EP0074297A1 - Capteur de courant hybride compensé - Google Patents

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EP0074297A1
EP0074297A1 EP82401529A EP82401529A EP0074297A1 EP 0074297 A1 EP0074297 A1 EP 0074297A1 EP 82401529 A EP82401529 A EP 82401529A EP 82401529 A EP82401529 A EP 82401529A EP 0074297 A1 EP0074297 A1 EP 0074297A1
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current sensor
terminals
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    • H01F38/22—Instruments transformers for single phase ac
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    • H01F38/22—Instruments transformers for single phase ac
    • H01F38/28—Current transformers
    • H01F38/30—Constructions
    • H01F2038/305—Constructions with toroidal magnetic core

Definitions

  • the invention relates to a current sensor for electronic measuring and / or prdtection apparatus intended to control the current in a line of an electrical energy supply system, and comprising a secondary winding wound on a CH core, so as to deliver a combined secondary measurement and supply signal whose value is a function of the intensity of the primary current Il flowing in the line.
  • the senor is formed by a conventional current transformer whose secondary winding is capable of delivering a certain electrical power.
  • a current transformer associated with electronic equipment generally requires a high number of turns which results, especially if the space is limited, which can disturb the operation of the associated electronic equipment when it is in the near the current transformer.
  • the high manufacturing cost and the large size of such a conventional transformer constitute additional disadvantages.
  • the object of the invention is to remedy these drawbacks and to produce an improved inductive current sensor capable of delivering a predetermined secondary power, with reduced heating and without any auxiliary power source for the operation of the electronic equipment.
  • the sensor according to the invention is characterized in that a load resistor R 2 is connected to the output terminals of the secondary winding having an ohmic resistance R 1 , and that the core CM is provided with at least one air gap non-magnetic of predetermined length e, the inductive sensor being of the hybrid type whose secondary time constant t 2 defined by the relation is between 10 microseconds and 100 milliseconds, R being the reluctance of the CH core and n the number of turns of the secondary winding.
  • the range of values of the time constant t 2 is determined by the total length of the non-magnetic gap (s) of the core advantageously between 0.5 and 20 millimeters, and by the value of the load resistance R 2 of the order of 10 to 1000 Ohms.
  • the secondary winding of the hybrid sensor cooperates with a frequency compensation circuit connected to the terminals of the load resistor R 2 , and delivering a measurement image signal whose amplitude is substantially constant when the frequency f of the primary current It is included in a predetermined range around a central frequency f o of compensation.
  • Said frequency compensation circuit includes a phase shift system for phasing the measurement image signal with the primary current II to be checked when the frequency of the latter corresponds to the central frequency f o .
  • the image signal for measuring the compensation circuit is injected into an electronic processing system delivering a tripping order to a control coil of a circuit breaker when the image signal exceeds a predetermined threshold, l 'supply to the treatment system by means of the uncompensated voltage U 2 taken from the terminals of the load resistor R 2 .
  • the hybrid current sensor 10 comprises a magnetic circuit CM in the form of a torus provided with one or more air gaps 12 of total length e.
  • the magnetic circuit CM is crossed by a line 14 of a network supply of alternating current, line 14 playing the role of primary winding traversed by a current I 1 to be checked.
  • a secondary winding 16 is wound on the toroid and comprises n turns of ohmic resistance R 1 .
  • a load resistor R 2 is connected to the output terminals of the secondary winding.
  • the secondary time constant t 2 of the hybrid sensor is defined by the relation , R being the total reluctance of the magnetic circuit CM.
  • the secondary winding 16 delivers an output current I 2 representing a vector quantity whose module and phase shift ⁇ with respect to the primary current I 1 are illustrated by the diagrams of FIG. 2 as a function of the secondary time constant t 2 and for a given frequency f of the primary current I 1 .
  • the module expressed by the report varies between 0 and 1 when the time constant t 2 increases.
  • the sensor is a conventional current transformer.
  • time constants t 2 of less than 10 microseconds the sensor is of the non-magnetic type.
  • the hybrid sensor occupies the intermediate zone.
  • the section of the secondary winding of an inductive sensor being proportional to the product nI 2 , it can be seen in FIG. 2 that it is the current transformer where nI2 is close to I 1 , which requires the largest winding volume and which is therefore the most expensive.
  • the torus has an air gap 12 in FIG. 1 has been replaced by a rectangular magnetic circuit CM with two air gaps 12a, 12b, comprising two elementary U-shaped parts located opposite one another, so as to confine a window crossed by the line 14.
  • a secondary winding 16 single is wound on the magnetic circuit CH.
  • the secondary winding is formed by two coils 16a, 16b connected in series or in parallel, the rest being identical to the sensor of FIG. 3.
  • the relative position of the coils 16a, 16b with respect to the air gaps can be arbitrary.
  • the characteristics of the hybrid sensor 10 according to FIGS. 1 to 3 nevertheless depend on the frequency variation of the current I 1 to be measured.
  • the amplitude and the phase of the output voltage U 2 at the terminals of the secondary winding 16 indeed vary with the frequency. This is why a frequency compensation circuit 18 (FIG. 5) is associated with the hybrid sensor.
  • the frequency compensation circuit 18 (fig. 5) is formed by a series circuit RC connected in parallel to the terminals of the load resistor R 2 .
  • the image signal of the current I 1 to be measured is the voltage U c across the capacitor C.
  • the values of R and C of circuit 18 are defined by the following relation: where f o is the central compensation frequency (55 Hz for example).
  • the compensation circuit 18 is constituted by a series circuit with inductance L and resistance R, connected in parallel to the terminals of R 2 , the image signal for measuring the current I 1 in this case being the voltage U R aux resistance R.
  • FIG. 7 compares the amplitudes of the output voltages U 2 and U C before and after the compensation as a function of the frequency f of the current I 1 to be measured, the values of the time constant t 2 and of the current intensity Il being given. It is noted that the amplitude of the image voltage U c is substantially constant when the frequency f of the current Il is within a predetermined range around the central frequency f o of compensation. The current I 1 to be measured and the voltage U C are in phase when the frequency of the current I 1 is equal to the central frequency f o .
  • FIG. 8 represents the application of a compensated hybrid sensor described with reference to FIG. 5, and delivering a combined secondary measurement and supply signal to an electronic control device or static trip device of a circuit breaker with its own current, one of the contacts 20 of which is inserted in line 14.
  • the measurement image signal U c of the compensation circuit 18 is injected into an electronic processing system 22 via a first connecting conductor 24.
  • the uncompensated voltage U 2 of the secondary winding 16 will be advantageously used for supplying the treatment 22 thanks to a second connecting conductor 26.
  • the output of the processing system 22 delivers a tripping order to a control coil 28 which conventionally causes the mechanism to be unlocked. 30 and the opening of the contacts 20 of the protective circuit breaker.

Abstract

L'invention se rapporte à un capteur hybride de courant délivrant un signal combiné de mesure et d'alimentation.
Une résistance de charge R2 est connectée aux bomes de sortie de t'enroulement secondaire (16) et le noyau CM comprend un entrefer (12) de longueur prédéterminée e. Le capteur (10) est du type hybride dont la constante de temps secondaire est comprise entre 10 microsecondes et 100 millisecondes.
Application : disjoncteur de protection à déclencheur statique.

Description

  • L'invention est relative à un capteur de courant pour appareillage électronique de mesure et/ou de prdtection destiné à contrôler le courant dans une ligne d'un système d'alimentation en énergie électrique, et comprenant un enroulement secondaire bobiné sur un noyau CH, de manière à délivrer un signal secondaire combiné de mesure et d'alimentation dont la valeur est fonction de l'intensité du courant primaire Il circulant dans la ligne.
  • Selon un dispositif connu du genre mentionné, le capteur est formé par un transformateur de courant conventionnel dont l'enroulement secondaire est susceptible de délivrer une certaine puissance électrique. Un transformateur de courant associé à de l'appareillage électronique exige en général un nombre élevé de spires ce qui entraîne, surtout si l'encombrement est limité, un échauffement susceptible de perturber le fonctionnement de l'appareillage électronique associé lorsque ce dernier se trouve au voisinage du transformateur de courant. Le coût élevé de fabrication et l'encombrement important d'un tel transformateur conventionnel constituent des inconvénients supplémentaires.
  • D'autres capteurs de courant connus du type amagnétique ou à circuit magnétique à entrefer comporte un enroulement secondaire délivrant une tension de sortie proportionnelle à la dérivée du courant primaire. Cette tensicn est appliquée à un intégrateur de forte impédance d'entrée. Ce type de capteur en
    Figure imgb0001
    ne provoque pas d'échauffement, mais il nécessite généralement une source auxiliaire d'alimentation pour le fonctionnement de l'intégrateur actif associé.
  • L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de réaliser un capteur de courant inductif perfectionné capable de délivrer une puissance secondaire prédéterminée, avec un échauffement réduit et sans aucune source auxiliaire d'alimentation pour le fonctionnement de l'appareillage électronique.
  • Le capteur selon l'invention est caractérisé par le fait qu'une résistance de charge R2 est connectée aux bornes de sortie de l'enroulement secondaire ayant une résistance ohmique R1, et que le noyau CM est doté d'au moins un entrefer amagnétique de longueur prédéterminée e, le capteur inductif étant du type hybride dont la constante de temps secondaire t2 définie par la relation
    Figure imgb0002
    est comprise entre 10 microsecondes et 100 millisecondes, R étant la réluctance du noyau CH et n le nombre de spires de l'enroulement secondaire. La fourchette des valeurs de la constante de temps t2 est déterminée par la longueur totale de ou des entrefers amagnétiques du noyau avantageusement comprise entre 0,5 et 20 millimètres, et par la valeur de la résistance de charge R2 de l'ordre de 10 à 1000 Ohms.
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'enroulement secondaire du capteur hybride coopère avec un circuit de compensation en fréquence connectée aux bornes de la résistance de charge R2, et délivrant un signal image de mesure dont l'amplitude est sensiblement constante lorsque la fréquence f du courant primaire Il est comprise dans une fourchette prédéterminée autour d'une fréquence centrale fo de compensation. Ledit circuit de compensation en fréquence comporte un système déphaseur de mise en phase du signal image de mesure avec le courant primaire Il à contrôler lorsque la fréquence de ce dernier correspond à la fréquence centrale fo.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal image de mesure du circuit de compensation est injecté dans un système de traitement électronique délivrant un ordre de déclenchement à une bobine de commande d'un disjoncteur lorsque le signal image dépasse un seuil prédéterminé, l'alimentation du système de traitement s'effectuant au moyen de la tension U2 non compensée prélevée aux bornes de la résistance de charge R2.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de divers modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique d'un capteur de courant hybride à tore selon l'invention;
    • la figure 2 illustre deux courbes réprésentatives du module (en traits forts) et du déphasage (en traits pointillés) du courant de sortie I2, en fonction de la constante de temps secondaire t2 du capteur selon la fig. 1, la fréquence f du courant primaire Il étant de 50 Hz;
    • les figures 3 et 4 sont deux variantes de réalisation du capteur de courant selon la fig. 1;
    • la figure 5 représente le schéma équivalent d'un capteur hybride selon les fig. 2 à 4, équipé d'un circuit de compensation de fréquence;
    • la figure 6 est une vue partielle de la fig. 5 et montre une variante du circuit de compensation de fréquence;
    • la figure 7 montre les diagrammes représentatifs des amplitudes des tensions de sortie U2 et Uc du capteur respectivement avant et après la compensation, en fonction de la fréquence f du courant primaire I1 à mesurer;
    • la figure 8 représente l'application d'un capteur hybride compensé selon l'invention à un dispositif électronique de commande d'un disjoncteur de protection.
  • Sur la figure 1, le capteur de courant hybride 10 comporte un circuit magnétique CM en forme de tore doté d'un ou de plusieurs entrefers 12 de longueur totale e. Le circuit magnétique CM est traversé par une ligne 14 d'un réseau d'alimentation en courant alternatif, la ligne 14 jeuant le rôle d'enroulement primaire parcouru par un courant I1 à contrôler. Un enroulement secondaire 16 est bobiné sur le tore et comprend n spires de résistance ohmique R1. Une résistance de charge R2 est connectée aux bornes de sortie de l'enroulement secondaire. La constante de temps secondaire t2 du capteur hybride est définie par la relation
    Figure imgb0003
    , R étant la réluctance totale du circuit magnétique CM.
  • L'enroulement secondaire 16 délivre un courant de sortie I2 représentant une grandeur vectorielle dont le module et le déphasage ϕ par rapport au courant primaire I1 sont illustrés par les diagrammes de la figure 2 en fonction de la constante de temps secondaire t2 et pour une fréquence f donnée du courant primaire I1. Le module exprimé par le rapport
    Figure imgb0004
    varie entre 0 et 1 lorsque la constante de temps t2 croit. Pour des constantes de temps t2 supérieures à 100 millisecondes, le capteur est un transformateur de courant conventionnel. Pour des constantes de temps t2 inférieures à 10 microsecondes, le capteur est du type amagnétique. Le capteur hybride occupe la zone intermédiaire. La section de l'enroulement secondaire d'un capteur inductif étant proportionnelle au produit nI2, on remarque sur la figure 2 que c'est le transformateur de courant où nI2 est voisin de I1, qui exige le volume de bobinage le plus important et qui est donc le plus coûteux.
  • Un capteur hybride dont la constante de temps t2 est comprise entre 10 microsecondes et 100 millisecondes, nécessite un enroulement secondaire considérablement réduit par rapport-à un transformateur de courant équivalent. Ou encore dans un encombrement donné, entre un transformateur de courant conventionnel et un capteur hybride d'intensités nominales primaires identiques, c'est ce dernier qui est le siège de l'échauffement le plus réduit. Il suffira par conséquent de choisir les valeurs de la résistance de charge R2, de la section S du circuit magnétique CM et de la longueur de l'entrefer e pour déterminer la valeur de t2. Des essais ont montré que la longueur totale de l'entrefer e devait être comprise cntre 0,5 et 20 millimètres, et la résistance de charge R2 était de l'ordre de 10 à 1000 Ohms selon l'intensité du courant nominal I1 à contrôler circulant dans la ligne 14.
  • Sur la figure 3, le tore à un entrefer 12 de la fig. 1 a été remplacé par Un circuit magnétique CM rectangulaire à deux entrefers 12a, 12b, comprenant deux parties élémentaires en U situées en regard l'une de l'autre, de manière à confiner une fenêtre traversée par la ligne 14. Un enroulement secondaire 16 unique est bobiné sur le circuit magnétique CH.
  • Selon la figure 4, l'enroulement secondaire est formé par deux bobines 16a, 16b connectées en série ou en parallèle, le reste étant identique au capteur de la fig. 3. La position relative des bobines 16a, 16b par rapport aux entrefers peut être quelconque. Les caractéristiques du capteur hybride 10 selon les figures 1 à 3 dépendent néanmoins de la variation de fréquence du courant I1 à mesurer. L'amplitude et la phase de la tension de sortie U2 aux bornes de l'enroulement secondaire 16 varient en effet avec la fréquence. C'est pourquoi un circuit de compensation 18 (fig. 5) de fréquence est associé au capteur hybride.
  • Le circuit de compensation de fréquence 18 (fig. 5) est formé par un circuit série RC branché en parallèle aux bornes de la résistance de charge R2. Le signal image du courant I1 à mesurer est la tension Uc aux bornes du condensateur C. Les valeurs de R et C du circuit 18 sont définies par la relation suivante :
    Figure imgb0005
    où fo est la fréquence centrale de compensation (55 Hz par exemple).
  • Sur la figure 6, le circuit de compensation 18 est constitué par un circuit série à inductance L et résistance R, branché en parallèle aux bornes de R2, le signal image de mesure du courant I1 étant dans ce cas la tension UR aux bornes de la résistance R.
  • La figure 7 compare les amplitudes des tensions de sorties U2 et UC avant et après la compensation en fonction de la fréquence f du courant I1 à mesurer, les valeurs de la constante de temps t2 et de l'intensité du courant Il étant données. On remarque que l'amplitude de la tension image Uc est sensiblement constante lorsque la fréquence f du courant Il est comprise dans une fourchette prédéterminée autour de la fréquence centrale fo de compensation. Le courant I1 à mesurer et la tension UC sont en phase lorsque la fréquence du courant I1 est égale à la fréquence fo centrale.
  • La figure 8 représente l'application d'un capteur hybride compensé décrit en référence à la fig. 5, et délivrant un signal secondaire combiné de mesure et d'alimentation à un dispositif de commande électronique ou déclencheur statique d'un disjoncteur à propre courant dont l'un des contacts 20 est inséré dans la ligne 14. Le signal image de mesure Uc du circuit de compensation 18 est injecté dans un système de traitement 22 électronique par l'intermédiaire d'un premier conducteur de liaison 24. La tension U2 non compensée de l'enroulement secondaire 16 sera utilisée avantageusement pour l'alimentation du système de traitement 22 grâce à un deuxième conducteur 26 de liaison. Lors de l'apparition d'un défaut de surcharge ou de court-circuit sur la ligne 14, la sortie du système de traitement 22 délivre un ordre de déclenchement à une bobine 28 de commande qui provoque d'une manière classique le déverrouillage du mécanisme 30 et l'ouverture des contacts 20 du disjoncteur de protection.
  • L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et représentés aux dessins annexés, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences électrotechniques, notamment celle dans laquelle le circuit de compensation 18 en fréquence du capteur hybride serait agencé différemment.

Claims (10)

1. Capteur de courant (10) pour appareillage électronique de mesure et/ou de protection destiné à contrôler le courant dans une ligne (14) d'un système d'alimentation en énergie électrique et comprenant un enroulement secondaire (16, 16a, 16b) bobiné sur un noyau CH, de manière à délivrer un signal secondaire combiné de mesure et d'alimentation dont la valeur est fonction de l'intensité du courant primaire I1 circulant dans la ligne, caractérisé par le fait qu'une résistance de charge R2 est connectée aux bornes de sortie de l'enroulement secondaire ayant une résistance ohmique R1, et que le noyau CH est doté d'au moins un entrefer (12, 12a, 12b) amagnétique de longueur prédéterminée e, le capteur inductif (10) étant du type hybride dont la constante de temps secondaire t2 définie par la relation R(R1+R2), est comprise entre 10 microsecondes et 100 millisecondes, R étant la réluctance du noyau CH et n le nombre de spires de l'enroulement secondaire (16, 16a, 16b).
2. Capteur de courant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur totale e de/ou des entrefers (12, 12a, 12b) amagnétiques du noyau CM est avantageusement comprise entre 0,5 et 30 millimètres, et que la valeur de la résistance de charge R2 est de l'ordre de 10 à 1000 Ohms.
3. Capteur de courant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'enroulement secondaire (16, 16a, 16b) du capteur hybride (10) coopère avec un circuit de compensation (18) en fréquence connectée aux bornes de la résistance de charge R21 et délivrant un signal image de mesure dont l'amplitude est sensiblement constante lorsque la fréquence f du courant primaire I1 est comprise dans une fourchette prédéterminée autour d'une fréquence centrale fo de compensation.
4. Capteur de courant selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit circuit de compensation (18) en fréquence comporte un système déphaseur de mise en phase du signal image de mesure avec le courant primaire I1 à contrôler lorsque la fréquence de ce dernier correspond à la fréqucnce centrale fo.
5. Capteur de courant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le circuit de compensation (18) en fréquence est formé par un circuit série à résistance R et condensateur C, branché en parallèle aux bornes de la résistance de charge R2 tel que le signal image de mesure du courant I1 soit représenté par la tension UC aux bornes du condensateur C.
6. Capteur de courant selon la revendication 5, caractérisé pai le fait que les valeurs de la résistance R et du condensateur C du circuit série sont déterminées par la constante de temps RC définie par la relation
Figure imgb0006
, fo étant la fréquence centrale de compensa- tion èt t2 la constante de temps secondaire du capteur hybride (10).
7. Capteur de courant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le circuit de compensation (18) en fréquence est constitué.par un circuit série à inductance L et résistance R, branché en parallèle aux bornes de la résistance de charge R2, le signal image de mesure du cou- rant I1 étant la tension UR aux bornes de la résistance R.
8. Capteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le matériau du noyau CM est ferromagnétique ou fritté.
9. Capteur de courant selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le signal image de mesure du circuit de compensation (18) est injecté dans un système de traitement (22) électronique délivrant un ordre de déclenchement à une bobine (28) de commande d'un disjoncteur lorsque le signal image dépasse un seuil prédéterminé, l'alimentation du système de traitement (22) s'effectuant au moyen de la tension U2 non compensée prélevée aux bornes de la résistance de charge R2.
10. Capteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le noyau CH du capteur hybride (10) comporte deux parties élémentaires en U séparées l'une de l'autre par deux entrefers (12a, 12b) disposés de part et d'autre de la ligne (14) jouant le rôle d'enroulement primaire.
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FR8116416A FR2512264A1 (fr) 1981-08-26 1981-08-26 Capteur de courant hybride compense
FR8118416 1981-08-26

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