Mesures électriques : comment bien choisir ses capteurs de courant

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MES U R E S É L E C T R I Q U E S
pleinement, elles doivent se doter des
moyens pour réaliser des mesures de courant précises.
Comment bien choisir
ses capteurs de courant
Le calcul de la puissance électrique impose la mise en œuvre de capteurs de courant. Il en existe plusieurs types qui diffèrent par la technologie ou les matériaux
qu’ils mettent en œuvre. Lem se propose de faire le tour d’horizon des solutions
existantes et de leur évolution. Ce spécialiste de la mesure de courant présente les
techniques classiques ainsi que d’autres plus récentes, en soulignant leurs avantages et inconvénients respectifs, selon le domaine d’application.
L
a mesure du courant électrique
occupe une place centrale pour de
nombreuses applications industrielles, que ce soit pour le contrôle des alimentations, la gestion de la consommation électrique ou la surveillance de
l’état du réseau et des équipements électriques. La gestion des systèmes d’alimentation
électrique est le premier champ d’application de la mesure de courant car elle est essentielle pour toute activité industrielle ou
économique. C’est une question qui concerne en premier lieu les entreprises de production ou de distribution d’électricité,
L’essentiel
mais également les en Les capteurs de courant
treprises industrielles
monoblocs délivrent de bons
désireuses de surveiller
résultats pour un coût
la qualité de leur élecattractif.
tricité et leur facteur
 Les capteurs à boîtier
de puissance pour
ouvrant s’installent facilecontrôler le coût énerment sur les équipements
gétique des services
existants.
utilisés, en particulier
 De nouveaux types
en présence de charges
de ferrites leur confèrent
à faible facteur de
de meilleures performances
forme.
tout en restant à un prix
Les compteurs diviabordable.
sionnaires
sont de plus
 La technologie des boucles
en
plus
utilisés
par les
de Rogowski a également
responsables d’usines
évolué. Elle autorise
et d’unités de producdésormais la fabrication
tion car ils permettent
de petits capteurs pour
non seulement de déla mesure de courants élevés.
terminer et d’allouer
48
les coûts énergétiques, mais aussi de mener
des analyses pointues concernant la consommation électrique et ainsi en améliorer l’efficacité. L’évaluation de la puissance nécessaire et sa facturation dépendent souvent des
pics de consommation, de sorte qu’une gestion dynamique de l’ensemble du système
autorise à la fois la réduction des coûts et la
prévention des interruptions de service. Les
compteurs divisionnaires sont non seulement nécessaires pour une bonne compréhension et une bonne gestion des principaux
postes de consommation, mais également
pour le repérage de tout gaspillage d’énergie,
en général dû à des appareils défectueux ou
à un mauvais usage des installations (par
exemple : éclairage, chauffage ou climatisation inappropriés).
La surveillance de l’état général du réseau
électrique exige que les interruptions de
service soient immédiatement détectées et
traitées, de manière à prévenir tout endommagement des équipements ou toute interruption de processus critiques. La mesure
de puissance électrique permet de disposer
de données complètes (courant, puissance
active, facteur de puissance, fréquence, etc.)
reflétant fidèlement le comportement de la
charge des moteurs (convoyeurs, roulements, pompes, outils de coupe, etc.). Bien
souvent, elle rend plus rapidement possible
la détection de comportements anormaux
par rapport aux capteurs classiques tels que
les capteurs de température, de pression, de
vibration, etc. En observant l’évolution dans
le temps de ces paramètres électriques, il est
même possible d’anticiper les interruptions
et de planifier une maintenance préventive
efficace.
La mesure de la puissance électrique prend
non seulement de plus en plus d’importance dans les applications industrielles,
mais aussi dans les installations commerciales et résidentielles. La problématique des
économies d’énergie est d’ailleurs devenue
un enjeu majeur dans le monde entier, tant
d’un point de vue économique qu’environnemental. La question est : comment réduire
de manière significative et durable la consommation énergétique ? La solution la plus
crédible consiste à observer les habitudes
énergétiques des consommateurs et à les
responsabiliser. C’est un objectif primordial
pour l’industrie qui trouve de plus en plus
écho dans le secteur public et chez les particuliers. De nombreux pays mettent en
place des campagnes et mesures incitatives
visant à réduire la consommation énergétique, et par là même les émissions de CO2.
Afin que les entreprises puissent en profiter
Les transformateurs
de courant ouvrants
facilitent la mise en place
des systèmes de surveillance,
de mesure et de supervision
de la consommation électrique
des infrastructures.
DR

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Lors de la conception de systèmes de mesure
de puissance électrique, les ingénieurs doivent sélectionner avec le plus grand soin les
capteurs de courant en fonction de caractéristiques très précises :
 La précision. Dans la plupart des applications, la précision de la mesure a un impact direct sur la performance générale du
système. La précision des calculs de puissance dépend évidemment de celle des capteurs de courant utilisés. Un compteur électrique de Classe 1 nécessite des capteurs de
courant offrant une précision bien supérieure à 1 %, ce qui suppose le recours à des
matériaux et procédés de fabrication onéreux. Reste le choix de calibrer le compteur
électrique en fonction de chaque capteur qui
lui est rattaché. En prenant en compte les
caractéristiques spécifiques de chaque capteur, il est en effet possible de les utiliser dans
leur mode de fonctionnement le plus performant et de réduire les différences existant
entre un capteur et un autre. Comme nous
le verrons dans cet article, cette méthode
ouvre la voie à de nouvelles technologies
offrant des performances étonnantes en termes de linéarité, de dérive et de répétabilité
des mesures, compensant largement l’imprécision relative de leurs relevés.
 La dérive. La dérive d’un capteur est liée
à la stabilité des relevés effectués dans le
temps, quel que soit le calibrage initial du
système. Certaines caractéristiques peuvent
différer en fonction des variations de l’humidité et de la température ambiantes, de
l’usure des composants, du vieillissement des
matériaux, etc. Une faible dérive, signifiant
que le capteur est immunisé contre de telles
contraintes, constitue une caractéristique capitale pour obtenir des compteurs électriques
fiables et offrant les meilleures performances
sur une longue période de temps.
 La linéarité. La linéarité d’un capteur
renvoie à la stabilité de ses caractéristiques
sur l’ensemble de sa plage d’utilisation. Une
bonne linéarité est essentielle pour un capteur analogique si l’on veut obtenir des mesures précises pour une large gamme de
courants primaires, en particulier pour les
courants faibles. Parmi les technologies existantes, plusieurs offrent de bons résultats
mais seulement sur une plage de mesure
limitée, ce qui rend possible leur utilisation
uniquement pour des courants assez élevés
ou, à l’inverse, plutôt faibles.
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DR
Exigences relatives aux capteurs
Les transformateurs de courant ouvrants peuvent être installés sur des machines ou des équipements sans procéder
à la mise hors tension du système.
Le déphasage. La précision des calculs
d’énergie ou de puissance active réelle ne
dépend pas uniquement de la précision ou
de la linéarité des capteurs de courant alternatif ou de tension en termes d’amplitude,
mais aussi du déphasage entre le courant
primaire et secondaire. Ce déphasage, qui
doit bien entendu être le plus faible possible,
entraîne une erreur sur la mesure de puissance électrique.
 L’intégration. Les transformateurs de courant étant autoalimentés, ils ne nécessitent
qu’une seule sortie à 2 fils vers le circuit électronique de l’unité principale. Nombre d’entre eux sont équipés de sorties standard précalibrées autorisant leur intégration au
système de mesure de puissance électrique.
Les sorties typiques 1 A et 5 A ou 333 mV
sont compatibles avec la plupart des compteurs électriques standard du marché.
Cependant, les compteurs électriques de
haute précision requièrent un calibrage spécifique pour chacun des capteurs, ceux-ci ne
pouvant alors plus être interchangés. Dans ce
cas, des sorties à faible courant peuvent être
utilisées. Elles sont plus sûres que les signaux
classiques 1 A et 5 A, en particulier si elles sont
accessibles quand le système est en fonctionnement. Les sorties de courant sont par ailleurs
quasi insensibles aux interférences et doivent
être préférées aux sorties en tension lorsque
de longs câbles doivent être utilisés pour raccorder les capteurs au compteur électrique.

Le prix. Le prix des capteurs est bien entendu important, en particulier pour la mesure de courants triphasés puisque trois capteurs de courant précis sont nécessaires.
Cependant, le prix du capteur de courant ne
doit pas seul entrer en ligne de compte : il
faut également considérer les coûts d’installation et de maintenance. En effet, bien que
plus onéreux, les capteurs à boîtier ouvrant,
fiables et faciles à installer ou à remplacer,
procurent de réelles économies sur le coût
d’ensemble du système.

Transformateurs monoblocs
Les systèmes de mesure d’énergie électrique
intègrent généralement des capteurs de courant sans contact plutôt que des shunts, car
ces derniers occasionnent des pertes de puissance tout comme des problèmes d’installation et de sécurité. Les capteurs de courant
monoblocs traditionnels fonctionnent selon
le principe d’un transformateur : les enroulements primaires et secondaires sont reliés
magnétiquement par un noyau central. Le
courant mesuré induit un champ magnétique dans le noyau, qui génère un courant
dans l’enroulement secondaire, proportionnel au courant primaire, divisé par le nombre de spires de l’enroulement secondaire.
Ces transformateurs de courant basiques
sont conçus pour mesurer des courants alternatifs sinusoïdaux sur une plage typique
de fréquence de 50/60 Hz. Cette techno- ➜
49
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➜ logie, très souvent utilisée, est très abordable en raison de la conception simple et
des matériaux classiques auxquels elle fait
appel.
Les transformateurs de courant monoblocs
constituent une solution précise et abordable pour la conception de compteurs électriques destinés à de nouvelles installations
ou nouveaux locaux. En revanche, ils ne
conviennent pas pour de nombreuses autres
applications telles que la surveillance électrique de machines et installations existantes, qu’il faudrait alors arrêter complètement
pour y connecter les capteurs monoblocs.
De manière générale, il est souvent trop
onéreux, voire même impossible ou dangereux d’installer des systèmes de mesure
d’énergie, si une interruption du service
s’avère nécessaire, même pour un court instant (par ex. arrêt de lignes de production,
A chaque type de noyau, son déphasage
Ip (A)
Ip = 20 % du courant nominal
F = 50 Hz
Noyau : FeSi
Entrefer = 25 µm (de chaque côté)
1,5
Is.K (A)
1
0,5
Résultats :
• 5 % d’erreur sur le rapport
de transformation (entre primaire
et secondaire)
• 20 ° déphasage
0
-0,5
-1
-1,5
0
0,005
0,01
0,015
t (s)
Ip: courant primaire, Is: courant secondaire, K: Rapport de transformation.
Ip (A)
Ip = 20 % du courant nominal
F = 50 Hz
Noyau : FeNi-80 %
Entrefer = 25 µm (de chaque côté)
1,5
Is.K (A)
1
0,5
Résultats :
• 0,15 % d’erreur sur le rapport
de transformation (entre primaire
et secondaire)
• 3,8 ° déphasage
0
-0,5
-1
-1,5
Ip (A)
0
0,005
0,01
0,015
t (s)
Ip = 20 % du courant nominal
F = 50 Hz
Noyau : Ferrite
Entrefer = 5 µm (de chaque côté)
1,5
Is.K (A)
1
0,5
Résultats :
0
• 0,004 % d’erreur sur le rapport
de transformation (entre primaire
et secondaire)
• 1,9 ° déphasage
-0,5
-1
-1,5
0
0,005
0,01
0,015
t (s)
 Selon l’alliage qui les compose ( FeSi, FeNi ou ferrite), les transformateurs présentent
un déphasage plus ou moins prononcé. Les graphes ci-dessus comparent le déphasage induit
par ces matériaux dans un transformateur de courant ouvrant de 5 A.
50
de l’alimentation d’une centrale de télécommunications ou d’un centre de données, de
certains équipements d’une centrale
nucléaire, etc.).
teur est équipé de pièces ou matériaux flexibles, et/ou de charnières exerçant une pression suffisante ainsi que d’un mécanisme
d’ouverture fiable.
Transformateurs ouvrants
Transformateurs ouvrants FeSi
Les transformateurs de courant ouvrants
autoalimentés et sans contacts s’installent
simplement autour du conducteur sans avoir
recours à aucune vis, soudure ou attache
complexe, autorisant ainsi une implémentation facile et rapide et une maintenance aisée.
Ils peuvent être simplement fixés et connectés dans des panneaux de contrôle électrique
pour la télésurveillance d’appareils parfois
situés dans des endroits inaccessibles ou des
environnements hostiles. Il est possible
d’installer à tout moment des transformateurs ouvrants sur des équipements en fonctionnement sans occasionner de perturbation, ce qui représente un véritable atout.
C’est pour cette raison qu’ils sont tout particulièrement appréciés des concepteurs et
des intégrateurs de systèmes de contrôle
électriques. Par ailleurs, le marché de l’efficacité énergétique en plein essor réclame des
systèmes de mesure de la puissance électrique. Les transformateurs de courant ouvrants
faciles à mettre en place sur les infrastructures existantes répondent à cette demande.
Malgré ces avantages intrinsèques, les transformateurs de courant ouvrants se trouvent
généralement pénalisés par le fait qu’ils se
révèlent également bien plus onéreux et
moins précis que leurs équivalents monoblocs. Il est donc très important de comprendre les différences entre les diverses technologies disponibles et de faire son choix en
conséquence, selon des contraintes spécifiques à chaque application.
Les transformateurs de courant ouvrants
fonctionnent en général selon le même
principe que leurs homologues monoblocs.
Mais leur noyau magnétique est constitué
de deux parties bien distinctes, pouvant être
séparées. Leur manque de précision est dû
en grande partie au contact nécessairement
imparfait entre ces deux composants magnétiques et à l’enroulement secondaire qui
n’est pas uniformément distribué autour
d’un noyau magnétique unique, mais seulement autour de l’une de ses deux parties.
Le prix et les performances de ce type de
transformateur dépendent des caractéristiques physiques et mécaniques du dispositif.
Pour un bon fonctionnement, les surfaces
de contact doivent être aussi planes que possible et les deux parties du noyau doivent
exercer une pression suffisante l’une sur
l’autre. En général, le boîtier du transforma-
Les alliages fer-silicium (FeSi) sont largement
utilisés dans les transformateurs de courant
ouvrants, principalement en raison de leur
prix abordable. Cependant, les performances
qu’offre ce matériau sont relativement mauvaises, en particulier à cause de sa faible linéarité (spécialement à des niveaux de courant faibles) et d’un déphasage prononcé
(voir figure p. 50). A cause de cela, son usage
est restreint aux transformateurs de courant
bon marché, destinés à la mesure de courants plutôt élevés ou lorsque le calcul de la
puissance électrique n’a pas besoin d’être
rigoureusement exact. Pour de nombreuses
applications en effet, une estimation approximative de la consommation électrique
suffit, s’il s’agit, par exemple, de déterminer
quels appareils sont les plus gros consommateurs sans chercher à analyser leur consommation exacte.
Dans certains cas, on se contente de déterminer si un appareil consomme ou non de
l’électricité afin de dresser des profils de fonctionnement, en se basant sur une tension fixe,
plutôt qu’en utilisant une mesure précise.
Dans ce cas, le déphasage prononcé ne pose
pas vraiment problème. Une application typique est la surveillance des courants de chaque branche dans les panneaux de distribution électrique qui permet au système de
détecter les surcharges éventuelles de certains
circuits et de déclencher une alarme ou un
mécanisme de délestage le cas échéant.
Autre inconvénient des transformateurs de
courant FeSi : ils sont lourds et encombrants
et donc peu adaptés aux environnements
ayant des contraintes d’espace.
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Transformateurs ouvrants FeNi
Les alliages fer-nickel (FeNi) sont considérés
depuis longtemps comme les meilleurs matériaux pour les transformateurs de courant
à boîtier ouvrant. Ils offrent de bonnes performances mais à un prix cependant élevé.
C’est une bonne alternative aux alliages FeSi
quand la précision et le déphasage doivent
être optimisés, ou quand les transformateurs
doivent servir à mesurer de faibles courants.
Outre leur prix, les transformateurs de courant FeNi impliquent d’autres contraintes. En
effet, tout comme les transformateurs de
courant FeSi, ils prennent une place importante une fois installés sur les équipements
industriels et les tableaux de contrôle. Ils
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Principe de la boucle de Rogowski
 Ces boucles sont constituées d’une bobine hélicoïdale dont le fil de sortie rejoint son autre
extrémité en passant par le centre de l’enroulement, de sorte que les deux bornes se situent
à une même extrémité de la bobine. La tension à ces bornes est proportionnelle à la dérivée
du courant primaire.
souffrent également d’une passablement
mauvaise linéarité et d’une dérive importante, à cause de l’entrefer induit par l’architecture des boîtiers ouvrants.
Transformateurs de courant
ouvrants à noyau en ferrite
Bien que les matériaux à base de ferrite
soient connus depuis de nombreuses années,
leurs mauvaises performances en termes de
niveaux de saturation et de perméabilité magnétique n’autorisaient pas jusqu‘alors leur
utilisation à des fréquences aussi basses que
50/60 Hz. Cependant, les progrès techniques récents ont révolutionné les caractéristiques des ferrites à ces fréquences en apportant de nombreux avantages à une large
gamme d’applications de mesure électrique.
Ces nouveaux types de ferrite affichent une
perméabilité nettement améliorée et peuvent être utilisés pour des transformateurs
de courant 50/60 Hz en remplacement des
noyaux FeSi ou FeNi, et cela malgré leur faible niveau de saturation magnétique.
Les transformateurs de courant ouvrants intégrant ces nouveaux noyaux ferrite mesurent avec précision des signaux alternatifs sur
une large plage de fréquence, dont les applications exploitant la gamme de fréquences
de 50/60 Hz. Ils tirent ainsi parti des qualités intrinsèques de la ferrite, offrent une
extrême précision et une excellente linéarité,
même pour des courants très faibles. Ils se
caractérisent également par un déphasage
remarquablement faible entre les courants
d’entrée et de sortie, ce qui est capital pour
mesurer avec exactitude la puissance active
réelle ou l’énergie. La dureté et la densité de
ce type de noyau limitent de façon significative les effets de l’entrefer et le rendent
quasiment insensible à l’usure et aux changements de température, contrairement à
d’autres matériaux, tels que les FeSi ou FeNi.
Enfin, cerise sur le gâteau, les très bonnes
performances des transformateurs de courant ouvrants à noyau ferrite sont accessibles
sur le marché à un prix très attractif.
Pour mesurer des courants plus élevés, des
noyaux en ferrite plus importants sont nécessaires. Ce qui reste malheureusement
encore rare en raison des contraintes de fabrication. Les transformateurs FeNi ou la
technologie des boucles de Rogowski décrite ci-après sont actuellement les solutions
les plus appropriées pour la mesure de courants élevés.
Etude comparative entre
les matériaux FeSi, FeNi et ferrite
Les noyaux ferrite ne donnant pas les
meilleurs résultats pour les transformateurs
de courant monoblocs, en raison de leur
forte perméabilité magnétique, intéressonsnous en priorité aux transformateurs de ➜
51
Lem
Lem
Solutions
Les boucles de Rogowski sont utilisées pour fabriquer des capteurs ouvrants et flexibles. Ce sont des capteurs faciles à installer par rapport aux transformateurs de courant classiques.
➜ courant ouvrants. Grâce à la dureté de ce
matériau plein (la ferrite étant un type de
céramique), on peut l’usiner très finement et
obtenir des entrefers d’à peine quelques microns qui restent stables pendant de nombreuses années. A l’inverse, avec des matériaux laminés tels que le FeSi ou le FeNi, les
entrefers ne peuvent guère être plus fins que
20 ou 30 microns et sont plus sensibles à
l’usure et aux changements de température.
Compte tenu des entrefers plus petits et de la
meilleure linéarité des noyaux de ferrite en
cas de faible excitation magnétique (c’est-àdire pour les courants faibles), les ferrites
offrent donc de meilleures performances que
le FeNi-80 %, pour un coût inférieur.
Le déphasage induit par un noyau de ferrite
est moitié moindre que celui d’un noyau
FeNi, ce qui met d’office ce dernier hors
compétition. L’entrefer minimal du noyau
en ferrite lui confère la meilleure précision
du rapport de transfert (entre les spires primaires et secondaires).
de la bobine. Un circuit d’intégration électrique permet de convertir le signal de tension en un signal de sortie proportionnel au
courant primaire. En d’autres termes, les
boucles de Rogowski rendent possible la fabrication de capteurs de courant extrêmement précis et linéaires. Mais elles réclament
l’intégration de circuits électroniques spécifiques et un calibrage de l’ensemble. Les boucles de Rogowski possèdent une inductance
inférieure à celle des transformateurs de courant, et donc une meilleure réponse en fréquence, car elles n’utilisent pas de noyau
magnétique. Elles affichent par ailleurs une
très bonne linéarité, même avec les courants
primaires élevés, du fait qu’elles n’intègrent
pas de noyau de fer pouvant entraîner une
saturation. Ce type de capteur est donc particulièrement indiqué pour les systèmes de
mesure pouvant être soumis à des courants
élevés ou très changeants. Autres avantages
pour la mesure de courants élevés : ce sont
Boucles de Rogowski
Les boucles de Rogowski, aussi nommées
enroulements de Rogowski, sont utilisées
pour fabriquer des capteurs ouvrants et flexibles se positionnant facilement autour du
conducteur à mesurer. Ces boucles consistent en une bobine hélicoïdale dont le fil de
sortie rejoint son autre extrémité en passant
par le centre de l’enroulement, de sorte que
les deux bornes se situent à une même extrémité de la bobine. La longueur adéquate
est déterminée en fonction de la plage de
mesure du courant, de manière à fournir des
caractéristiques de transfert optimales.
Cette technologie assure la mesure très précise de la dérivée du courant primaire induisant une tension proportionnelle aux bornes
52
DR
Les capteurs de courant monoblocs s’adaptent mal
aux installations existantes.
des capteurs très compacts et faciles à installer par rapport aux transformateurs de courant classiques, lourds et encombrants.
Les performances de ces capteurs de courant
sont étroitement liées à la qualité de la fabrication de la boucle de Rogowski. Il faut impérativement que les enroulements soient
extrêmement réguliers pour garantir la
meilleure immunité contre les perturbations
électromagnétiques ainsi qu’une faible erreur due au positionnement. Autre point
critique : la fermeture du capteur qui entraîne nécessairement une discontinuité dans
le bobinage, créant par là même une forte
sensibilité aux conducteurs externes ainsi
qu’à la position du conducteur à mesurer à
l’intérieur de la boucle.
C’est pourquoi le système de fermeture doit
être extrêmement précis et stable, de manière à reproduire le plus fidèlement possible la position idéale des extrémités de la
bobine et l’homogénéité d’une boucle parfaite, tout en permettant le raccord de l’une
des extrémités au câble de sortie. De nouvelles technologies ont récemment fait leur
apparition. Grâce à leurs propriétés mécaniques et électriques spécifiques, elles offrent
une plus grande précision et une meilleure
immunité au positionnement du câble primaire que par le passé. Alors que les erreurs
dues au positionnement du câble étaient
typiquement de +/- 3 % aux fréquences de
50/60 Hz, elles peuvent dorénavant être réduites à moins de +/- 0,5 % avec certains
modèles de capteurs à boucle de Rogowski
de dernière génération.
Bertrand Klaiber,
directeur stratégie et marketing au sein
de la division Energy & Automation chez LEM.
Pierre Turpin, chef de projet au sein
de la division Energy & Automation chez LEM.
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