Département de physique

Département de physique
Principe d’un capteur de courant à zéro de flux
• Réalisations électroniques :
• Travail expérimental et rédaction du document :
Luc Floriot (assistant ingénieur)
Jean-Baptiste Desmoulins (P.R.A.G.)
mail : [email protected]
Le système que nous cherchons à construire doit permettre de visualiser une tension, image du courant à
étudier, sur une plage de fréquence allant du continu jusqu’à la coupure haute. On peut alors envisager
différentes mesures sur la tension récupérée (valeur moyenne, valeur efficace, analyse du spectre, temps de
montée, etc…). Le système que nous allons décrire est utilisé, en pratique, pour observer des courants de fortes
valeurs (qq 10A). L’idée générale consiste à transformer le courant important étudié en un courant beaucoup plus
faible, proportionnel au précédent dans un rapport connu, indépendant, autant que possible, des conditions
expérimentales. Ce courant sera ensuite envoyé dans une résistance aux bornes de laquelle on récupèrera la
tension. Ce système permet d’éviter d’ajouter une impédance potentiellement perturbatrice dans le circuit étudié,
comme c’est le cas pour un ampèremètre
I. Mise en évidence de l’intérêt du fonctionnement à zéro de flux.
Pour comprendre l’intérêt de la structure à zéro de flux, nous allons commencer par décrire une structure plus
simple à priori mais dont nous mettrons en évidence les limites, qui sont intolérables pour un système de mesure.
Nous décrirons alors le principe de la structure à zéro de flux, puis nous verrons les problèmes posés par cette
structure et les précautions à prendre lors de sa mise en œuvre.
I .1. Structure la plus simple pour un capteur de courant .
a/ capteur à effet Hall : principe et emploi dans le système étudié.
Le capteur à effet Hall permet de récupérer une image du flux magnétique qui traverse un barreau semiconducteur. Nous allons voir qu’on peut l’utiliser pour réaliser un capteur de courant (système qui délivre une
tension proportionnelle au courant à observer).
1
• Structure de base du capteur.
En simplifiant, on peut réaliser un capteur à effet Hall de la façon suivante :
On distingue un barreau de semi conducteur sur lequel arrivent quatre électrodes métalliques. On fait passer
un courant I entre les deux électrodes longitudinales. Nous allons chercher à comprendre ce qui se passe lorsque
l’ensemble est plongé dans le champ d’induction magnétique B orienté comme sur la figure.
Le capteur que nous avons utilisé est un composant discret (KSY10) intégré dans un boîtier pour permettre
une connexion plus facile de l’alimentation et de la tension de sortie. L’ensemble est présenté sur la
photographie suivante :
rq : la zone utile de semi conducteur est d’épaisseur e, de hauteur h et de longueur L. On peut par ailleurs
définir la section S du canal conducteur par S = e.h.
• Principe de fonctionnement.
Nous allons commencer par faire une représentation du système dans le plan Oxz
Nous allons supposer que la conduction (courant I) est assurée par les électrons (densité de porteur n et
mobilité µ). Sous l’action du champ magnétique, ces charges négatives vont être déviées vers l’électrode
transversale (2) (force de Lorentz). Cette accumulation de charges va provoquer l’apparition d’un champ
électrique E entre les électrodes transversales. Il va être à l’origine d’une force qui s’oppose à la force de
Lorentz. On finit par atteindre un régime stationnaire lorsque les deux forces s ‘équilibrent. Le champ électrique
qui règne alors entre les électrodes transversales explique la différence de potentiel VH qui existe entre elles. La
tension VH est appelée tension de Hall.
2
Quantitativement, on peut écrire qu’en régime stationnaire, on a
V
− q.E H = −q. H = −q.v.B
h
rr
r
v
De plus
I = j.S = ρ.v.S = −q.n.v.S
où j est la densité de courant, ρ la densité volumique de charges, n le nombre de charges par unité de
volume, S la section de conducteur, v la vitesse moyenne des porteurs, I le courant considéré.
De ces deux équations, on déduit que
⎛ − 1 ⎞ I.B
I.B
⎟⎟.
= KH.
VH = ⎜⎜
q
.
n
e
e
⎠
⎝
• Ainsi, si on injecte un courant I connu fixé, on récupère une tension VH proportionnelle à B, que B soit
continu ou variable ce qui est un grand avantage par rapport aux capteurs de flux inductifs.
• Si on applique un champ magnétique B connu fixé, VH est directement proportionnel à I.
• Dans tous les cas, on remarque que KH est d’autant plus forte que la densité de porteurs est faible. Si on
veut une tension suffisante, il ne faudra pas doper trop fortement le matériau semi-conducteur.
• La densité de porteurs susceptibles de participer à la conduction va dépendre de la température. T va donc
avoir une influence sur KH.
b/ utilisation d’un capteur à effet Hall pour réaliser un capteur de courant.
Nous allons essayer de comprendre comment utiliser un capteur à effet Hall pour récupérer une tension
image d’un courant à étudier. Dans un premier temps, on peut envisager la structure simple suivante :
Le bobinage entourant le circuit magnétique est parcouru par un courant i(t). De ce courant va résulter un
champ d’induction Be proportionnel à i dans l’entrefer. En effet :
- le théorème d’ampère donne
H f ( t ).L + H e ( t ).l = N.i( t )
- Si on considère que le circuit magnétique canalise suffisamment les lignes de champ, on peut négliger
les flux de fuite et par conservation du flux, on aura
Be.Se = Bf.Sf
où Be et Bf représentent respectivement le champ d’induction moyen dans l’entrefer et dans le matériau
magnétique et où Se et Sf représentent respectivement la section de l’entrefer et du circuit magnétique.
- Si on suppose que le matériau magnétique est assez doux (faible champ coercitif) et qu’il n’est pas trop
saturé (hypothèse probable en raison de l’existence de l’entrefer), alors on peut raisonnablement définir
une perméabilité relative µr telle que
Bf = µ o .µ r .H f
L’équation déduite du théorème d’ampère peut alors être transformée de la façon suivante :
⎛S S
B
Bf
l ⎞
⎟ = N.i
.L + e .l = N.i
B e .⎜⎜ e f .L +
ou encore
µ o ⎟⎠
µ o .µ r
µo
⎝ µ o .µ r
et ainsi
Be ( t ) = α.i( t )
Si on place un capteur à effet Hall dans l’entrefer, il est soumis à Be. On peut alors imposer le courant I
continu, fixé le plus précisément possible, qui traverse le barreau de semi conducteur. On va alors récupérer une
tension VH proportionnelle à Be c’est à dire
I.B
I..α
VH = K H . e = K H .
.i( t )
e
e
On peut alors faire un étalonnage et déterminer le coefficient de proportionnalité entre VH(t) et i(t).
3
tension du capteur à effet Hall (mV)
I.2. Limites d’un tel capteur.
Ce type de capteur de courant présente un défaut important. En effet la courbe d’étalonnage peut être
modifiée par les conditions expérimentales (température, position du capteur, saturation magnétique…), ce qui la
rend caduque.
Sur la figure suivante, on présente la relation entre courant et tension image lorsqu’on augmente de courant
continu à observer puis qu’on le fait diminuer. Dans un cas, le capteur à effet Hall placé au centre de l’entrefer et
dans l’autre, il est légèrement excentré (1mm de décalage environ).
80
entrefer de 5 mm
60
capteur excentrée
capteur centré
40
20
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
courant (A)
On constate qu’on ne part pas du point (0,0). Deux raisons peuvent expliquer ce problème. On ne part pas
d’un état parfaitement désaimanté, et le capteur à effet Hall présente une offset (mesuré à - 5 mV environ lors de
ces essais).
Lorsqu’on augmente le courant, les courbes présentent un effet d’hystérésis, caractéristique de l’ensemble du
circuit magnétique (matériau ferromagnétique et entrefer). Le fait de déplacer le capteur à effet Hall dans
l’entrefer change également notablement la réponse du système. On aurait également pu chauffer le capteur à
effet Hall et observer une modification de la réponse, mais cette expérience est plus délicate à réaliser
correctement, car il est difficile de maintenir la température constante avec les moyens dont nous disposons.
Les caractéristiques d’un tel dispositif ne sont donc pas facilement reproductibles, ce qui rend la structure
impropre à la réalisation d’un capteur de bonne qualité.
I.3. Principe du système à zéro de flux.
On peut alors envisager un système un peu plus complexe, mais moins sensible aux différentes perturbations
expérimentales. Pour cela, on va considérer la structure suivante :
Si on applique le théorème d’ampère à la structure suivante où Φ est le flux global dans le circuit, différence
entre Φ1 et Φ2 et ℜ est la réluctance de ce dernier, alors
N 1 .i1 ( t ) + N 2 .i 2 ( t ) = ℜ.Φ ( t )
Si on parvient à faire en sorte que Φ(t) soit nul, alors
N
i 2 ( t ) = − 1 .i1 ( t )
N2
C’est grâce au capteur à effet Hall que l’on va réussir à détecter l’annulation du flux. L’intérêt de ce montage,
c’est que lorsque l’on cherche à mesurer un courant i1 de forte valeur, il suffit de prendre un rapport de spires
adapté afin de pouvoir se contenter de travailler avec i2 de beaucoup plus faible valeur mais directement
proportionnel à i1. On place alors une résistance de précision connue dans le circuit parcouru par i2 et on mesure
la tension à ses bornes.
4
Le lien entre le courant à observer et la tension de mesure ne dépend plus que de la valeur de la résistance de
mesure et du rapport du nombre de spires. La position et le gain du capteur n’ont plus d’incidence notable sur la
réponse de l’ensemble, puisque le rapport entre le flux dans le circuit et la tension de Hall n’intervient plus dans
la réponse en régime permanent. Par ailleurs, le circuit magnétique fonctionnant à flux nul en régime permanant
et à flux très faible lors des régimes transitoires, il n’y aura plus de problème d’hystérésis.
I.4. Réalisation pratique du capteur de courant à zéro de flux.
• Structure du système.
Pour parvenir à annuler le flux, on va construire le système de la façon suivante :
Dans le capteur à effet Hall, on fait à nouveau passer un courant continu I fixé le plus stable possible afin que
la tension de Hall VH détectée soit directement proportionnelle à la valeur du champ d’induction Be dans
l’entrefer. La tension VH est amplifiée et on peut placer un correcteur intégral ou proportionnel intégral pour
éliminer l’erreur statique sur VH ce qui conduit à un zéro de flux dans le circuit magnétique.
On a réalisé les circuits primaire et secondaire avec des bobines présentant respectivement 125 et 1000
spires. La résistance de mesure est une résistance de 15Ω environ supportant 200 mA. L’amplificateur de
puissance est un amplificateur Phytex ENSC 300. Le correcteur est réalisé à partir du boîtier ENSC325 (l’entrée
« + » du comparateur est l’entrée du correcteur et l’entrée « – » est mise à 0). Le capteur à effet Hall est celui qui
a été décrit précédemment.
-
-
-
-
• Mise en équation.
On peut alors écrire les équations suivantes
La tension de Hall VH est proportionnelle à Be champ d’induction dans l’entrefer, lui même
proportionnel à la différence des flux Φ1 et Φ2. On a donc
VH ( p) = α.(Φ 1 − Φ 2 )
Si G(p) représente le gain de l’ensemble amplificateur de tension/correcteur, et si on suppose que
l’amplificateur de puissance n’agit pas sur la tension mais seulement sur le courant, si L2 est l’inductance du
bobinage secondaire de N2 spires dont on néglige la résistance, on a
G (p).VH (p) = (R m + L 2 .p).i 2 (p)
Sachant que i2 est beaucoup plus petit que i1, la relation entre i2 et Φ2 peut être supposée linéaire (pas de
saturation magnétique), soit
Φ ( p)
Φ 2 ( p) = β.i 2 ( p)
et donc
G (p).VH (p) = (R m + L 2 .p). 2
β
En utilisant l’ensemble des équations précédentes, on peut faire apparaître la structure du système bouclé
suivant :
On a donc la relation
5
α.β
.G (p)
Φ 2 ( p)
R m + L 2 .p
=
α.β
Φ1( p) 1 +
.G (p)
R m + L 2 .p
Si le correcteur utilisé est un intégrateur de fonction de transfert
1
G ( p) =
τ.p
Alors on a
Φ 2 ( p)
1
=
Φ1(p) 1 + R m .τ .p + L 2 .τ .p 2
α.β
α.β
Il s’agit bien d’un système sans erreur statique, ce qui signifie que Φ2 va tendre vers Φ1 en régime permanent.
Le flux global dans le circuit magnétique va donc tendre à s’annuler. On va alors avoir une relation de
proportionnalité entre i2 et i1 qui sera le simple rapport du nombre de spires entre les deux bobinages, d’après la
relation d’Hopkinson déduite du théorème d’Ampère lorsque le flux est nul. Il suffira alors de mesurer la tension
aux bornes de la résistance de précision connue Rm pour connaître précisément i1.
rq : on peut être étonné d’avoir une tension VH qui tend vers 0 alors que le courant i2 finit par se stabiliser à
une valeur constante. Cependant, il n’y a aucune contradiction. Initialement, VH(t) est non nulle et est intégrée
durant le transitoire qui conduit au régime permanent sans erreur statique. La tension en sortie de l’intégrateur
évolue alors et finit par prendre une valeur constante en régime permanent dès que VH s’annule. C’est cette
valeur de tension constante en sortie du correcteur qui est à l’origine du courant i2 souhaité. Il ne faut donc pas
confondre le signal d’erreur et le signal de sortie du correcteur !
rq : ce type de capteur est couramment utilisé pour observer des courants de l’ordre de l’ampère dans les
systèmes d’électronique de puissance. Pour qu’ils fonctionnent correctement, il est nécessaire de les alimenter
avant de leur appliquer un courant à observer afin d’être certain de travailler à un flux nul dans le circuit
magnétique. Si ça n’est pas le cas, le fait de leur appliquer un courant continu en entrée risque d’introduire une
aimantation rémanente du circuit magnétique qui se traduira par un offset sur le signal délivré par le capteur. Il
sera alors nécessaire de réaliser une désaimantation du circuit magnétique pour obtenir un résultat correct.
• Détermination pratique du correcteur proportionnel intégral.
Pour ce système bouclé, il est délicat de faire une identification en boucle ouverte afin de déterminer le
correcteur. En effet, en ouvrant la boucle, on ne peut plus faire circuler de courant dans le secondaire. Pour
contourner ce problème, on va utiliser la méthode de Ziegler-Nichols qui consiste à appliquer un courant nul en
entrée (circuit ouvert) et à placer un gain proportionnel comme correcteur.
En augmentant le gain, si le système est d’ordre assez élevé, on peut faire apparaître une oscillation en sortie.
On a ainsi réalisé un oscillateur, comme on le ferait en électronique. On note le gain Kosc qui fait apparaître les
oscillations et la période Tosc de ces dernières. La fonction de transfert d’un correcteur proportionnel intégral est
⎛
1 ⎞
⎟
C( p) = K c .⎜⎜1 +
Tc .p ⎟⎠
⎝
Avec les boîtiers dont nous disposons, on le réalise de la façon suivante :
Pour que le système réponde le plus vite possible tout en restant suffisamment stable, on choisit, d’après la
méthode de Ziegler-Nichols, Kc = 0,45.Kosc et Tc = 0,83.Tosc.
Expérimentalement, avec notre système, on a mesuré
Kosc = 30 et Tosc =63µs
On en déduit que Kc = 13,5 et Tc = 52 µs.
6
On réalise alors le correcteur en prenant R1=1kΩ, R2=10kΩ, R3=10kΩ , R4=10kΩ et C=4,7 nF. Avec ces
valeurs, on observe une oscillation sur le 50 Hz qui diminue avec le gain du correcteur. Il ne s’agit pas ici d’un
problème d’instabilité, mais d’une perturbation conduite liée aux alimentations stabilisées associées à
l’électronique du système.
Pour limiter ce problème, on a choisi de travailler avec un gain Kc de 1/10 ce qui conduit à une réponse plus
lente. On a alors pris R1=100kΩ, R2=10kΩ, R3=10kΩ , R4=10kΩ et C=4,7 nF.
I.5. Effet de la polarisation magnétique sur la réponse du capteur.
Il arrive que l’on fasse passer un courant dans le circuit primaire sans que l’électronique destinée à réaliser
l’asservissement soit alimentée. Dans ce cas, il n’y a pas « zéro de flux » et on risque de polariser le circuit
magnétique. Pour comprendre quelle sera alors la caractéristique du système, on va faire comme si le circuit
magnétique comportait un aimant, qui maintient un champ, même en l’absence de courant primaire. Le système
étudié est alors de structure suivante.
Si on applique le théorème d’ampère à cette ligne moyenne, on obtient
H a .l a + H f .l f + H e .l e = N 1 .i1 + N 2 .i 2
La conservation du flux nous donne
B a .S a = B f .S f = B e .S e = Φ
La caractéristique de l’aimant sera représentée par la courbe suivante
On en déduit que
B a = ± B sa + µ o .H a
En utilisant les trois équations précédentes, on peut établir que
B a m B sa
B
Bf
.l a +
.l f + e .l e = N1 .i1 + N 2 .i 2
µo
µ o .µ r
µo
On encore que
B
Φ
Φ
Φ
.l a m sa .l a +
.l f +
.l e = N 1 .i1 + N 2 .i 2
µ o .S a
µo
µ o .µ r .S f
µ o .S e
Globalement, on peut écrire que
m K 1 .B sa + K 2 .Φ = N1 .i1 + N 2 .i 2
Les constantes K1 et K2 dépendent des données géométriques du problème ainsi que des caractéristiques du
matériau doux. Cette forme d’écriture permet de résumer le comportement du système sans avoir à faire
intervenir les paramètres géométriques de l’aimant qui n’ont pas de sens ici, la polarisation étant répartie dans
tout le matériau magnétique.
Avec un asservissement de flux, on constate que l’aimantation rémanente va introduire une composante
continue dans la courbe d’étalonnage du capteur. Il faut noter qu’un offset sur le capteur à effet Hall conduit au
même effet.
L’ordonnée à l’origine que l’on va parfois observer sur la caractéristique du capteur à zéro de flux dépend
donc de l’offset du capteur à effet Hall et de l’aimantation rémanente du circuit magnétique.
7
II. Etude du dispositif expérimental.
II.1. Désaimantation du circuit magnétique.
On débranche le circuit secondaire du système et on alimente le primaire avec un autotransformateur. Le
circuit magnétique est modifié pour supprimer l’entrefer, afin d’atteindre un niveau d’aimantation du matériau
permettant une désaimantation efficace. On augmente alors la tension primaire en contrôlant le courant appelé
jusqu’à la valeur maximale permise. On fait ensuite diminuer lentement la tension jusqu’à son annulation. On
fera en sorte que la décroissance dure quelques secondes. Lors du processus, le matériau va évoluer sur des
cycles centrés de plus en plus étroits, jusqu’à se confondre pratiquement avec l’origine des axes. On observe
donc une évolution des paramètres magnétiques conforme à ce que l’on présente sur la figure suivante, sauf que
la désaimantation durant quelques secondes, elle se réalise sur un plus grand nombre de cycles puisque la tension
d’entrée est à 50 Hz.
Une fois le matériau désaimanté, on peut réaliser le capteur complet et étudier ses caractéristiques.
II.2. Caractéristiques statiques
• Pour différentes valeurs du courant primaire, on relève la tension aux bornes de la résistance de mesure qui
vaut 14,9 ± 0,1Ω.
3.0
2.5
Um (V)
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
courant à observer (A)
Pour cette courbe d’étalonnage, on mesure une pente de 1,926 ± 0,005 V/A et une ordonnée à l’origine de
0,122 ± 0,004 V.
Pour que ce résultat sur la pente soit cohérent, il faut supposer que les nombres de spires des bobines sont
connus à 3 spires près. On peut également supposer que les différents appareils utilisés (sonde de courant,
multimètre, ohmmètre) introduisent chacun une erreur systématique.
L’ordonnée à l’origine est liée à l’offset du capteur à effet Hall ainsi qu’à l’aimantation rémanente du circuit
magnétique, comme nous l’avons vu au paragraphe I.5..
• En utilisant ce capteur, on n’observe pas d’ « hystérésis » lorsque l’on fait décroître le courant, ce qui est
logique dans un système fonctionnant à flux nul, excepté lors de régimes transitoires. Par ailleurs, la position du
capteur à effet Hall dans l’entrefer, et la largeur de ce dernier n’ont pas d’effet sur la courbe, si les modifications
apportées restent assez faibles (il faut tout de même que le capteur à effet Hall détecte un champ suffisant pour
provoquer une réaction de la boucle d’asservissement).
8
II.3. Caractéristiques dynamiques.
On provoque une brusque variation du courant d’entrée du capteur, cette variation étant observée directement
par un capteur disposant d’une bande passante de 0 à 100 kHz ce qui permet d’avoir une image fidèle du courant
d’entrée. On observe en même temps la tension aux bornes de la résistance de mesure de notre capteur.
Pour réaliser une variation rapide de courant, on retire ou on fixe rapidement le fil à l’alimentation stabilisée
délivrant le courant à appliquer. Le primaire du capteur est fortement inductif. Pour éviter les surtensions
néfastes à l’alimentation stabilisée, on a placé une diode sur le circuit de la façon suivante :
On a réalisé l’essai à la montée et à la descente :
0.0
courant d'entrée (A)
-0.4
-0.2
-0.6
-0.3
-0.4
-0.8
-0.5
-1.0
-0.6
-1.2V
tension image du courant (V)
courant d'entrée
tension image en sortie
-0.1
-0.7
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
temps (s)
courant d'entrée (A)
-0.4
-0.3
courant d'entrée
tension image en sortie
-0.4
-0.6
-0.5
-0.8
-0.6
-1.0
-0.7
-1.2V
0.00
0.05
0.10
0.15
tension image du courant (V)
-0.2
-0.2
0.20
temps (s)
On constate qu’il est difficile de réaliser un échelon de courant en entrée, ce qui est compréhensible, compte
tenu de la nature inductive du circuit primaire. La coupure de courant est beaucoup plus rapide.
La réponse de sortie présente un dépassement, ce qui est caractéristique d’un système passe-bas d’ordre
supérieur ou égal à 2. Ceci s’explique aisément par les nombreux éléments susceptibles d’apporter une fréquence
de coupure.
La réponse n’apparaît pas parfaitement linéaire. Cependant, la forme du courant appliqué au capteur, à la
montée, et surtout à la descente, qui dépendent des performances de l’alimentation stabilisée utilisée, sont assez
complexes, ce qui ne permet pas d’être plus précis sur ce point.
II.4. Impédance apparente du système.
Comme l’ont montré les essais précédents, le capteur réalisé est très lent. Pour rendre ce dernier plus rapide,
il faudrait travailler avec des nombres de spires plus faibles, notamment au primaire.
9
L’introduction d’un tel capteur dans un circuit d’électronique de puissance perturberait notablement ce
dernier. Tant que le capteur répond assez vite, son caractère inductif doit être gommé par le fait que l’on travaille
à flux nul. En revanche, dès que les variations de courant seront très rapides, et que l’asservissement de flux ne
suivra plus, l’inductance primaire va devenir prépondérante dans l’impédance apparente du système. Dans ce
cas, l’impédance ramenée est de quelques mH ce qui est inacceptable.
Par ailleurs, la résistance apparente va elle aussi augmenter avec la fréquence à cause de l’effet de peau. On
aura là encore intérêt à diminuer le nombre de spires afin de limiter la résistance de départ.
Avec notre capteur, les études d’impédances ne sont pas très intéressantes, compte tenu de la médiocre bande
passante obtenue. Pour faire les tests sur l’effet de l’asservissement de flux sur l’impédance apparente du
capteur, nous avons mesuré l’impédance d’un capteur LEM lorsqu’il est alimenté et lorsqu’il ne l’est pas. Dans
le premier cas, le système fonctionne à zéro de flux pour les fréquences assez basses. Dans le second, il n’y a pas
asservissement de flux et le capteur ressemble davantage à une inductance.
Les mesures ont été faites à l’impédancemètre HIOKI 3532-50 avec le capteur à zéro de flux alimenté puis
avec le capteur sans alimentation ce qui revient à la structure présentée au paragraphe I.1. dont nous avions déjà
montré certains inconvénients (dépendance de l’état magnétique, incidence du gain du capteur à effet Hall et de
sa position dans l’entrefer…).
1.0
impédance d'un capteur à zéro de flux commercial
capteur alimenté (asservissement actif)
capteur non alimenté (pas d'asservissement de flux)
impédance (Ω)
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
5
6
7 8 9
2
3
4
5
6
7 8 9
100
2
1000
fréquence (Hz)
déphasage tension/courant (degrés)
Le fait que le capteur paraisse davantage inductif en l’absence d’alimentation peut être observé également à
travers le déphasage entre tension et courant en entrée
80
60
40
20
5
6
7
8 9
2
3
4
100
5
6
7
8 9
2
1000
fréquence (Hz)
Jusqu’à 1 kHz, l’impédance du capteur à zéro de flux est effectivement beaucoup plus faible et davantage
résistive que pour le système sans asservissement de flux présentant le même circuit primaire. Au-delà du kHz,
le capteur à zéro de flux présente une impédance plus importante, ce qui s’explique peut être par une réponse
dégradée de l’asservissement.
10
III. Exemples de capteurs à zéro de flux disponibles au département.
Nous disposons de deux familles principales de capteurs de ce type. Il existe tout d’abord ceux qui se
branchent comme des ampèremètres dans le circuit étudié. Il s’agit de capteur LEM avec les bobinages associés
et la résistance de mesure. L’ensemble est intégré dans un boîtier en aluminium. Il faut rappeler que pour être
utilisés, ces systèmes doivent être préalablement alimentés, pour que la boucle d’asservissement fonctionne et
que le flux dans le circuit magnétique reste nul, afin d’éviter toute polarisation. Par ailleurs, il faut couper le
courant avant de pouvoir déplacer ces capteurs, ce qui est parfois pénible.
Nous disposons également d’une pince de courant, qui fonctionne exactement sur le même principe, mais qui
peut être déplacée en cours d’expérience, puisque le circuit primaire est constitué du fil ou passe le courant et
que le circuit magnétique peut être ouvert pour retirer le capteur du circuit. Avec ce type de capteur, fonctionnant
sur pile 9V rechargeable, il faut penser à éteindre dès que les mesures sont terminées afin de ne pas décharger la
pile. Ces deux capteurs sont présentés sur la photographie suivante :
IV. Exemples de capteurs qui ne sont pas à zéro de flux ; problème posé.
Il existe d’autres capteurs que ceux fonctionnant sur le principe du capteur à zéro de flux. Ces derniers
fonctionnent comme de simples transformateurs dont le secondaire débite dans une résistance connue et aux
bornes de laquelle on récupère une image du courant primaire. Comme les capteurs à zéro de flux, l’isolation
galvanique entre le circuit étudié et la partie mesure du capteur est assurée.
Dans la mesure où aucun capteur à effet Hall n’est nécessaire, il s’agit de systèmes passifs qui ne demandent
pas de source d’alimentation. En revanche, puisqu’ils fonctionnent sur le principe d’induction, ils ne permettent
pas d’observer les évolutions continues et basse fréquence du courant.
Deux capteurs de ce type sont présentés sur la photographie suivante :
11
Bibliographie.
Documentation des Capteurs LEM « Capteurs de courant et de tension »
Site web LEM : http://www.lem.fr/
Liste de matériel.
Un capteur à effet Hall KSY10 et son support maison avec sortie analogique BNC
Une alimentation 0/+15V flottante pour le capteur
Une alimentation +15V/-15V pour l’alimentation des éléments électroniques (amplification et correcteur)
Une alimentation stabilisée 30V/2A (qui fournit le courant à observer)
Une bobine Leybold 1000 spires/1A
Une bobine Leybold 125 spires/5A
Un U ferromagnétique
Deux barreaux ferromagnétiques avec leurs fixations.
Une pince de courant pour le contrôle.
Un boîtier d’asservissement (ENSC 325)
Un amplificateur de puissance Phytex (ENSC 300)
Une résistance de mesure de 56Ω supportant une centaine de mA.
Un oscilloscope
Un impédancemètre HIOKI 3532-50
Version du 01-05-2006
12