Mesures électriques : comment bien choisir ses capteurs de courant
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Solutions Solutions 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 MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com 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. MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com 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 Solutions Solutions ➜ 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. MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com 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 MESURES 825 - MAI 2010 - www.mesures.com 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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