Conception, modélisation et étalonnage d'un shunt pour la mesure de courant à 10A et 1MHz.

par Mohamed Ouameur

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Yann Le Bihan.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Génie électrique et électronique de Paris (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 09-03-2015 .


  • Résumé

    De manière générale, la mesure ou détection de courant s'effectue traditionnellement au moyen de shunts (résistances de faible valeur), de transformateurs ou de capteurs (bobine de Rogowski, capteur Pearson, capteur à Effet Hall). En métrologie électrique, la mesure du courant est primordiale notamment pour la mesure de puissance. Les transformateurs ont une bande passante limitée et ne peuvent pas être utilisés en courant continu (DC). Les bobines de Rogowski, les capteurs Pearson et à effet Hall ont une large bande passante et permettent de mesurer des courants alternatifs (AC) et des impulsions. En revanche les bobines de Rogowski et les capteurs Pearson ont une sensibilité réduite pour des valeurs faibles de courant, typiquement inférieures à 10 A et ne peuvent pas être étalonnée en courant continu tandis que les capteurs à effet Hall présentent une exactitude insuffisante pour des applications métrologiques. Les shunts, couramment utilisés en métrologie électrique mais aussi directement dans les appareils de mesure, exhibent des pertes plus importantes et des propriétés d'isolation moindres que les transformateurs. En revanche, ils peuvent être larges bandes et utilisables en courant continu. Pour être utilisables avec les meilleures incertitudes (exemple : à 1 MHz, 200 µrad sur la phase), les shunts étalons doivent avoir une variation d'impédance par rapport au continu et un déphasage les plus faibles possibles. On parle alors d'écart de transposition () et d'angle de phase. Ces étalons doivent être également d'une très grande stabilité dans le temps. Dans le cas de la mesure de puissance (réelle et réactive), dont le spectre est parfois composé d'harmoniques de rangs élevés, l'angle de phase du shunt a une grande influence sur la mesure. Les analyseurs de puissance disponibles actuellement sur le marché sont capables de mesurer des puissances jusqu'à 10 MHz avec des valeurs de courant d'entrée de l'ordre de 20 A : ces caractéristiques dépassent les capacités d'étalonnage des laboratoires européens. Depuis 2004, de nombreux travaux ont été réalisés en Europe dans les différents laboratoires pour étendre les possibilités de mesure et d'étalonnage (CMC) des shunts jusqu'à 1 MHz. Actuellement, en Europe seul le laboratoire national de métrologie suédois (SP) dispose de CMC à 1 MHz pour 0,5 A avec une incertitude relative de 5×10-3 sur la phase et de 3×10-4 sur le module de l'impédance. Dans le domaine des véhicules électriques des bancs d'essais sont utilisés pour caractériser la chaîne de traction : ce banc met en œuvre notamment des analyseurs de puissance pour évaluer le rendement des moteurs électriques. Le spectre des signaux est riche en harmoniques et subsiste aujourd'hui une méconnaissance sur la capacité de ces instruments à prendre en compte ces harmoniques. Renault a sollicité dernièrement le LNE sur cette problématique : l'enjeu pour le fabricant automobile est d'avoir une plus grande confiance dans la mesure du rendement et de réduire les incertitudes de ce dernier. Pour répondre à cette problématique il est nécessaire de développer des shunts utilisés pour l'étalonnage des analyseurs de puissance. Le LNE est engagé actuellement dans le montage d'un projet européen «Electromobility and drive technology » : cette problématique est traitée dans le lot de travail n°2 (WP2). Dans le cas de l'étalonnage de capteurs de courant, au LNE la traçabilité est assurée à 1 MHz au travers d'un shunt. Les incertitudes actuelles de 2 % sont en partie dues à la connaissance incomplète de la variation en fréquence du module du shunt et du faible courant mis en œuvre. Des demandes industrielles à 1 MHz et pour courant de 10 A se sont multipliées ces dernières années. En Europe, aucun laboratoire ne dispose de CMC sur la mesure de courant en alternatif à 1 MHz et 10 A. La conception d'un shunt 10 A dont la variation en fréquence sera connue avec une meilleure incertitude permettra d'améliorer les incertitudes sur les capteurs de courant et de répondre aux besoins exprimés par les industriels. D'autres équipements comme les compteurs d'énergie électrique sont concernés. Leur étalonnage s'effectue généralement à fréquence industrielle. Le renforcement croissant des dispositifs de production d'énergie électrique impliquant des convertisseurs électroniques exige de mieux connaître le comportement de ces compteurs à des régimes de fréquence pouvant aller jusqu'à 1 MHz.

  • Titre traduit

    Design, modeling and calibration of a shunt for current measurement at 10A and 1MHz.


  • Résumé

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