Conception optimale du double air

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 239 (2023) Citer cet article

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La technologie avancée des capteurs fournit des informations précises pour une surveillance transparente et un contrôle en temps réel du réseau électrique. Les éléments à magnétorésistance tunnel (TMR) à haute sensibilité et linéarité constituent un nouveau moyen technique pour la mesure du courant dans les systèmes de distribution d'énergie CC moyenne tension. Cet article propose un capteur de courant TMR en boucle fermée à double entrefer et sa méthode de conception optimale basée sur le coefficient d'uniformité minimum du champ magnétique. La structure à double entrefer réduit l'erreur de mesure causée par l'excentricité du fil, et la théorie et la modélisation du coefficient d'uniformité minimum du champ magnétique optimisent les paramètres clés, tels que le rayon intérieur du noyau magnétique, la distance de l'air. -gap et la taille de la zone du côté de la section. Enfin, un prototype de capteur avec un courant de mesure nominal de ± 50 A a été développé. Les résultats de l'expérience montrent que l'erreur relative du capteur de courant TMR proposé est inférieure à 0,2 % sous le courant nominal. La conclusion peut être tirée que le capteur proposé avec une conception optimisée améliore efficacement la précision des mesures.

La technologie avancée des capteurs fournit des informations précises pour la surveillance et les contrôles du système électrique. Ces dernières années, avec le développement des dispositifs électroniques de puissance, les sources d'énergie distribuées et les charges comportant des éléments électroniques de puissance, tels que les systèmes photovoltaïques, les batteries de stockage et les bornes de recharge des véhicules électriques, ont été de plus en plus connectées aux systèmes de distribution d'énergie. En conséquence, de nombreuses formes d’onde transitoires sont injectées dans la grille, ce qui rend la mesure et la détection du courant plus difficiles. Des exigences plus élevées sont mises en avant pour les capteurs de courant dotés de capacités de mesure précises de courant continu élevé, de caractéristiques à large fréquence et peu coûteux1,2.

Des capteurs de courant avec capteur magnétique, comme la magnétorésistance Hall ou tunnel (TMR), sont des solutions possibles. Le capteur à effet Hall existe depuis des décennies et est largement utilisé. Cependant, le capteur à effet Hall présente des défauts inhérents, tels qu'une faible sensibilité, une faible linéarité mais une sensibilité à la température3,4. L'élément de détection magnétique de quatrième génération TMR présente des caractéristiques avancées en termes de sensibilité, de consommation d'énergie et de caractères de température5,6,7. Les capteurs de courant avec éléments TMR constituent un nouveau et meilleur choix pour la mesure de courant de forme d'onde complexe, mais certains problèmes techniques doivent être résolus, tels que la structure du capteur, les réglages des paramètres, etc.

Les capteurs de courant TMR sans fer, basés sur une structure en boucle ouverte, ont été le premier développement il y a quelques années. Xu et coll. a conçu un capteur magnétique différentiel ultra-miniature, capable de mesurer le courant de ± 150 A, et l'erreur expérimentale est inférieure à ± 2 % dans la plage de température de − 40 °C à 105 °C2. Shao et coll. appliqué le capteur de courant TMR à la protection contre les surintensités du transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) et proposé un capteur de courant TMR à réseau en anneau pour mesurer le courant de l'IGBT. Le capteur de courant conçu peut détecter la surintensité de 120 A en 604 ns8. Cependant, le capteur de courant TMR basé sur une structure en boucle ouverte présente deux défauts principaux : Premièrement, la plage de mesure du capteur de courant est limitée par la plage de linéarité de l'élément du capteur TMR, par conséquent le courant nominal de ce type de capteur de courant est limité à environ un cent ampères. Deuxièmement, ce type de capteur de courant est sensible au changement de température ainsi qu’à l’excentricité du conducteur porteur de courant.

Pour augmenter la plage de mesure du courant et améliorer les caractéristiques de température, les chercheurs ont intégré la technologie à flux nul dans la mesure du courant9,10. Yang a proposé un capteur de courant en boucle fermée basé sur le principe du flux nul11, utilisant un noyau magnétique et un enroulement de rétroaction pour former une structure en boucle fermée afin d'améliorer la sensibilité du capteur et de réduire considérablement les erreurs causées par la température et l'hystérésis. Cependant, dans les applications pratiques, le conducteur porteur de courant ne se trouve parfois pas au centre du circuit magnétique. Le capteur de courant en boucle fermée est peu résistant à cette erreur d'excentricité12. Cheng et coll. analysé systématiquement diverses caractéristiques du noyau magnétique pour étudier les facteurs d'influence du noyau magnétique du capteur de courant en boucle fermée13. Visant le problème de la saturation éventuelle du noyau magnétique, Li a proposé un circuit en boucle fermée sans noyau magnétique, qui enroulait directement le solénoïde composé de la bobine de rétroaction sur l'élément capteur14. Roland et coll. a proposé un nouveau capteur de courant sans noyau basé sur un réseau de capteurs de champ magnétique circulaire et a appliqué le principe de boucle fermée à un réseau circulaire. Cependant, cette structure sans noyau est sensible aux interférences du champ magnétique externe. Il est nécessaire de garantir strictement l’uniformité des bobines enroulées sur le réseau annulaire15, ce qui est difficile à réaliser dans une production de masse à faible coût. De plus, l'existence de conducteurs interférents à proximité et l'emplacement de l'élément capteur entraîneront des changements dans l'intensité de l'induction magnétique mesurée au niveau de l'entrefer, ce qui affectera également la précision des mesures du capteur16. La source spécifique de l’erreur de mesure doit encore être analysée en profondeur et une méthode améliorée doit être déterminée pour l’erreur.