Capteurs de courant: Ã chacun son argument! - Mesures

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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
Page 3: SolutionsLa précision globale est

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