Capteurs de courant: Ã chacun son argument! - Mesures

SolutionsLa précision globale est de quelques pour-cent,une valeur plutôt modeste qui s’explique parle décalage du zéro pour les mesures de courantcontinu, les décalages de la cellule Hall etdes composants électroniques de traitement,le décalage magnétique en courant continu,l’erreur de gain et de linéarité,l’atténuation del’amplitude et le déphasage lorsque la limitede la bande passante est atteinte ,et enfin lebruit. Des erreurs supplémentaires apparaissentavec les variations de température, notammentles variations de gain et de dérive du zéro.Capteur à effet Hall en boucle fermée. Comparativementaux capteurs en boucle ouverte,les capteurs à effet Hall en boucle fermée ontun circuit de compensation intégré, qui optimiseles performances. La cellule Hall des capteursen boucle fermée est utilisée commesignal de contre-réaction, régulant le courantI Sde la bobine secondaire de manière à ce quele champ magnétique dans l’entrefer soit égalà zéro. L’enroulement secondaire comprendplus de tours (N S) que l’enroulement primaire(N P). Pour une induction nulle dans l’entrefer,les ampères-tours dans les deux bobinessont identiques et par conséquent le rapportde proportionnalité entre les courants secondairesI Set primaires I Pest donné par le rapportdes nombres de spires : I S= I PN p/N S.La fréquence de mesure maximale est généralementcomprise entre 2 et 10 kHz.Cette gammerelativement réduite est due à la bande passantelimitée des composants électroniques età la faible dynamique de tension qui permetde générer le courant I sdans la bobine secondaire.Lalimitation de la bande passante du capteurpeut être contournée en utilisant la bobinesecondaire comme transformateur de courantstandard, convertissant le courant alternatifprimaire en courant secondaire.Les capteurs à effet Hall en boucle fermée sontcapables de mesurer des formes d’onde decourants continus, alternatifs et complexes touten assurant une isolation galvanique. Ils se distinguentpar d’excellentes précisions et linéarité,unefaible dérive de température,un tempsde réponse rapide, une bande passante élevée,aucune perte d’insertion dans le circuit primaireet une sortie de courant très résistanteaux interférences électromagnétiques.Les principaux inconvénients de la technologieboucle fermée sont la puissance relativementélevée de l’alimentation secondaire, deplus grandes dimensions (spécialement pourles courants élevés) et un coût évidemmentsupérieur à celui d’un capteur à boucle ouverte(de conception plus simple).Les courants nominaux vont de quelquesampères à plus de 20 kA, certains modèlesallant même jusqu’à 500 kA. Pour un modèledonné, le courant maximum mesurable estpar conception limité par le niveau de saturationde l’électronique de commande, en généraluniquement aux fréquences basses.Les capteurs de courant boucle fermée disposentd’une excellente linéarité sur une vasteplage de mesures avec une précision totale restantgénéralement inférieure à 1 %. Les facteursaffectant la précision sont les mêmes quepour les capteurs en boucle ouverte mais leurimportance est bien moindre en raison duprincipe à flux nul (réduction des décalages,plus de non-linéarité magnétique, gain moinsdépendant de la température).Aux fréquencesélevées, la performance de la mesure est déterminéepar la performance du transformateurde courant.Les capteurs en boucle fermée peuvent toujoursêtre sensibles aux décalages magnétiquesqui subsistent en cas d’utilisation dans desconditions anormales (courant primaire à bassefréquence excédant significativement lavaleur maximale spécifiée). La bande passanteest en général excellente, dépassant 100 kHzdans la plupart des cas. Elle peut parfoisatteindre plus de 300 kHz.Les temps de réponsesont tels que l’on peut mesurer des variationsde courant (di/dt) atteignant plusieurscentaines de A/µs.Les capteurs à effet Hall de type ETA. Laconception des capteurs ETA à effet Hall ressembleà celle des capteurs boucle fermée, avecle même agencement du circuit magnétique,de la cellule Hall et de l’enroulement secondaire.Les différences résident dans la conceptiondu circuit magnétique et la façon dont lessignaux sont traités par l’électronique de sortie.En fait, les capteurs ETA à effet Hall combinentles caractéristiques des technologiesboucle ouverte et boucle fermée. Aux faiblesfréquences (généralement entre 2 et 10 kHz),ils fonctionnent comme des capteurs en boucleouverte, la cellule Hall fournissant un signalproportionnel au courant primaire à mesurer.Aux fréquences élevées, ils fonctionnent commeun simple transformateur de courant. Lessignaux du transformateur et de la cellule Hallsont électroniquement ajoutés, pour formerComparaison des différents types de capteurs de courantTechnologies à effet Hall Technologies Fluxgate Technologies sansBoucle Type ETA Boucle Type IT Type C A deux noyaux Type circuit magnétiquefermée ouverte à trois noyaux à deux noyaux magnétiques standardmagnétiques magnétiques sans transfo LEM-Flex PRiMEPlage de mesure 0-15 000 A 25-150 A 0-15 000 A 0-600 A 0-150 A 0-400 A 0-500 A 0-10 000 A 0-10 000 ABande passante 0-200 kHz 0-100 kHz 0-25 kHz 0-100 kHz 0-500 kHz 0-100 Hz 0-200 kHz 10 Hz-100 kHz 100 kHzTemps de réponse < 1 ms< 1 ms < 3 – 7 ms < 1 ms 0.4 ms 5 ms < 1 ms 10-50 ms 2-50 ms(@ 90 %)Précision ± 0.5 % ± 1.5 % (CC) ± 1,5 % ± 0,0002 % ± 0,1 % ± 0,1 % ± 0,2 % ± 1 % ± 0,5 %typiqueLinéarité ± 0.1 % ± 0.5 % (CC) ± 0.5 % ± 0.0001 % ± 0.05 % ± 0.1 % ± 0.1 % ± 0.2 % ± 0.2 %± 0.1 % (CA)Points - Précision - Vitesse - Faible - Très grande - Grande résolution - Résolution - Résolution - Précision - Précisionremarquables - Vitesse - Faible consommation résolution - Grande précision - Précision - Précision - Bande passante - Bande passanteconsommation - Petite taille - Très grande - Top vitesse - Basse - Vitesse - Faible masse - Faible masse- Basse tension(5 V) - Bas prix précision fréquence - CA - CA- Vitesse - Bas prixMESURES 763 - MARS 200451

SolutionsConstitution d’un capteur Fluxgate standardCapteur Fluxgate standardSelf saturableLe schéma de principe est assez proche de celui des capteurs à effet Hall en boucle fermée. Maisici, le champ dans l’entrefer est mesuré à l’aide d’une self saturable au lieu d’une cellule à effetHall. On mesure les variations de changement de la valeur de l’inductance de la self.Réponse du courant à une augmentation de la tensionComportement du courant dans la selfsaturable dans le cas simple d’une soudaineaugmentation de la tension à ses bornes(échelon unité) : la courbe “inductance constante” montrela réponse classique du courant, de formeexponentielle la courbe “Bext = I 1= 0” correspond à uncourant primaire du capteur nul, ne créantaucun champ dans l’entrefer et donc aucun champ externe sur l’élément saturable (Bext = 0). Laréponse du courant I Sidans l’élément saturable comprend trois sections bien distinctes. Pour lesfaibles valeurs du courant I SI(zone 1), la variation du courant est lente puisque l’élément saturable aété conçu pour avoir une inductance élevée à faible niveau de saturation. Lorsque le courant dépasseun certain niveau (zone 2), le niveau de saturation de l’inductance est atteint et la valeur de cette dernièrechute, conduisant à une forte variation du courant. Cette chute d’inductance, soudaine et marquée,est obtenue par conception de l’élément saturable. Dans la zone 3 enfin, le courant atteint leniveau asymptotique fixé par la tension du courant disponible (U/R) ; la courbe “I 1≠ 0”. Lorsque le courant primaire n’est pas égal à zéro, un champ externe est appliquéà la bobine inductrice saturable et la réponse du courant est modifiée.Réponse du courant à l’application d’un signal carrépour un courant primaire I 1nulpour un courant primaire I 1non nulLa bobine de l’élément saturable estalimentée par une tension carrée u(t),ce qui se traduit par un courant I si(t)alternatif. En mesurant les différencesd’allure de ce courant, on peut endéduire la valeur du courant primaireI 1. Il existe plusieurs méthodes pourdétecter ces différences : mesure de lacomposante continue du courant del’élément saturable I SI, analyse spectraledu courant I SIet mesure de l’amplituded’une harmonique remarquable(généralement celle de rang 2 ou 3) etenfin mesure du rapport cyclique de latension u(t). Le paramètre détecté estensuite utilisé comme signal de retourpour la boucle fermée.un signal commun de sortie.Les capteurs ETA sont capables de mesurer desformes d’onde de courant continue, alternativeet complexe, tout en assurant une isolation galvanique.L’ETA est recommandé lorsque l’onrecherche une bande passante élevée,un tempsde réponse rapide, une faible consommationd’énergie (en raison de la bobine secondaire quin’est jamais activement sous tension) et une tensiond’alimentation à faible tension du secondaire(par exemple, +5 V). Au-dessus de 2-10 kHz,la précision et les dérives de températuresont bonnes (semblables à celles obtenues enboucle fermée). Les capteurs ETA ne créent pasde pertes d’insertion dans le circuit à mesurer etrésistent parfaitement aux surcharges de courant.L’inconvénient majeur se situe dans la taille et lepoids du circuit magnétique,dus au fait qu’il fautavoir à la fois une bobine secondaire encombrante(comme pour les capteurs boucle fermée) etun noyau magnétique de forte section (commepour les capteurs boucle ouverte).Aux basses fréquences,la précision de mesure de la technologieETA est plus sensible aux variations de températures(comme pour les capteurs boucle ouverte).Le coût d’un produit ETA est supérieur à celui desmodèles plus simples en boucle ouverte et prochede celui des solutions en boucle fermée.Les courants nominaux sont généralement comprisentre 25 A et 150 A. Cette plage de travail,particulièrement étroite,n’est pas limitée par desaspects technologiques mais plutôt par des facteursde coût et de marché : pour les courantsinférieurs à 25A, il est possible de travailler dansdes conditions semblables avec la technologieboucle fermée,plus performante,alors que pourdes courants supérieurs à 150A une tension d’alimentationsecondaire plus élevée (par exemple±15 V) est généralement disponible, ce quiconduit à privilégier la technologie en boucle fermée,mieux adaptée. En effet, la faible consommationdu secondaire obtenue avec la technologieETA ne présente en général pas un grandintérêt lorsque l’on mesure des courants élevés.La précision des capteurs ETA dépend de la fréquence.Pourdes basses fréquences (typiquementde 2 à 10kHz),la précision globale est de quelquespour-cents, comme pour les modèles en boucleouverte.Pour les fréquences supérieures,la précisionglobale est généralement inférieure à 1%.Après une surcharge de courant excédant lesvaleurs spécifiées, le risque d’avoir un décalagerésiduel dû à une rémanence du circuitmagnétique est à basse fréquence le même quepour les capteurs en boucle ouverte.La bande passante, le temps de réponse et lecomportement di/dt des capteurs ETA sont trèsproches de ceux de la technologie en bouclefermée,avec néanmoins une petite réduction deperformance.La limite supérieure en fréquen-52 MESURES 763 - MARS 2004

Solutionsce est généralement de 100 kHz. Le temps deréaction est rapide, inférieur à 1µs.La technologie Fluxgate (“porte de flux”) peutêtre déployée de différentes manières, en utilisanttoujours sur le même principe mais donnantdes performances diverses suivant la complexitéde la conception.3 -Les technologies fluxgateLe capteur Fluxgate “standard”. Un capteurFluxgate isolé peut être conçu comme un capteurà cellule Hall en boucle fermée, avec le mêmeagencement du circuit magnétique,comprenantun entrefer et un enroulement secondaire.C’estau niveau de la détection du champ dans l’entreferque réside la principale différence entre lesdeux technologies :dans le cas du Fluxgate,elleest réalisée au moyen d’un élément saturable etnon d’une cellule Hall, ce qui implique d’importantesmodifications au niveau de l’électroniquede contrôle, tant au niveau de l’alimentationque du traitement du signal de sortie.L’“inducteur saturable”, qui est au cœur de cettetechnologie, est composé d’un petit noyaumagnétique mince sur lequel est placé le bobinage.Il est généralement fabriqué avec des élémentsdiscrets (noyau et fil en cuivre) mais différentesconceptions sont envisageables,y comprisles concepts évolués basés sur les technologiesMEMS (microstructures électromécaniques).La valeur de l’inductance de l’élément saturabledépend des propriétés magnétiques du noyau(perméabilité).Lorsque la densité du flux est élevée,le noyau est saturé, sa perméabilité est basseet la valeur de l’inductance est faible.Par contre,dans le cas d’une faible densité de flux,la valeurde l’inductance est élevée.La conception du capteurde courant doit être telle que l’inductance del’élément saturable soit affectée à la fois par lecourant primaire et par un courant injecté dansla bobine de l’élément saturable :- le fait que l’inductance soit affectée par lecourant primaire est utilisée comme un signalde retour pour le principe de boucle fermée- la forme d’onde du courant de l’inducteursaturable est utilisée pour la détection du changementd’inductanceComme pour les capteurs à effet Hall en bouclefermée, la bobine secondaire est souvent utiliséecomme un transformateur de courant classique,pour mesurer les composantes hautesfréquences du courant.Selon le modèle de capteurFluxgate considéré,cet effet transformateurà haute fréquence n’est pas toujours disponibleet entraîne des limites de la bande passanteou du temps de réponse.Types principaux de capteurs Fluxgate. On endistingue quatre grandes variantes :- le Fluxgate standard- le Fluxgate à deux noyaux magnétiques, dontMESURES 763 - MARS 2004Principales configurations de capteurs FluxgateFluxgate standardFluxgate à 2 noyauxmagnétiquesles performances sont nettement améliorées enutilisant un des deux tores magnétiques commeélément saturable, sans espace d’air entreles deux.Pour ce qui est du comportement auxhautes fréquences, un second tore bobiné estutilisé comme transformateur de courant, icinon plus, il n’y a pas d’entrefer.- les Fluxgate à trois noyaux magnétiques apportentune amélioration supplémentaire de performancesen dédoublant la tête de détection duchamp,en utilisant deux tores bobinés séparément.Labobine d’excitation est enroulée autourde chaque tore. Pour les hautes fréquences,l’amélioration est apportée en optimisant laconception du transformateur de courant et encombinant plusieurs bobinages sur le mêmetore avec une électronique adaptée.- les Fluxgate basses fréquences, se servant uniquementde la partie basse fréquence du Fluxgateà deux noyaux magnétiques, et en supprimantla partie transformateur de courant.Performances des technologies Fluxgate.Il estdifficile de comparer simplement les diversesconceptions Fluxgate mais on peut néanmoinssouligner des tendances générales.Au nombre des avantages, on trouve le faibledécalage et la faible dérive du décalage, la précisionet la résolution élevées, la grande plage deFluxgate à 3 noyauxmagnétiquesFluxgate à 2 noyaux magnétiquessans transformateur de courant(applications basses fréquences)températures de fonctionnement,la grande dynamiquede mesure de courant (rapport maximum/minimumélevé), la bande passante élevée,le temps de réponse très bref, et ce jusqu’à200 kHz typique, 800 kHz maximum.Au nombre des inconvénients, on peut citer labande passante limitée pour les modèles les plussimples,le risque d’une injection de bruit (courant/tension)dans le conducteur primaire etenfin la consommation de courant secondairerelativement élevée (mais semblable aux capteursen boucle fermée basés sur la technologie Hall).4 - Les transformateurs de courantDans les cas où il ne faut mesurer que des courantsalternatifs ou à impulsions, la solution laplus simple est généralement de considérer untransformateur de courant traditionnel,combinantdes bobines primaire et secondaire sur uncircuit magnétique, sans qu’il soit nécessaired’ajouter des composants électroniques.Avecles transformateurs de courant, le courant ausecondaire, réduit de quelques ordres de grandeurspar rapport au courant primaire,est mesuréavec un shunt. Les transformateurs de courantsont généralement robustes et ils assurentune isolation galvanique. Il en existe une grandevariété sur le marché, pour les courants pri-Comparaisondes différents types de capteurs de tensionMesure de Tension Technologies Fluxgate AV100 OptiLEMà effet Hall à deux noyaux (effet Hall)boucle fermée magnétiquesPlage de mesure 0 – 9 500 V 0 – 7 000 V 50 – 1 500 V 100 – 6 000 VBande passante quelques kHz 0 - 2 / 10 / 800 kHz 0 – 13 kHz 0 – 13 kHzTemps de réponse (@ 90 %) 10…100 msmin. 0.4 ms < 30 ms < 30 msPrécision typique ± 1 % ± 0.2 % ± 1.7 % ± 1.5 %Linéarité < 0.5 % ± 0.05 % ± 0.1 % ± 0.1 %Commentaires - Performances - Grande précision - Faible dimensions - Robuste auxmoyennes - Très grande vitesse - Tension limitée perturbations CEM- Basse fréquence - Faible vitesse - Très bonne tenue d’isolation- Faible vitesse53

SolutionsSonde Rogowski planaire (technologie Prime)Sonde Rogowski filairemaires allant de quelques mA à quelques kA,etcouvrant les tensions d’isolation généralementrequises, allant jusqu’à quelques millions devolts dans le secteur des réseaux de distributionélectrique. On trouve des transformateurs decourant réservés aux fréquences “techniques”,relativement basses (entre 16,66 Hz et 400 Hz),mais ils peuvent monter beaucoup plus haut,jusqu’à quelques MHz si le nombre de spiresest suffisamment faible pour éviter l’introductiond’erreurs capacitives.5 - Les technologiessans circuit magnétiqueLes performances des capteurs de tension et decourant sont souvent limitées par les imperfectionsinhérentes aux matériaux magnétiques (setraduisant par des phénomènes de rémanence,hystérésis, non-linéarité, pertes). De ce fait, onévoque souvent l’idée de concevoir des capteurssans circuit magnétique (noyau à air). Le défidans ce cas consiste à obtenir suffisamment desensibilité de mesure tout en restant insensibleaux perturbations magnétiques externes (champterrestre,conducteurs externes),fonctions généralementréalisées par le circuit magnétique. Ilexiste plusieurs variantes de conceptions de capteurssans circuit magnétique :Utilisation d’éléments de détection dechamp à forte sensibilité (AMR, GMR, etc.,évoqués précédemment). Le recours à une cellulede détection de champ à forte sensibilitéconfère la sensibilité nécessaire au capteur decourant mais la robustesse aux champs externesdevient problématique : l’installation de quatreéléments de détection dans une configurationen pont atténue cette influence mais ne règlepas totalement le problème.Bobine Rogowski. Pour les mesures de courantalternatif ou à impulsions, une bobineplacée dans l’air et magnétiquement coupléeavec le conducteur primaire “récolte”une tensioninduite. Cette bobine est en général réaliséeen bobinant des spires autour d’un cylindreflexible en matériaux isolants. Pour assurer l’insensibilitéaux perturbations des champsexternes,il faut faire attention à la manière dontsont connectés les fils de sortie.Bobine Rogowski planaire. Plusieurs conceptionsde bobines Rogowski fabriquées sur cartede circuit imprimé ont été analysées, dansle but de réduire les coûts de fabrication, lataille ou la masse. Pour l’instant, peu de produitsbasés sur ces technologies sont utilisésindustriellement. Une exception est la technologiePRiME (proposée par LEM), qui estcapable d’avoir simultanément une excellenterobustesse aux perturbations externes etune sensibilité importante.6 - Les shuntsEn général, une mesure du courant au moyend’un shunt classique est une bonne solution si leslimitations introduites par le shunt sont acceptablesdans l’application : pertes Joules, limitationen bande passante,bruit et mesure non-isolée.En effet, en pratique, la chute de la tensionaux bornes du shunt doit être maintenueconstante quelle que soit la valeur nominale ducourant à mesurer. En conséquence, les pertesJoules augmentent proportionnellement à lavaleur du courant, ce qui entraîne des problèmesde refroidissement pour les courantsélevés. Les effets magnétiques sont égalementplus marqués pour les courants forts, ce quilimite la bande passante pour ces courants etentraîne une baisse du rapport signal sur bruit.Ces problèmes résultant d’effets inductifs peuventêtre atténués par des conceptions adaptées(shunt coaxial ou planaire). Enfin, des composantssupplémentaires sont requis pour assurerl’isolation galvanique, la transmission dusignal et son amplification.Cela dit,comparativement au transformateur decourant, le shunt présente l’intérêt de pouvoirmesurer des courants présentant une composantede courant continu.7 - Les MEMSLes MEMS (micro-systèmes électromécaniques)ne représentent en soi pas une nouvelle technologiede mesure de courant mais plutôt uneconception et une technologie originales, permettantde produire des éléments ferromagnétiquesde très petites dimensions (2x2 mm). Ilexiste deux principaux types de développementMEMS qui pourraient se révéler dans les annéesà venir des candidats sérieux pour la mesure ducourant.Le premier concerne le développementd’éléments sensibles au champ magnétique(c’est-à-dire des fluxgates),qui pourraient trouverdes applications dans la mesure de courant,un peu comme ce qui s’est passé pour les cellulesHall (qui, à l’origine, avaient été développéespour d’autres applications,les claviers d’ordinateurpar exemple).Quant au deuxième type dedéveloppement des MEMS pour les mesures decourant,il concerne des nouveaux concepts demesure, très différents de ceux mis en œuvreavec les technologies traditionnelles, mais quipourraient déboucher grâce aux très faiblesdimensions des MEMS. Dans les deux cas, desrésultats prometteurs ont été obtenus mais tousles problèmes ne sont pas résolus.Un autre pointest les investissements que les acteurs sont prêtsà consentir, dans un marché tourmenté. Mais,encore une fois,cela risque de se passer commepour les cellules à effet Hall : on aura sans doutedes capteurs de champ magnétiques MEMS,qui adresseront un marché important (les détectionsde positions d’éléments mécaniques dansles équipements en tous genres).Les acteurs dela mesure électrique s’approprieront ensuite cettetechnologie et mettront tout ce qu’il fautautour pour en faire des capteurs de courant.Eric FavreWolfram Teppan - LEMLEM FranceLa Ferme de Courtaboeuf - 19, avenue des Indes91969 Courtaboeuf CedexTél. : 01 69 18 17 50 - Fax : 01 69 28 24 29lfr@lem.comwww.lem.fr54 MESURES 763 - MARS 2004