Brevet FR2102344A1 — publié le 19720407

l'invention se rapporte à un dispositif commutateur de protection thermique, destiné à protéger contre les élévations excessives de température un appareil électrique, de préférence un enroulement de moteur électrique, qui est commandé ou réglé par des redresseurs au silicium commandés. Pour la commande et le réglage des appareils électriques, on utilise de plus en plus des redresseurs au silicium commandés, au moyen desquels on peut régler à volonté, par découpage par déphasage, la valeur efficace de la tension alternative d'alimentation0 L'utilisation de ces composants permet, par exemple dans le cas des appareils à moteurs électrique, de charger le moteur au couple nominal, mame aux vitesses de rotation nettement réduites, Ce mode de fonctionnement implique un risque de surcharge thermique en raison de la diminution de la ventilation. On contact déjà un dispositif commutateur sensible à la température destiné à la protection thermique des enroulements d'un appareil à moteur, dans lequel un réseau de résistances, qui comprend une résistance à coefficient de tempétature négatif (Perlen-Thermistor) entre l t électrode de commande ou gachette et la cathode d'un thyristor dans le circuit anodecathode duquel se trouve l'enroulement d'excitation d'un relais qui, de son côté, commande par un contact le disjoncteur principal qui commande lui-meme la charge.En dehors de la très forte consommation de moyens techniques et de l'utilisation de contacts mécaniques, cet agencement présente encore un grave inconvénient en ce sens que le thyristor est allumé statiquement et que, en raison de la variation relativement lente de la valeur ohmique de la thermistance, la température de déclenchement ou mise hors circuit varie en raison des fluctuations des caractéristiques entre les divers thyristors0 Par ailleurs, après la disparition de la température excessive et lorsque la température est devenue inférieure à Qn niveau déterminé, il se produit une remise en circuit automatique de l'appareil.Pour des raisons de technique de sécurité et ainsi que pour d'autres raisons, il est fréquemment-souhaitable et meme nécessaire d'éviter la remise en circuit0 Toutefois, on contact encore un dispositif analogue destiné à la protection des appareils consommateurs d'électri- cité contre les élévations excessives de température et comprenant un dispositif de verrouillage électronique dans lequel l'ensemble du dispositif est parcouru, à l'instant de la mise en circuit, à travers une résistance à coefficient de température positif, par un courant de déclenchement qui est destiné à un triach le triac commande un disjoncteur connecté à l'appas reil consommateur et il est maintenu conducteur par un deuxi éme circuit de courant.Cette résistance à un coefficient de température positif s'échauffe jusqu'à l'autostabilisation thermique et empOche de cette façon le triac de se déclencher à nouveau, aprbs la réponse du dispositif de protection, de sorte que l'appareil consommateur reste déconnecté. La remise en marche ne se produit qu'après l'interruption de la tension d'alimentation du circuit de surveillance. Ce dispositif de protection et à blocage du réenclenchement, qui travaille sur la base de résistances à coefficient de température positif également est lié, dans son mode de fonctionement, aux autres organes, en particulier au disjoncteur et il est très mal approprié pour les appareils à commande par découpage de la phase car il serait nécessaire d'ajouter en supplément au thyristor qui est de toute façon utilisé, un triac et une résistance, ce qui est inacceptable du point de vue économique pour les appareils électriques de grande consommation. Un autre dispositif de protection connu, notamment un dispositif de protection contre les surcharges en courant continu et caractérisé en ce qu'il comprend, comme organe de commutation, un thyristor à extinction commandée dans le circuit de commande duquel des diodes à quatre couches ou diodes de Zener sont connectées entre la gachette et la cathode, ces diodes étant commandes par une tension fonction de la charge de manière qu'à une tension prédéterminée, le thyristor a extinction commandée soit bloqué. Ce dispositif de protection utilise dans le circuit du thyristor des éléments à semi-conducteur passifs pour le déclenchement d'une fonction de commutation mais il n'est ap approprié que pour les redresseurs au silicium a extinction commandée. Finalement, on contact encore un dispositif de protection, destiné à la protection des composants à semi-conducteurs commandés, notamment des thyristors, contre les variations de tension trop élevées à l'instant de l'enclenchement, dispositifs dans le circuit de commande desquels est interposé entre la gachette et la cathode du thyristore, un contact de relais qui est commandé par un relais combiné à un élément RO, qui court-circuite la gachette et bloque par conséquent le thyriJ- tor pendant une durée déterminée après l'instant d'enclenchement.Ce dispositif de commande peut certes être utilisé pour un disJoncteur destiné à protéger contre les surcharges thermiques un appareil commandé par thyristor mais, dans ce cas, la grande dépense de moyens techniques et l'utilisation de contacts mécaniques, qui tendent fréquemment à tomber en panne, constituent des inconvénients. Du reste,- il est nécessaire de- prévoir une alimentation supplémentaire pour le relais et le dispositif demande beaucoup de place. L'invention se rapporte à un dispositif commutateur pour la protection thermique d'un appareil électrique qui utilise un redresseur au silicium commandé, un diviseur de tension qui comprend au moins une résistance à coefficient de tempdra- ture positif, et au moins un composant actif à semi-conducteur, et cette invention vise à limier les inconvénients des dispositifs commutateurs déjà connus. L'invention vise à résoudre le problème technique con- sistant à réaliser, pour un appareil comprenant un redresseur au silicium commandé, un dispositif commutateur simple et fiable, et qui soit approprié pour titre utilisé notamment comme dispositif de protection pour protéger les enroulements des moteurs contre les surcharges thermiques, qui soit d'utilisation universelle, qui ne nécessite pas une alimentation électrique séparée, et qui assure une protection-stre contre le réenclenchement automatique de l'appareil après l'interruption. Le dispositif doit par ailleurs titre de dimensions suffisamment faibles pour pouvoir entre incorporé, sous la forme d'un module indépendant, même dans les conditions de faible espace dispo- nible, dans des appareils comprenant des dispositifs de com- mande déjà connus, et sans interrompre les circuits. Suivant l'invention, ce problème technique est résolu par utilisation d'un étage de commutation, composé d'un divi- seur de tension, qui comprend une résistance à coefficient de température po@itif, et d'un transistor, dont la base est connectée au point de jenction des résistances du diviseur de tension, et qui est intercalé dans le circuit d'allumage d'un redresseur au silieium commandé de telle façon que, d'une part, les impulsions d'allumage du redresseur au silicium commandé, qui se présentent périediquement soient utilisées pour l'alimentation du di@positif de protection et que, d'autre part, en présence d'un signal de température excessive, ces impulsions d'allumage soient court-circuitées sur le redresseur au sili cium commandé le court-circuit restant maintenu par un dispos sitif de blocage de enclenchement, même après disparition du signal de température excessive. On obtient une forme particulièrement avantageuse de réalisation de l'invention lorsque le collecteur d'un transistor n-p-n et une borne d'une résistance sont connectés à la gachette du redresseur au silicium commandé, et que l'émetteur de ce transistor et une borne d'une résistance variable en fonction de la température sont connectés à la cathode de ce redresseur. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, le dispositif de protection contre les températures excessives comporte un dispositif de blocage au réenclenchement qui utilise pour ce blocage la tension moyenne appliques par l'inter- médiaire du redresseur au silicium commandé, de façon à tirer de cette tension moyenne une tension partielle qui, par l'in- termédiaire d'n organe à seuil commande le transistor du dispositif de protoction de manière que, lorsque la tension devient supérieure au seuil, le transistor reste conducteur. Dans une forme avantagense de réalisation dispositif de blocage de réenclenchement, un ensemble en série comprenant une diode et deux résistances est connecté en parallèle avec les connexions anode-cathode du redresseur au silicium commandé, l'une de ces résistances étant shuntée par un condensateur, et l'organe à seuil est connecté, en série avec une résistance, entre le point de jonction des deux résistances de l'ensemble en série et la base du transistor. Pour désacoupler le dispositif de protection du dispositif de blocage de réenclenchement, et suivant une autre caractéristique de l'invention, une diode est intercalée entre la prise centrale du diviseur de tension monté dans le circuit d'allumage et la base du transistor. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'organe à seuil est constitué par une diode de Zener ou par une varistance0 Finalement, suivant une autre caractéristique de l'in- vention, l'une des résistances du diviseur de tension est une résistance à coefficient de température positif qui est composée d'une seule résistance-ou de plusieurs résistances à coef- ficient de température positif montées en série, et qui sont en étroit contact thermique avec les parties de l'appareil à protéger. Un avantage particulier de l'invention consiste en ce qu'avec un petit nombre de composants (deux résistances, un transistor) dont on n'exige pas de hautes caractéristiques en ce qui concerte les tolérances, lgaptitude à la charge, etc. , on peut réaliser un dispositif de protection extrtmement économique et peu cotteuxo Ce dispositif peut etre utilisé aussi bien avec blocage de réenclenchement que sans blocage de réenclenchement et il est donc utilisable dans de nombreuses applications et adaptable aux diverses applications.Etant donné que par ailleurs tous les composants du dispositif de protection et également ceux du dispositif de blocage de réenclenchement sont d'une puissance très faible, il est possible de loger le dispositif dans un espace tris restreint; éventuellement de le réaliser par la technique des composants intégrés. L'incorporation d'un tel dispositif aprbs coup dans des appareils équipés d'une commande travaillant par découpage de la phase, sur une demi-onde ou sur l'onde complète, est donc considérablement facilitée et, fréquemment, il n'est pas nécessaire de couper les conducteurs déjà existants. La description qui va suivre, en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. L'exemple de réalisation considéré est constitué par un dispositif commutateur tel qu'on peut en utiliser pour la protection d'un appareil alimenté par l'intermédiaire d'un redresseur au silicium commandé, contre les surcharges thermiques. bur les dessins La figure 1 représente un dispositif de commande ou de réglage d'un redresseur au silicium commandé, combiné à un dispositif de protection avec blocage de réenclenchement La figure 2 représente un dispositif suivant la figure 1, équipe d'une variante de dispositif de protection et sans blocage de réenclenchement ;; Entre les deux bornes du réseau de courant alternatif, est monté un circuit en série comprenant une charge complexe 2 et un redresseur au silicium commandé 3. En parallèle avec les bornes d'anode et de cathode du redresseur 3 est connectée une base de temps, composée d'une résistance 4, d'une résistance réglable 5 et d'un condensateur 6 connectés en série. Au point de jonction entre la résistance réglable 5 et le condensateur 6 est connecté une borne d'une lampe à décharge 7 tandis que l'autre borne de cette lampe est connectée à l'électrode de commande (gachette) du redresseur 3. Cet assemblage de composants 2 à 7 forme un dispositif de commutation d'allumage connu. En parallèle avec le circuit gachette-cathode du redresseur au silicium commandé 3, sont montés d'une partS un ensemble en série composé d'une résistance 8 à coefficient de température positif, d'une résistance 9, et d'autre part, les bornes du circuit émetteur-collecteur d'un transistor 10 tandis que la base de ce transistor 10 est connectée par l'intermédiaire d'une diode Il dans la réalisation de la figure 1, au point de jonction entre la résistance 8 à coefficient de température positif et la résistance 9. Alors que sur la figure 1, le dispositif de protection 8, 9, 10 travaille au moyen d'un transistor 10 du type n-p-n, on peut utiliser également un dis positif de protection 8, 9, 10 comportant un transistor 10 du type p-n-p dans le cas où il n'est pas nécessaire de prévoir un blocage de réenclenchement.Pour celà, il suffit d'inter- changer les connexions des bornes extérieures du groupe composé des éléments 8, 9, 10, sur le circuit de commande. Par ailleurs, le dispositif comprend, en parallèle avec le circuit anode-cathode du redresseur au silicium cc.mian dé 3, un groupe en série composé d'une diode 14 et de deux ré sistances 15, 16, la résistance 16 étant shuntée par un condensateur 17. Au point de jonction des résistances 15 et 16 est connecté un organe à seuil 13 dont la base opposée est reliée en série avec une résistance 12, à la base du transistor n-p-n 10. La diode il sert à découpler le diviseur de tension formé des résistances 8, 9 du dispositif de blocage de réenclenchement qui comprend les éléments 12 à 17. le dispositif est mis en action par mise sous tension des bornes 1 de raccordement au réseau de courant alternatif. La base de temps composée des résistances 4, 5 et du condensateur 6 produit, en combinaison avec la lampe à décharge 7 et d'une façon connue les impulsions d'allumage envoyées au redresseur commandé 3o Tant que la température de l'appareil sur lequel ou dans lequel la résistance 8 à coefficient de température positif est montée, par exemple la température de l'enroulement de stator d'un moteur universel, est inférieure à la température dite "de saut" de la résistance 8, et si le rapport des résis- tances 8, 9 du diviseur de tension est approprié, le transistor 10 est bloqué d'une façon connue. les impulsions d'allumage qui sont débitées par la lampe à lueurs 7, une fois à chaque demi-onde positive de la tension alternative du réseau, a31 mentent le dispositif commutateur de protection 8, 9, 10 en synergie pendant un temps bref et provoquent en m8me temps l'ai limage du redresseur commandé 3o Etant donné que la base de temps composée des reste tances 4, 5 et du condensateur 6 est calculée de façon à ne pas laisser dépasser un certain angle d'allumage supérieur, par exemple de 140 degrés électriques, par rapport à la demi-onde simusoïdale, il apparaît une tension de blecage positive moyenne correspondante aux bornes anode-cathode du redresseur com- mandé 3, et cette tension de blocage charge le condensateur 17 à travers la diode i4 et la résistance 15. L'organe à seuil est calculé de manière que la tension de charge maximale qui apparaît sur le condensateur 17 en service nominal n'exerce aucun effet sur le transistor 10 c'est-à-dire se trouve au-dessous de la tension de senil. Si, en raison d'une élévation de la t@mpérature au point de mesure, la température atteint le niveau de saut de la résistance 8, et que, par conséquent, la valeur chimique de cette résistance croît brusquement, le rapport entre cette valeur et celle de la résistance 9, c'est-à-dire le rapport du diviseur de tension v@rie de telle sorte que, lors de l'apparition de l'impulsion d'allumage suivante, le potentiel appliqué L la base du transistor 10 suffit pour la commande et que ce transistor deviens conducteur, de sorte que la gachette du redresseur commande 3 est court-circuité- par rapport à sa cathode.Il en résulte que le redresseur commandé 3 eat bloqué et que la charge complexe 2 est isolée des bornes 1 du réseau de courant alternatif. Sous l'effet du blocage du redresseur commandé 3, il se prodait, un saut de tension, à la moyenne arithmétique de la tension de blocage positive, puisque, maintenant, la tension du réseau est entièrement appliquée aux berne du redresseur commandé 3. Cette tension est appliquée à la diode 14 et à la résistance 15 et une partie de ce saut est appliquée au condensateur 17.Le niveau que la tension atteint à ce moment sur le condensateur 17 est supérieur au seuil de l'organe à seuil 13, ce qui provoque un écoulement de courant du condensateur 17 à travers l'organe à seuil 13, la résistance 12 et le circuit base-émetteur du transistor 10, pour maintenir ce transistor à l'état conducteur (Figure 1). Si le dispositif est utilisé comme sur la figure 2, par exemple sans blocage de réenelenchement, à chaque nouvelle impulsion d'allumage, le redresseur commandé a est à nouveau bloqué et le reste tant que le rapport du diviseur de tension c'est-à-dire le rapport des résistances 8 > 9, permet de rendre le transistor 10 conducteur. Il convient de remarquer que, dans ce cas, le dispositif ne travaille que lorsque la lampe à lueurs 7 débite des impulsions de commande > tandis que, pendant le reste du temps, il est sans action, c'est-à-dire qu'il travaille également par impulsions. Lorsque la température décroît au point de mesure à surveiller et, par conséquent, également sur la résistance 8, du fait que l'appareil à surveiller est mis hors circuit, ou bien en raison d'autres circonstances quelconques, le rapport du diviseur de tension varie à nouveau, en fonction du temps pour revenir à l'état initial. Alors que, dans la réalisation de la figure 2, lorsque la valeur chmique de la résistance 8 à coefficient de température positif est redevenue normale; il ntest plus possible de rendre le transistor 10 conducteur et que, par conséquent, les impulsions d'allumage rendent à nouveau conducteur le redresseur commandé 3, c'est-à-dire que l'état de travail de l'appareil est à nouveau rétabli, dans la réalisation de la figure 1, la diode 11 découple le diviseur de tension 8, 9 du transistor conducteur 10, de sorte que le blocage du redresseur 3 reste conservé. En cas d'interruption de la tension d'alimentation aux bornes 1 du réseau de courant alternatif, le condensateur 17 se décharge à travers la résistance 16 connectée en parallèle avec ce condensateur et le dispositif reprend un état identique à l'état de départ. Le dispositif de blocage de réenclenchement a donc pour effet qu'on ne peut remettre le dispositif de protection en action que par une manoeuvre manuelle consistant à interrompre le circuit de raccordement aux bornes 1 du réseau de courant alternatif. Cette manoeuvre peut titre répétée aussi souvent qu'on le veut. REVENICTI0NS 1. Dispositif commutateur pour la protection thermique d'un appareil électrique contre les températures excessives, de préférence pour la protection thermique d'un enroulement de moteur électrique, lorsque cet appareil est commandé ou réglé par un redresseur au silicium commandé, dans le circuit de commande duquel sont intercalés des composants à semi-oonducteur, ce dispositif commutateur étant caractérisé en ce qu'il comprend un étage de commutation constitué par un diviseur de tension qui comporte une résistance à coefficient de température positif et par un transistor dont la base est connectée au point de jonction des résistances du diviseur de tension, cet étage de commutation étant connecté dans le circuit d'allumage d'un redresseur au silicium commandé de manière que, d'une part, les impulsions d'allumage du redresseur, qui sont appliquées périodiquement, constituent l'alimentation en courant du dispositif commutateur et que, d'autre part, en présence d'un signal de température excessive, ces impulsions de commande soient court-circuitées sur le redresseur commandé, le courtcircuit restant établi par un dispositif de blocage de réenclenchement, même après la disparition du signal de température excessive. 2. Dispositif Commutateur suivant la revendication 12 caractérisé en ce que le collecteur dtun transistor n-p-n et une borne dune résistence du diviseur de tension sont connectés à l'élactrode de commande du redresseur commandé et que l'émetteur de ce transistor et la borne de 1'autre résistance du diviseur de tension sont connectées à la cathode du redresseur commandé. 3. Dispositif commutateur suivant la revendication 1 avec blocage de réenclenchement, caractérisé en ce que la tension moyenne appliquée aux bornes du redresseur commandé est utilisée pour le blocage de réenclenchement, en ce sens qu'on tire de cette tension moyenne une tension partielle qui commande le transistor du dispositif commutateur de protection à travers un organe à seuil, et que, lorsque la tension devient supérieure au seuil de l'organe à seuil, le transistor reste conducteur. 40- Dispositif commutateur suivant la revendication 3, Ca- ractérisé en ce qu'il comporte, en parallèle avec le circuit anode-cathode du redresseur commandé, un circuit en série composé d'une diode et de deux résistances, l'une de ces résistances étant shuntée par un condensateur, et ltorgane à seuil étant connecté entre le point de jonction de ces deux résistances et la base du transistor, en série avec une autre résistance. 5. Dispositif commutateur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une diode est intercalée entre la prise moyenne du diviseur de tension et la base du transistor. 6. Dispositif commutateur suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'organe à seuil est une diode de Zener ou une varistance. 7. Dispositif commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des résistances du diviseur de ten- sion est une résistance à coefficient de température positif qui est constituée par une seule résistance ou par un circuit en sé- rie composé de plusieurs résistances à coefficient de température positif, et qui est en contact thermique étroit avec les éléments de l'appareil qu'il s'agit de protéger.