Perturbations électromagnétiques appliquées aux capteurs de courant, et compatibilité électromagnétique

Compatibilité électromagnétique capteurs de courant

1. Origine des perturbations électromagnétiques

L’électricité et le magnétisme sont deux forces naturelles intrinsèquement liées.

Un courant électrique génère un champ magnétique et, réciproquement, toute variation de champ magnétique produit de l’électricité. Cette relation est exploitée dans de nombreuses applications telles que les transformateurs de courant et les capteurs électriques.

Les interférences électromagnétiques (EMI) correspondent à l’émission ou à l’induction indésirable de signaux électromagnétiques dans un système ou une machine. Ces perturbations peuvent :

• dégrader les performances d’un équipement,

• provoquer des dysfonctionnements,

• entraîner des erreurs de mesure.

Les perturbations électromagnétiques peuvent être :

• rayonnées (sources magnétiques),

• conduites (sources électriques).

  
  

Principales sources d’EMI affectant les capteurs de courant

• Variateurs de vitesse (PWM, IGBT, MOSFET)

• Alimentations à découpage

• Moteurs électriques

• Câbles de puissance non blindés

• Champs magnétiques parasites (barres cuivre, transformateurs)

• Commutations rapides (fort dI/dt et dV/dt)

  
  

2. Effets des EMI sur les capteurs de courant

Selon la technologie du capteur, les perturbations électromagnétiques peuvent entraîner :

• Bruit sur la mesure (ondulations, pics)

• Dérive du zéro

• Erreur de gain

• Saturation du capteur

• Faux déclenchements des systèmes de protection

• Dégradation de la précision à basse intensité

  
  

3. Sensibilité selon le type de capteur

Capteurs à effet Hall

• Sensibles aux champs magnétiques externes

• Sensibles au bruit haute fréquence

• Nécessitent un blindage magnétique efficace

Shunts

• Insensibles aux champs magnétiques

• Sensibles au bruit de masse et aux EMI conduites

• Problèmes de CEM possibles en cas de mauvais câblage vers le système d’acquisition

Capteurs Rogowski

• Sensibles aux champs haute fréquence

• Bonne immunité à la saturation

• Nécessitent une électronique de conditionnement soignée

Transformateurs de courant

Les transformateurs de courant sont robustes, mais non totalement immunisés contre les EMI :

• Excellente immunité au bruit HF conduit

• Insensibles aux perturbations de masse

• Très bonne stabilité thermique

• Sensibles aux champs magnétiques externes

• Saturation possible du noyau

• Sensibles aux harmoniques basses fréquences

  
  

4. Qu’est-ce que la compatibilité électromagnétique (CEM)

La compatibilité électromagnétique définit l'aptitude d'un appareil ou d'un système électrique ou électronique à fonctionner correctement dans son environnement électromagnétique tout en ne produisant pas lui-même des perturbations électromagnétiques pour tout ce qui se trouve dans cet environnement.

Elle décrit un état dans lequel un équipement (ex. capteur de courant) :

• fonctionne correctement dans son environnement électromagnétique,

• n’introduit pas de perturbations intolérables pour les autres dispositifs du système.

  
  

5. Techniques de réduction des interférences électromagnétiques

Minimiser les perturbations électriques est généralement accessible grâce à de bonnes pratiques d’installation :

• Choisir des câbles adaptés et correctement blindés

• Réduire la longueur des câbles

• Éviter l’enroulement ou la formation de boucles

• Maintenir une distance maximale entre câbles de puissance et câbles de mesure

La précision d’un capteur de courant dépend autant de sa technologie que de son immunité CEM et de son intégration dans l’environnement final.

6. Prévenir les problèmes d’interférences électromagnétiques

• Supprimer les émissions EMI à la source

• Réduire la sensibilité des composants par un montage et une installation appropriés

• Rendre les chemins de couplage des perturbations aussi inefficaces que possible

  
  

7. Bonnes pratiques pour réduire les perturbations EMI

• Éloigner le capteur des sources de champs magnétiques

• Installer séparément les câbles de puissance et les câbles de signaux d’instrumentation.

• Conserver cette séparation dans les armoires et panneaux de commande

• En cas de croisement, respecter un angle de 90°.

• Éviter les boucles de câblage

• Utiliser des câbles blindés à paires torsadées

• Relier le blindage à la terre sur une seule extrémité, au point de masse le moins bruité.

• Privilégier les signaux en courant (ex. 4–20 mA), plus robustes face aux EMI que les signaux de tension

  
  

8. Principales normes CEM applicables aux capteurs de courant

L'action des perturbations électromagnétiques sur les systèmes électroniques peut entraîner des dysfonctionnements susceptibles de générer des risques. C'est pourquoi la validation de la compatibilité électromagnétique (CEM) des systèmes, qui suit les phases de conception et développement, est basée sur l'application de normes bien définies. La compatibilité électromagnétique s'articule autour d'un système «coupable» et d'un (ou des) système(s) « victime(s) ».Il existe donc des normes relatives à chacun des deux types de systèmes mentionnés ci-dessus :

• Les normes d'émissivité pour les « coupables ».

• Les normes d'immunité pour les « victimes ».

Les capteurs de courant sont concernés par les normes d'immunité, dont les principales sont listées ci-dessous.

EN 61000-4-2 – ESD (Electrostatic Discharge)

• Objet : Décharges électrostatiques

• Niveaux typiques : ±4 kV (contact), ±8 kV (air)

• Risques : reset, dysfonctionnement, destruction de composants

EN 61000-4-3 – RF Rayonné

• Plage : ~80 MHz à 6 GHz

• Sources : téléphones, Wi-Fi, radios

• Risques : erreurs de mesure, instabilité des signaux analogiques

EN 61000-4-4 – EFT / Burst

• Objet : Transitoires rapides répétés

• Sources : relais, contacteurs, charges inductives

• Risques : parasites E/S, resets, erreurs logiques

EN 61000-4-5 – Surge (CWG)

• Objet : Surtensions haute énergie

• Sources : foudre indirecte, coupures réseau

• Risques : destruction de composants, claquage d’isolement

EN 61000-4-6 – RF Conduit

• Plage : 150 kHz à 80 MHz

• Risques : bruit sur signaux analogiques (4–20 mA)

EN 61000-4-8 – Champs magnétiques AC (50/60 Hz)

• Sources : transformateurs, lignes de puissance

• Risques : erreurs de mesure, saturation

EN 61000-4-9 – Champs magnétiques pulsés

• Sources : courts-circuits, disjoncteurs, foudre

• Risques : dysfonctionnement temporaire ou permanent.

EN 61000-4-11 – Creux et coupures secteur AC

• Phénomènes : chutes de tension, microcoupures

• Risques : reset, arrêt ou comportement imprévisible

EN 61000-4-12 – Ring Wave

• Objet : Ondes oscillantes amorties (100 kHz)

• Risques : stress électrique, perturbations fonctionnelles

EN 61000-4-29 – Creux de tension DC

• Applications : automatisme, capteurs, électronique embarquée

• Risques : reset, perte de données, arrêt temporaire

Les perturbations électromagnétiques constituent un enjeu majeur dans la mesure du courant, en particulier dans les environnements industriels soumis à de fortes contraintes électriques et magnétiques. Le choix de la technologie de capteur, son niveau d’immunité CEM et la qualité de son intégration jouent un rôle déterminant dans la fiabilité et la précision des mesures.

Aucune technologie de capteur n’est totalement insensible aux EMI. Chaque solution présente des avantages et des limites qu’il convient d’analyser en fonction de l’application, du niveau de perturbations et des exigences de précision. Une conception soignée, associée à de bonnes pratiques de câblage, de mise à la terre et de blindage, permet toutefois de réduire significativement l’impact des interférences électromagnétiques.

Enfin, le respect des normes CEM internationales garantit la robustesse des capteurs de courant face aux agressions électromagnétiques et assure un fonctionnement fiable et durable des systèmes. Intégrer la CEM dès la phase de conception est donc essentiel pour optimiser les performances, la sécurité et la disponibilité des installations industrielles.