FR2971852A1

FR2971852A1 - Procede de mesure de courant au moyen d'un capteur de circulation de champs magnetiques de forme specifique, et systeme obtenu a partir d'un tel procede.

Info

Publication number: FR2971852A1
Application number: FR1151302A
Authority: FR
Inventors: Lionel Fabien Cima
Original assignee: Neelogy SA
Current assignee: Neelogy SA
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-24
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: FR2971852B1

Abstract

L'invention concerne un procédé pour mesurer un courant circulant dans au moins un conducteur primaire générant un champ primaire, au moyen d'un capteur de circulation de champs magnétiques comprenant au moins une bobine d'excitation allongée pour exciter un noyau magnétique allongé et doté d'une matrice dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques. On dispose le capteur autour du conducteur primaire en donnant au capteur une forme non circulaire et non centrée autour du conducteur, telle que le champ primaire est uniforme le long du capteur, cette forme étant déterminée à partir d'une simulation numérique prenant en compte l'environnement magnétique du conducteur.

Description

1 " Procédé de mesure de courant au moyen d'un capteur de circulation de champs magnétiques de forme spécifique, et système obtenu à partir d'un tel procédé." La présente invention se rapporte à un procédé de mesure de courant au moyen d'un capteur de circulation de champs magnétiques de forme spécifique. Elle concerne également un système obtenu à partir d'un tel procédé. io La présente invention s'applique principalement à des capteurs de courant sans contact qui déterminent l'intensité d'un courant électrique circulant dans un conducteur à partir du champ magnétique rayonné par ce dernier. Il s'agit de capteurs de courant magnétiques. En général, il existe un 15 matériau magnétique pour canaliser un champ (comme pour une sonde à effet Hall) et/ou pour réaliser la transduction (comme pour un capteur de type Flux Gate ou un capteur à effet magnétorésistif géant GMR pour « Giant MagnetoResistive effect »). Ce matériau magnétique est généralement caractérisé par une rémanence, une forte perméabilité et de fortes non 20 linéarités (dont une saturation magnétique). Les non linéarités et notamment la saturation induisent des erreurs de mesure qui ne permettent pas de répondre pleinement aux besoins non satisfaits décrits ci-dessous.

25 La présente invention a pour but d'améliorer la linéarité des capteurs magnétiques, idéalement une linéarité inférieure à 1%, voire 0,5%, voire 0,1%, voire 0,05%. Un autre but de l'invention est de réduire la sensibilité au positionnement du conducteur par rapport au capteur magnétique sans 30 contact. Un autre but de l'invention est de permettre des mesures de petits courants à côté de grands courants, par exemple pour une application de mesure différentielle ou bien de mesure de surcourant (application de protection, typiquement >1,2 fois le courant nominal et pouvant atteindre 10 35 fois, voire 20 fois le courant nominal.

Un autre but de l'invention est de réaliser des opérations arithmétiques sans contact et précises (addition et soustraction de courant circulant dans différents conducteurs). L'invention a encore pour but le rejet des perturbations extérieures s (CEM, diaphonie due à la présence d'un autre conducteur).

On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un procédé pour positionner un capteur de circulation de champs magnétiques autour d'un conducteur primaire afin de mesurer un courant I circulant dans ce io conducteur primaire et générant un champ primaire, ce capteur de circulation de champs magnétiques comprenant : - au moins une bobine d'excitation allongée pour exciter un noyau magnétique allongé et doté d'une matrice dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques, et ls - au moins un générateur de courant de contreréaction de champ destiné à imposer un champ résultant dans tout le noyau magnétique sensiblement proche de zéro. Selon l'invention, on positionne le capteur en boucle autour du conducteur primaire selon une forme prédéterminée à partir de la distribution 20 spatiale du champ lié à la forme du (ou des) conducteur(s) primaire(s) et en respectant la relation : H(I)<_ aI/L pour toute valeur de I délimitée par la plage de mesure du capteur et en tout point « 1 » du noyau magnétique ; avec a coefficient inférieur ou égale à 1, voire 0,1, voire 0,01, voire 25 0,001, H(1) (norme du vecteur champ en A/m) le champ magnétique résultant le long du noyau magnétique, L étant la longueur/périmètre du capteur. On rappelle que dans des cas théoriques tels que par exemple pour un busbar (barre) cylindrique ou un capteur circulaire parfaitement centré sans 30 écartement, et en absence de rétroaction, i1 est possible d'obtenir l'égalité suivante : H(1) = I/L (Théorème d'Ampère). Par boucle, on entend un chemin où les deux extrémités se rejoignent sensiblement, fermé ou non, circulaire ou non. Avec le procédé selon l'invention, on vise à obtenir un champ 35 magnétique primaire le plus petit possible le long du noyau magnétique du capteur. Pour ce faire, on tient compte de l'environnement mécanique dans lequel le capteur va opérer. Avantageusement, on utilise un capteur de circulation de champ à faible perméabilité. Les particules magnétiques du noyau magnétique sont avantageusement des grains superparamagnétiques qui confèrent au noyau une susceptibilité magnétique inférieure à quelques s centaines, voire <10, voire < 1. La présente invention se réfère explicitement au document FR2891917 qui fournit des informations plus détaillées relatives à la constitution d'un noyau superparamagnétique et à la mesure de circulation de champ dans un tel noyau. Les éléments divulgués dans le document FR2891917 sont io incorporés dans la présente invention dans la mesure où ces éléments ne sont pas incompatibles avec l'enseignement de la présente invention.

La contreréaction permet de contribuer à maintenir la circulation de champ magnétique induit dans la plage prédéfinie, et de préférence ls sensiblement proche de ou égale à zéro. Pour faire face à la non linéarité du matériau magnétique, et notamment au phénomène de saturation, qui pourrait entrainer des erreurs de mesure, on donne au capteur une forme particulière autour du conducteur primaire de façon à respecter le critère illustré par l'équation ci-dessus. On peut plus ou moins améliorer la linéarité 20 du capteur en fonction du coefficient a qui peut être égal à 0.1 ou à 0,01 ou à 0,001. Cela permet d'atteindre une linéarité jusqu'à inférieur à 0,05%.

A titre d'exemple non limitatif, le capteur de circulation de champs magnétiques est souple ou flexible. On peut par ailleurs utiliser un capteur de 25 circulation de champs magnétiques apte à mesurer un courant continu DC et un courant alternatif AC. Selon un exemple de réalisation, on utilise un seul capteur en boucle autour de deux conducteurs primaires et on réalise une mesure différentielle de deux courants circulant respectivement dans ces deux conducteurs 30 primaires.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on réalise de la même manière un deuxième capteur autour d'un second conducteur primaire, les deux conducteurs étant sous influence magnétique l'un de 35 l'autre. « De la même manière » signifie que la forme du second capteur sur le second conducteur primaire est également obtenue en respectant le critère ci-dessus. On peut ainsi réaliser des mesures différentielles entre les courants circulant dans les deux conducteurs tout en améliorant le rejet des perturbations d'une source de champ extérieure (non prédictible). Un capteur de circulation de champ magnétique réalise normalement s une opération d'intégration du champ sur un chemin donné. Idéalement, ce chemin est une boucle fermée autour du conducteur primaire. L'exploitation du théorème d'Ampère sur un chemin fermé permet de réduire la sensibilité aux champs extérieurs et la sensibilité à la forme du capteur et/ou du conducteur primaire. io En pratique, le système de fermeture d'un capteur souple n'aboutit pas à un chemin complètement fermé de sorte qu'un interstice de quelques millimètres peut subsister entre deux extrémités d'un capteur. Lorsqu'on est en présence de deux conducteurs véhiculant des courants de sens opposé, en plus d'uniformiser le champ le long du capteur selon l'invention, on peut ls réduire fortement la sensibilité au champ extérieur en disposant les deux capteurs en série dans un même plan (orthogonal au conducteur primaire), chaque capteur comportant deux extrémités qui se rejoignent sans forcément entrer en contact en un point de jonction, les points de jonctions des deux capteurs se faisant face. 20 Pour mesurer notamment des surcourants, on peut associer à chaque capteur de circulation de champ magnétique un capteur à base de cellule à effet Hall. En particulier, on dispose autour de chaque conducteur primaire au moins un transducteur à effet Hall. Le surcourant peut être défini pour un capteur de circulation de champ magnétique comme un courant au-delà de la 25 plage de fonctionnement définie pour le capteur de circulation de champ magnétique. Lorsqu'on atteint la plage de surcourant, la mesure est avantageusement réalisée par ce capteur à base de cellule à effet Hall. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un système pour mesurer au moins un courant circulant dans au moins un conducteur primaire 30 générant un champ primaire, au moyen d'au moins un capteur de circulation de champs magnétiques disposé selon l'invention autour d'au moins un morceau de conducteur libre. L'ensemble capteur de circulation de champs magnétiques et morceau de conducteur libre est pré-assemblé de façon solidaire de sorte que cet ensemble est destiné à venir s'insérer en série dans 35 le conducteur primaire (par jonction du conducteur primaire avec le morceau de conducteur libre).

On réalise ainsi un kit constitué du capteur et d'un élément conducteur, l'ensemble étant conformé de façon à optimiser la linéarité du capteur. Ce kit peut être constitué de deux conducteurs libres différents, un capteur étant réalisé sur chaque conducteur libre. Un tel kit peut servir dans la mesure de s courants différentiels où chaque conducteur libre s'insère en série sur un pôle d'un disjoncteur, d'un générateur, d'un moyen de stockage d'énergie (batterie, supercondensateur, pile à combustible,...), ou d'un convertisseur d'énergie par exemple. Selon une caractéristique de l'invention, le kit peut comprendre un io morceau de conducteur libre en forme d'une barre cylindrique, notamment à section circulaire. Selon une caractéristique de l'invention, le kit peut comprendre un morceau de conducteur libre en forme de U, un capteur étant disposé sur chaque bras du U. ls Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le morceau de conducteur libre peut être enroulé sous forme spirale autour du capteur qui peut présenter une forme quelconque, circulaire ou en huit par exemple. Selon l'invention, on peut prévoir une disposition où, en position de mesure, les deux extrémités d'un même capteur se superposent 20 latéralement. Il s'agit d'un écartement « négatif » par exemple dans un système de fermeture d'un capteur souple. Cela permet de réduire la sensibilité aux champs extérieurs. Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes et variantes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la 25 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 d'un capteur disposé autour d'un 30 des deux pôles d'un générateur, La figure 2 est une vue schématique de deux capteurs disposés autour des deux pôles d'un générateur, La figure 3 est une vue schématique d'un ensemble capteur à Effet NéelT`" et cellules à effet Hall disposés autour de chacun des deux conducteurs 35 d'un générateur, 2971852 - 6- La figure 4 est une vue schématique d'un capteur en boucle fermé par superposition, La figure 5 est une vue schématique illustrant deux capteurs montés en série, La figure 6 est une vue schématique illustrant une configuration de mesure différentielle sur deux pôles d'un générateur, La figure 7 est une autre vue schématique illustrant une configuration de mesure différentielle sur deux pôles d'un générateur, La figure 8 est une vue schématique illustrant une configuration différentielle de mesure de courant sur un conducteur en forme de « U », La figure 9 est une vue schématique illustrant un élément conducteur en bobinage spiral autour d'un capteur en boucle circulaire, et La figure 10 est une vue schématique illustrant un élément conducteur en bobinage spiral autour d'un capteur en « 8 ».

Sur la figure 1 on voit deux conducteurs, un conducteur aller A et un conducteur retour B, constituant deux pôles d'un générateur ou d'un disjoncteur (non représentés). Si l'on cherche à mesurer le courant circulant dans le pôle A par exemple, on peut utiliser un capteur souple de circulation de champ magnétique. Selon l'invention, afin d'augmenter la linéarité du capteur et la plage de mesure, on peut choisir d'utiliser une forme du capteur, et éventuellement du conducteur primaire lorsque cela est possible, permettant de conformer le transducteur le long d'une ligne de champ sensiblement uniforme. Lorsque la forme du conducteur est donnée, on dispose le capteur autour du conducteur A de façon à éliminer l'influence du conducteur de retour B. Par simulation, en tenant compte de l'environnement de fonctionnement du capteur, il est possible de déterminer un positionnement du capteur où le champ magnétique est sensiblement uniforme le long du capteur. Selon l'invention, lorsqu'un tel positionnement est trouvé, on respecte alors la relation : H(I) aI/L Sur la figure 1, le conducteur aller A est relativement proche du conducteur retour B. On peut avoir avantage à les rapprocher afin de réduire l'encombrement de l'ensemble. Le capteur 1 de longueur L est conformé le long d'un chemin sensiblement fermé autour du conducteur A, de façon non symétrique. La distance di est strictement inférieure à la distance d2. Ces distances peuvent être obtenues par simulation à partir d'outils connus de l'homme du métier.

s Pour un disjoncteur notamment, il est possible d'utiliser deux capteurs 1 et 2 comme représentés sur la figure 2 afin de mesurer séparément les courants des deux pôles (voire 4 pôles dans certaines applications) et ainsi observer d'éventuels courants de défauts tels qu'une fuite différentielle ou un court-circuit. Par ailleurs, afin de mesurer des courants et des surcourants, io on prévoit sur la figure 3 de mettre sur chaque conducteur A et B deux capteurs : un premier capteur 1, 2 de circulation de champ magnétique conformé selon l'invention, et un second capteur 3, 5 constitué par une boucle comportant une ou plusieurs cellules 5, 6 à effet Hall. Sur la figure 3 on voit une telle réalisation dans laquelle la boucle de chaque capteur ls comportant des cellules à effet Hall présente également une forme selon la présente invention. De préférence on utilise des cellules à effet Hall sans noyau magnétique de concentration de champ.

Par ailleurs, afin de réduire fortement la sensibilité au positionnement 20 du conducteur 8 sur la figure 4, on peut introduire un écartement nul et se rapprocher ainsi de l'exploitation idéale du théorème d'Ampère. En pratique c'est mécaniquement difficile et il existe des effets de bords dans la mesure du champ qui font qu'il est avantageux de réaliser un écartement mécanique « négatif » en jouant sur le système de fermeture mécanique du capteur 25 comme on le voit sur la figure 4. Les deux extrémités d'un même capteur 7 se superposent. Les effets de bords (pondération locale de la circulation qui introduit des erreurs de gain) sont alors compensés. On peut également faire plusieurs tours autour d'un conducteur afin d'améliorer encore ce point et de rejeter la sensibilité aux champs externes (notamment ceux qui sont 30 orthogonaux au champ utile). On peut également prévoir deux capteurs 7 et 7bis sur la figure 5, disposés en boucle et en série autour respectivement de deux conducteurs 8 et 8bis véhiculant deux courants en sens opposés (courant d'alimentation et courant de retour). Chaque capteur comporte deux extrémités qui se rejoignent, sans forcément entrer en contact, en un point 35 de jonction, les points de jonctions des deux capteurs se faisant face. L'objectif est que les perturbations extérieures s'annulent mutuellement. Ce montage peut par exemple être utilisé pour une pile combustible ou un disjoncteur.

On peut également envisager de réaliser des mesures différentielles. s Pour ce faire, on peut disposer un capteur 9 en forme de huit sur la figure 6, chaque boucle étant traversée par un des deux conducteurs 10, 11 d'un générateur ou d'un disjoncteur par exemple. Le capteur 9 peut être constitué de deux capteurs en série. Les courants Ipi et Ip2 peuvent être différents, de même sens ou pas. io Sur la figure 7 est illustré de façon très schématique un capteur différentiel selon l'invention. Dans ce cas, on distingue deux conducteurs primaires véhiculant respectivement le courant Ipi et le courant Ip2. Il s'agit par exemple d'un cas de multipôles d'un générateur. Le capteur 9 est disposé en forme de boucle autour des deux conducteurs primaires 10 et 11, de ls préférence dans un plan perpendiculaire à ces deux conducteurs. On mesure ainsi un courant différentiel pouvant représenter un courant de défaut, un courant de fuite ou autre. Selon l'invention, afin de réduire la sensibilité aux champs externes, on peut exploiter avantageusement la forme du conducteur primaire 12 sur la 20 figure 8 pour générer l'équivalent de deux pôles (+ et -) de telle sorte que le champ soit uniforme dans le capteur 13. A titre d'exemple, le capteur 13 peut être constitué de deux capteurs en série pour une mesure différentielle ou bien en un seul élément avec une forme de « 8 » qui respecte la symétrie axiale. Les boucles du « 8 » présentent une forme conforme au procédé selon 25 l'invention. On réalise alors une très bonne réjection des champs externes (contributions linéaires et non linéaires). Le conducteur 12 peut être un double conducteur ou de type coaxial véhiculant deux courants.

Pour générer un champ primaire sensiblement uniforme, on peut 30 fabriquer un bobinage spiral du capteur avec éventuellement plusieurs primaires et on lui donne une forme de boucle ou de « 8 ». On place le capteur de circulation de champ à l'intérieur comme représenté sur les figures 9 et 10. Le conducteur et le capteur sont pré-assemblés et constituent un kit apte à être inséré en série sur le conducteur in situ. L'élément 35 conducteur (ou conducteur libre) 16 entoure complètement en spirale le capteur 14 en boucle circulaire. L'élément conducteur 17 entoure complètement en spirale le capteur 17 en boucle en « 8 ».

Le procédé selon l'invention permet avantageusement de disposer le s capteur autour d'un conducteur primaire en donnant notamment au capteur une forme non circulaire et non centrée autour du conducteur, telle que le champ primaire est uniforme le long du capteur, cette forme étant déterminée à partir d'une simulation numérique prenant en compte l'environnement magnétique du conducteur. io 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. 25

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé pour positionner un capteur de circulation de champs magnétiques autour d'un conducteur primaire afin de mesurer un courant I circulant dans ce conducteur primaire et générant un champ primaire, ce capteur de circulation de champs magnétiques comprenant : - au moins une bobine d'excitation allongée pour exciter un noyau magnétique allongé et doté d'une matrice dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques, et io - au moins un générateur de courant de contreréaction de champ destiné à imposer un champ résultant dans tout le noyau magnétique sensiblement proche de zéro, caractérisé en ce qu'on positionne le capteur en boucle autour du conducteur primaire selon une forme prédéterminée à partir de la distribution spatiale du 15 champ lié à la forme du (ou des) conducteur(s) primaire(s) et en respectant la relation : H(1) aI/L pour toute valeur de I délimitée par la plage de mesure du capteur et en tout point « 1 » du noyau magnétique, avec a coefficient inférieur ou égale à 1, H(1) (norme du vecteur champ 20 en A/m) le champ magnétique résultant le long du noyau magnétique, L étant la longueur/périmètre du capteur.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient a est égal ào,i,àmnouào,00i.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur de circulation de champs magnétiques est souple ou flexible.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce qu'on utilise un capteur de circulation de champs magnétiques apte à mesurer un courant continu DC et un courant alternatif AC.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 35 caractérisé en ce qu'on utilise un seul capteur en boucle autour de deux11 conducteurs primaires et on réalise une mesure différentielle de deux courants circulant respectivement dans ces deux conducteurs primaires.
6. Procédé selon la revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'on réalise de la s même manière un deuxième capteur autour d'un second conducteur primaire, les deux conducteurs étant sous influence magnétique l'un de l'autre.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lorsque les deux io conducteurs véhiculent des courants de sens opposé, les deux capteurs sont disposés en série dans un même plan, chaque capteur comportant deux extrémités qui se rejoignent en un point de jonction, les points de jonctions des deux capteurs se faisant face. ls
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'on dispose autour de chaque conducteur primaire au moins un transducteur à effet Hall.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle est en forme de huit apte à recevoir un 20 conducteur primaire dans chaque mini boucle.
10. Système pour mesurer au moins un courant circulant dans au moins un conducteur primaire générant un champ primaire, au moyen d'au moins un capteur de circulation de champs magnétiques disposé selon l'une quelconque 25 des revendications précédentes, autour d'au moins un morceau de conducteur libre, l'ensemble capteur de circulation de champs magnétiques et morceau de conducteur libre est pré-assemblé de façon solidaire de sorte que cet ensemble est destiné à venir s'insérer en série dans le conducteur primaire. 30
11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un transducteur à effet Hall est utilisé pour mesurer les surcourants.
12. Système selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il 35 comprend un morceau de conducteur libre en forme d'une barre cylindrique.
13. Système selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend un morceau de conducteur libre en forme de U, un capteur étant disposé sur chaque bras du U.
14. Système selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le morceau de conducteur libre est enroulé sous forme spirale autour du capteur.
15. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que le capteur est 10 de forme circulaire ou en forme de huit.
16. Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que, en position de mesure, les deux extrémités d'un même capteur se superposent latéralement. 15