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

Mesurer des forts courants alternatifs sur une large bande de fréquences est primordial pour de nombreuses applications dont la surveillance du réseau de distribution électrique et le développement des véhicules électriques. Dans le premier cas, la mesure du courant est nécessaire pour quantifier la qualité du réseau en présence d’harmoniques provenant des énergies renouvelables intermittentes dont le spectre en fréquences est assez large (plusieurs centaines de kilohertz). Dans le second cas, la mesure du courant (jusqu’à plusieurs dizaines d’ampères) intervient dans la quantification du rendement de la chaîne de traction d’un moteur électrique : dans la mesure du courant la prise en compte d’un grand nombre d’harmoniques (jusqu’à 1 MHz) est indispensable pour garantir une connaissance précise du rendement du moteur. Des résistances de faibles valeurs, appelées « shunt », sont alors indispensables pour mesurer des forts courants. Les shunts sont largement utilisés comme étalon de résistance dans les laboratoires de métrologie et les instruments de précision. Leur utilisation nécessite la connaissance préliminaire en fonction de la fréquence des deux paramètres suivants : déphasage de l’impédance du shunt ; variation relative du module de l’impédance du shunt par rapport à la sa valeur de sa résistance en courant continu, ce paramètre est appelé “écart de transposition”. Pour un niveau de courant de 10 A, l’impédance des shunts existants présente de fortes variations en module et phase pour les fréquences supérieures à 100 kHz. De plus, actuellement dans les laboratoires nationaux de métrologie, pour étalonner les shunts au-delà de 1 A les méthodes de mesure utilisées sont d’une part limitées en module à 100 kHz et en phase à 200 kHz et d’autre part elles donnent accès uniquement à un des deux paramètres : module ou phase de l’impédance du shunt. Ce travail de thèse a pour objectif d’étendre jusqu’à 10 A et 1 MHz les possibilités d’étalonnage des capteurs de forts courant et d’améliorer ainsi la traçabilité des mesures en courant alternatif. Nous avons dans un premier temps développé un shunt étalon de 10 A dont la réponse électromagnétique (jusqu’à 10 MHz) et la réponse thermique sont entièrement calculables : à 1 MHz le déphasage et l’écart de transposition sont respectivement de -0,01 mrad et 15 ppm. Dans un second temps, nous avons mis au point une méthode d'étalonnage traçable permettant de mesurer les shunts jusqu’à 10 MHz. La méthode de mesure, basée sur l'utilisation d'un analyseur de réseau vectoriel, permet de mesurer simultanément l’écart de transposition et la phase de l'impédance d'un shunt avec des incertitudes relatives inférieures à 1.10⁻³ à 1 MHz.Measuring high alternating currents over a wide frequency bandwidth is essential for many applications including the monitoring of the electrical distribution network and the development of electric vehicles. In the first case, current measurement is necessary to quantify the quality of the grid in the presence of harmonics from intermittent renewable energies with a large frequency spectrum (several hundred kilohertz). In the second case, current measurement (up to several tens of amperes) is used to quantify the efficiency of an electric motor's traction chain: in current measurement, it is essential to take into account a large number of harmonics (up to 1 MHz) to ensure an accurate knowledge of the motor's efficiency. Resistors of low values, called "shunt", are then mandatory to measure high currents. Shunts are widely used as a resistance standard in metrology laboratories and precision instruments. Their use requires the preliminary knowledge of the following two parameters according to the frequency: Impedance phase shift; relative variation of the impedance magnitude according to its DC resistance value, this parameter is called “AC-DC difference”. For a current level of 10 A, the impedance of existing shunts shows strong variations in magnitude and phase for frequencies above 100 kHz. In addition, in National Metrology Institutes, to calibrate shunts beyond 1 A the measurement methods currently used are limited in magnitude up to 100 kHz and phase up to 200 kHz; and provide access to only one of the two parameters: magnitude or phase of impedance. The aim of this thesis is to extend the calibration capabilities of high current sensors up to 10 A and 1 MHz and thus improve the traceability of AC current measurements. Firstly, we developed a 10 A shunt standard whose electromagnetic (up to 10 MHz) and thermal responses are fully calculable: at 1 MHz the phase shift and transposition deviation are -0.01 mrad and 15 ppm respectively. Secondly, we developed a traceable calibration method to measure shunts up to 10 MHz. The measurement method, based on the use of a vector network analyzer, allows the AC-DC deviation and impedance phase of a shunt to be measured simultaneously with relative uncertainties less than 1.10⁻³ at 1 MHz