Brevet FR2910636A1 — publié le 20080627

CAPTEUR INDUCTIF DE MESURE DE COURANT La présente invention concerne un capteur de mesure de courant alternatif de type inductif. Les capteurs de mesure de courant alternatif sont classiquement utilisés dans les compteurs de consommation électrique à usage industriel ou résidentiel. Rus précisément, un capteur est associé à chaque phase du compteur. Ainsi, dans le cas d'un compteur monophasé, un seul capteur est utilisé, alors que dans le cas d'un compteur triphasé, trois capteurs de mesure sont utilisés pour permettre la mesure du courant dans chaque phase. De tels capteurs sont de réalisation difficile car ils requièrent une grande immunité aux contraintes d'environnement, qu'elles soient de type thermodynamique (température, pression, humidité) ou électromagnétique (champs électriques et magnétiques). Le capteur de mesure de courant doit en outre avoir une linéarité et une précision sur une large dynamique de courant et sur une large bande passante fréquentielle, l'onde de courant mesurée pouvant contenir de nombreux rangs harmoniques. Aujourd'hui, les solutions classiques pour de tels capteurs peuvent être regroupées en quatre grandes familles: les capteurs passifs de type résistif (shunt), les transformateurs de courant à noyau magnétique, les capteurs inductifs, les capteurs actifs de type à Effet Hall, ou capteurs de champ magnétique. Le principe physique utilisé par le capteur de courant conditionne son immunité aux paramètres d'environnement, et détermine notamment les moyens de fraude qui peuvent être appliqués au compteur pour falsifier la mesure de courant, et par suite, la comptabilisation de l'énergie électrique consommée. Par exemple, un capteur résistif de type shunt, basé sur la loi d'Ohm, est insensible par principe aux champs magnétiques continus, et faiblement sensible aux champs magnétiques alternatifs. Par contre, il présente une mauvaise stabilité en température. Un capteur inductif, qui possède un blindage de forte perméabilité magnétique, aura quant à lui une très bonne immunité aux champs magnétiques 2910636 2 alternatifs externes et, dans le cas d'un compteur électrique multi phases nécessitant un capteur par phase, une très bonne réjection des influences magnétiques interphases internes au compteur. En revanche, un tel capteur inductif aura une faible immunité aux champs magnétiques continus, notamment 5 ceux qui sont produits par des aimants permanents de forte puissance. Le capteur de mesure de courant de type inductif, basé sur un couplage magnétique dans l'air entre un circuit primaire qui est une phase du réseau sur lequel est placé le compteur d'électricité et un circuit secondaire galvaniquement isolé du circuit primaire, représente cependant le meilleur compromis technique 10 et économique, et l'on s'intéressera dans la suite uniquement à ce type de capteur. Aujourd'hui, il existe principalement trois sous-familles de capteurs de courant de type inductif: Dans une première sous-famille, les circuits primaire et secondaire sont 15 réalisés par des pièces électromécaniques assemblées. 01 connaît notamment du document FR 2803914 un capteur comportant un conducteur primaire linéaire en cuivre en forme de U, destiné à porter le courant alternatif à mesurer, ainsi qu'un bobinage disposé à l'intérieur du U, formant circuit secondaire. Un élément de blindage en matériau à forte perméabilité magnétique (de type alliage fer-nickel, 20 à forte teneur en nickel) entoure l'ensemble. La fonction de cet élément de blindage est double : Il s'agit, d'une part, d'emprisonner au sein du capteur le champ magnétique généré par le courant circulant dans le circuit primaire, et d'autre part, d'obtenir un capteur qui soit insensible aux champs magnétiques alternatifs extérieurs. 25 L'inconvénient principal d'un tel capteur réside dans l'existence même de l'élément de blindage qui utilise un matériau coûteux. Des essais ont été menés pour tenter de réduire l'épaisseur du blindage, mais cela se fait au détriment des performances de ce blindage. En outre, un tel élément de blindage peut être aisément saturé par l'utilisation frauduleuse d'un aimant permanent, 30 conduisant à une mesure erronée du courant. Dans une seconde sous-famille, le circuit secondaire du capteur de mesure de courant est réalisé par une ou plusieurs bobines planar sur circuit imprimé. Il n'est plus nécessaire ici d'utiliser d'éléments ferromagnétiques ou de blindages en matériau à forte perméabilité magnétique. Néanmoins, ce type de 2910636 3 capteur a une faible sensibilité (inférieure à 10011V/A à 50Hz ) qui résulte de la faible section totale de la bobine secondaire assurant la fonction de captation du flux magnétique primaire, cette faible sensibilité entraînant de fortes contraintes pour l'électronique de conditionnement et de traitement des signaux issus des 5 capteurs. Ce type de capteur possède une sensibilité aux champs magnétiques alternatifs externes, ainsi qu'une sensibilité à la présence de masses ferromagnétiques dans l'environnement proche du capteur. Dans une troisième sous-famille, le circuit secondaire du capteur de mesure de courant réalise une bobine Rogowski. Son principe est de réaliser une 10 bobine sans noyau magnétique, fermée autour du conducteur primaire. Cette bobine a une densité de spires constante par unité d'angle. La section de ces spires est également parfaitement constante sur tout le bobinage. Ce type de capteur, tout comme ceux de la seconde sous famille est naturellement immune vis à vis des champs magnétiques continus, il a également une faible sensibilité 15 (inférieure à 50011V/A à 50Hz) ; son point faible tient dans la difficulté de réalisation d'une bobine ayant une densité angulaire de spires constante et élevée tout en maîtrisant la section moyenne de ces spires tout au long de la bobine. L'on s' intéressera dans ce qui suit uniquement au capteur de la première sous famille ( pièces électromécaniques) . 20 Au vu de ce qui précède, le but principal de la présente invention est de proposer un capteur inductif de mesure de courant ne nécessitant plus d'élément de blindage, tout en offrant la double fonction précédente, à savoir une très bonne concentration des lignes de champ magnétique induit par le circuit primaire à l'intérieur du capteur, et une bonne immunité aux champs magnétiques 25 alternatifs extérieurs. Ce but est atteint grâce à l'invention qui a pour objet un capteur inductif de mesure de courant du type comportant un circuit primaire destiné à être parcouru par un courant alternatif à mesurer, et un circuit secondaire couplé magnétiquement dans l'air au circuit primaire, caractérisé en ce que ledit circuit 30 primaire comporte deux groupes comportant chacun 2P spires coaxiales selon un axe, p étant un entier supérieur ou égal à zéro, les deux groupes étant placés à égale distance de part et d'autre d'un point dudit axe constituant le centre du circuit primaire, de sorte que deux spires prises dans chacun des groupes, et placées de façon symétrique par rapport au centre du circuit primaire soient 2910636 4 destinées à être parcourues par un courant de même intensité mais de sens opposé, correspondant au courant alternatif à mesurer ou à une portion du courant alternatif à mesurer, et en ce que le circuit secondaire comporte au moins deux bobines multi spires connectées en série, les deux bobines étant 5 coaxiales et disposées le long dudit axe symétriquement par rapport audit centre du circuit primaire de sorte que chacune des deux bobines se retrouve à l'intérieur de l'un des deux groupes, chaque bobine possédant des spires enroulées dans un sens opposé par rapport aux spires de l'autre bobine. Grâce à cette géométrie particulière des circuits primaire et secondaire, 10 et à leur agencement relatif, la composante du champ magnétique sur l'axe de symétrie des circuits primaire et secondaire, générée par le courant circulant dans le circuit primaire est prédominante dans deux zones de l'espace symétriques par rapport au centre du circuit primaire, zones dans lesquelles se trouve chacune des bobines du circuit secondaire, alors qu'il décroît très rapidement à l'extérieur du 15 capteur. En outre, on peut démontrer qu'avec une telle géométrie du circuit primaire, la composante du champ magnétique est une fonction impaire par rapport à un système d'axe dont l'origine est le centre du capteur. Ainsi, les deux bobines du circuit secondaire génèrent une tension identique en amplitude, mais opposée en phase. En conséquence, ceci permet d'éliminer les tensions induites 20 par un champ magnétique alternatif constant. Enfin, en supprimant l'élément de blindage, on évite un autre inconvénient intrinsèque à cet élément, à savoir sa faible immunité au champ magnétique continu, généré par exemple par un aimant permanent. Selon un premier mode de réalisation correspondant au cas spécifique où 25 l'entier p ci-dessus est un entier pair, chacun des deux groupes du circuit primaire comporte plus précisément 22n spires identiques et coaxiales selon ledit axe, n étant un entier supérieur ou égal à zéro, et ledit courant de même intensité parcourant deux spires prises dans chacun des deux groupes correspond audit courant alternatif à mesurer. 30 lon un second mode de réalisation, chacun des deux groupes du circuit primaire comporte deux spires coaxiales selon ledit axe, et chacune des deux spires d'un même groupe est destinée à être parcourue par une portion du courant alternatif à mesurer complémentaire de la portion du courant alternatif dans l'autre spire. 2910636 5 Dans tous les cas, le circuit secondaire peut comporter deux groupements identiques comportant chacun deux bobines multi spires coaxiales disposées le long dudit axe, les deux groupements étant disposés symétriquement par rapport audit centre et connectés en série, les deux bobines d'un même groupement étant 5 connectées en série mais présentant des spires enroulées dans des sens opposés, les gains et les positions selon l'axe des bobines d'un même groupement étant déterminés pour compenser l'influence d'un champ magnétique alternatif externe à gradient linéaire sur toute la longueur du circuit secondaire. En variante, le circuit secondaire peut comporter deux groupements 10 identiques comportant chacun trois bobines multi spires coaxiales disposées le long dudit axe, les deux groupements étant disposés symétriquement par rapport audit centre et connectés en série, les trois bobines d'un même groupement étant connectées en série mais présentant des spires enroulées dans des sens opposés, les gains et les positions selon l'axe des bobines d'un même groupement étant 15 déterminés pour compenser l'influence d'un champ magnétique alternatif externe à gradient linéaire sur une longueur correspondant à la longueur de chaque groupement du circuit secondaire. En généralisant le principe de la variante précédente, on peut avantageusement prévoir que le circuit secondaire comporte deux groupements 20 identiques comportant chacun au moins un sous-groupement de trois bobines multi spires coaxiales disposées le long dudit axe ()X'), les deux groupements étant disposés symétriquement par rapport audit centre (0) et connectés en série, les trois bobines d'un même sous-groupement étant connectées en série mais présentant des spires enroulées dans des sens opposés, les gains et les positions 25 selon l'axe des bobines d'un même sous-groupement étant déterminés pour compenser l'influence d'un champ magnétique alternatif externe à gradient linéaire sur une longueur correspondant à la longueur de chaque sous-groupement du circuit secondaire. De manière avantageuse, les deux bobines ou les deux groupements du 30 circuit secondaire sont connectés, au niveau du centre du circuit primaire, à un même potentiel de référence. Grâce à cette disposition particulière, il est possible d'appliquer un traitement différentiel des tensions obtenues sur chacune des deux bobines, ou sur chacun des deux groupements, ce qui permet d'éliminer 2910636 6 les signaux de mode commun, notamment les tensions dues au couplage électrostatique entre primaire et secondaire. L'invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante, faite en référence aux figures annexées dans 5 lesquelles: - les figures la à 1c illustrent schématiquement plusieurs cas d' assemblages de spires formant des multi pôles magnétiques; - les figures 2a et 2b représentent différentes courbes de variations du champ magnétique selon l'axe des spires pour les cas des figures la à 1c; 10 - les figures 3 et 4 illustrent en perspective les circuits primaire et secondaire d'un premier capteur selon un premier mode de réalisation possible de l'invention, respectivement en vue éclatée et en vue assemblée; - les figures 5a et 5b illustrent des vues en plan respectivement des circuits primaire et secondaire du capteur desfigures3 et 4; 15 - la figure 6 illustre une vue de face partielle d'un compteur électrique muni de trois capteurs identiques; - la figure 7 est une variante du circuit primaire du premier capteur; - la figure 8a est une première variante du circuit secondaire du premier capteur; 20 - la figure 8b est une deuxième variante du circuit secondaire du premier capteur ; - les figures 9a et 9b illustrent, respectivement en perspective et en vue développée de dessus, un circuit primaire d'un second capteur selon le premier mode de réalisation possible conforme à l'invention; 25 - les figures 10a et 10b illustrent, respectivement en vue développée de dessus et en perspective, un circuit primaire d'un capteur selon un deuxième mode de réalisation possible conforme à l'invention; - la figure 11 représente différentes courbes de variations du champ magnétique selon l'axe des spires obtenues avec le circuit primaire selon la figure 30 10b. En se référant tout d'abord d'une part, aux figures la à 1c, et d'autre part, aux figures 2a et 2b, on décrit ci-après les principes d'électromagnétisme sur lesquels se fonde la présente invention. 2910636 7 Une spire circulaire parcourue par un courant est équivalente à un dipôle magnétique. Il en résulte qu'à l'extérieur de la spire et à distance de ce dipôle magnétique, l'amplitude du champ magnétique décroît en 1/x3, x étant l'abscisse d'un point de l'espace rapporté à un référentiel orthogonal passant par le centre 5 de la spire et utilisant l'axe de la spire comme axe horizontal. Dans ce même référentiel, la variation du champ magnétique sur l'axe de la spire est une fonction paire, c'est-à-dire une fonction symétrique par rapport à l'axe vertical du référentiel. La figure la étend ce principe au cas de deux spires SI, S2 coaxiales selon 10 un axe XX' , placées à égale distance de part et d'autre d'un point O constituant le centre de la structure ainsi formée, et parcourues par des courants identiques en amplitude mais de sens opposés, comme l'indique le sens des flèches sur les deux spires de la figure la. Dans ce cas, on peut démontrer que l'ensemble des deux spires se comporte comme un quadripôle magnétique, avec une décroissance du 15 champ magnétique en 1/x4 à distance de ce quadripôle. air la figure 2a, la courbe 1 représente la variation en amplitude du champ magnétique sur l'axe XX' passant par le centre O résultant de la spire SI, alors que la courbe 2 représente la variation en amplitude du champ magnétique sur l'axe XX' passant par le centre O résultant de la spire S2. La courbe 3 montre la résultante totale qui est la 20 superposition des deux champs générés par les spires SI et S2. Ainsi, on note que le champ magnétique sur l'axe des spires passant par le centre de la structure varie selon une fonction impaire, c'est-à-dire passant par le centre O et symétrique par rapport à ce centre O. La figure 2b représente également cette variation avec la courbe référencée 3. 25 air la figure lb, une autre structure est constituée de quatre spires identiques, ou encore de deux groupes G1, G2 de quadripôles tels que celui représenté sur la figure la. Les quatre spires sont coaxiales suivant l'axe )0 REVENDICATIONS 1. Capteur inductif de mesure de courant du type comportant un circuit primaire (10) destiné à être parcouru par un courant alternatif (I) à mesurer, et un circuit secondaire (20) couplé magnétiquement dans l'air au circuit primaire, caractérisé en ce que ledit circuit primaire (10) comporte deux groupes (SI, S2 ; G'1, G'2) comportant chacun 2P spires coaxiales selon un axe ()X'), p étant un entier supérieur ou égal à zéro, les deux groupes étant placés à égale distance de part et d'autre d'un point dudit axe constituant le centre (0) du circuit primaire (10), de sorte que deux spires prises dans chacun des groupes (SI, S2 ; G'1, G'2), et placées de façon symétrique par rapport au centre (0) du circuit primaire soient destinées à être parcourues par un courant de même intensité mais de sens opposé, correspondant au courant alternatif (I) à mesurer ou à une portion du courant alternatif (I) à mesurer, et en ce que le circuit secondaire (20) comporte au moins deux bobines multi spires connectées en série, les deux bobines étant coaxiales et disposées le long dudit axe ()OX') symétriquement par rapport audit centre (0) de sorte que chacune des deux bobines se retrouve à l'intérieur de l'un des deux groupes (SI, S2 ; G'1, G'2), chaque bobine possédant des spires enroulées dans un sens opposé par rapport aux spires de l'autre bobine. 20 2. Capteur inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des deux groupes (SI, S2; G'1, G'2) du circuit primaire comporte 22n spires identiques et coaxiales selon ledit axe ()OX'), n étant un entier supérieur ou égal à zéro, et en ce que ledit courant de même intensité parcourant deux spires prises dans chacun des deux groupes correspond audit courant 25 alternatif (I) à mesurer. 3. Capteur inductif selon la revendication 2, dans lequel l'entier n est égal à zéro, caractérisé en ce que le circuit primaire (10) est formé d'une pièce unique en matériau électriquement conducteur, comprenant deux extrémités (11, 12) formant respectivement les bornes d'entrée et de sortie 30 du circuit primaire, ainsi qu'une partie entre les deux extrémités (11, 12) repliée selon un forme sensiblement cylindrique et creuse formant deux spires identiques coaxiales à l'axe de révolution de la forme cylindrique, 2910636 connectées en série par une connexion (13) s'étendant parallèlement à l'axe (Xx) 4. Capteur inductif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe ()OX') s'étend dans un plan parallèle au plan contenant les bornes d'entrée et de 5 sortie (11, 12), avec une inclinaison telle que sa projection dans le plan contenant les bornes d'entrée et de sortie n'est pas perpendiculaire à la direction longitudinale des bornes. 5. Capteur inductif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe ()OX') est orthogonal au plan contenant les bornes d' entrée et de sortie (11, 12). 10 6. Capteur inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des deux groupes (G' 1, G'2) du circuit primaire comporte deux spires coaxiales selon ledit axe ()OC), chacune des deux spires étant destinée à être parcourue par une portion du courant alternatif (I) à mesurer complémentaire de la portion du courant alternatif dans l'autre spire. 15 7. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux bobines du circuit secondaire (20) sont connectées, au niveau du centre du circuit primaire (10), à un même potentiel de référence. 8. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le circuit secondaire (20) comporte deux groupements identiques comportant chacun deux bobines multi spires (L1, L2 ; L3, L4) coaxiales disposées le long dudit axe ()X'), les deux groupements étant disposés symétriquement par rapport audit centre (0) et connectés en série, les deux bobines d'un même groupement étant connectées en série mais présentant des spires enroulées dans des sens opposés, les gains et les positions selon l'axe des bobines d'un même groupement étant déterminés pour compenser l'influence d'un champ magnétique alternatif externe à gradient linéaire sur toute la longueur du circuit secondaire. 9. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit secondaire (20) comporte deux groupements identiques comportant chacun trois bobines multi spires (L1- L3 ; L4-L6) coaxiales disposées le long dudit axe ()X'), les deux groupements étant disposés symétriquement par rapport audit centre (0) et connectés en 2910636 21 série, les trois bobines d'un même groupement étant connectées en série mais présentant des spires enroulées dans des sens opposés, les gains et les positions selon l'axe des bobines d'un même groupement étant déterminés pour compenser l'influence d'un champ magnétique alternatif externe à 5 gradient linéaire sur une longueur correspondant à la longueur de chaque groupement du circuit secondaire. 10. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit secondaire comporte deux groupements identiques comportant chacun au moins un sous-groupement de trois bobines 10 multi spires coaxiales disposées le long dudit axe ()X'), les deux groupements étant disposés symétriquement par rapport audit centre (0) et connectés en série, les trois bobines d'un même sous-groupement étant connectées en série mais présentant des spires enroulées dans des sens opposés, les gains et les positions selon l'axe des bobines d'un même sous- 15 groupement étant déterminés pour compenser l'influence d'un champ magnétique alternatif externe à gradient linéaire sur une longueur correspondant à la longueur de chaque sous-groupement du circuit secondaire. 11. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, 20 caractérisé en ce que les trois bobines d'un même groupement ou sous-groupement sont telles que le gain de la bobine centrale d'un même groupement ou sous-groupement corresponde au double du gain des deux autres bobines. 12. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, 25 caractérisé en ce que les deux groupements du circuit secondaire (20) sont connectés, au niveau du centre du circuit primaire (10), à un même potentiel de référence.