Brevet FR2980581A1 — publié le 20130329

- 1 - " Capteur de courant sans contact." L'invention présentée ici concerne un nouveau dispositif de mesure sans contact d'un courant électrique dans un conducteur par l'intermédiaire de la mesure du champ magnétique généré par ledit courant. Parmi les dispositifs existants capables de mesurer les courants sans contact le plus connu est le transformateur. Son désavantage principal est qu'il fonctionne uniquement en courant alternatif. Un autre dispositif connu est la bobine Rogowski qui présente le même désavantage que le transformateur. Un autre dispositif connu est le capteur de courant à effet Hall utilisant un circuit magnétique pour concentrer le champ magnétique du courant à mesurer sur une cellule Hall. Un tel capteur de courant est sensible à des champs magnétiques externes qui peuvent même saturer ledit circuit magnétique et affecter ainsi la mesure. Un autre désavantage est la présence d'un profil hystérésis du circuit magnétique. Un autre dispositif connu, appelé « Flux-Gate » se base sur la saturation de matériaux magnétiques sensibles et souffre des mêmes inconvénients que ceux à effet Hall. Un autre dispositif, celui présenté dans le brevet FR2931945B1, utilise la non-linéarité magnétique des matières souples à faible perméabilité magnétique, ou de matières souples super-paramagnétiques, pour mesurer la circulation du champ magnétique autour d'un conducteur primaire où circule le courant à mesurer. En faisant le tour complet du conducteur primaire, son gabarit est grand et il s'expose d'avantage à des champs magnétiques perturbateurs externes. Autre désavantage pourrait être le prix de fabrication des bobines flexibles. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau capteur pratique et simple d'utilisation. Un autre but de l'invention est un capteur peu onéreux. On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un capteur selon l'invention. Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes et variantes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon - 2 diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un capteur sans contact selon l'invention, ce capteur n'entourant nullement la barre dont le courant est à mesurer ; et - La figure 2 est une vue schématique simplifiée d'un capteur sans contact selon l'invention dans lequel des bobines sont illustrées de part et d'autre de la barre. La figure 1 représente le schéma bloc du capteur de courant conformément à la présente invention. Un jeu de bobines 8, positionné à proximité d'une barre 1 parcourue par le courant à mesurer I, reçoit un courant d'excitation 10 de la part d'un contrôleur 11. La proximité entre le jeu de bobines et la barre est telle qu'il y a une interaction notable entre le champ magnétique du courant à mesurer I et le champ magnétique du courant d'excitation 10 dans les moyeux des bobines formant le jeu de bobines 8. Par exemple, cette proximité se concrétise par une distance entre la barre et le jeu de bobines inférieure à 20mm, voire 10mm, voire 5mm. Le courant d'excitation a une fréquence élevée par rapport à la fréquence maximale du courant à mesurer et son spectre de fréquences ne présente pas des harmoniques paires. Par interaction entre le champ magnétique du courant à mesurer I et le champ magnétique du courant d'excitation 10 dans les moyeux des bobines formant le jeu 8, des harmoniques paires naissent portant l'information 9 sur la polarité et la grandeur du courant primaire I. Cette information est transmise au contrôleur 11 qui renvoie un courant de contre-réaction 12 au jeu de bobines 8 de telle manière à minimiser les harmoniques paires générées dans le jeu 8 ou en d'autres termes annuler l'effet du champ magnétique du courant primaire. La valeur du courant de contre réaction représente le courant primaire jusqu'à un facteur de proportionnalité fixe qui est fonction de la construction du jeu de bobines 8 et peut être livré directement comme résultat de la mesure 13 ou un post- traitement appliqué en fonction des besoins. - 3 La figure 2 représente un exemple de réalisation du jeu de bobines 8 à côté d'une barre de courant primaire 1 de section rectangulaire - épaisseur E et hauteur H- parcourue d'un courant électrique I. Sur la figure 2 la barre est désignée en pointillés pour ne pas obstruer les autres éléments du capteur. Sur les faces opposées de la barre primaire 1 sont positionnées deux bobines identiques 3 et 5 ayant des moyeux 2 et respectivement 4 dans une matière choisie en fonction des contraintes sur l'utilisation du capteur de courant. A titre d'exemple : on choisira une matière à grande perméabilité relative et faible champ de saturation pour des mesures de faibles courants sans perturbation magnétiques externes et on choisira une matière à faible perméabilité mais grand champ de saturation pour le cas où les perturbations magnétiques externes sont importantes. Le bobinage se fait sur des moyeux de forme cylindrique ou de préférence parallélépipédique, comme représenté dans la figure 2, permettant ainsi leur fabrication facile. Le moyeu 2 est excité par un champ magnétique alternatif créé à l'aide de sa bobine qui reçoit un courant d'excitation, de haute fréquence, par exemple 100kHz pour une fréquence maximale de 10kHz du courant à mesurer, de la part d'un bloc électronique appelé ici contrôleur. Comme forme d'onde, on peut utiliser un courant sinusoïdal, triangulaire, trapézoïdal, carré, etc. ou toute autre forme d'onde à condition que les semi-alternances du courant d'excitation soient symétriques, ce qui revient à dire que les amplitudes des harmoniques paires sont nulles. Supposant que le courant primaire I reste nul et étant donné la symétrie de la caractéristique B(H) de la matière du moyeu, l'effet de la non linéarité de cette même caractéristique B(H) est une distorsion temporelle de l'induction B symétrique par rapport aux deux semi-alternances, c'est à dire une redistribution spectrale de la puissance d'excitation tout en respectant la règle des harmoniques paires nulles. Quand le courant primaire I n'est pas nul, la superposition des deux champs, celui du courant d'excitation et celui du courant primaire crée une distorsion asymétrique de l'induction magnétique B dans le moyeu, donc les harmoniques d'ordre 2, 4, 6, etc...apparaissent dans son spectre. La variation temporaire de l'induction B dans la bobine 3 induit une tension électromotrice à la fréquence d'excitation et ses harmoniques impaires en absence du courant primaire I. Quand le courant primaire est présent, dans le spectre de la tension induite, on retrouve des harmoniques paires. - 4 Le contrôleur 11, par l'interprétation de la phase de la tension induite dans la bobine 3 trouve la polarité du champ magnétique ajoutée par le primaire, donc la polarité du courant primaire. Par l'interprétation de l'amplitude des harmoniques paires (par exemple l'harmonique 2), le contrôleur trouve aussi la grandeur du courant primaire mais cette information reste approximative car elle inclut les distorsions générées par la matière du moyeu. Pour réaliser une mesure précise, le contrôleur renvoie un courant de contre réaction dans la bobine 3 d'une telle valeur telle que la génération d'harmonique paires provoquée par le courant primaire soit annulée. Ainsi le moyeu travail dans une condition de champ magnétique, autre que l'excitation, quasi nul. Du récit précédent, il en résulte que la bobine 3 joue un triple rôle : excitation, mesure harmoniques paires et contre-réaction. Pour des raisons d'optimisation, il est raisonnable de créer plusieurs enroulements sur le même moyeu complètement superposés. Ainsi on pourrait avoir des fils de bobinage adaptés aux contraintes d'utilisation du capteur de courant et à diverses contraintes technologiques. On peut considérer un enroulement à fils très fin et beaucoup de spires pour la mesure des harmoniques, un enroulement à fil de moyenne épaisseur pour l'excitation et un bobinage à fil plus épais pour la contre-réaction. En combinant ou pas les trois fonctions on peut donc utiliser un deux ou trois enroulements sur le moyeu 2. Sur la figure 1, pour simplification du dessin, seulement un enroulement est suggéré pour la bobine3. Le terme «harmoniques paires » ne signifie pas l'obligation d'utiliser 25 plusieurs harmoniques paires à la fois. Dans le cas d'utilisation d'une excitation sinusoïdale, il suffit d'utiliser l'harmonique 2 seulement, par exemple. La construction et le fonctionnement de la bobine 5 sur son moyeu 4 est identique à la bobine 3 sur le moyeu 2. La particularité qui différentie les 30 deux est le fait qu'elles se trouvent sur les faces opposées de la barre 1. Observons que le champ magnétique autour de la barre primaire 1 créé par un courant I pénètre en directions opposées les moyeux 2 et 4 tandis qu'un champ magnétique d'une source lointaine, étant plus ou moins un champ parallèle, pénètre dans la même direction lesdits moyeux. On exploite cette 35 particularité: en choisissant le sens de connexion des deux bobines on arrange l'addition des signaux d'origine courant primaire et extinction des - 5 signaux d'origine champ magnétique externe. Au même sujet d'immunité aux champs magnétiques externes, il faut souligner l'intérêt pour réaliser une structure le plus compacte possible, de façon à avoir des champs de perturbation sur les deux bobines, le plus semblable possible. A cette fin, l'utilisation d'une barre 1 pour le courant primaire dont l'épaisseur E et très petite par rapport à son hauteur H est un avantage car elle permet de rapprocher les bobines 3 et 5. L'utilisation de deux bobines 3 et 5 n'est pas obligatoire, elle reste juste une option à évaluer en fonction des besoins d'immunité au champ magnétique externe, prix de fabrication, gabarit, etc. Le capteur de courant peut contenir encore deux autres bobines 6 et 7 avec géométries similaires aux bobines 3 et 5 mais sans moyeux sensibles au champ magnétique. Etant donnée la proximité des bobines 3, 5, 6 et 7 à la barre primaire, quand cela est parcouru par un courant alternatif, une tension électromotrice est induite dans chaque desdites bobines. Le nombre de spires pour les bobines 6 et 7 est ajusté pour générer la même tension induite par un courant primaire que les bobines 3 et 5. Les bobines sont connectées entre elles de façon que les tensions induites par un courant primaire variable dans les bobines sans moyeux sensibles au champ magnétique annulent par soustraction les tensions induites par ledit courant dans les bobines à moyeux sensible au champ magnétique. L'intérêt pour la réjection des signaux générés par le courant primaire en bande de base dépend du spectre de fréquence dudit courant primaire, de la dynamique permissible à l'entrée de mesure du contrôleur et en général des effets que la présence des signaux en bande de base pourrait avoir sur la précision de la détection du nul sur les harmoniques paires par le contrôleur. Le capteur magnétique est intrinsèquement peu sensible aux champs magnétiques extérieurs, dans la mesure où le matériau utilisé pour la transduction présente un champ de saturation très élevé. Cependant, en présence de champ externe très intense, comme par exemple la présence d'une barre de retour, ou bien d'un autre conducteur électrique d'un autre pôle électrique ou bien d'un aimant permanent, il se peut que celui-ci perturbe la mesure. Il est alors bénéfique d'utiliser un matériau magnétique pour réaliser un blindage permettant de canaliser le champ extérieur et de le - 6 - détourner légèrement du transducteur. Ce matériau peut être constitué d'un matériau magnétique doux ou bien dur. La forme et l'épaisseur de ce blindage est optimisé en fonction du niveau de champ perturbateur. La forme du blindage peut être une simple plaque interposée entre la 5 source de perturbation et le transducteur. Ce peut être une cage avec ou sans entrefer. De façon générale, le capteur de courant sans contact selon l'invention comprend au moins: 10 un jeu de bobines composé au moins d'une bobine autour de son moyeu en matière sensible au champ magnétique, jeu situé à immédiate proximité d'une barre parcourue par le courant à mesurer, et un contrôleur qui envoie un courant d'excitation et un courant de contre-réaction vers le jeu de bobines et qui reçoit comme information la 15 tension induite par la variation temporelle de l'induction magnétique B dans le moyeu de ladite au moins une bobine du jeu de bobines ou dans les moyeux des bobines du jeu de bobines. Le jeu de bobines peut contenir deux bobines, identiques et bobinées respectivement sur leurs moyeux, moyeux sensibles au champ magnétique. 20 Le jeu de bobines peut également contenir au moins une bobine sans moyeu sensible au champ magnétique qui génère la même tension induite par le courant primaire comme la bobine à moyeu sensible au champ magnétique. Par ailleurs, la matière du moyeu ou des moyeux peut être super-paramagnétique. 25 Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Capteur de courant sans contact comprenant : - un jeu de bobines (8) composé au moins d'une bobine (3) autour de son moyeu (2) en matière sensible au champ magnétique, jeu situé à immédiate proximité d'une barre (1) parcourue par le courant à mesurer (I), et - un contrôleur (11) qui envoie un courant d'excitation (10) et un courant de contre-réaction (12) vers le jeu de bobines (8) et qui reçoit comme information la tension (9) induite par la variation temporelle de l'induction magnétique B dans le moyeu de ladite au moins une bobine du jeu de bobines (8) ou dans les moyeux des bobines du jeu de bobines (8). 2. Capteur de courant sans contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu de bobines (8) contient deux bobines (3, 5), identiques et bobinées respectivement sur leurs moyeux (2, 4), moyeux sensibles au champ magnétique. 3. Capteur de courant sans contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le jeu de bobines (8) contient au moins une bobine (7) sans moyeu sensible au champ magnétique qui génère la même tension induite par le courant primaire (I) comme la bobine à moyeu sensible au champ magnétique (3). 4. Capteur de courant sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jeu de bobines (8) contient deux bobines (6, 7) sans moyeu sensible au champ magnétique qui génère la même tension induite par le courant primaire (I) comme les bobines à moyeu sensible au champ magnétique (3, 5). 5. Capteur de courant sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière du moyeu (2) ou des moyeux (2, 4) est super-paramagnétique. 6. Capteur de courant sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le contrôleur (11) envoie un courant d'excitation vers le jeu de bobines (8) avec un spectre sans harmoniques paires. 7. Capteur de courant sans contact selon la revendication 6, caractérisé en ce que le contrôleur (11) analyse au moins une des harmoniques paires- 8 - du spectre de la tension (9) induite dans les bobines à moyeu sensible au champ magnétique pour déterminer la grandeur du courant de contre-réaction (12) à renvoyer vers le jeu de bobines (8) afin de minimiser la somme entre le champ magnétique de la barre primaire (1) et le champ magnétique du courant de contre-réaction (10). 8. Capteur de courant sans contact selon la revendication 7, caractérisé en ce que le courant de contre-réaction (10) représente la valeur mesurée (13) du courant (I) sauf une constante multiplicative dépendante de la construction du capteur.