Brevet FR2951551A1 — publié le 20110422

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure du courant électrique fourni par une ligne haute tension à un véhicule ferroviaire. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Différentes compagnies de transport peuvent désormais, suite à l'ouverture du marché ferroviaire à la concurrence, faire circuler des trains sur un même réseau ferroviaire. Par ailleurs, sur un même réseau ferroviaire peuvent également opérer plusieurs fournisseurs d'énergie. Pour pouvoir facturer la consommation de chaque compagnie de transport il est par conséquent nécessaire de mesurer de façon fiable et précise la consommation de chaque véhicule ferroviaire sur son parcours. A cet effet on équipe les véhicules ferroviaires de dispositif permettant de compter l'énergie fournie à la locomotive. On connaît à cet effet un premier dispositif de mesure utilisant un capteur à effet Hall, ce dispositif n'est toutefois pas satisfaisant car il ne permet pas une bonne précision de la mesure du courant sur toute la plage de fonctionnement compte tenu de non-linéarités, de l'offset et de phénomènes d'hystérésis. De ce fait ce premier dispositif de mesure ne pourra satisfaire à la norme EN50463 prochainement applicable. On connaît également du document EP 1 882 954, déposé par la demanderesse, un second dispositif de mesure basé sur une technique de mesure connue sur les lignes de haute tension à savoir un shunt de mesure de courant. Cette technique qui permet une mesure fiable et précise pose toutefois de nombreux inconvénients. Notamment ce dispositif est volumineux et présente une masse importante. De plus, l'installation de ce dispositif sur un véhicule ferroviaire du parc existant est couteuse et nécessite un temps de main d'oeuvre important car il est nécessaire de démonter les barres d'origine. Par ailleurs, le shunt fournit des tensions de l'ordre de 50 à 100mV, ce qui avec un courant de 2500A crée des pertes non négligeables, et un échauffement local important, même au courant nominal. Le parc de véhicule ferroviaire étant très important, il y a un grand intérêt à proposer un dispositif de mesure dont la structure permet un temps de pose significativement plus court notamment inférieur à deux heures tout en assurant une mesure fiable et la conformité avec les normes en vigueur ou prochainement applicables telle que la norme EN50463. OBJET DE L'INVENTION La présente invention a pour objet de présenter un dispositif de mesure permettant de pallier aux inconvénients des dispositifs de mesure décrits ci-dessus et notamment de proposer un dispositif de mesure dont l'installation sur le véhicule ferroviaire comporte un nombre restreint d'opérations d'usinage et de montage. La présente invention a également pour objet un procédé mettant en oeuvre ce dispositif de mesure. RESUME DE L'INVENTION A cet effet l'invention concerne un dispositif de mesure du courant électrique fourni par une ligne haute tension à un véhicule ferroviaire comportant, selon l'invention, des moyens de connexion aptes à connecter le dispositif en deux points dits de jonction du bus de puissance du véhicule, des moyens de mesure permettant la mesure d'une différence de potentiel entre les deux points de jonction du bus, et des moyens de correction de la valeur mesurée. Selon l'invention, le procédé de mesure mettant en œuvre du dispositif comprend, lors du montage du dispositif sur le bus de puissance, une étape de calibrage du dispositif de mesure BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture d'un exemple détaillé de réalisation en référence aux figures annexées, fournies à titre d'exemple non limitatif et telles que : - la figure 1 représente de manière schématique un exemple de réalisation du dispositif sur le bus de puissance d'un 15 véhicule ferroviaire, - la figure 2 représente un graphique illustrant l'évolution de la résistivité du cuivre en fonction de la température, - la figure 3 représente un dispositif 20 pour la mise en œuvre du procédé de calibrage. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En se reportant principalement à la figure 1 on voit représenté un dispositif de mesure 1. 25 Ce dispositif 1 a pour fonction de venir mesurer le courant électrique fourni par une ligne haute tension à un véhicule ferroviaire et plus précisément à la locomotive ou aux motrices d'un train. Ce dispositif de mesure 1 comporte à cet effet 30 des moyens de connexion 2 permettant la connexion entre le dispositif 1 et le bus de puissance du véhicule 3. Ce bus de puissance 3 sera constitué dans le reste de la demande par une barre de cuivre. Dans l'exemple de réalisation la connexion 35 s'effectue en deux points dits points de jonction 4. Toutefois, dans le cas où le dispositif de mesure 1 équipe un véhicule comportant plusieurs bus de puissance 3 et notamment deux barres de cuivre en parallèle du véhicule, on prévoit au niveau des moyens de connexion 2 quatre câbles à savoir deux câbles par barre de cuivre. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention les moyens de connexion 2 comportent des moyens d'enserrement 6. Ces moyens d'enserrement 6 permettent une connexion sans avoir à réaliser d'usinage sur la barre de puissance 3. De manière avantageuse des moyens d'enserrement 6 comportent deux pinces chacune étant assujettie à une extrémité de chaque câble 5. Ces pinces viennent enserrer la barre de cuivre 3 et sont ainsi aisément positionnables sur la barre de cuivre 3. La connexion du dispositif de mesure 1 sur le bus de puissance 3 est alors assurée. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux puisqu'il permet un montage et un démontage rapide des câbles 5 sur le bus de puissance 3. Différents autres types de connexion à la portée de l'homme du métier sont cependant envisageables. A titre d'exemple, dans une première variante on réalise l'assemblage par boulonnage après avoir inséré l'extrémité de chaque câble 5 dans un percement ménagé dans le bus de puissance. Dans une seconde variante, on réalise la connexion du câble 5 en venant souder son extrémité à l'intérieur d'un percement ménagé dans le bus de puissance 3. La distance entre les points de jonction 4 ne doit être trop courte afin d'avoir une tension suffisante 30 pour assurer la précision de la mesure. A cette fin on prévoit que l'écartement entre les deux points de jonction 4 sur le bus de puissance 3 est supérieur à 100 mm et de préférence de l'ordre de 200mm. Le dispositif de mesure 1 comporte en outre des 35 moyens de mesure, ces moyens de mesures 7 permettent la mesure d'une différence de potentiel entre les deux points de jonction du bus et comporte un convertisseur 8 de type CAN relié à des moyens de traitement 9. Le dispositif de mesure 1 comporte également des moyens de correction 10 de la valeur mesurée. Ces moyens 5 de correction 10 comportent d'une part des moyens de mesure de la température 11 du bus de puissance 3 et d'autre part les moyens de traitement 9 reliés au convertisseur 8. Ces moyens de traitement 9 comportant un processeur 12 associé à une mémoire non volatile 13. Ces moyens de traitement 9 sont, en outre, associés à une alimentation 14 permettant son fonctionnement. Cette alimentation 14 en continu présente une isolation galvanique élevée entre son entrée et sa sortie. Les moyens de traitement 9 comportent des moyens de transmission 16 de la valeur corrigée en direction d'une unité de traitement extérieure 15. Avantageusement ces moyens de transmission 16 sont de type optique assurant un isolement galvanique entre la barre de puissance et le signal de sortie représentatif de la valeur corrigée. Les moyens de mesure de la température 11 permettent de corriger la mesure du potentiel en fonction de la dérive ohmique du matériau du bus de puissance avec une variation de la température. En effet, la mesure de la différence de potentiel sur le bus de puissance 3, constitué par la barre de cuivre, doit tenir compte du fait que la résistivité du cuivre évolue fortement dans la gamme de température - 40°C/+150°C et rend nécessaire une compensation en fonction de la température du bus de puissance. Il faut cependant noter que sur la gamme de température précitée, l'évolution de la résistivité du cuivre est sensiblement linéaire, de sorte qu'une approximation linéaire permet d'obtenir une valeur précise de la résistivité de la barre en fonction de la variation de température. A ce sujet, un graphique montrant la variation de la résistivité en fonction de la variation de température 5 est représenté en figure 2. Le paramètre température va varier lors des différentes prises de mesure et doit donc être pris en compte et faire l'objet d'une compensation en permanence. A cette fin les moyens de mesure de la 10 température 11 sont avantageusement réalisés par un capteur de température 17 de type circuit intégré. Ce type de capteur peut présenter des résolutions de 0.07°C au mieux. En termes de résolution cela est suffisant car une évolution de 1°C donne une mesure de tension 15 supérieure de 0.4% pour le même courant, donc pour 0.07°C seulement 0.028%, bien inférieur au 1% recherché. La demanderesse a également établit lors de tests que la fonction de compensation suivante permettait d'obtenir une compensation adéquate des valeurs de 20 tension mesurées par les moyens de mesure : p(6)=p(2O C)* i+K* -2 fl Avec 25 8 : température de la barre en °C p : résistivité en Û.m K : coefficient de température Cela étant, d'autres paramètres de dispersion de la 30 mesure dépendent des caractéristiques du montage ou des composants utilisés ou encore de la géométrie du bus de puissance et doivent être calculés pour pouvoir être compensés. Ces paramètres sont principalement la variation de 35 côte de la section et de l'entraxe du bus de puissance au niveau des points de jonction, l'écart entre les points de jonction, la variation de la composition chimique de la barre ou encore la dérive du convertisseur analogique. Ces paramètres ne varient pas toutefois lors du fonctionnement du dispositif de mesure 1 et peuvent par conséquent être calibrés par des moyens de calibration une fois le montage réalisé. Le calibrage, une fois réalisé, permet le calcul de la dispersion lors du fonctionnement du dispositif de mesure 1 pour une température donnée. En effet, la résistance entre les points de jonction 4 suit la formule suivante : =p(20°.. ° ù°C L Avec L : longueur entre les points de mesure en mètres S : section de cuivre en m2 Etant donnée que cette équation est linéaire (8 est la 20 seule variable), elle peut s'écrire sous la forme RO= b En développant l'équation R(9) on obtient a et b : R = p(2 °C) C1- KO ù 20 p(2 s L + p (3°C) L ù 2{ s~ K * p(2 °C) * L S Donc on a pour a et b : 30 s 35 Le capteur de température 17 comprend lui aussi une erreur de gain et d'offset qui suit l'équation suivante : 25 rre ré G*8rêed+affse Avec : G : erreur de gain, sur toute la plage de mesure Offset : décalage de niveau, sur toute la plage de mesure Etant donnée que cette équation est linéaire (A est la seule variable), elle peut s'écrire sous la forme $rra esu ré = c * &réel - - d Avec : c=G Et d =offset En résumé, les dispersions subies sont les suivantes : 20 R+rëett= a*8rée+.b et es°uré = c * &rit + d 25 (2) peut s'écrire aussi sous la forme de : 15 (1) (2) &réel = &mesuré - d c (3) 30 Donc en intégrant (3) dans (1) on obtient : a * es.ré - d) R e ur )_ +b Donc (8m es ré = - = & me= re - {t + b c r Cette équation peut aussi s'écrire sous la forme : urê) = .A esi ré 4- B 35 a a*d +b et e Où : 40 Si l'on développe A et B cela donne : K * p 00C G*S Et Ksp Q°C)sLsofflet p(2 °C)* ù (120*.)*L G *S 10 On peut par conséquent une fois les inconnues A et B calibrées compenser de manière précise les déviations pour une température donnée. De plus il n'est pas nécessaire de calibrer 15 individuellement les différents paramètres p(20°C), L, S, offset, G et K pour compenser la mesure en température, seule la détermination des inconnues A et B est nécessaire. En se reportant à la figure 3 on voit représenté un 20 exemple de réalisation d'un dispositif de calibrage 18 permettant la détermination des paramètres A et B propres à l'ensemble constitué du dispositif de mesure 1 et du bus de puissance 3. Ce dispositif de calibrage 18 permet de réaliser l'étape de calibrage du procédé de mesure. 25 Selon l'exemple avantageux la figure 3, le dispositif de shunt de précision 19 d'un l'intensité du courant injecté In pour ne pas échauffer le 30 résistance de shunt de l'ordre injecté de 2500 A. Le dispositif de calibrage 18 comporte en outre un premier multimètre de précision 20 associé au shunt pour déduire le courant circulant dans le circuit (Vshunt) et 35 un second multimètre de précision 21 pour mesurer la tension entre les bornes de mesure distantes de L (Vbarre). de réalisation illustré à calibrage 18 comprend un calibre plus élevé que dans le bus de puissance shunt. Par exemple une de 5000A pour un courant 2 0 Vbavre Rshunt R esuré) * Vsk n t L'étape de calibrage consiste à mesurer au moins un courant injecté dans le bus de puissance 3 entre les points de jonction 4 à l'aide du second multimètre 21 et à la comparer à une mesure de shunt. A titre d'exemple on pourra injecter, pour réaliser le calibrage, des courants représentant 4, 10, 100 et 120% du courant nominal et effectuer des mesures avant et après stabilisation. D'autres modes de réalisation du dispositif de calibrage 18 peuvent également être envisagés et notamment le shunt de précision 19 peut dans une variante être remplacé par un autre dispositif de mesure. Le calibrage consiste ainsi à injecter au moins un courant dans le bus de puissance (3), à mesurer la tension entre les points de jonction (4) et à la comparer à une mesure obtenue en parallèle par le dispositif de calibrage (18). La tension lue sur la barre de cuivre sera : Ce qui donne : R (8m esurê) = Lr hx t Rappelons nous que : R(me ré) .4 -est On a donc arre + Rshunt 25 30 es re + B Vbar~re *Rshunt Vshunt 35 Les valeurs de Vbarre, Rshunt et Vshunt pour deux valeurs de emesuré étant connus, on peut en déduire les coefficients A et B propres à l'installation. Les moyens de traitement 9 sont ensuite programmés en fonction des valeurs obtenues pour A et B. Le dispositif de mesure 1 peut donc être monté sur des bus de puissance 3 et être calibré de manière fiable indépendamment de la géométrie du bus de puissance 3 et du montage des points de jonction 4. Le dispositif de mesure 1 est opérationnel une fois calibré. Le fonctionnement du dispositif de mesure 1 consiste alors à réaliser à la fois des mesures de différence de potentiel entre les deux points de jonction et des mesures de température, puis à compenser la valeur mesurée en fonction des paramètres A et B et de la température. La valeur compensée est ensuite transmise en direction de l'unité de traitement extérieure 15. Le procédé de mesure selon l'invention comporte en plus de l'étape de calibrage, une étape de mesure de la différence de potentielle, une étape de correction de la valeur obtenue par l'étape de mesure et une étape de transmission de la valeur corrigée. Compte tenu des impératifs des normes en vigueur, la mesure de différence de potentiel entre les deux points de jonction 4 sera réalisée en continu. Le dispositif de mesure 1 décrit ci-dessus permet par conséquent de mesurer avec précision et en temps réel le courant consommé par le véhicule ferroviaire. Ce dispositif de mesure 1 est par ailleurs relativement aisé à installer par rapport aux dispositifs antérieurs puisqu'il ne nécessite pas le démontage des barres de cuivre. D'autres caractéristiques de l'invention auraient également pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure du courant électrique fourni par une ligne haute tension à un véhicule ferroviaire caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de connexion (2) aptes à connecter le dispositif en au moins deux points dits de jonction (4) du bus de puissance (3) du véhicule, des moyens de mesure (7) permettant la mesure d'une différence de potentiel entre les deux points de jonction du bus, et des moyens de correction (10) de la valeur mesurée. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1 dans lequel les moyens de correction (10) comportent des moyens de traitement (9) associés à des moyens de mesure de la température (11) permettant de corriger la mesure du potentiel en fonction de la dérive ohmique du matériau du bus de puissance avec une variation de la température. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2 dans lequel les moyens de mesure (11) comportent un capteur de température (17) de type circuit intégré. 4. Dispositif de mesure dans lequel les moyens de correction (10) de la valeur mesurée permettent en outre une compensation en fonction des caractéristiques des différents éléments de l'ensemble formé par le dispositif de montage et le bus de puissance (3). 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant des moyens de transmission (16) de la valeur corrigée de type optique assurant un isolement galvanique entre la barre de puissance et le signal de sortie représentatif de la valeur corrigée. 6. Dispositif de mesure selon l'unequelconque des revendications précédentes dans lequel l'écartement entre les deux points de jonction (4) sur le bus de puissance (3) est supérieur à 100 mm et de préférence de l'ordre de 200mm. 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les moyens de connexion (2) comportent des moyens d'enserrement (6) apte à enserrer le bus de puissance (3) et permettant la réalisation des points de jonction (4) et la connexion du dispositif de mesure sur le bus de puissance (3). 8. Procédé de mesure mis en œuvre dans un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on réalise lors du montage du dispositif sur le bus de puissance (3) une étape de calibrage du dispositif de mesure. 9. Procédé de mesure selon la revendication 8 dans lequel l'étape de calibrage consiste à injecter au moins un courant dans le bus de puissance (3), à mesurer la tension entre les points de jonction (4) et à la comparer à une mesure obtenue en parallèle par un dispositif de calibrage (18). 10. Procédé de mesure selon la revendication 8 dans lequel le procédé comporte une étape de mesure de la différence de potentielle, une étape de correction de la valeur obtenue par l'étape de mesure et une étape de transmission de la valeur corrigée. 11. Procédé de mesure selon la revendication 8 dans laquelle la mesure de différence de potentiel est réalisée en continu.