Mesure de courant ultraprécise pour tous les cas d’application – pas seulement en courant continu DC

par Horst Bezold, Directeur général de Signaltec, et Jörn Burk, 

Directeur des ventes Industrie DACH et Europe de l’Est chez LEM

LEM est un acteur majeur dans le domaine de la mesure électrique. Son activité principale repose sur des capteurs basés sur la technologie à effet Hall pour des clients OEM. Ces capteurs équipent de nombreux produits et installations de la technique d'entraînement et de l’électronique de puissance.

Depuis de nombreuses années, LEM est également engagé dans le domaine des transformateurs DCCT de très haute précision. Ces composants sont utilisés par les OEM, principalement dans les technologies médicales et pour les sources de courant continu extrêmement stables, par exemple pour des systèmes de simulation de batteries.

Un autre domaine d’utilisation majeur est l’extension de plage de mesure des analyseurs de signaux et de puissance dans les applications de contrôle commande. En particulier pour la mesure du rendement et des pertes des convertisseurs de fréquence et des moteurs électriques, la meilleure précision possible est indispensable. La plage de fréquences à mesurer s’étend du courant continu dans le circuit batterie jusqu’à plusieurs centaines de kilohertz dans la zone des fréquences de commutation et de leurs harmoniques.

Pour la distribution et le support technique auprès de ses clients dans ces applications, LEM s’appuie sur son partenaire Signaltec qui se spécialise dans l’analyse d’efficacité en électronique de puissance ainsi que dans les applications de contrôle commande. 

Les défis de la mesure de puissance et du calcul du rendement

Les analyseurs de puissance de précision à large bande échantillonnent les signaux de tension et de courant. Les valeurs échantillonnées u(t) et i(t) sont multipliées entre elles. La moyenne arithmétique de la courbe de puissance p(t), calculée sur une ou plusieurs périodes de la fondamentale, donne la puissance active P.
La précision de la mesure dépend donc de l’exactitude en amplitude des échantillons de U et I, du décalage temporel entre les deux mesures, ainsi que de la précision de l’intervalle de mesure ou des passages par zéro permettant de déterminer la durée de la période.

Les premiers convertisseurs de fréquence sont apparus à la fin des années 1960. Il a ensuite fallu plus de 20 ans pour que les instruments de mesure puissent gérer les fronts de tension extrêmement raides des convertisseurs et les signaux de courant fortement déformés. Un exemple est l’analyseur de puissance LEM NORMA D6000 du début des années 1990. À l’époque, la mesure des courants était réalisée à l’aide de shunts coaxiaux très large bande et d’une technique dite GUARD permettant de minimiser les perturbations en mode commun. Les courants de mode commun entre le canal de mesure et le boîtier de l’appareil sont générés par les fronts de tension très abrupts à fort potentiel, entraînant des erreurs d’amplitude et de phase.

Un autre problème dans la mesure des pertes des convertisseurs de fréquence et des moteurs électriques est leur très haut rendement et le fait que les pertes ne peuvent pas être mesurées directement. Le calcul des pertes est toujours réalisé à partir de la puissance entrante et sortante.
Pour un onduleur, il s’agit par exemple d’une puissance DC électrique à l’entrée et d’une puissance AC électrique à la sortie. Pour un moteur électrique : une puissance électrique entrante et une puissance mécanique sortante.

Bien que chaque puissance active puisse être mesurée avec une précision raisonnablement élevée, l'incertitude de mesure autour des pertes dépend du fait que les erreurs des mesures d’entrée et de sortie sont orientées dans des directions opposées : par exemple, une puissance entrante surévaluée et une puissance sortante sous-évaluée. L’incertitude relative des pertes dépend donc fortement du rendement de la composante.

Il est facile de comprendre qu’avec des convertisseurs affichant un rendement proche de 99 %, les erreurs de mesure peuvent dépasser 100 % des pertes réelles. Pour le calcul des pertes, des instruments et capteurs de la plus haute précision sont donc indispensables.

Comme mentionné, les shunts coaxiaux externes étaient autrefois adaptés pour la précision d’amplitude et la fidélité de phase, mais la mesure de la faible chute de tension du shunt sur un signal global élevé et très déformé posait de sérieux problèmes. L’instrument connecté devait disposer d’une très forte réjection de mode commun. De plus, ces résistances coaxiales haute intensité étaient extrêmement coûteuses.

C’est pourquoi, depuis de nombreuses années, des transformateurs DCCT de très haute précision, galvanisés du signal, sont utilisés pour l’extension de plage des wattmètres. Cette technologie fut développée pour réguler les sources de courant DC haute intensité des accélérateurs de particules. Une application précoce en médecine fut la mesure de champ magnétique dans les IRM.

Une précision élevée en courant continu ne suffit cependant pas pour mesurer précisément les pertes d’un onduleur : les capteurs doivent être précis en amplitude sur une large bande allant jusqu'à plusieurs centaines de kHz et ne doivent pas introduire de déphasage supplémentaire entre tension et courant, ce qui modifierait le facteur de puissance et entraînerait des erreurs de puissance active et de pertes.

Comparaison entre l’ancienne et la nouvelle génération de capteurs

Les premiers DCCT produits en série n’étaient pas optimisés pour la mesure de courants AC à haute fréquence. C’est probablement pour cette raison que leur adoption dans les analyseurs de puissance a été lente. Leur sensibilité aux champs AC externes était également relativement élevée. Aujourd’hui, ils sont devenus un standard.

Des capteurs spécifiques couvrent désormais des fréquences de DC à plusieurs MHz, nécessaires dans des applications très hautes fréquences, par exemple pour l’analyse de signaux dans les nouveaux semi‑conducteurs rapides. Les fréquences de commutation avoisinent déjà les 100 kHz, et les harmoniques peuvent, en théorie, atteindre la gamme MHz. Pour les mesures de puissance et de pertes classiques, une telle bande n’est pas nécessaire, car l’impédance du circuit atténue fortement les composants haute fréquence.

Les DCCT sont des centaines de fois plus précis que les capteurs à effet Hall classiques utilisés dans les convertisseurs. Ils sont toutefois plus complexes. Par le passé, deux inducteurs identiques étaient nécessaires pour mesurer la composante DC : l’un pour la mesure, l’autre pour compenser les perturbations.

Avec la nouvelle génération, LEM a tiré parti de son expertise en compensation numérique basée sur microprocesseur : la série IN ne nécessite plus de deuxième inducteur.

Les perturbations causées par l’inducteur nécessaire à la mesure en courant continu sont mesurées lors du processus de production, numérisées, enregistrées dans le processeur, puis compensées via un convertisseur numérique / analogique, un amplificateur analogique et un enroulement de compensation dans le noyau principal. L’offset est également géré numériquement via FPGA. La précision DC typique atteint quelques ppm. Cette technologie est brevetée.

Les capteurs sont également optimisés pour l’AC. LEM s’appuie sur son expertise dans les capteurs DC/AC compatibles convertisseurs et Signaltec a mis en place un laboratoire complet permettant des mesures d’amplitude et de phase sur une large plage de fréquences.

Mesure et test en environnements industriels

Le test des batteries haute tension en production a longtemps été complexe. Pour simplifier l’utilisation des transducteurs sur bancs d’essai, une alimentation spécifique est requise, garantissant stabilité et haute intégrité du signal. Signaltec a développé des systèmes transducteurs mono et multivoies (MCTS) dotés d’alimentations galvanisées. Des accessoires permettent d’adapter les signaux à tout type d’entrée (courant ou tension).

L’intégration dans des systèmes automatisés exige souvent une numérisation spécialisée, notamment dans les tests de fin de ligne (EoL). Des convertisseurs EtherCAT ultra précis et rapides fournissent cette fonction en temps réel.

Les premiers modèles ne mesuraient que le courant, avec sortie EtherCAT. Les plus récents, comme Powerlens de REDCUR, offrent désormais :

• mesure de courant ET de tension,
• sortie EtherCAT,
• support CAN additionnel.

La nouvelle génération à compensation numérique améliore encore la précision DC et AC. Les DCCT sont devenus la norme pour l’extension de gamme des analyseurs de puissance large bande. L’intégration de REDCUR permet de livrer des systèmes complets pour le test des batteries haute tension en production.