FR3028619A1 - Compteur d'energie electrique comprenant un shunt de mesure - Google Patents

Abstract

Compteur d' énergie électrique comportant des moyens de mesure pour mesurer un courant sur au moins un conducteur (5a, 5b, 5c), les moyens de mesure comprenant, pour chaque conducteur : - un circuit de mesure (8a, 8b, 8c) comprenant un shunt (13) et des moyens d'acquisition (14) reliés au shunt ; - un circuit de traitement (9a, 9b, 9c) destiné à recevoir un signal de transmission (45) représentatif du courant consommé et à traiter le signal de transmission ; - des moyens de transmission (10a, 10b, 10c) destinés à transmettre avec un isolement galvanique le signal de transmission, les moyens de transmission comprenant au moins une diode électroluminescente (32, 33) située dans le circuit de mesure et une première photodiode (34) située dans le circuit de traitement.

Description

1 L'invention concerne la mesure de l'énergie électrique. L'invention a plus particulièrement pour objet un compteur d'énergie électrique comprenant un shunt de mesure pour mesurer un courant circulant sur un conducteur, ainsi qu'une diode électroluminescente et une photodiode pour transmettre un signal représentatif du courant avec un isolement galvanique. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un compteur d'énergie électrique triphasé d'une installation électrique est utilisé pour mesurer des courants consommés circulant sur trois conducteurs de phase d'une ligne électrique alimentant l'installation électrique. La mesure des courants consommés est classiquement réalisée grâce à trois capteurs de courants comprenant chacun un transformateur monté sur l'un des conducteurs de phase, qui réalise ainsi une isolation galvanique permettant de se ramener à une même référence de masse et d'alimentation. L'utilisation de transformateurs permet de répondre aux exigences environnementales et de précision de mesure auxquelles doit se conformer le compteur mais pose un certain nombre de problèmes. Les transformateurs sont bien sûr encombrants mais aussi coûteux, notamment parce que leur fabrication nécessite un nombre relativement important d'opérations manuelles et de réglages. Les transformateurs sont de plus particulièrement sensibles aux variations des conditions environnementales (température notamment) et présentent des caractéristiques intrinsèques dérivant sous l'effet du vieillissement. Ces variations et dérives nécessitent d'utiliser des méthodes de compensation dynamique qui sont complexes à concevoir et à mettre en oeuvre. Enfin, les transformateurs sont sensibles aux champs magnétiques, et leur utilisation rend le compteur vulnérable à une tentative de fraude magnétique 3028619 2 consistant à perturber le compteur en approchant un puissant aimant de celui-ci. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour but de fournir un compteur ne 5 présentant pas les inconvénients précités tout en conservant des performances du même ordre en termes de précision de mesure et de tenue des exigences environnementales. RESUME DE L'INVENTION 10 En vue de la réalisation de ce but, on propose un compteur d'énergie électrique comportant des moyens de mesure destinés à mesurer un courant consommé circulant sur au moins un conducteur. Les moyens de mesure comprennent, pour chaque conducteur : 15 un circuit de mesure comprenant un shunt de mesure monté sur le conducteur et au travers duquel circule le courant consommé et des moyens d'acquisition reliés au shunt de mesure et agencés pour générer une tension de mesure représentative du courant consommé ; 20 - un circuit de traitement destiné à recevoir un signal représentatif de la tension de mesure et donc du courant consommé et à traiter le signal représentatif ; - des moyens de transmission destinés à transmettre le signal représentatif au circuit de traitement depuis 25 le circuit de mesure avec un isolement galvanique, les moyens de transmission comprenant au moins une diode électroluminescente située dans le circuit de mesure et une première photodiode située dans le circuit de traitement.

30 La mesure de courant est donc réalisée dans le compteur de l'invention par un shunt de mesure qui est nettement moins coûteux et encombrant qu'un transformateur. Le shunt de mesure est beaucoup moins sensible qu'un transformateur au vieillissement et aux 35 variations de température et n'est pas vulnérable aux 3028619 3 champs magnétiques générés lorsqu'une tentative de fraude est effectuée. L'utilisation du shunt de mesure, éventuellement associée à la mise en oeuvre d'une procédure de calibration au cours de sa fabrication, 5 n'entraîne aucune dégradation de la précision de la mesure. Enfin, l'utilisation de la diode électroluminescente et de la photodiode permet de transmettre un signal représentatif du courant consommé avec un isolement galvanique au circuit de traitement. Le 10 circuit de traitement est donc isolé du conducteur et donc d'une ligne électrique et d'un réseau de distribution d'où provient l'énergie électrique. Cet isolement galvanique protège le compteur contre des pics de courants ou de tension ou contre d'autres 15 perturbations provenant de la ligne électrique ou du réseau de distribution et susceptibles d'endommager le compteur ou de perturber son fonctionnement. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre 20 particulier non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 représente un schéma électrique du 25 compteur de l'invention ; - la figure 2 représente un schéma électrique d'un étage de gain d'un circuit de mesure du compteur de l'invention : - la figure 3 représente un schéma électrique 30 d'une unité d'alimentation du compteur de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le compteur d'énergie électrique de l'invention est un compteur triphasé 1 35 destiné à mesurer une énergie électrique qui est fournie 3028619 9 par un réseau de distribution 2 situé en amont du compteur 1 et qui est consommée par une installation électrique 3 située en aval du compteur 1. L'énergie électrique est transmise à l'installation 5 électrique 3 par une ligne électrique 4 comprenant un premier conducteur de phase 5a, un deuxième conducteur de phase 5b, un troisième conducteur de phase 5c et un conducteur de neutre 6 auxquels est raccordé le compteur 1.

10 Le compteur 1 est notamment destiné à mesurer un premier courant consommé Ica circulant sur le premier conducteur de phase 5a, un deuxième courant consommé Icb circulant sur le deuxième conducteur de phase 5b et un troisième courant consommé Icc circulant sur le troisième 15 conducteur de phase 5c. Pour mesurer ces courants Ic, le compteur électrique 1 comporte pour le premier conducteur de phase 5a un premier circuit de mesure 8a, un premier circuit de traitement 9a et des premiers moyens de transmission 20 10a ; pour le deuxième conducteur de phase 5b un deuxième circuit de mesure 8b, un deuxième circuit de traitement 9b et des deuxièmes moyens de transmission 10b ; et pour le troisième conducteur de phase 5c un troisième circuit de mesure 8c, un troisième circuit de traitement 9c et 25 des troisièmes moyens de transmission 10c. Comme les premier, deuxième et troisième circuits de mesure 8a, 8b, 8c, les premier, deuxième et troisième circuits de traitement 9a, 9b, 9c et les premiers, deuxièmes, et troisièmes moyens de transmission 10a, 10b, 30 10c sont identiques pour chaque conducteur de phase 5 et agissent de la même manière sur chaque courant consommé Ic, on décrira tout d'abord uniquement un circuit de mesure 8, un circuit de traitement 9 et des moyens de transmission 10 associés à un seul conducteur de phase 5.

35 Le circuit de mesure 8 comprend un shunt de mesure 3028619 5 13 et des moyens d'acquisition 14. Le shunt de mesure 13 est monté sur le conducteur de phase 5 de sorte que le courant consommé Ic circule au travers du shunt de mesure 13.

5 Les moyens d'acquisition 14 sont reliés au shunt de mesure 13 et sont destinés à générer une tension de mesure Vmes représentative du courant consommé Ic et pouvant être exploitée pour mesurer ce courant consommé Ic sans le perturber significativement.

10 Les moyens d'acquisition 14 comportent un étage de gain 15 qui, en référence à la figure 2, comprend un premier amplificateur opérationnel suiveur 20, un deuxième amplificateur opérationnel suiveur 21 et un amplificateur opérationnel différentiel 22.

15 Chaque amplificateur opérationnel suiveur 20, 21 est alimenté par une tension d'alimentation amont Vam et est relié à une masse électrique amont Mam à laquelle est référencée ladite tension d'alimentation amont Vam. Chaque amplificateur opérationnel suiveur 20, 21 20 comprend une entrée non inverseuse Eni reliée à l'une des bornes du shunt de mesure 13 et une entrée inverseuse Ei reliée à une sortie S de l'amplificateur opérationnel suiveur 20, 21 via une première résistance Rl. L'amplificateur opérationnel différentiel 22 25 comprend une entrée non inverseuse Eni' reliée à la sortie S du premier amplificateur opérationnel suiveur 20 via une deuxième résistance R2 et une entrée inverseuse E'i reliée à la sortie S du deuxième amplificateur opérationnel suiveur 21 via une troisième résistance R3.

30 Une quatrième résistance R4 est connectée entre la sortie S du deuxième amplificateur opérationnel suiveur 21 et la masse électrique amont Mam. L'entrée non inverseuse Eni' de l'amplificateur opérationnel différentiel 22 est reliée à la sortie S' de l'amplificateur opérationnel 35 différentiel 22 via une sixième résistance R6.

3028619 6 Typiquement, les deuxième et quatrième résistances R2 et R4 ont la même valeur de résistance, de même que les troisième et sixième résistances R3 et R6 L'étage de gain 15 permet d'obtenir la tension de 5 mesure Vmes à partir du courant consommé Ic circulant dans le shunt de mesure 13, ladite tension de mesure Vmes étant proportionnelle au courant consommé Ic. L'étage de gain 15 produit un gain qui est compris typiquement entre 10 et 100 tout en constituant une interface haute 10 impédance avec le shunt de mesure 13 pour ne pas perturber le courant consommé Ic. On note qu'un ajustement réalisé au moment de la fabrication du compteur 1 permet de calibrer le gain de l'étage de gain 15 entre la tension aux bornes du shunt 15 de mesure 13 et la tension de mesure Vmes. On note que Mam, Vam et Vmes sont spécifiques à chaque phase du compteur. En référence de nouveau à la figure 1, les moyens de transmission 10 comprennent un amplificateur opérationnel 20 de transmission 30 et un composant optocoupleur appairé 31 à l'intérieur duquel sont intégrées une première diode électroluminescente 32, une deuxième diode électroluminescente 33, une première photodiode 34 et une deuxième photodiode 35. La première diode 25 électroluminescente 32 et la première photodiode 34 sont agencées de sorte qu'un signal lumineux émis par la première diode électroluminescente 32 est reçu par la première photodiode 34. De même, la deuxième diode électroluminescente 33 et la deuxième photodiode 35 sont 30 agencées de sorte qu'un signal lumineux émis par la deuxième diode électroluminescente 33 est reçu par la deuxième photodiode 35. L'amplificateur opérationnel de transmission 30, la première diode électroluminescente 32, la deuxième diode 35 électroluminescente 33 et la deuxième photodiode 35 sont 3028619 7 situées dans le circuit de mesure 8. La première photodiode 34, quant à elle, est située dans le circuit de traitement 9. Ici, par « situé », on entend relié uniquement à un ou des composants du circuit en 5 question. L'amplificateur opérationnel de transmission 30 est alimenté par la tension d'alimentation amont Vam et est relié à la masse électrique amont Mam à laquelle est référencée la tension d'alimentation amont Vam.

10 L'amplificateur opérationnel de transmission 30 comprend une entrée non inverseuse Eni" reliée à la sortie de l'étage de gain 15 (ou sortie S' de l'amplificateur opérationnel différentiel 22) via une septième résistance R7 ayant ici typiquement une valeur 15 de résistance de 10 kiloohms. La tension de mesure Vmes est donc appliquée sur l'entrée non inverseuse Eni" de l'amplificateur opérationnel de transmission 30. L'entrée non inverseuse Eni" est aussi reliée à la tension d'alimentation amont Vam via une huitième résistance R8 20 ayant elle aussi ici typiquement une valeur de résistance de 10 kiloohms. La sortie S" de l'amplificateur opérationnel de transmission 30 est reliée à la masse électrique amont Mam via une neuvième résistance R9 ayant ici typiquement 25 une valeur de résistance de 10 kiloohms, la première diode électroluminescente 32, et la deuxième diode électroluminescente 33 toutes montées en série entre la sortie S" et la masse électrique amont Mam. L'amplificateur opérationnel de transmission 30 30 comprend aussi une entrée inverseuse Ei" reliée, d'une part, à la masse électrique amont Mam via une dixième résistance R10 ayant ici une valeur de résistance de 10 kiloohms et, d'autre part, à la tension d'alimentation amont Vam via la deuxième photodiode 35.

35 La première photodiode 34, située dans le circuit de 3028619 8 traitement 9, est connectée, d'une part, à une tension d'alimentation aval Vav (typiquement d'une valeur de 3,3 volts) et, d'autre part, à une unité de traitement 40 comportant notamment un convertisseur analogique- 5 numérique 41. Une onzième résistance Rll ayant ici typiquement une valeur de résistance de 10 kiloohms est connectée à l'une de ses bornes à la première photodiode 34 et à l'unité de traitement 40 et à l'autre de ses bornes à une masse électrique aval Mav, qui est reliée au 10 neutre 6. Les moyens de transmission 10 sont utilisés pour transmettre au circuit de traitement 9, depuis le circuit de mesure 8 avec un isolement galvanique, un signal représentatif de la tension de mesure Vmes et donc du 15 courant consommé Ic. L'isolement galvanique est réalisé grâce à l'utilisation de l'optocoupleur appairé 31. Un courant de transmission It circule depuis la sortie S" de l'amplificateur opérationnel de transmission 30 et chemine au travers de la première 20 diode électroluminescente 32 et de la deuxième diode électroluminescente 33. Le courant de transmission It est directement proportionnel à la différence de tension entre l'entrée non inverseuse Eni" de l'amplificateur opérationnel de 25 transmission 30, sur laquelle est appliquée la tension de mesure Vmes, et l'entrée inverseuse Ei" de l'amplificateur opérationnel de transmission 30. Sous l'effet du courant de transmission It qui la traverse, la deuxième diode électroluminescente 33 génère 30 un signal lumineux d'asservissement 44 qui est reçu par la deuxième photodiode 35. La deuxième photodiode 35 génère alors un courant proportionnel au courant de transmission It. La tension appliquée sur l'entrée inverseuse Ei" de l'amplificateur opérationnel de 35 transmission 30 est donc elle aussi proportionnelle au 3028619 9 courant de transmission It. Le courant de transmission It est donc asservi à la tension de mesure Vmes, et est proportionnel à cette tension de mesure Vmes. Sous l'effet du courant de transmission It qui la 5 traverse, la première diode électroluminescente 32 génère un signal lumineux de transmission 45 représentatif du courant de transmission It et donc de la tension de mesure Vmes. Le signal de transmission 45 est reçu par la première photodiode 34. Comme la tension de mesure Vmes 10 est elle-même proportionnelle au courant consommé 1c, le signal de transmission 45 reçu par la première photodiode 34 et donc par le circuit de traitement 9 est lui-même proportionnel au courant consommé Ic. L'unité de traitement 40 acquiert le signal de 15 transmission 45 et donc acquiert un signal proportionnel au courant consommé Ic qui est utilisé comme mesure dudit courant consommé. La transmission du signal lumineux de transmission avec un isolement galvanique entre le circuit de mesure 8 20 et le circuit de traitement 9 permet d'isoler galvaniquement le circuit de mesure 8 et le circuit de traitement 9 ce qui a pour avantage notamment de protéger le circuit de traitement 9 et le reste du compteur 1 contre des pics de tension ou de courant ou autres 25 perturbations provenant de la ligne électrique 6 ou du réseau de distribution 2 en amont du compteur 1. La masse électrique amont Mam et la masse électrique aval May sont ainsi isolées électriquement l'une de l'autre, de sorte que la tension d'alimentation 30 amont Vam et la tension d'alimentation aval Vav sont référencées à des masses isolées électriquement l'une de l'autre. En référence à la figure 3, on décrit maintenant plus en détail la manière dont est obtenue la tension 35 d'alimentation amont Vam de chaque circuit de mesure 8 à 3028619 10 partir de la tension d'alimentation aval Vav. Une unité d'alimentation à découpage 50 génère ainsi à partir de la tension d'alimentation aval Vav : une première tension d'alimentation amont Vama pour alimenter 5 le premier circuit de mesure 8a, tension qui est référencée une première masse électrique amont Marna ; une deuxième tension d'alimentation amont Vamb du deuxième circuit de mesure 8b, tension qui est référencée à une deuxième masse électrique amont Mamb ; et une troisième 10 tension d'alimentation amont Vamc du troisième circuit de mesure 8c, tension qui est référencée à une troisième masse électrique amont MamC. L'unité d'alimentation à découpage 50 est reliée à la tension aval qui est ici typiquement une tension de 15 3,3 volts générée par une alimentation principale du compteur 1, qui prend elle-même sa source des tensions des conducteurs de phase 5a, 5b et 5c. L'unité d'alimentation 50 comporte un bloc de découpage 51 associé à un oscillateur, un premier circuit 20 de sortie 52a, un deuxième circuit de sortie 52b et un troisième circuit de sortie 52c qui sont connectés au bloc de découpage 51 et en sortie desquels sont générées respectivement la première tension d'alimentation amont Varna, la deuxième tension d'alimentation amont Vamb et la 25 troisième tension d'alimentation amont Vamc. Chaque circuit de sortie 52 comporte une première capacité Cl, une deuxième capacité C2, une troisième capacité C3, une première diode D1 et une deuxième diode D2.

30 La première capacité Cl est connectée entre la masse électrique aval Mav et la tension d'alimentation amont Vam correspondante, pour découpler la tension d'alimentation Vam de la masse électrique aval Mav. La deuxième capacité C2 est connectée entre la sortie du 35 bloc de découpage 51 et la cathode de la diode Dl, elle- 3028619 11 même reliée à l'anode de la diode 02. La troisième capacité C3 est connectée entre la tension d'alimentation amont Vam et la masse électrique amont Mam correspondantes. La première diode D1 a son anode 5 connectée à la masse électrique amont Mam et sa cathode connectée à la deuxième capacité C2. La deuxième diode D2 a son anode connectée à la cathode de la première diode D1 et sa cathode à la tension d'alimentation amont Vam. On obtient ainsi une première tension d'alimentation 10 amont Varna, une deuxième tension d'alimentation amont Vamb et une troisième tension d'alimentation amont Vamc qui sont générées à partir d'une unique tension d'alimentation aval Vav, qui sont découplées de la tension d'alimentation aval Vav, et qui sont référencées 15 à des masses électriques isolées électriquement entre elles et isolées de la masse électriques May. On note que l'oscillateur est conçu de sorte que l'unité alimentation à découpage 50 fonctionne à une fréquence comprise entre 100 kHz et 300 kHz. Cette plage 20 de fréquence permet notamment d'éviter que les harmoniques éventuellement générés par l'unité d'alimentation n'interfèrent dans la bande CENELEC A avec des signaux de transmission CPL (Courants Porteurs en Ligne).

25 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, il aurait été possible de n'utiliser 30 qu'une seule diode électroluminescente agencée pour émettre vers une seule photodiode le signal de transmission, ou bien agencée pour émettre à deux photodiodes un signal de transmission et un signal d'asservissement.

35 Bien que l'on ait ici mis en oeuvre l'invention sur 3028619 12 un compteur triphasé, l'invention est bien sûr applicable à un compteur monophasé ou à tout compteur polyphasé.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Compteur d'énergie électrique comportant des moyens de mesure destinés à mesurer un courant consommé circulant sur au moins un conducteur (5a, 5b, 5c), les moyens de mesure comprenant, pour chaque conducteur : - un circuit de mesure (8a, 8b, 8c) comprenant un shunt (13) de mesure monté sur le conducteur et au travers duquel circule le courant consommé (Ica, Icb, Icc) et des moyens d'acquisition (14) reliés au shunt de mesure et agencés pour générer une tension de mesure (Vmes) représentative du courant consommé ; un circuit de traitement (9a, 9b, 9c) destiné à recevoir un signal de transmission (45) représentatif de la tension de mesure et donc du courant consommé et à traiter le signal de transmission ; - des moyens de transmission (10a, 10b, 10c) destinés à transmettre le signal de transmission au circuit de traitement depuis le circuit de mesure avec un isolement galvanique, les moyens de transmission comprenant au moins une diode électroluminescente (32, 33) située dans le circuit de mesure et une première photodiode (34) située dans le circuit de traitement.
2. 2. Compteur d'énergie électrique selon la revendication 1, dans lequel les moyens de transmission comprennent en outre une deuxième photodiode (35) et un amplificateur opérationnel (30) comprenant une entrée non inverseuse (Eni"), une entrée inverseuse (Ei") et une sortie (S"), la tension de mesure étant appliquée sur l'entrée non inverseuse, la deuxième photodiode étant reliée à l'entrée inverseuse, ladite au moins une diode électroluminescente étant reliée à la sortie et générant à partir d'un courant de transmission (It) circulant depuis la sortie de l'amplificateur opérationnel un signal lumineux, le signal lumineux formant d'une part le 3028619 14 signal de transmission (45) reçu par la première photodiode et d'autre part un signal d'asservissement (44) reçu par la deuxième photodiode de sorte que le courant de transmission soit asservi à la tension de 5 mesure.
3. 3. Compteur d'énergie électrique selon la revendication 2, dans lequel la au moins une diode électroluminescente comporte une première diode électroluminescente (32) générant le signal de 10 transmission (45) et une deuxième diode électroluminescente (33) montée en série avec la première diode électroluminescente et générant le signal d'asservissement (44).
4. 4. Compteur d'énergie électrique selon l'une des 15 revendications précédentes, dans lequel les moyens d'acquisition comportent un étage de gain (15) comprenant deux amplificateurs opérationnels suiveurs (20, 21) connecté chacun à une borne du shunt et un amplificateur opérationnel différentiel (22) ayant deux entrées reliées 20 chacune à une sortie de l'un des amplificateurs opérationnels suiveurs.
5. 5. Compteur d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit de mesure est alimenté par une tension d'alimentation amont 25 (Vam) et le circuit de traitement par une tension d'alimentation aval (Vav), la tension d'alimentation amont et la tension d'alimentation aval étant référencées à des masses isolées électriquement l'une de l'autre.
6. 6. Compteur d'énergie électrique selon la 30 revendication 5, dans lequel la tension d'alimentation amont est générée par une unité d'alimentation à découpage (50) à partir de la tension d'alimentation aval.
7. 7. Compteur d'énergie électrique selon la 35 revendication 6, dans lequel l'alimentation à découpage 3028619 15 fonctionne à une fréquence comprise entre 100 kHz et 300 kHz.
8. 8. Compteur d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, le compteur étant un compteur 5 triphasé (1).