Brevet FR2975779A1 — publié le 20121130

Capteur de courant sans-fil Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur de courant sans-fil permettant de mesurer le courant électrique circulant dans un conducteur électrique. Le capteur de courant de l'invention permet de mesurer le courant circulant dans un conducteur électrique et de transmettre des données de mesure vers une station centrale distante. Le capteur de courant de l'invention présente l'avantage d'être autonome en énergie électrique en s'alimentant par induction grâce au courant électrique circulant dans le 1 o conducteur électrique. Etat de la technique Des capteurs de courant sans-fil et autonomes en énergie électrique sont connus des documents W02008/142425 ou W02010/119332. Ces documents 15 proposent des solutions permettant de mesurer le courant électrique circulant dans un conducteur électrique. Pour cela, elles comportent un tore muni d'un enroulement et agencé autour du conducteur électrique, le conducteur électrique formant le primaire d'un transformateur et l'enroulement le secondaire du transformateur. Cet agencement permet à la fois la mesure du courant électrique circulant dans le conducteur et la 20 génération d'une énergie électrique destinée à alimenter un circuit électronique de mesure. Ces solutions prévoient de transmettre les données de mesure du courant électrique en employant un émetteur sans-fil couplé à une station centrale distante. Le but de l'invention est de proposer un capteur de courant sans-fil muni d'un seul tore et autonome en énergie électrique qui permet d'optimiser le temps de mesure 25 du courant électrique en fonction de l'énergie électrique disponible. Exposé de l'invention Ce but est atteint par un capteur de courant sans-fil destiné à la mesure d'un courant électrique circulant dans un conducteur électrique, ledit capteur de 30 courant sans-fil comportant : un transformateur de courant comportant un noyau destiné à être agencé autour dudit conducteur électrique formant un primaire dudit transformateur, et un enroulement réalisé autour du noyau et formant un secondaire dudit transformateur pour récupérer une énergie électrique lorsqu'un courant électrique circule dans le conducteur électrique, un circuit électronique connecté au secondaire du transformateur, le circuit électronique comportant : des moyens de stockage de l'énergie électrique générée, des moyens de mesure du courant électrique circulant dans le conducteur électrique comportant un microcontrôleur alimenté grâce à l'énergie électrique emmagasinée dans les moyens de stockage de l'énergie électrique et permettant de générer des données de mesure du courant électrique circulant dans le conducteur électrique, un émetteur/récepteur de données sans-fil couplé audit microcontrôleur et permettant d'envoyer les données de mesure, des moyens de détermination d'un mode de fonctionnement du capteur de courant dans lequel une durée de mesure du courant électrique tient compte d'une valeur dudit courant électrique mesuré ou d'une valeur de tension mesurée aux bornes des moyens de stockage de l'énergie électrique. 20 Selon une particularité, le capteur de courant comporte des moyens de détection d'une diminution brusque de la valeur du courant électrique mesuré et des moyens d'activation de l'émetteur/récepteur sans-fil afin d'envoyer les données de mesure lorsque la diminution brusque est détectée. Selon une autre particularité, les moyens de stockage d'énergie comportent 25 un dispositif doubleur de tension comportant deux condensateurs et deux diodes. Selon une autre particularité, le noyau du transformateur se présente sous la forme d'un tore destiné à venir se positionner autour du conducteur électrique. Selon un premier mode de réalisation, le circuit électronique comporte des moyens de sélection entre un mode chargeur dans lequel l'énergie électrique est 30 stockée dans les moyens de stockage de l'énergie électrique et un mode mesure dans lequel l'énergie électrique est employée pour mesurer le courant électrique, déterminer les données de mesure et envoyer les données de mesure. Selon une particularité de ce premier mode de réalisation, les moyens de sélection se présentent sous la forme de deux transistors connectés entre eux par leur 35 drain respectif et dotés chacun d'une diode montée entre le drain et la source. 10 15 Selon une autre particularité de ce premier mode de réalisation, les moyens de mesure comportent une résistance de mesure connectée en série avec les deux transistors et en parallèle des moyens de stockage de l'énergie électrique. Selon un second mode de réalisation, les moyens de mesure comportent une résistance de mesure connectée en série avec les moyens de stockage de l'énergie électrique. Ce mode de réalisation ne comporte donc pas de moyens de sélection permettant de sélectionner entre un mode mesure et un mode chargeur. Selon une particularité de ce second mode de réalisation, le capteur de courant sans-fil comporte un mode de fonctionnement destiné à la détection d'un 1 o défaut de courant. Ce mode de fonctionnement n'est permis que pour le second mode de réalisation car il suppose de pouvoir mesurer le courant en permanence. Selon l'invention, dans un mode de fonctionnement déterminé, il est agencé pour commuter, pendant une durée déterminée, l'émetteur/récepteur sans-fil en mode récepteur après une émission de données de mesure afin de recevoir des données 15 provenant de la station centrale. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : 20 la figure 1 représente de manière schématique un système comportant le capteur de courant sans-fil de l'invention et une station centrale distante destinée à collecter les données de mesure du courant, la figure 2 représente un schéma électronique du capteur de courant de l'invention selon un premier mode de réalisation, 25 la figure 3 représente le diagramme de fonctionnement du capteur de courant de l'invention selon le premier mode de réalisation, la figure 4 représente un schéma électronique du capteur de courant de l'invention selon un second mode de réalisation, la figure 5 représente le diagramme de fonctionnement du capteur de 30 l'invention selon le second mode de réalisation. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention concerne un capteur de courant sans-fil et entièrement autonome en énergie. En référence à la figure 1, le capteur de courant 10 sans-fil de l'invention est destiné à mesurer le courant électrique I circulant dans un conducteur électrique 20. Il se présente sous la forme d'un boîtier venant se fixer sur le conducteur électrique et permettant, grâce à des moyens de mesure, de déterminer des données de mesure liées au courant électrique alternatif circulant dans le conducteur électrique et, grâce à des moyens de transmission, d'envoyer les données de mesure à une station centrale 30 distante. La station centrale 30 comporte par exemple un afficheur 300 destiné à afficher les données de mesure ou toute autre information. Dans la suite de la description, on entend par données de mesure du courant électrique toutes données liées au courant électrique alternatif circulant dans le conducteur électrique 20, telles que par exemple : la valeur efficace du courant moyen qui circule dans le conducteur électrique 20, la valeur efficace du courant minimum qui circule dans le conducteur électrique 20 sur une durée de mesure donnée, la valeur efficace du courant maximum qui circule dans le conducteur électrique sur une durée de mesure donnée, le niveau de la fréquence fondamentale du courant I qui circule dans le conducteur électrique 20, le niveau des harmoniques de rang 2, 3, 4, 5 (voir plus si nécessaire) du courant qui circule dans le conducteur électrique 20, le taux de distorsion harmonique en courant THDi, la présence d'un défaut de courant (surintensité suivie d'un passage à zéro du courant électrique), un instant de passage au zéro de courant permettant par exemple à la station centrale 30 de calculer le facteur de puissance (cos phi), permettant ensuite au capteur de courant 10 d'affiner une évaluation de l'énergie totale transitant sur le conducteur électrique 20. Pour que la station centrale 30 détermine le facteur de puissance, l'émission radio du capteur de courant 10 doit être synchronisée avec le passage à zéro du courant. En effet, à partir de l'information sur l'instant de passage à zéro du courant et de l'information sur l'instant de passage à zéro de la tension d'alimentation appliquée au conducteur électrique et connue de la station centrale 30, la station centrale 30 peut ainsi déterminer le facteur de puissance. Dans la suite de la description, les moyens de transmission des données correspondent à un émetteur/récepteur E/R sans-fil permettant à la fois d'envoyer ou de recevoir des données. Le capteur de courant 10 de l'invention comporte plus précisément un noyau 1 o se présentant sous la forme d'un tore 100 destiné à être traversé par le conducteur électrique 20 dont on cherche à mesurer le courant. Un enroulement 101 est réalisé autour dudit tore 100. Le tore est par exemple ouvrant, ce qui lui permet de venir se positionner autour du conducteur électrique 20. Lorsque le capteur de courant 10 est en position sur le conducteur électrique 20, le conducteur électrique 20 forme alors le 15 primaire d'un transformateur de courant et l'enroulement 101 forme le secondaire dudit transformateur de courant. Grâce à cette architecture, le courant circulant dans le secondaire du transformateur de courant est l'image du courant I circulant dans le primaire du transformateur. Dans la suite de la description, le courant électrique mesuré est le courant 20 circulant dans le secondaire du transformateur mais il faut comprendre qu'il correspond au courant primaire I circulant dans le conducteur électrique 20 puisqu'il est l'image du courant primaire. Le capteur de courant 10 de l'invention comporte également un circuit électronique enfermé dans son boîtier et connecté directement aux deux fils de 25 l'enroulement 101 du secondaire. Ce circuit électronique comporte des moyens de stockage de l'énergie électrique générée grâce au transformateur de courant, les moyens de mesure et l'émetteur/récepteur sans-fil précités qui sont alimentés par l'énergie électrique stockée dans les moyens de stockage de l'énergie électrique. Les moyens de mesure comportent un microcontrôleur UC associé à deux régulateurs de 30 tension linéaires LDO et permettant notamment de déterminer les données de mesure à envoyer vers la station centrale 30 et de gérer l'envoi de ces données de mesure dans le temps en fonction de règles de fonctionnement préétablies mémorisées dans le capteur de courant 10. Les moyens de mesure comportent également une résistance de mesure Rm, préférentiellement de faible valeur (par exemple égale à 1 Ohm). L'émetteur/récepteur E/R sans-fil est par exemple de type radiofréquence. Toute autre technologie sans fil peut bien entendu être envisagée. Selon l'invention, le circuit électronique peut se présenter sous la forme de deux montages distincts représentés sur les figures 2 et 4. Dans les deux montages proposés, la mesure du courant électrique I n'est pas toujours permanente. Selon le mode fonctionnement appliqué, la durée de mesure du courant peut varier. Cette durée de mesure varie en fonction de la valeur efficace du courant électrique I mesuré dans le conducteur électrique 20 et de la valeur de la 1 o tension mesurée aux bornes des moyens de stockage de l'énergie électrique. Le premier montage représenté sur la figure 2 présente la particularité de fonctionner en discontinu entre un mode chargeur et un mode mesure. En mode chargeur, le courant secondaire passe dans les moyens de stockage de l'énergie électrique mais pas à travers la résistance de mesure Rm. En mode mesure, le 15 courant secondaire traverse la résistance de mesure Rm mais pas les moyens de stockage de l'énergie électrique. Le capteur comporte ainsi des moyens de sélection permettant de choisir entre le mode mesure et le mode chargeur. Les données de mesure sont préférentiellement envoyées lorsque le capteur de courant est en mode chargeur. 20 Plus précisément, ce premier montage comporte une boucle de circuit comportant la résistance de mesure Rm et un interrupteur formant les moyens de sélection, et une deuxième boucle de circuit montée en parallèle de la première boucle de circuit et comportant les moyens de stockage de l'énergie électrique. Sur la première boucle de circuit, l'interrupteur est monté en série avec la résistance de 25 mesure. Lorsque l'interrupteur est à l'état fermé, le courant secondaire passe dans la première boucle de circuit, c'est-à-dire à travers la résistance de mesure Rm, et lorsqu'il est à l'état ouvert, le courant secondaire passe par la deuxième boucle de circuit et permet de charger les moyens de stockage de l'énergie électrique. L'interrupteur est par exemple composé de deux transistors Ti, T2 de type MOSFET 30 canal N connectés entre eux en série par leur drain respectif. Chaque transistor MOSFET est doté d'une diode montée entre son drain et sa source. Les deux diodes sont orientées dans des sens opposés. Les deux transistors Ti, T2 sont commandés chacun par des signaux de commande S1, S2 envoyés par le microcontrôleur UC. Ce montage permet de pouvoir gérer les deux alternances du courant secondaire. Les moyens de stockage de l'énergie électrique sont par exemple composés de deux condensateurs Cl, C2 et de deux diodes D1, D2 agencés entre eux sous la forme d'un doubleur de tension de "Latour" permettant de récupérer l'énergie électrique générée lors de l'alternance positive du courant électrique dans l'un des deux condensateurs et de récupérer l'énergie électrique générée lors de l'alternance négative du courant électrique dans l'autre condensateur. Les deux régulateurs de tension linéaires LDO connectés en parallèle des condensateurs Cl, C2 permettent de délivrer chacun une tension constante au microcontrôleur UC et à l'émetteur/récepteur E/R sans-fil. Lorsque l'interrupteur est commandé à l'état fermé par le microcontrôleur, une 1 o information sur la mesure de la tension aux bornes de la résistance de mesure Rm lui permet de déduire la valeur efficace du courant électrique. Une information sur la valeur Vs de la tension aux bornes de l'un des condensateurs Cl est également envoyée périodiquement au microcontrôleur UC afin de surveiller en permanence l'énergie électrique disponible. Ces deux informations sont employées par le 15 microcontrôleur UC pour sélectionner le mode de fonctionnement du capteur de courant 10, notamment la durée de mesure sur une période de temps déterminée. L'avantage de ce premier montage est qu'en mode mesure, la forme d'onde de la tension aux bornes de la résistance de mesure Rm est une image fidèle du courant I qui circule dans le conducteur électrique 20. En effet, du fait de la faible 20 valeur de la résistance de mesure Rm, en mode mesure, le secondaire du transformateur de courant se trouve dans une configuration proche du court-circuit. Ce montage est donc parfaitement adapté à la mesure des harmoniques du courant I et à la maîtrise du déphasage entre le primaire et le secondaire du transformateur de courant. 25 Pour ce premier montage représenté sur la figure 2, lorsque le courant ne peut jamais être mesuré en permanence, un cycle de fonctionnement du capteur comporte : temps de charge des moyens de stockage de l'énergie électrique, ordre de conduction des transistors Ti, T2, 30 temps de stabilisation du courant mesuré, temps de mesure du courant, ordre d'ouverture des transistors, temps d'émission radio. Pour ce premier montage, on distingue les modes de fonctionnement suivants : ModeO - IO - Le courant électrique I circulant dans le conducteur électrique 20 est trop faible pour pouvoir alimenter le circuit électronique du capteur de courant 10. Mode 1 - 2S I 5A Le courant électrique I circulant dans le conducteur électrique 20 est faible mais suffisant pour alimenter le circuit électronique du capteur 10, à l'exception du convertisseur analogique-numérique (CAN). Aucune mesure du courant n'est réalisée. Transmission périodique par l'émetteur/récepteur E/R sans-fil qu'un faible courant circule dans le conducteur électrique 20. Mode 2- 5 2,8V 1 1 Vs>5,1V 2 1 Vs 7A ou Vs>5,1V après 3 une transmission 3 5 20A 4 4 7 100A 5 4 5 Le second montage représenté sur la figure 4 permet un fonctionnement continu en mesure et en charge. Par rapport au premier montage, le second montage n'emploie pas d'interrupteur permettant de choisir entre le mode chargeur et le mode mesure. Sur ce montage, le doubleur de tension de "Latour" est réemployé et connecté directement sur l'enroulement 101 du secondaire du transformateur de 1 o courant. La résistance de mesure Rm est connectée au point milieu des deux condensateurs. Comme dans le premier montage, les deux régulateurs de tension linéaires LDO sont connectés en parallèle des deux condensateurs Cl, C2 et permettent de réguler l'alimentation du microcontrôleur UC et de l'émetteur/récepteur E/R sans-fil. La tension disponible aux bornes de l'un des condensateurs Cl est 15 également surveillée et envoyée au microcontrôleur afin de connaître en permanence la tension Vs et ainsi l'énergie électrique disponible. Comme le courant est susceptible d'être surveillé en permanence, cette solution présente l'avantage de pouvoir détecter un défaut de courant. Cette fonctionnalité est mise en oeuvre par la détection d'un passage brutal d'un courant relativement élevé (par exemple supérieur à 20A) à un 20 courant nul. Pour ce second montage, lorsque le courant ne peut pas être mesuré en permanence, un cycle de fonctionnement du capteur comporte : temps de charge des moyens de stockage de l'énergie électrique, temps de stabilisation du courant mesuré, 25 - temps de mesure du courant, temps d'émission radio. Lorsque le courant est mesuré sur 100% du cycle de fonctionnement, toutes les autres tâches sont réalisées en parallèle par le microcontrôleur UC. 30 Pour ce second montage, les différents modes de fonctionnement sont les suivants : ModeO - 1 ~0 Le courant électrique I circulant dans le conducteur électrique 20 est trop faible pour pouvoir alimenter le circuit électronique du capteur de courant 10. Mode 1 - 2 I 5A Le courant électrique I circulant dans le conducteur électrique 20 est faible mais suffisant pour alimenter le circuit électronique du capteur de courant 10, à l'exception du convertisseur analogique-numérique (CAN). Aucune mesure du courant n'est réalisée. - Transmission périodique par l'émetteur/récepteur E/R sans-fil qu'un faible courant circule dans le conducteur électrique. Mode 2- 5 2,8V 1 1 Vs>5,1V 2 1 Vs 7A ou Vs>5,1V après 3 une transmission 3 5 20A 4 4 7 700A 5 1~0 après fin Td 4 5 1=0 après Td 6 4 5 REVENDICATIONS1. Capteur de courant (10) sans-fil destiné à la mesure d'un courant électrique (I) circulant dans un conducteur électrique (20), ledit capteur de courant (10) sans-fil comportant : un transformateur de courant comportant un noyau destiné à être agencé autour dudit conducteur électrique (20) formant un primaire dudit transformateur, et un enroulement (101) réalisé autour du noyau et formant un secondaire dudit transformateur pour récupérer une énergie électrique lorsqu'un courant électrique circule dans le conducteur électrique, un circuit électronique connecté au secondaire du transformateur, le circuit électronique comportant : des moyens de stockage de l'énergie électrique générée, des moyens de mesure du courant électrique circulant dans le conducteur électrique (20) comportant un microcontrôleur (UC) alimenté grâce à l'énergie électrique emmagasinée dans les moyens de stockage de l'énergie électrique et permettant de générer des données de mesure du courant électrique circulant dans le conducteur électrique (20), un émetteur/récepteur (E/R) de données sans-fil couplé audit microcontrôleur (UC) et permettant d'envoyer les données de mesure, caractérisé en ce que le capteur de courant (10) comporte : des moyens de détermination d'un mode de fonctionnement du capteur de courant (10) dans lequel une durée de mesure du courant électrique tient compte d'une valeur dudit courant électrique (I) mesuré ou d'une valeur de tension (Vs) mesurée aux bornes des moyens de stockage de l'énergie électrique. 30 2. Capteur de courant (10) sans-fil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection d'une diminution brusque de la valeur du courant électrique (I) mesuré et des moyens d'activation de l'émetteur/récepteur (E/R) sans-fil afin d'envoyer les données de mesure lorsque la diminution brusque est détectée. 15 20 25 3. Capteur de courant sans-fil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de stockage d'énergie comportent un dispositif doubleur de tension comportant deux condensateurs (Cl, C2) et deux diodes (D1, D2). 4. Capteur de courant sans-fil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le noyau du transformateur se présente sous la forme d'un tore (100) destiné à venir se positionner autour du conducteur électrique (20). 10 5. Capteur de courant sans-fil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tore (100) est ouvrant. 6. Capteur de courant sans-fil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit électronique comporte des moyens de sélection 15 entre un mode chargeur dans lequel l'énergie électrique est stockée dans les moyens de stockage de l'énergie électrique et un mode mesure dans lequel l'énergie électrique est employée pour mesurer le courant, déterminer les données de mesure et envoyer les données de mesure. 20 7. Capteur de courant sans-fil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de sélection se présentent sous la forme de deux transistors (Ti, T2) connectés entre eux par leur drain respectif et dotés chacun d'une diode montée entre le drain et la source. 25 8. Capteur de courant sans-fil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure comportent une résistance de mesure (Rm) connectée en série avec les deux transistors (Ti, T2) et en parallèle des moyens de stockage de l'énergie électrique. 30 9. Capteur de courant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de mesure comportent une résistance de mesure (Rm) connectée en série avec les moyens de stockage de l'énergie électrique. 10. Capteur de courant sans-fil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il 35 comporte un mode de fonctionnement destiné à la détection d'un défaut de courant.5 11. Capteur de courant sans-fil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans un mode de fonctionnement déterminé, il est agencé pour commuter, pendant une durée déterminée, l'émetteur/récepteur (E/R) sans-fil en mode récepteur après une émission de données de mesure, afin de recevoir des données provenant de la station centrale (30).