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Transformateurs de courant à noyau divisé
Les capteurs de courant sont des composants essentiels dans divers systèmes électriques et électroniques, garantissant le fonctionnement sûr et efficace des équipements et installations. Dans cet article, nous explorerons les capteurs actuels, y compris leurs types, les variables à prendre en compte lors du choix d’un capteur actuel, les comparaisons de performances et les applications.
Nous pouvons classifier les capteurs de courant en fonction des concepts physiques fondamentaux qui les composent. Ces concepts englobent la loi d’Ohm, la loi d’induction de Faraday, les champs magnétiques et la détection optique. En utilisant ce cadre, nous allons maintenant introduire plusieurs types courants de capteurs de courant.
La loi d’induction de Faraday stipule que la force électromotrice totale (fem) générée dans un circuit fermé est proportionnelle au taux de variation du flux magnétique total à travers le circuit au fil du temps. Ce principe est largement appliqué dans les dispositifs de détection de courant. Deux dispositifs de bon sens basés sur la loi de Faraday sontTransformateurs de courant (CT)etBobines Rogowski. Lorsque l’isolation électrique est nécessaire pour des raisons de sécurité, ces capteurs assurent automatiquement la séparation nécessaire entre le courant mesuré et le signal de sortie. Cela les rend très précieux pour les équipements de détection existants.
Un CT se compose d’un enroulement primaire (généralement une boucle unique), d’un noyau et d’un enroulement secondaire. Il sert de capteur efficace pour mesurer les courants alternatifs élevés. Ainsi, de grands courants primaires peuvent être convertis en courants secondaires plus petits. Cet appareil ne nécessite aucun circuit de transmission supplémentaire car il est intrinsèquement passif. Une autre caractéristique clé est sa capacité à surveiller des courants extrêmement élevés tout en consommant un minimum d’énergie. Cependant, le matériau ferrite utilisé dans le noyau peut se saturer sous des courants primaires extrêmement élevés ou des courants avec des composants DC importants, entraînant une distorsion du signal. Un autre problème est qu’une fois magnétisé, le cœur développe une hystérésis, ce qui dégrade la précision à moins qu’il ne soit à nouveau démagnétisé. De plus, puisque leur principe fondamental repose sur la détection des variations de flux magnétique proportionnelles aux variations de courant, ils ne peuvent pas détecter les courants continus de manière standard.
Figure 1 : Structure de base d’un scanner CT
La figure 1 illustre le principe de fonctionnement d’unCT. En fonction du rapport de rotation, les variations du courant primaire Ip sont réfléchies comme étant sur le côté secondaire, ce qui peut être utilisé pour la détection. Une résistance de dérivation générant une tension de sortie proportionnelle au courant primaire peut être utilisée pour surveiller le courant de sortie. Cela offre une isolation, des pertes minimales, un principe de fonctionnement simple et une tension adaptée aux capteurs de courant sans nécessiter d’amplification supplémentaire. Un convertisseur analogique-numérique (ADC) peut être capable d’échantillonner directement la tension de sortie.
Le rapport de réduction du courant primaire est exprimé par le rapport CT. La précision d’un transformateur de courant est mesurée par sa classe de précision CT (parfois appelée classification CT ou grade CT). Selon leur classe de précision, les CT se divisent en deux catégories :CTs de précision de mesureetCTs de précision de protection. Les CT de précision de mesure sont conçus pour être très précis à tous les courants, même à très faibles courants. Ils sont évalués pour des charges communes spécifiques. En raison de leur grande précision, les compagnies d’électricité utilisent généralement ces CT pour évaluer la consommation à des fins de facturation. Précision de protectionCTsont une précision inférieure à celle des CT de mesure. Ils sont conçus pour fonctionner au niveau de précision minimal requis pour la protection des équipements.
Les transformateurs de courant sont fréquemment utilisés dans les applications de conversion de puissance en raison de leur faible coût et de leur capacité à générer des signaux de sortie directement compatibles avec les convertisseurs analogique-numérique. Ils jouent également un rôle essentiel dans les réseaux de distribution d’électricité fonctionnant à des fréquences de ligne 50/60 Hz.
Ces bobines creuses sont flexibles et enroulées autour des conducteurs. Les variations du champ magnétique induites par le courant Ip circulant dans le conducteur génèrent une tension proportionnelle au taux de variation du courant. Les bobines Rogowski sont principalement utilisées pour mesurer le courant alternatif, en particulier dans les applications à haute fréquence.
Figure 2 : Schéma du principe de la bobine de Rogowski
La figure 2 montre un schéma du principe de la bobine de Rogowski. La dérivée du courant primaire détermine la tension générée. Pour atteindre la détection de courant souhaitée, unintégrateurest requise à la sortie.
La sensibilité d’une bobine de Rogowski est réduite car les transformateurs de courant ne peuvent pas utiliser des noyaux à haute perméabilité magnétique. Le principal avantage d’une bobine de Rogowski est sa linéarité intrinsèque et l’absence de saturation. Les bobines Rogowski peuvent être utilisées pour détecter les courants dans les systèmes de distribution d’énergie, les systèmes de test de court-circuit, les émetteurs électromagnétiques, les moteurs à induction à anneaux de friction et les installations de test contre la foudre. Le prix est comparable à celui des transformateurs de courant.
Les champs magnétiques statiques générant du courant sont difficiles à détecter en utilisant la loi d’induction de Faraday. Inversement, les capteurs de champ magnétique peuvent identifier à la fois les champs magnétiques statiques et en mouvement. Ils constituent une alternative idéale à la détection de courant.
Ces capteurs fonctionnent selon le principe de l’effet Hall, qui stipule qu’une différence de potentiel se forme à travers un conducteur lorsqu’un champ magnétique est appliqué perpendiculairement à sa section efficace. La direction de la force électromotrice induite (FEM) perpendiculaire au courant et au champ magnétique peut être déterminée à l’aide de la règle de la main droite. La magnitude de cette FEM et l’angle relatif entre le courant et le champ magnétique déterminent la tension vectorielle composite, qui est proportionnelle à la constante de Hall. Le champ magnétique est généré par le courant mesuré, produisant une tension analysable.
Un conditionnement du signal est nécessaire pour rendre la sortie utilisable dans la plupart des applications. L’électronique de conditionnement du signal nécessite généralement des étages d’amplification et une compensation de température. Les amplificateurs différentiels possédant ces caractéristiques peuvent être facilement combinés avec des éléments Hall en utilisant la technologie standard des transistors bipolaires. La compensation de température est également facilement réalisable. La figure 3 montre une conception typique d’un capteur de courant à effet Hall.
Figure 3 : Applications typiques deCapteurs de courant Hall en boucle ouverte
Les capteurs à effet Hall sont largement utilisés dans diverses applications, notamment les systèmes de conversion de puissance, les équipements de soudure, les entraînements de moteurs, les équipements radar et l’industrie de l’électrolyse.
Ces capteurs de courant basés sur le champ magnétique sont largement utilisés aussi bien en boucle fermée qu’en boucle ouverte.
Figure 4 : Application typique deCapteur de courant Hall en boucle fermée
Le flux magnétique généré par le courant primaire IP est équilibré par un flux magnétique complémentaire produit par le courant d’entraînement dans l’enroulement secondaire. L’élément Hall et le circuit électronique associé génèrent un courant secondaire (compensateur) qui correspond parfaitement au courant primaire.
Un capteur de flux de base utilise la relation non linéaire entre le champ magnétique H et la densité de flux magnétique B dans les matériaux magnétiques, ce qui provoque une modification de la perméabilité magnétique du matériau.
Figure 5 : Schéma de base du capteur de courant à flux gate
La figure 5 illustre une conception simple pour un capteur de flux gate utilisé pour détecter l’IP du courant. Deux enroulements sont montés sur le noyau magnétique : un enroulement d’excitation et un enroulement de capteur. L’enroulement d’excitation est couplé à une source de courant sinusoïdale qui génère le champ magnétique d’excitation. Par conséquent, une tension est induite dans l’enroulement du micro, qui peut ensuite être utilisée pour la détection. Étant donné que le champ magnétique externe est faible par rapport au champ d’excitation, le pic de la tension de sortie est proportionnel au champ externe et peut être utilisé pour le quantifier.
En raison de leur coût élevé et de leur surface limitée, les capteurs à flux isolés ont principalement une valeur commerciale dans des applications de haute précision. En raison de leur grande précision, les capteurs à flux gate sont utilisés dans les systèmes d’étalonnage, les systèmes de diagnostic, les équipements de laboratoire et les systèmes médicaux.
Lors du choix d’un capteur de courant pour une application ou un projet spécifique, plusieurs facteurs doivent être pris en compte pour garantir des performances et une compatibilité optimales. Les variables clés à évaluer incluent :
Le tableau 1 présente les indicateurs clés de performance pour différents capteurs.
| Type | Bande passante | Compatible avec le courant continu | Précision | Dérive thermique [ppm/K] | Isolé | Répartition | Perte de puissance | Coût relatif |
| Transformateur de courant | kHz-MHz | Non | 0.1%-1% | <100 | Oui | A-kA | mW | Low |
| Bobine de Rogowski | kHz-MHz | Non | 0.2%-5% | 50-300 | Oui | A-MA | mW | Modéré |
| Effet Hall en boucle ouverte | kHz | Oui | 0.5%-5% | 50-1000 | Oui | A-kA | mW | Modéré |
| Boucle fermée à effet Hall | kHz | Oui | 0.2%-1% | 50-500 | Oui | A-kA | mW | Modéré |
| Fluxgate | kHz | Oui | 0.001%-0.5% | <50 | Oui | mA-kA | mW-W | Haut |
Les principaux domaines d’application des capteurs de courant
Ce ne sont là que quelques applications des capteurs de courant. En raison de leur adaptabilité et de leur importance dans le contrôle du courant, ils sont des composants clés dans diverses applications dans de nombreux secteurs.
Les capteurs de courant jouent un rôle crucial dans divers systèmes électriques et électroniques, et constituent donc un élément important de nombreuses applications dans de nombreux secteurs. Cette page présente les aspects utiles et marquants des capteurs actuels, tels que les types, les critères de sélection, les comparaisons de performances et les applications courantes.
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