Capteur de courant avec sonde fluxgate Travail de Master of Science HES-SO en Engineering Capteur de courant avec sonde fluxgate et traitement de signal amélioré Davide Azzoni Professeur responsable : Maurizio Tognolini HEIG-VD / iAi (Institut d‘Automation Industrielle) En collaboration avec l’entreprise LEM DESCRIPTION RESULTATS Leader sur ses marchés, LEM offre des solutions innovantes et de haute qualité dans la mesure des paramètres électriques. Ses capteurs de courant et de tension sont utilisés dans un champ très étendu d’applications au sein des marchés industriels, ferroviaires, énergétiques et automobiles. En plus d’atténuer les perturbations, la nouvelle technique d’excitation permet de simplifier la construction de la tête de mesure ce qui entraîne une diminution significative du coût. La première étape du projet est la modélisation du capteur et en particulier celle de la tête de mesure. En partant de l’assemblage de la Figure 5 on arrive au schéma magnétique équivalent de la Figure 6. En appliquant le principe de dualité on passe du schéma magnétique à celui électrique. La saturation des inductances des détecteurs sont modélisés grâce à des fonctions mathématiques recréant le cycle d’aimantation des matériaux. Les capteurs les plus fréquemment utilisés sont ceux à effet Hall. Cependant pour les applications nécessitant une grande précision le concept fluxgate est souvent employé. Une inductance saturable est placée dans une structure pont en H (voir Figure 2) et excitée successivement dans le sens positif et négatif. En l’absence de courant à mesurer IP, le courant d’excitation ifx reste symétrique et centré sur zéro. En revanche avec IP non nul le cycle d’aimantation du matériau magnétique est décalé ce qui a pour effet de rompre la symétrie et permet de détecter la présence du courant. Fig. 5 Tête de mesure Fig. 6 Schéma magnétique Fig.1 Applications Si le principe fluxgate offre de meilleures performances par rapport à une solution à effet Hall, les inconvénients de cette méthode sont les perturbations électromagnétiques créés par le mode d’excitation de l’inductance saturable (tension rectangulaire à flancs extrêmement raides). Fig. 2 Excitation et inductance saturable Fig. 7 Schéma de simulation OBJECTIFS Le tout étant inséré dans un symbole Spice il est facile de tester par simulation différentes méthodes d’excitation. Comme illustré à la Figure 7, la solution trouvée consiste à exciter le détecteur à l’aide d’une tension de forme optimisée, contrôlée par microcontrôleur permettant de s’affranchir des flancs raides de la tension rectangulaire. Le capteur de courant LEM ITC 2000-S/SP1 (voir Figure 3) est un capteur à haute précision (Class 0.5R) spécialement conçu pour répondre à la norme EN 50463 (mesure d'énergie). Son courant nominal de mesure est 2000 A avec une plage allant jusqu'à 3000 A. De type closed-loop il intègre la technologie fluxgate. L’étape suivante est la réalisation d’un prototype de laboratoire afin de valider le nouveau concept à l’aide de mesures. La Figure 8 montre (en bas à droite) l’électronique générant la tension d’excitation et conditionnant les signaux pour effectuer les détections à l’aide du microcontrôleur (en haut à droite). L’amplificateur classe D (à gauche) génère le courant de compensation dans la tête de mesure (en haut au centre). Le tout est alimenté par une tension d’alimentation de ±24 V. Fig. 3 ITC 2000-S/SP1 A l’intérieur du circuit magnétique principal se trouve le détecteur fluxgate. La tension venant du circuit excitateur est échantillonnée afin de détecter la présence du courant primaire. Le régulateur numérique associé au DAC permet la commande de l'amplificateur classe D générant le courant Is qui compense grâce à l'enroulement secondaire les ampères-tours IP. Le rôle du circuit magnétique principal est double : il sert de blindage magnétique pour le détecteur et devient un excellent transformateur de courant pour les moyennes et hautes fréquences. Comme principal effet indésirable on peut noter que les commutations du circuit d’excitation, par couplage capacitif, donnent naissance à des courants parasites qui traversent le circuit de mesure. En se basant sur le capteur ITC 2000-S/SP1, le but du projet est de trouver une nouvelle technique d’excitation afin de réduire les perturbations tout en préservant la précision du capteur. Fig. 9 Erreur de mesure Fig. 8 Prototype Les mesures effectuées montrent que les courants parasites ont été supprimés. La précision du prototype atteint celle du capteur de référence (voir Figure 9). Fig. 4 Schéma bloc de base CONCLUSION L’étude a permis d’apporter les améliorations suivantes : Suppression des perturbations Réduction de la taille de la tête de mesure Simplification du circuit électronique Une meilleure fiabilité (un maximum de fonctions sont implantées dans le microcontrôleur) L’étude réalisée est un projet complet et complexe qui touche à beaucoup de domaines dans l’ingénierie : magnétisme, électronique analogique et numérique. L’aspect modélisation et simulation a été particulièrement intéressant à entreprendre et a permis de trouver assez rapidement une solution au problème.