou les bobines au module de traitement. De manière préférentielle, ce dispositif est agencé pour mesurer individuellement l'intensité du courant circulant dans plusieurs conducteurs et comporte dans ce cas plusieurs structures de mesure identiques, comportant chacune au moins un circuit magnétique et au moins une bobine électrique, la platine de support pouvant être commune à l'ensemble des structures de mesure. Ce dispositif de mesure peut être constitué d'une pièce monobloc au travers de laquelle est enfilé le conducteur, ou avantageusement d'au moins deux pièces assemblées autour du conducteur. L'invention concerne également un appareil électrique tel que défini en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de mesure tel que défini ci-dessus, agencé pour mesurer l'intensité du courant dans au moins un des conducteurs électriques alimentant ledit appareil. Description sommaire des dessins : La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement le principe du dispositif de mesure selon l'invention, la figure 2 est une vue simplifiée en perspective d'un exemple d'appareil électrique équipé d'un dispositif de mesure selon l'invention, la figure 3 est une section du dispositif de mesure de la figure 2, la figure 4 est une coupe IV-IV du dispositif de mesure de la figure 3, la figure 5 est une vue en perspective d'une partie du dispositif de mesure de la figure 3, la figure 6 est une vue en perspective agrandie d'un exemple de bobinage, et les figures 7A, 7B et 7C sont respectivement des vues de face, de côté et de dessus d'une variante de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention. Illustrations de l'invention : Le principe du dispositif de mesure 1, selon l'invention, permettant de mesurer l'intensité I d'un courant traversant un conducteur électrique 2 ou ligne de courant, 20 appelé par la suite conducteur 2, est illustré à la figure 1. Il utilise le champ magnétique induit autour du conducteur 2 par le courant I à mesurer. Dans la présente invention, la circulation des lignes de ce champ magnétique est contrôlée sur un chemin C fermé, formé d'au moins un circuit magnétique 3 et d'au moins une bobine électrique 4, appelée par la suite bobine 4, dont les spires sont orientées 25 perpendiculairement au sens de circulation dudit champ. On applique le théorème d'Ampère sur le chemin C en décomposant le champ circulant dans l'air au travers de la bobine 4 et le champ circulant dans le circuit magnétique 3. Si l'on choisit un circuit magnétique :3 ayant une perméabilité magnétique élevée, la composante du champ magnétique circulant dans ce circuit magnétique est négligeable par rapport à 10 15 la composante du champ magnétique circulant dans la bobine 4. De ce fait, la tension aux bornes de la bobine 4 est proportionnelle à la dérivée de l'intensité I du courant à mesurer. C'est donc la qualité du circuit magnétique 3 qui va conditionner les performances du dispositif de mesure 1. Dans ce but, le circuit magnétique 3 est réalisé dans des matériaux ferromagnétiques à forte perméabilité magnétique, tels que les alliages à base de fer, de nickel ou similaire. Ainsi, le circuit magnétique 3 n'est pas utilisé pour concentrer le champ magnétique, mais pour contrôler la distribution de ses lignes de champ et limiter l'influence de ce champ dans les zones non occupées par les bobines 4. On obtient à la fois une optimisation de la réponse de la bobine 4 et un dispositif de mesure 1 insensible aux champs externes parasites. Dans le dispositif de mesure 1 schématisé à la figure 1, le circuit magnétique 3 est ouvert et comporte deux plaques 30, sensiblement parallèles, disposées de part et d'autre du conducteur 2, séparées par un entrefer E large. Les lignes de champ circulent dans ces plaques 30 en suivant un chemin C sensiblement rectiligne et parallèle auxdites plaques 30. L'entrefer E est qualifié de � large �, par opposition aux entrefers � étroits � connus dans les circuits magnétiques habituellement utilisés. Cet entrefer E a une largeur au moins supérieure au double de l'épaisseur e des plaques 30 et est suffisamment large pour y recevoir les bobines 4. Il peut avoir une dimension comprise par exemple entre 15 et 150mm, selon les applications. Ce dispositif de mesure 1 comporte également deux bobines 4, sensiblement parallèles, disposées de part et d'autre du conducteur 2, à l'intérieur de chaque entrefer E pour refermer le chemin Ç du champ magnétique. Les lignes de champ circulent au travers des bobines 4 en suivant un chemin C sensiblement rectiligne et perpendiculaire aux spires desdites bobines. Ces deux bobines 4 sont reliées électriquement en série pour délivrer à leurs bornes une tension de sortie U(t) proportionnelle à la dérivée de l'intensité I du courant à mesurer. Elles sont électriquement identiques, comportent le même nombre de spires et sont enroulées dans des sens opposés pour que les champs utiles s'ajoutent et les champs parasites s'annulent. Le chemin C défini par cette construction a donc sensiblement une forme de parallélogramme. La sensibilité du dispositif de mesure 1 aux champs parasites et à la position du conducteur électrique 2 est conditionnée par le rapport entre la taille de la surface utile des bobines 4, soit le nombre de spires multiplié par la surface de chaque spire, et la taille des surfaces parasites, en particulier la surface des boucles de retour. Bien que n'importe quelle bobine 4 puisse être utilisée dans l'invention, les bobines 4 réalisées sur des circuits imprimés se prêtent particulièrement bien à cette application. Cette technologie permet en effet un très bon contrôle de la géométrie et de la régularité du bobinage, et réduit considérablement les surfaces parasites au niveau des boucles de retour, grâce à la finesse de gravure qui permet la réalisation de pistes distantes de 0.lmm et 0.2mm. Etant donné que l'immunité aux champs parasites est obtenue par la construction et la disposition des bobines 4, il est possible de réduire sensiblement la section du circuit magnétique 3, donc l'encombrement global du dispositif de mesure 1. De plus, la présence d'un entrefer E large rend également le dispositif de mesure 1 moins sensible aux variations dimensionnelles de cet entrefer E. On obtient un dispositif de mesure 1 ayant une grande dynamique de mesure qui, s'étend par exemple de lA à 1600A pour un calibre donné de 63A à 160A, ce qui permet des applications combinées de mesure, de protection et de comptage d'énergie. La construction telle que définie ci-dessus permet de réaliser facilement des dispositifs de mesure 1 très étroits et compacts, pouvant s'intégrer parfaitement dans ou sur un appareil électrique 10, dont un exemple est donné en référence aux figures 2 à 4. Selon les besoins, il est possible de proposer les dispositifs de mesure 1 en une version monobloc (en une seule pièce) dans laquelle les conducteurs 2 doivent être enfilés, et en une version démontable (en deux pièces au moins) facilitant son montage sur des conducteurs 2 existants. Le dispositif de mesure 1 selon l'invention est complété par un module de traitement (non représenté) de la tension de sortie U(t) des bobines 4 en vue de délivrer une valeur de l'intensité I mesurée. Classiquement, ce module de traitement est un intégrateur, auquel on peut ajouter un étage de compensation de phase avec une liaison capacitive pour supprimer l'offset de sortie et le bruit, afin d'en améliorer sa stabilité. Ce module de traitement ou tout autre module équivalent ne fait pas l'objet de la présente invention et ne sera pas détaillé. Dans d'autres variantes non représentées, le dispositif de mesure 1 selon l'invention peut comporter un circuit magnétique 3 ouvert présentant d'autres formes, par exemple en U, C ou V, et délimitant un seul entrefer E fermé par une seule bobine 4. Ou encore le circuit magnétique 3 peut comporter plusieurs entrefers E, chaque entrefer étant fermé par une bobine 4, et définissant un chemin C polygonal. Meilleure manière de réaliser l'invention : Les figures 3 à 4 illustrent un exemple préféré du dispositif de mesure 1 selon l'invention, agencé pour se monter dans un appareil électrique 10, comme représenté à la figure 2. Cet appareil électrique 10 peut être un appareil de coupure électrique tel qu'un interrupteur, un interrupteur-commutateur, un disjoncteur ou similaire, mono ou polyphasé, avec ou sans neutre. Dans l'exemple représenté, l'appareil électrique 10 comporte quatre conducteurs 2, dont trois phases et un neutre. L'intervalle A entre deux conducteurs 2 consécutifs est relativement faible, par exemple compris entre 15 et 50mm, selon le type d'appareil, ce qui laisse peut de volume disponible pour placer un dispositif de mesure 1 sur chaque conducteur électrique 2. De même, la hauteur H disponible est limitée par les contraintes de raccordement des conducteurs 2 aux différents circuits ou appareils électrique en amont et/ou en aval, et est par exemple comprise entre 30 et 80mm. Le dispositif de mesure 1 monté sur l'appareil électrique 10 comporte autant de structures de mesure 1' identiques que de conducteurs 2. Chaque structure 1' de mesure comporte autour de chaque conducteur 2 un chemin C fermé pour la circulation des lignes de champ magnétique, constitué de deux plaques 30 parallèles et de deux bobines 4 disposées dans l'entrefer E, conformément au principe illustré à la figure 1. Chaque structure de mesure 1' est montée sur une platine de support 5, qui comporte des circuits électriques de liaison (non représentés) permettant de raccorder les bobines 4 au module de traitement (non représentée). Cette platine de support 5 comporte des ouvertures 50 formant des passages pour chaque conducteur 2. Ce dispositif de mesure 1 est logé dans un boîtier 6 isolant. En référence plus particulièrement à la figure 5, chaque bobine 4 est réalisée sous la forme d'un circuit imprimé 40. Elle comporte des spires 41 parallèles entre elles et orthogonales par rapport au chemin C emprunté par les lignes de champ magnétique induit par le courant à mesurer. Les deux bobines électriques 4 sont opposées et connectées en série, comme expliqué précédemment. Le substrat utilisé pour réaliser les circuits imprimés 40 a une faible épaisseur, de l'ordre de 1 à 3mm. L'épaisseur du substrat est choisie de manière à maximiser le ratio entre la densité linéique des spires et cette épaisseur, qui est par exemple égale à 1,6mm pour un circuit imprimé réalisé avec une technologie standard. Un exemple de dessin du bobinage des spires 41 est illustré à la figure 6, en mode agrandi et volontairement disproportionné, pour faciliter la compréhension. Chaque spire 41 gravée sur le substrat comporte un brin supérieur 41a rectiligne, une première boucle de retour 41b traversant le substrat au travers d'un premier trou de liaison 43 perpendiculaire au substrat, un brin inférieur 41c rectiligne parallèle au brin supérieur 41a, et une seconde boucle de retour 41d traversant le substrat au travers un second trou de liaison 43 perpendiculaire au substrat. Pour permettre, la réalisation de spires 41 parallèles entre elles, le brin supérieur 41a de chaque spire comporte un tronçon d'extrémité incliné 41e par rapport audit brin, pour commencer sa boucle de retour 41d dans le trou de liaison 43 voisin, et ainsi de suite, les tronçons d'extrémité inclinés 41e étant parallèles entre eux. Bien entendu, d'autres dessins équivalents peuvent également convenir. Les figures 7A, 7B et 7C illustrent une version � ouvrante � du dispositif de mesure 1 selon l'invention, pour pouvoir se monter sur les conducteurs électriques 3 par emboîtement et non par enfilage. Dans cet exemple, la configuration des circuits magnétiques 3 est inversée : les plaques 30 sont parallèles à la platine de support 5, et les bobines 4 perpendiculaires à cette platine. La platine de support 5 portent un premier jeu de plaques 30 ainsi que les bobines 4 qui sont directement raccordées entre elles et aux circuits électriques de liaison prévus sur cette platine 5. Ce dispositif de mesure 1 peut être ouvrant sans aucune difficulté. Il suffit que le second jeu de plaques 30, opposé à la platine de support 5, soit monté sur un partie mobile ou amovible du boîtier 6. Possibilités d'application industrielle : Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés et qu'elle peut être réalisée industriellement en mettant en oeuvre des techniques de production connues dans le domaine de la fabrication d'accessoires électriques et électroniques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. Revendications 1. Dispositif de mesure (1) de l'intensité (I) d'un courant électrique, comportant au moins un circuit magnétique (3) disposé à proximité d'un conducteur électrique (2) traversé par un courant à mesurer pour canaliser le champ magnétique induit autour dudit conducteur par le courant à mesurer, au moins une bobine électrique (4) associée audit circuit magnétique (3) pour délivrer une tension proportionnelle à la dérivée de l'intensité (I) du courant à mesurer, et au moins un module de traitement de cette tension pour délivrer une valeur de l'intensité mesurée, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (3) est ouvert et délimite au moins un entrefer (E) large dans lequel est logée ladite bobine électrique (4) et en ce que ledit circuit magnétique (3) et ladite bobine électrique (4) délimitent un chemin (Ç) fermé pour la circulation dudit champ magnétique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique (3) ayant une forme choisie parmi les formes en U, C ou V, et une seule bobine électrique (4) disposée dans ledit entrefer (E). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chemin (Ç) fermé présente une forme sensiblement en parallélogramme. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique (3) formé de deux plaques (30) disposées de part et d'autre dudit conducteur (2) et cieux bobines (4) disposées dans l'entrefer (E) desdites plaques de part et d'autre dudit conducteur (2). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chemin (Ç) fermé présente une forme sensiblement en polygone. 13 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique (3) formé d'un nombre N de plaques (30) disposées autour dudit conducteur (2) et d'un nombre N de bobines (4) disposées dans l'entrefer (E) desdites plaques autour dudit conducteur (2). 7. Dispositif selon la revendication 4 ou 6, caractérisé en ce que lesdites bobines (4) sont identiques, montées en opposition et raccordées électriquement en série, de sorte que leurs champs utiles s'ajoutent et leurs champs parasites s'annulent. 10 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bobine (4) est réalisée sous la forme d'un circuit imprimé (40). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les spires (41) de la bobine (4) sont gravées sur le substrat du circuit imprimé (40) pour former des spires 15 (41) parallèles entre elles, chaque spire (41) comportant au moins un brin supérieur (41a) et un brin inférieur (41c) rectilignes et parallèles, au moins un des brins (41a, 41c) de chaque spire (41) comportant un tronçon d'extrémité incliné (41e) par rapport audit brin pour relier les spires entre elles. 20 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit entrefer (E) a une largeur au moins supérieure au double de la section (e) dudit circuit magnétique (3). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (3) est réalisé en matériaux ferromagnétiques à forte 25 perméabilité magnétique, de sorte que le champ magnétique induit par le courant à mesurer soit négligeable dans ledit circuit magnétique (3) par rapport au champ magnétique dans ladite bobine (4).5 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une platine de support (5) sur laquelle sont montés ledit circui: magnétique (3) et ladite bobine (4), cette platine de support (5) comportant au moins une ouverture (50) pour le passage dudit conducteur (2) et au moins un circuit électrique de liaison pour raccorder ladite bobine (4) audit module de traitement. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en qu'il est agencé pour mesurer individuellement l'intensité (I) du courant circulant dans plusieurs conducteurs (2) et en ce qu'il comporte plusieurs structures de mesure (1') identiques, comportant chacune au moins un circuit magnétique (3) et au moins une bobine électrique (4). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce cu'il comporte une platine de support (5) commune auxdites structures de mesure (1'). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pièce monobloc au travers d c, laquelle est enfilé ledit conducteur (2). 20 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux pièces assemblées autour dudit conducteur (2). 17. Appareil électrique (10) alimenté par au moins deux conducteurs électriques (2), 25 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de mesure (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, agencé pour mesurer l'intensité (I) du courant dans au moins un desdits conducteurs électriques (2).15