Mesures électriques : comment bien choisir ses capteurs de courant

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MESURES ÉLECTRIQUES
Comment bien choisir
ses capteurs de courant
Le calcul de la puissance électrique impose la mise en œuvre de capteurs de cou-
rant. 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 avan-
tages et inconvénients respectifs, selon le domaine d’application.
La mesure du courant électrique
occupe une place centrale pour de
nombreuses applications indus-
trielles, que ce soit pour le con-
trôle des alimentations, la gestion de la con-
sommation électrique ou la surveillance de
l’état du réseau et des équipements électri-
ques. La gestion des systèmes d’alimentation
électrique est le premier champ d’applica-
tion de la mesure de courant car elle est es-
sentielle pour toute activité industrielle ou
économique. C’est une question qui con-
cerne en premier lieu les entreprises de pro-
duction ou de distri-
bution d’électricité,
mais également les en-
treprises industrielles
désireuses de surveiller
la qualité de leur élec-
tricité et leur facteur
de puissance pour
contrôler le coût éner-
gétique des services
utilisés, en particulier
en présence de charges
à faible facteur de
forme.
Les compteurs divi-
sionnaires sont de plus
en plus utilisés par les
responsables d’usines
et d’unités de produc-
tion car ils permettent
non seulement de dé-
terminer et d’allouer
les coûts énergétiques, mais aussi de mener
des analyses pointues concernant la consom-
mation électrique et ainsi en améliorer l’ef-
ficacité. L’évaluation de la puissance néces-
saire et sa facturation dépendent souvent des
pics de consommation, de sorte qu’une ges-
tion 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 seule-
ment nécessaires pour une bonne compré-
hension 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 climatisa-
tion 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 endom-
magement des équipements ou toute inter-
ruption 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, roule-
ments, 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’impor-
tance dans les applications industrielles,
mais aussi dans les installations commercia-
les 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’environ-
nemental. La question est : comment réduire
de manière significative et durable la con-
sommation 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 par-
ticuliers. De nombreux pays mettent en
place des campagnes et mesures incitatives
visant à réduire la consommation énergéti-
que, et par là même les émissions de CO2.
Afin que les entreprises puissent en profiter
Les capteurs de courant
monoblocs délivrent de bons
résultats pour un coût
attractif.
Les capteurs à boîtier
ouvrant s’installent facile-
ment sur les équipements
existants.
De nouveaux types
de ferrites leur confèrent
de meilleures performances
tout en restant à un prix
abordable.
La technologie des boucles
de Rogowski a également
évolué. Elle autorise
désormais la fabrication
de petits capteurs pour
la mesure de courants élevés.
L’essentiel
 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 alter-
natif 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 puis-
sance électrique.
 L’intégration. Les transformateurs de cou-
rant étant autoalimentés, ils ne nécessitent
qu’une seule sortie à 2 fils vers le circuit élec-
tronique de l’unité principale. Nombre d’en-
tre eux sont équipés de sorties standard pré-
calibrées 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 comp-
teurs électriques standard du marché.
Cependant, les compteurs électriques de
haute précision requièrent un calibrage spé-
cifique 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 fonction-
nement. 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 rac-
corder les capteurs au compteur électrique.
 Le prix. Le prix des capteurs est bien en-
tendu important, en particulier pour la me-
sure de courants triphasés puisque trois cap-
teurs 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’instal-
lation 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 cou-
rant sans contact plutôt que des shunts, car
ces derniers occasionnent des pertes de puis-
sance tout comme des problèmes d’installa-
tion et de sécurité. Les capteurs de courant
monoblocs traditionnels fonctionnent selon
le principe d’un transformateur : les enrou-
lements primaires et secondaires sont reliés
magnétiquement par un noyau central. Le
courant mesuré induit un champ magnéti-
que dans le noyau, qui génère un courant
dans l’enroulement secondaire, proportion-
nel au courant primaire, divisé par le nom-
bre de spires de l’enroulement secondaire.
Ces transformateurs de courant basiques
sont conçus pour mesurer des courants al-
ternatifs sinusoïdaux sur une plage typique
de fréquence de 50/60 Hz. Cette techno-
➜
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.
Les transformateurs de courant ouvrants peuvent être installés sur des machines ou des équipements sans procéder
à la mise hors tension du système.
pleinement, elles doivent se doter des
moyens pour réaliser des mesures de cou-
rant précises.
Exigences relatives aux capteurs
Lors de la conception de systèmes de mesure
de puissance électrique, les ingénieurs doi-
vent sélectionner avec le plus grand soin les
capteurs de courant en fonction de caracté-
ristiques très précises :
 La précision. Dans la plupart des appli-
cations, la précision de la mesure a un im-
pact direct sur la performance générale du
système. La précision des calculs de puis-
sance dépend évidemment de celle des cap-
teurs de courant utilisés. Un compteur élec-
trique de Classe 1 nécessite des capteurs de
courant offrant une précision bien supé-
rieure à 1 %, ce qui suppose le recours à des
matériaux et procédés de fabrication oné-
reux. 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 cap-
teur, il est en effet possible de les utiliser dans
leur mode de fonctionnement le plus per-
formant 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 ter-
mes de linéarité, de dérive et de répétabilité
des mesures, compensant largement l’im-
précision 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’humi-
dité 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 ca-
pitale 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 cap-
teur analogique si l’on veut obtenir des me-
sures précises pour une large gamme de
courants primaires, en particulier pour les
courants faibles. Parmi les technologies exis-
tantes, 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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logie, très souvent utilisée, est très abor-
dable en raison de la conception simple et
des matériaux classiques auxquels elle fait
appel.
Les transformateurs de courant monoblocs
constituent une solution précise et aborda-
ble pour la conception de compteurs élec-
triques destinés à de nouvelles installations
ou nouveaux locaux. En revanche, ils ne
conviennent pas pour de nombreuses autres
applications telles que la surveillance élec-
trique de machines et installations existan-
tes, qu’il faudrait alors arrêter complètement
pour y connecter les capteurs monoblocs.
De manière générale, il est souvent trop
onéreux, voire même impossible ou dange-
reux d’installer des systèmes de mesure
d’énergie, si une interruption du service
s’avère nécessaire, même pour un court ins-
tant (par ex. arrêt de lignes de production,
de l’alimentation d’une centrale de télécom-
munications ou d’un centre de données, de
certains équipements d’une centrale
nucléaire, etc.).
Transformateurs ouvrants
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 implémenta-
tion facile et rapide et une maintenance aisée.
Ils peuvent être simplement fixés et connec-
tés 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 transforma-
teurs ouvrants sur des équipements en fonc-
tionnement sans occasionner de perturba-
tion, ce qui représente un véritable atout.
C’est pour cette raison qu’ils sont tout par-
ticulièrement appréciés des concepteurs et
des intégrateurs de systèmes de contrôle
électriques. Par ailleurs, le marché de l’effi-
cacité énergétique en plein essor réclame des
systèmes de mesure de la puissance électri-
que. Les transformateurs de courant ouvrants
faciles à mettre en place sur les infrastructu-
res existantes répondent à cette demande.
Malgré ces avantages intrinsèques, les trans-
formateurs de courant ouvrants se trouvent
généralement pénalisés par le fait qu’ils se
révèlent également bien plus onéreux et
moins précis que leurs équivalents mono-
blocs. Il est donc très important de compren-
dre les différences entre les diverses techno-
logies disponibles et de faire son choix en
conséquence, selon des contraintes spécifi-
ques 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 ma-
gnétiques et à l’enroulement secondaire qui
n’est pas uniformément distribué autour
d’un noyau magnétique unique, mais seu-
lement autour de l’une de ses deux parties.
Le prix et les performances de ce type de
transformateur dépendent des caractéristi-
ques physiques et mécaniques du dispositif.
Pour un bon fonctionnement, les surfaces
de contact doivent être aussi planes que pos-
sible et les deux parties du noyau doivent
exercer une pression suffisante l’une sur
l’autre. En général, le boîtier du transforma-
teur est équipé de pièces ou matériaux flexi-
bles, et/ou de charnières exerçant une pres-
sion suffisante ainsi que d’un mécanisme
d’ouverture fiable.
Transformateurs ouvrants FeSi
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 mau-
vaises, en particulier à cause de sa faible li-
néarité (spécialement à des niveaux de cou-
rant 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 cou-
rants 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 ap-
proximative de la consommation électrique
suffit, s’il s’agit, par exemple, de déterminer
quels appareils sont les plus gros consom-
mateurs sans chercher à analyser leur con-
sommation exacte.
Dans certains cas, on se contente de détermi-
ner si un appareil consomme ou non de
l’électricité afin de dresser des profils de fonc-
tionnement, 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 ty-
pique est la surveillance des courants de cha-
que branche dans les panneaux de distribu-
tion 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.
Transformateurs ouvrants FeNi
Les alliages fer-nickel (FeNi) sont considérés
depuis longtemps comme les meilleurs ma-
tériaux pour les transformateurs de courant
à boîtier ouvrant. Ils offrent de bonnes per-
formances 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 cou-
rant FeNi impliquent d’autres contraintes. En
effet, tout comme les transformateurs de
courant FeSi, ils prennent une place impor-
tante une fois installés sur les équipements
industriels et les tableaux de contrôle. Ils
souffrent également d’une passablement
mauvaise linéarité et d’une dérive impor-
tante, à cause de l’entrefer induit par l’archi-
tecture 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 ma-
gnétique n’autorisaient pas jusqu‘alors leur
utilisation à des fréquences aussi basses que
50/60 Hz. Cependant, les progrès techni-
ques récents ont révolutionné les caractéris-
tiques des ferrites à ces fréquences en appor-
tant de nombreux avantages à une large
gamme d’applications de mesure électrique.
Ces nouveaux types de ferrite affichent une
perméabilité nettement améliorée et peu-
vent être utilisés pour des transformateurs
de courant 50/60 Hz en remplacement des
noyaux FeSi ou FeNi, et cela malgré leur fai-
ble niveau de saturation magnétique.
Les transformateurs de courant ouvrants in-
tégrant ces nouveaux noyaux ferrite mesu-
rent avec précision des signaux alternatifs sur
une large plage de fréquence, dont les appli-
cations exploitant la gamme de fréquences
de 50/60 Hz. Ils tirent ainsi parti des quali-
tés 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 signifi-
cative les effets de l’entrefer et le rendent
quasiment insensible à l’usure et aux chan-
gements 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 cou-
rant 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 né-
cessaires. Ce qui reste malheureusement
encore rare en raison des contraintes de fa-
brication. Les transformateurs FeNi ou la
technologie des boucles de Rogowski dé-
crite ci-après sont actuellement les solutions
les plus appropriées pour la mesure de cou-
rants 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, intéressons-
nous en priorité aux transformateurs de
➜
A chaque type de noyau, son déphasage
Ip = 20 % du courant nominal
F = 50 Hz
Noyau : FeSi
Entrefer = 25 µm (de chaque côté)
Résultats :
• 5 % d’erreur sur le rapport
de transformation (entre primaire
et secondaire)
• 20 ° déphasage
Ip = 20 % du courant nominal
F = 50 Hz
Noyau : FeNi-80 %
Entrefer = 25 µm (de chaque côté)
Résultats :
• 0,15 % d’erreur sur le rapport
de transformation (entre primaire
et secondaire)
• 3,8 ° déphasage
Ip = 20 % du courant nominal
F = 50 Hz
Noyau : Ferrite
Entrefer = 5 µm (de chaque côté)
Résultats :
• 0,004 % d’erreur sur le rapport
de transformation (entre primaire
et secondaire)
• 1,9 ° déphasage
 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.
➜
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.
1
-1
-1,5
1,5
0,5
0 0,005 0,01 0,015
-0,5
0
Ip (A)
t (s)
Is.K (A)
1
-1
-1,5
1,5
0,5
0 0,005 0,01 0,015
-0,5
0
Ip (A)
t (s)
Is.K (A)
1
-1
-1,5
1,5
0,5
0 0,005 0,01 0,015
-0,5
0
Ip (A)
t (s)
Is.K (A)
Ip: courant primaire, Is: courant secondaire, K: Rapport de transformation.

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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 mi-
crons qui restent stables pendant de nom-
breuses années. A l’inverse, avec des maté-
riaux 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-à-
dire 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 pri-
maires et secondaires).
Boucles de Rogowski
Les boucles de Rogowski, aussi nommées
enroulements de Rogowski, sont utilisées
pour fabriquer des capteurs ouvrants et flexi-
bles se positionnant facilement autour du
conducteur à mesurer. Ces boucles consis-
tent 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 ex-
trémité 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 pré-
cise de la dérivée du courant primaire indui-
sant une tension proportionnelle aux bornes
de la bobine. Un circuit d’intégration élec-
trique permet de convertir le signal de ten-
sion en un signal de sortie proportionnel au
courant primaire. En d’autres termes, les
boucles de Rogowski rendent possible la fa-
brication de capteurs de courant extrême-
ment précis et linéaires. Mais elles réclament
l’intégration de circuits électroniques spéci-
fiques et un calibrage de l’ensemble. Les bou-
cles de Rogowski possèdent une inductance
inférieure à celle des transformateurs de cou-
rant, et donc une meilleure réponse en fré-
quence, 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 par-
ticulièrement 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
des capteurs très compacts et faciles à instal-
ler par rapport aux transformateurs de cou-
rant classiques, lourds et encombrants.
Les performances de ces capteurs de courant
sont étroitement liées à la qualité de la fabri-
cation de la boucle de Rogowski. Il faut im-
pérativement que les enroulements soient
extrêmement réguliers pour garantir la
meilleure immunité contre les perturbations
électromagnétiques ainsi qu’une faible er-
reur due au positionnement. Autre point
critique : la fermeture du capteur qui en-
traîne 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 ma-
nière à reproduire le plus fidèlement possi-
ble la position idéale des extrémités de la
bobine et l’homogénéité d’une boucle par-
faite, tout en permettant le raccord de l’une
des extrémités au câble de sortie. De nouvel-
les technologies ont récemment fait leur
apparition. Grâce à leurs propriétés mécani-
ques et électriques spécifiques, elles offrent
une plus grande précision et une meilleure
immunité au positionnement du câble pri-
maire 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 ré-
duites 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.
➜
Les capteurs de courant monoblocs s’adaptent mal
aux installations existantes.
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.
Lem
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