|
(11) | EP 0 074 297 B2 |
| (12) | NOUVEAU FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
|
|
| (54) |
Capteur de courant hybride compensé Hybrider kompensierter Stromwandler Hybrid compensated current transformer |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
[0001] L'invention est relative à un capteur de courant selon le préambule de la revendication 1. Un tel dispositif de l'art antérieur est décrit dans le document DE-B-1281545, dans lequel l'enroulement secondaire délivre une tension de sortie proportionnelle à dl1/dt, c'est-à-dire à la variation du courant primaire 11 pendant le temps t. La constante de temps secondaire d'un tel capteur amagnétique ou à circuit magnétique à entrefer est inférieure à 10 microsecondes. La tension de sortie est appliquée à un circuit intégrateur RC du type à résistance et condensateur série, destiné à délivrer un signal plus ou moins proportionnel au courant primaire l1. Un tel capteur ne provoque pas d'échauffement mais n'est pas adapté pour produire un signal de puissance.
[0002] Les capteurs conventionnels utilisent d'autre part des transformateurs de courant à noyaux magnétiques sans entrefer dont l'enroulement secondaire délivre un signal de mesure proportionnel au courant primaire, le facteur de proportionnalité correspondant au rapport de transformation du transformateur. La constante de temps secondaire est supérieure à 100 millisecondes. Ce type de transformateur est capable de délivrer un signal de mesure et de puissance, mais la section du circuit magnétique doit être assez importante pour éviter la saturation du circuit magnétique lors du passage de courants importants dans la ligne. Il en résulte un encombrement important et un coût de fabrication élevé.
[0003] L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de réaliser un capteur de courant inductif perfectionné capable de délivrer une puissance secondaire prédéterminée, avec un échauffement réduit et sans aucune source auxiliaire d'alimentation pour le fonctionnement de l'appareillage électronique.
[0004] Le capteur inductif selon l'invention est caractérisé par les caractéristiques de la partie carac- térisante de la revendication 1.
[0005] D'autres avantages ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de divers modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue schématique d'un capteur de courant hybride à tore selon l'invention;
la figure 2 illustre deux courbes représentatives du module (en traits forts) et du déphasage (en traits pointillés) du courant de sortie 12, en fonction de la constante de temps secondaire t2 du capteur selon la fig. 1, la fréquence f du courant primaire 11 étant de 50 Hz;
les figures 3 et 4 sont deux variantes de réalisation du capteur de courant selon la fig. 1;
la figure 5 représente le schéma équivalent d'un capteur hybride selon les fig. 2 à 4, équipé d'un circuit de compensation de fréquence;
la figure 6 est une vue partielle de la fig. 5 et montre une variante du circuit de compensation de fréquence;
la figure 7 montre les diagrammes représentatifs des amplitudes des tensios de sortie U2 et Uc du capteur respectivement avant et après la compensation, en fonction de la fréquence f du courant primaire h à mesurer;
la figure 8 représente l'application d'un capteur hybride compensé selon l'invention à un dispositif électronique de commande d'un disjoncteur de protection.
[0006] Sur la figure 1, le capteur de courant hybride 10 comporte un circuit magnétique CM en forme de tore doté d'un ou de plusieurs entrefers 12 de longueur totale e. Le circuit magnétique CM est traversé par une ligne 14 d'un réseau d'alimentation en courant alternatif, la ligne 14 jouant le rôle d'enroulement primaire parcouru par un courant l1 à contrôler. Un enroulement secondaire 16 est bobiné sur le tore et comprend n spires de résistance ohmique R1. Une résistance de charge R2 est connectée aux bornes de sortie de l'enroulement secondaire. La constante de temps secondaire t2 du capteur hybride est définie par la relation n2/Re(R,+R2). Re étant la réluctance totale du circuit magnétique CM.
[0007] L'enroulement secondaire 16 délivre un courant de sortie 12 représentant une grandeur vectorielle dont le module et le déphasage ϕ par rapport au courant primaire sont illustrés par les diagrammes de la figure 2 en fonction de la constante de temps secondaire t2 et pour une fréquence f donnée du courant primaire l1. Le module exprimé par le rapport nl2/l1 varie entre 0 et 1 lorsque la constante de temps t2 croît. Pour des constantes de temps t2 supérieures à 100 millisecondes, le capteur est un transformateur de courant conventionnel. Pour des constantes de temps t2 inférieures à 10 microsecondes, le capteur est du type amagnétique. Le capteur hybride occupe la zone intermédiaire. La section de l'enroulement secondaire d'un capteur inductif étant proportionnelle au produit n12, on remarque sur la figure 2 que c'est le transformateur de courant où n12 est voisin de l1, qui exige le volume de bobinage le plus important et qui est donc le plus coûteux.
[0008] Un capteur hybride dont la constante de temps t2 est comprise entre 10 microsecondes et 100 millisecondes, nécessite un enroulement secondaire considérablement réduit par rapport à un transformateur de courant équivalent. Ou encore dans un encombrement donné, entre un transformateur de courant conventionnel et un capteur hybride d'intensités nominales primaires identiques, c'est ce dernier qui est le siège de l'échauffement le plus réduit. Il suffira par conséquent de choisir les valeurs de la résistance de charge R2, de la section S du circuit magnétique CM et de la longueur de l'entrefer e pour déterminer la valeur de t2. Des essais ont montré que la longueur totale de l'entrefer e devait être comprise entre 0,5 et 20 millimètres, et la résistance de charge R2 était comprise entre 10 et 1 000 Ohms selon l'intensité du courant nominal 11 à contrôler circulant dans la ligne 14.
[0009] Sur la figure 3, le tore à un entrefer 12 de la fig. 1 a été remplacé par un circuit magnétique CM
[0010] rectangulaire à deux entrefers 12a, 12b, comprenant deux parties élémentaires en U situées en regard l'une de l'autre, de manière à confiner une fenêtre traversée par la ligne 14. Un enroulement secondaire 16 unique est bobiné sur le circuit magnétique CM.
[0011] Selon la figure 4, l'enroulement secondaire est formé par deux bobines 16a, 16b connectées en série ou en parallèle, le reste étant identique au capteur de la fig. 3. La position relative des bobines 16a, 16b par rapport aux entrefers peut être quelconque. Les caractéristiques du capteur hybride 10 selon les figures 1 à 3 dépendent néanmoins de la variation de fréquence du courant à à mesurer. L'amplitude et la phase de la tension de sortie U2 aux bornes de l'enroulement secondaire 16 varient en effet avec la fréquence. C'est pourquoi un circuit de compensation 18 (fig. 5) de fréquence est associé au capteur hybride.
[0012] Le circuit de compensation de fréquence 18 (fig. 5) est formé par un circuit série RC branché en parallèle aux bornes de la résistance de charge R2. Le signal image du courant l1 à mesurer est la tension Uc aux bornes du condensateur C. Les valeurs de R et C du circuit 18 sont définies par la relation suivante:
où fo est la fréquence centrale de compensation (55 Hz par exemple).
[0013] Sur la figure 6, le circuit de compensation 18 est constitué par un circuit série à inductance L et résistance R, branché en parallèle aux bornes de R2, le signal image de mesure du courant l1 étant dans ce cas la tension UR aux bornes de la résistance R.
[0014] La figure 7 compare les amplitudes des tensions de sorties U2 et Uc avant et après la compensation en fonction de la fréquence f du courant l1 à mesurer, les valeurs de la constante de temps t2 et de l'intensité du courant l1 étant données. On remarque que l'amplitude de la tension image Uc est sensiblement constante lorsque la fréquence f du courant l1 est comprise dans une fourchette prédéterminée autour de la fréquence centrale fo de compensation. Le courant l1 à mesurer et la tension Uc sont en phase lorsque la fréquence du courant l1 est égale à la fréquence fo centrale.
[0015] La figure 8 représente l'application d'un capteur hybride compensé décrit en référence à la fig. 5, et délivrant un signal secondaire combiné de mesure et d'alimentation à un dispositif de commande électronique ou déclencheur statique d'un disjoncteur à propre courant dont l'un des contacts 20 est inséré dans la ligne 14. Le signal image de mesure Uc du circuit de compensation 18 est injecté dans un système de traitement 22 électronique par l'intermédiaire d'un premier conducteur de liaison 24. La tension U2 non compensée de l'enroulement secondaire 16 sera utilisée avantageusement pour l'alimentation du système de traitement 22 grâce à un deuxième conducteur 26 de liaison. Lors de l'apparition d'un défaut de surcharge ou de court-circuit sur la ligne 14, la sortie du système de traitement 22 délivre un ordre de déclenchement à une bobine 28 de commande qui provoque d'une manière classique le déverrouillage du mécanisme 30 et l'ouverture des contacts 20 du disjoncteur de protection.
- un circuit magnétique ou noyau CM entourant la ligne (14) et étant doté d'au moins un entrefer (12, 12a, 12b) amagnétique de longueur prédéterminée (e), ledit circuit ayant une réluctance Re,
- un enroulement secondaire (16, 16a, 16b) bobiné sur le circuit magnétique CM, et ayant un nombre de tours n et une résistance ohmique R1,
- une résistance de charge connectée électriquement aux bornes de sortie de l'enroulement secondaire et ayant une résistance ohmique R2, caractérisé en ce que le capteur inductif (10) est associé à un déclencheur statique d'un disjoncteur et est du type hybride ayant une constante de temps secondaire t2 définie par la relation n2/Re(R1+R2) dont la valeur est comprise entre 10 microsecondes et 100 millisecondes, et que l'enroulement secondaire (16, 16a, 16b) dudit capteur hybride (10) coopère avec un circuit de compensation (18) en fréquence connecté aux bornes de la résistance de charge R2, pour délivrer un signal image de mesure dont l'amplitude est sensiblement constante lorsque la fréquence f du courant primaire l1 circulant dans la ligne (14) est comprise dans une fourchette prédéterminée autour d'une fréquence centrale fo de compensation, ledit signal image de mesure du circuit de compensation (18) étant injecté dans un système de traitement (22) électronique dudit déclencheur délivrant un ordre de déclenchement à une bobine (28) de commande du disjoncteur lorsque le signal image dépasse un seuil prédéterminé, l'alimentation du système de traitement (22) s'effectuant au moyen de la tension U2 non compensée prélevée aux bornes de la résistance de charge R2.
- einen Magnetkreis oder Kern CM, der die Leitung (14) umgibt, und der mit mindestens einem unmagnetischen Luftspalt (12, 12a, 12b) von vorbestimmter Länge a versehen ist, wobei der genannte Kreis einen magnetischen Widerstand Re besitzt,
- eine auf den Magnetkreis CM gewickelte Sekundärwicklung (16, 16a, 16b) mit n Wicklungen und einem ohmschen Widerstand R1,
- einen Belastungswiderstand, der elektrisch mit den Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung verbunden ist und einen ohmschen Widerstand R2 besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Stromwandler (10) mit einem statischen Auslöser eines Schalters verbunden ist und von hybrider Art ist, mit einer durch die Gleichung n2/Re(R,+R2) bestimmte Sekundärzeitkonstante t2, deren Wert zwischen 10 Mikrosekunden und 100 Millisekunden liegt, und dass die Sekundärwicklung (16, 16a, 16b) des genannten hybriden Stromwandlers (10) mit einer Frequenz-Kompensationsschaltung (18) zusammenarbeitet, die mit den Klemmen des Belastungswiderstandes R2 verbunden ist, um ein Mess-Bildsignal abzugeben, dessen Amplitude ziemlich konstant ist, wenn die Frequenz f des in der Leitung (14) fliessenden Primärstromes 11 in einem vorbestimmten Bereich liegt, nahe einer zentralen Kompensationsfrequenz fo, wobei das genannte Mess-Bildsignal der Kompensationsschaltung (18) in ein elektronisches Verarbeitungssystem (22) des genannten Auslösers eingegeben wird, das einen Auslösebefehl an eine Spule (28) abgibt zur Steuerung des Leistungsschalters, wenn das Bildsignal eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, wobei die Versorgung des Verarbeitungssystems (22) durch die nicht kompensierte Spannung U2 geschieht, die an den Klemmen des Belastungswiderstandes R2 abgenommen wird.
- a magnetic circuit or core CM enclosing the line (14) and equipped with at least one amagnetic air-gap (12, 12a, 12b) of predetermined length e, said circuit having a reluctance Re,
- a secondary winding (16, 16a, 16b) wound about the magnetic circuit CM and having a number of winding turns n and an ohmic resistance Ri,
- a load resistance connected electrically to the output terminals of the secondary winding and having an ohmic resistance R2, characterized in that the inductive sensor (10) is associated with a trip device of a circuit breaker and is of hybrid type with a secondary time constant t2 defined by the relation n2/Re(R1+R2), the value of which is comprised between 10 microseconds and 100 milliseconds, and that the secondary winding (16, 16a, 16b) of said hybrid sensor (10) cooperates with a frequency compensating circuit (18) connected to the load resistance R2 terminals, in order to generate a measuring image signal of which the amplitude is almost constant when the primary current 11 frequency f flowing in the line
(14) is comprised in a predetermined bracket about a compensation central frequency fo, the image signal of the compensation circuit (18) measurement being injected into an electronic processing system (22) of said trip device generating a tripping order to said circuit breaker operation coil (28) when the image signal exceeds a predetermined threshold, the processing system (22) supply being carried out by means of the non-compensated voltage U2 taken between the load resistance R2 terminals.