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CHAPITRE VI

CAPTEURS DE COURANT

IntroductionMise en contexte

� La qualité de fonctionnement et la fiabilité des systèmes qui consomment ou produisent de l’énergie électrique, reposent en partie sur les circuits de contrôle, donc, entre autres, sur la mesure de courants.

� Par conséquent, les capteurs de courant sont très répandus. On les trouve partout: dans les réseaux électriques (de production et de distribution), dans les moyens de transport (ferroviaire, automobile…), dans l’industrie et dans les appareils électriques en général…

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Besoins pour la mesure du courant

� Consommation et demande en énergie électrique croissantes, parallèlement à une augmentation des coûts de production d’énergie.

� Énorme expansion d’applications consommatrices en énergie, telles que le chauffage et la climatisation.

� Apparition de nouvelles technologies, telles que les véhicules électriques et hybrides.

� Exploitation des énergies renouvelables (éolienne, solaire, marine…), impactant les réseaux de production et de distribution électrique.

� Nécessité de réaliser l’adéquation entre l’offre et la demande en énergie électrique.

� Les réseaux doivent pouvoir échanger et gérer les données de production et de consommation (réseaux intelligents).

� Les maillons du réseau doivent être équipés de capteurs de courant, qui constituent des indicateurs de la production et de la consommation.

IntroductionCritères des capteurs de courant

• Image fidèle et précise du courant à mesurer ���� Précision + fidélité.

• Universalité des signaux mesurables ���� DC, AC.

• Aptitude à supporter les fortes surcharges ���� large domaine de

fonctionnement.

• Forte immunité aux composantes transitoires ���� bande passante.

• Bonne isolation galvanique entre le circuit de mesure et le circuit de

puissance.

• Insensibilité aux facteurs externes ���� variation du champ magnétique,

humidité, température, ….

• Simplicité d’emploi, large gamme de calibres.

• Économie et faible volume.

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Bases de la mesure du courant

Mesure du courant électrique

Divers principes physiques

Méthode directe

Capteurs Shunts

Méthodes indirectes

Capteurs à effet de Hall

Magnétorésistances

Transformateurs de courant

Méthode directeCapteurs Shunts: présentation

• Les shunts sont les seuls capteurs délivrant une mesure directe du courant.

• Un shunt est une résistance (Rs) calibrée et connue, placée en série avec le conducteur traversé par le courant à mesurer (imes).

• La mesure de la tension Vs = Rs.imes à ses bornes permet de déterminer la valeur du courant.

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Méthode directeCapteurs Shunts: caractéristiques

• Solution robuste et bon marché, quand l’isolation entre les circuits de mesure et de puissance n’est pas nécessaire.

• Déconseillés pour la mesure de forts courants, à cause des pertes par effet Joule (dissipation de chaleur).

• Ils génèrent des inductances parasites aux points de mesure de la tension.

Méthodes indirectesTransformateurs de courant: présentation

• Un transformateur de courant est une tore ferromagnétique, comportant un enroulement primaire de N1 spires, parcouru par le courant à mesurer (imes), et un enroulement secondaire, comportant un nombre plus élevé de spires N2, terminé par une charge résistive (R).

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Méthodes indirectesTransformateurs de courant: principe

• Son principe repose sur le théorème d’Ampère et la loi de Lenz: le courant parcourant le conducteur primaire crée une inductionqui, face à la variation de son flux, engendre une force électromotrice (f.e.m) variable aux bornes du secondaire.

• Il en résulte une tension (Vs) aux bornes de la charge (R)proportionnelle au courant mesuré (imes). La sensibilité du transformateur vérifie la relation :

imes

imes

Méthodes indirectesTransformateurs de courant: caractéristiques

• Solution robuste et simple, ne nécessitant pas une alimentation externe.

• Présentent une tension d’offset (tension continue indésirable) due à l’induction rémanente (Br).

• Limités aux courants alternatifs.

• Lorsque le courant à mesurer est supérieur à 50A, le nombre de spires au primaire doit être égal à 1 (N1 = 1).

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Méthodes indirectesMagnétorésistances: principe

• Les magnétorésistances sont des capteurs magnétiques à base de matériaux ferromagnétiques, dont la résistance dépend de l’angle entre l’aimantation et la direction du courant injecté.

• Sous l’influence du champ magnétique (image du courant à mesurer), supposé perpendiculaire à l’axe de l’aimantation, celle-ci subit une rotationdont découle une variation de résistance. Par mesure de la tension aux bornes de l’échantillon, on peut déduire la valeur du champ, et par suite celle du courant.

Méthodes indirectesMagnétorésistances: non-linéarité

• Un circuit de compensation (boucle de rétroaction) est souvent mis en œuvre pour pallier à la non linéarité des capteurs de courant magnétorésistifs.

• La topologie en pont de Wheatstone permet d’améliorer la linéarité de ces capteurs, tout en réduisant les effets des grandeurs d’influence, notamment la température, sur la précision des mesures.

• La variation de la résistance (R) est égale au carré du cosinus de l’angle (θ) entre l’aimantation et le courant. Cette caractéristique présente l’inconvénient de ne pas être linéaire.

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Méthodes indirectesMagnétorésistances: circuit de compensation

Schéma de principe d’un capteur magnétorésistif monté en pont de Wheatstone et opérant en boucle fermée

Méthodes indirectesMagnétorésistances: caractéristiques

• Solution miniature, souhaitable pour montage sur circuits imprimés.

• Certains modèles nécessitent une source de courant continu externe pour modifier l’angle de l’aimantation.

• Caractéristique entrée/sortie non linéaire.

• Sensibles à la température.

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Méthodes indirectesCapteur à effet Hall: principe

• Les capteurs à effet Hall sont réalisés à partir de matériaux semi-conducteurs. Ils nécessitent d’être alimentés par un courant de commande(Ic).

• Lorsqu’un champ magnétique (induit par le courant à mesurer imes) est appliqué au capteur, les porteurs de charges du semi-conducteur subissent la force de Lorentz, entraînant ainsi l’apparition de charges surfaciques au sommet et à la base de l’échantillon semi-conducteur.

• Ces charges viennent créer un champ électrique et engendrer une force opposée à celle de Lorentz. Une différence de potentiel, appelée tension de Hall (UH), apparaît ainsi entre les faces de l’échantillon.

• Cette tension, qui est proportionnelle au courant de commande (Ic) et au champ magnétique (B), lequel dépend de (imes), constitue le signal de sortie du capteur.

Méthodes indirectesCapteur à effet Hall: animation

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Méthodes indirectesCapteur à effet Hall: équations

d

BIRBI cH

c

.. U

H=⇒⊥

� RH : grandeur algébrique appelée constante de Hall ).(Cen .

1 31-m

qnRH =⇒

� d: épaisseur de l’échantillon du semi-conducteur (m).

d

Méthodes indirectesCapteur à effet Hall: influence du conducteur

1004.0 x 10-3As In Pb

1002.0 x 10-3As In

207.0 x 10-3In

208.0 x 10-3Ge

20-3.0 x 10-11Alu

20-5.5 x 10-11Cu

20-8.4 x 10-11Ag

Température de mesure (°C)

RHMatériaux

Conducteurs

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Méthodes indirectesCapteurs à effet Hall: caractéristiques

• Offrent des mesures de courants AC et DC.

• Nécessitent une source de courant continu externe.

• Fluctuations de la résistance de Hall (RH) avec la température dans l’intervalle [-40 à 120°C].

• Présence d’offsets dus au champ magnétique rémanent.

Méthodes indirectesCapteurs à effet Hall: boucle ouverte

• Les capteurs à effet Hall boucle ouverte disposent d’un élément de détection Hall placé dans l’entrefer. La conception est telle que l’induction magnétique détectée par la cellule Hall est théoriquement proportionnelle au courant primaire à mesurer.

La tension Hall est générée par le courant de commande Ic et par l’induction dans l’entrefer B.

Le courant au primaire Ip (à mesurer) génère l’induction dans l’entrefer B. Dans la zone linéaire du cycle d’hystérésis, B est proportionnel à Ip: B = α.Ip

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Capteurs à effet HallBoucle ouverte: avantages

• Capables de mesurer des formes d’onde de courants continus, alternatifs et complexes tout en assurant une isolation galvanique.

• Faible consommation d’énergie, un poids et une taille réduits.

• Particulièrement intéressants pour les courants élevés.

• Pas de pertes d’insertion dans le circuit à mesurer, ce qui ne les empêche pas de bien résister aux surcharges de courant.

• Bon marché et sont bien adaptés aux diverses applications industrielles.

Capteurs à effet HallBoucle ouverte: inconvénients

• Ont une bande passante et un temps de réponse relativement modestes.

• Leur précision de mesure varie beaucoup avec la température.

• Un entrefer « d » important linéarise le cycle d’hystérésis et réduit notablement la tension d’offset liée à l’induction rémanente Br du circuit magnétique. Mais l’entrefer augmente les risques de fuites magnétiques, pouvant perturber la tension de Hall.

→ Cette gamme vise des applications à critères économiques.

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Méthodes indirectesCapteurs à effet Hall: boucle fermée

• Les capteurs à effet Hall en boucle fermée sont dotés de circuit de compensation intégré, qui optimise les performances. La tension Hall de ces capteurs est utilisée comme signal de contre-réaction, régulant le courant de sortie IS de la bobine secondaire, de manière à ce que ce dernier soit proportionnel au courant d’entrée Ip.

Le courant secondaire Is est par suite proportionnel au courant primaire (àmesurer) Ip selon la relation:

la tension de Hall UH agit en signal de contre réaction, afin de compenser les ampères–tours primaires par des ampères–tours secondaires opposés.

IS = IP Np/NS

Capteurs à effet HallBoucle fermée: avantages

• Capables de mesurer des formes d’onde de courants continus, alternatifs et complexes tout en assurant une isolation galvanique.

• Excellentes précisions et linéarité,

• Faible dérive en température,

• Temps de réponse rapide, bande passante élevée,

• Sortie de courant très résistante aux interférences électromagnétiques.

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Capteurs à effet HallBoucle fermée: inconvénients

• La puissance relativement élevée de l’alimentation externe,

• De plus grandes dimensions (spécialement pour les courants élevés),

• Un coût évidemment supérieur à celui d’un capteur à boucle ouverte (de conception plus simple).

→ Cette gamme vise des applications exigeantes en matièresde rapidité, précision et bande passante.