Brevet FR2164543A1 — publié le 19730803

Cette invention, des perfectionnements aux relais statiques de détection de surintensités sur réseaux polyphasés ou monophasés. Ces relais ampèremétriques peuvent titre multipolaires ou unipolaires tels que ceux dont on fait usage en conjugaison avec des appareillages à contacteurs ou à disjoncteurs, en vue de iétec- ter l'apparion de surintensités modérées et de durée plus ou moins prolongée dues à des surcharges ou, au contraire, importantes et à évolution rapide telles que celles apparaissant notamment en cas de court-circuit. On sait que ces relais de protection comprennent généralement deux élements distincts dont l'un, destiné à détecter les surintensités modérées dont la durée dépasse une certaine valeur variable en raison inverse de la valeur de cette surintensité, est dénommé relais à temps inverse ; tandis que l'autre, destiné à détecter en un temps très court (de l'ordre de 10 ms b îoe ms) des surintensités importantes, est dénommé relais à action rapide. On sait en outre, que dans les relais de protection statique l'intensité du circuit à contrôler ne peut outre appliquée directement aux dispositifs électroniques qui constituent le relais mais, que celle-ci doit auparavant titre convertie en tension à l'aide par exemple d'une ou de plusieurs résistances dans lesquelles l'intensité à contrôler crée une chute de tension dont la valeur est l'image du courant à contrôler.Enfin, on sait aussi que le dispositif du type "à temps inverse" utilisé dans les relais statiques connues, est en principe constitué par un montage comprenant un condensateur et une résistance montés en série, et aux bornes duquel on applique la tension de mesure, image du courant à contre Ceci a pour effet de charger progressivement la capacité en un temps d'autant plus court que la tension image est plus élevée, et par conséquent de faire wparattre aux bornes de cette capacité une tension croissante en fonction de l'état de charge de celle-ci et d'atteindre au moment voulu, une tension suffisante pour déclencher, s'il y a lieu, un dispositif connu de type à seuil, tel qu'un trigger de Schmitt, un transistor uni;; onction, ou tout autre dispositif de déclenchement.La courbe de déclenchement obtenue, représentée en coordonnées logarithmiques, est du type défini par la figure 1. Cette courbe traduit l'évolution du temps de déclenchement t d'un relais à temps inverse d'un type connu, en fonction de la surintensité n x In appliquée à son entre et par conséquent en fonction de la tension image appliquée à son dispositif résistance capacité, le courant à contrôler et par conséquent la tension image uls étant supposau temps O, ce qui correspond pour la capacité à un état de charge nul au point de départ de la courbe. Si l'état de charge n'est pas nul au départ, c'est-à-dire que si le courant à contrtler présente avant l'apparition de la surintensité une valeur non négligeable, par exemple la valeur nominale du courant pouvant circuler dans la réseau considéré, la capacité va traduire cet état de charge initial par une anticipation dù déclenchement et le relais ne respectera plus la courbe I, mais situera ses points de déclenchement très au-dessous de la courbe jusqu'à voisiner l'axe des abscisses Les perfectionnements aux relais qui font l'objet de la présente invention, se caractérisent par le fait que le dispositif "à temps inverse" d'un relais, au lieu autre constitué par un seul montage comprenant un condensateur et une résistance en série, comporte deux montages de ce type, ces deux montages étant connectés en cascade de telle manière que le deuxième montage ne puisse se mettre en action que si le premier a déclenché c'est-à-dire que l'état de charge de la seconde capacité est nul tant que la première capacité n'a pu se charger jusqu'au seuil de déclenchement qui lui a été assigné. Selon l'invention, la courbe de déclenchement obtenue par 1. dispositif à deux capacités est du type représenté par la figure 2 dans laquelle la courbe 2 correspond exclusivement au temps de fonctionnement du second dispositif à temps inverse du type "résistance - capacité" alors que la courbe 3 correspond à la somme des temps de fonctionnement des deux dispositifs "résistance - capa cité". La courbe 2 traduit le déclenchement d'un relais à temps inverse contrblant un circuit qui, avant apparition d'une surintensité, se trouvait déjà sous une charge voisine par exemple du courant nominal.Cette courbe 2 correspond ainsi selon l'invention à la protection assurée par le relais à temps inverse lorsque le récep-teur ou le réseau contrôlé par le relais est en service depuis quelque temps : cette courbe est appelée courbe "à chaud". Au contraire, la courbe 3 traduit le déclenchement du même relais à temps inverse, réalisé suivant l'invention, lorsque la surintensité contrôlée par le relais apparait peu de temps après la mise sous tension du récepteur ou du réseau. Cette courbe tient compte du fait que le récepteur ou le réseau est froid et peut ainsi admettre plus longtemps une surcharge donnée. Cette courbe 3 est ainsi appelée courbe "à froid". L'écart prévu entre les courbes 3 et 2 est ajustable par modification de la constante de temps du premier dispositif "résistance - capacité", c'est-à-dire par action sur la résistance, sur la capacité ou sur les deux, ce qui permet de s1 approcher des temps les mieux adaptés au récepteur compte tenu de son inertie thermique. Sn pratique, pour des moteurs de puissance courante, les courbes 3 et 2 présentent un rapport de temps de l'ordre de trois. Lorsqu'un relais à temps inverse est utilisé pour le contrôle de courants assez importants atteignant ou dépassant 8 In, on sait que ses courbes de déclenchement peuvent dans certaines conditions s'accélérer fortement Jusqu'd provoquer des déclenchements instantanés ce qui peut Btre en çposition avec le résultat recherché. Le relais réalisé selon l'invention peut donc comprendre un dispositif de correction de courbe, constitué par une diode Zener venant shunter la résistance qui, dans le dispositif à temps inverse cité précédemment, est montée en série avec le condensateur. Cette diode Zener, au-delà d'une certaine tension image (et par conséquent au-delà dtun certain courant primaire, par exemple 8 In) est parcourue par un courant de circulation, ce qui a pour effet de réduire partiellement l'élévation de tension entre les bornes 4 et 5 de la figure 3 et par conséquent de retarder le déclenchement du dispositif à temps inverse, pour les courants primaires élevés. Cette correction par diode Zener Z se traduit ainsi par un redressement de l'extrémité de la courbe qui aulieu d'strie infléchie (courbe 3 bis et 2 bis de la figure 2) vers l'axe des abscisses se trouve alors dans le prolongement naturel (courbes 3 et 2 de la figure 2) de la partie de la courbe représentative du déclenchement de 1 In à 8 In. Ainsi qu'il a été précisé précédemment, l'intensité du circuit à contrôler ne peut être appliquée directement aux dispositifs électroniques et est en conséquence habituellement convertie en tension, à l'aide d'une ou plusieurs résistances. Cependant, ce système de conversion risque de consommer une puissance importante si l'intensité traversant la résistance n'est pas réduite à une valeur très faible ce qui nécessite l'usage de transformateurs d'intensité. Mais les transformateurs d'intensité utilisés sont généralement volumineux et ne permettent pas de couvrir une plage d'intensité très large. Te relais, objet de la présente invention peut donc en outre comprendre des organes appelés convertisseurs, dont la propriété est de convertir directement l'intensité primaire en une tension image du courant, cette tension apparaissant aux bornes d'une résistance de quelques milliers d'ohms. Ces convertisseurs de petite taille et de petite puissance dont un exemple est représenté dans les figures 4 à 6, comprennent un transformateur 6 à grand rapport (supérieur à 1000) dont le bobinage primaire ne comporte qu'une seule spire 7. Cette spire unique 7 est constituée par l'une des branches d'une plaque de métal découpée 8 à faible coefficient de température (par exemple constant an).Ce montage en shunt permet de réduire l'Intensitéodu réseau à contrôleur à quelques ampères, et cette première réduction d'intensité permet d'obtenir ensuite, plus aisément, la réduction recherchée à la sortie du petit transformateur à rapport élevé. La combinaison de ce petit transformateur avec le shunt qui constitue le bobinage primaire permet d'obtenir des convertisseurs très compacts utilisables par exemple de 1 à 30 In et dont le volume peut ne pas dépasser 80 cm3, même pour des intensités très élevées dépassant largement plusieurs centaines d'ampères. On sait que la courbe de déclenchement d'un relais à temps inverse est du type représenté par la figure 2 et que la valeur caractéristique du temps de déclenchement qui correspond à un courant de 1,25 In est appelée constante du temps de ce relais à temps inverse. Habituellement cette constante de temps est une valeur invariable pour un relais considéré Si bien que le changement d'une constante de temps nécessite l'échange du relais en question contre un autre relais adapté à la nouvelle constante de temps souhaitée. Le relais à temps inverse réalisé selon une autre caractéristique de l'invention peut être prévu de manière à permettre une adaptation de la constante de temps par simple réglage d'un rhéostat ou par échange d'une résistance pouvant être commutée par contacts. En se référant à nouveau à la figure 3, on y voit cette résistance ou ce rhéostat RI, qui est connecté en série du dispositif à temps inverse cité précédemment et constitué par une résistance R2 et un condensateur C. Une modificatioh de la valeur de la résistance R1 se traduit par une modification du courant de charge pou vant circuler à un instant donné dans le condensateur C ce qui a pour effet de modifier la courbe caractéristique de déclenchement du dispositif à temps inverse constitué par la résistance R2 et le condensateur C. On sait que l'élément à action rapide des relais de détection de surintensités permet habituellement d'intervenir lors de l'apparition d'un court-circuit dans un délai généralement fixé à une valeur comprise entre 15 et 30 millisecondes. Ce délai ne peut être modifié facilement et ne permet pas l'adaptation d'un dispositif de protection à une situation particulière spéciale. On sait en outre qu'un moteur asynchrone triphasé absorbe, lorsque son rotor est calé, un courant compris entre cinq et sept fois le courant nominal qu'il ab-sorbe habituellement lorsqu'il a atteint sa vitesse de régime.On sait également que pour cette raison, les relais à action rapide, qui sont destines' à protéger contre les couri-cir- cuits des moteurs asynchrones ainsi que leurs cibles d'alimentation, sont réglés aux environs de 8 In de manière à laisser passer, sans déclencher, le courant de démarrage de ces moteurs, ces courants de démarrage atteinant pendant un court instant 0,1 à 1 sec., lors de la mise sous tension, la valeur qui correspond à la position "rotor calés c'est-à-dire cinq à sept fois le courant nominal.On sait enfin qu'à ce courant de démarrage se superpose, pendant un temps compris entre 10 et 30 millisecondes, un courant selfique intense appelé subtransitoire, dont la valeur atteint environ deux fois le courant de démarrage, c' ôst-à-dire dix à quinze fois le courant nominal du moteur. Le relais réalisé selon l'invention présente la particularité de pouvoir déclencher pour un courant de défaut, fixé par exemple à 8 In, tout en restant inactif devant des subtransitoires de démarrage de 15 In. Ce résultat est obtenu parce que le relais de protection à action rapide décrit suivant l'invention comporte un déclencheur rapide connu du type à seuil, tel qu'un trigger de Schmitt, un transistor unijonction ou tout autre dispositif équivalent présentant un temps de basculement négligeable, alimenté par la tension image du courant primaire tel que cité précédemment. Compte tenu du temps d'établissement du courant de défaut éventuel, ce dispositif de protection à action rapide réagit donc immédiatement et dans un temps toujours inférieur à 5 millisecondes. De manière à laisser passer sans réagir les subtransitoires de démarrage, ce dispositif de déclenchement d'un type connu est complété par un temporisateur statique également d'-un type connu tel que par exemple un montage résistance-capacité, qui vient différer le délai d'action du déclencheur d'un temps compris entre O et 100 millisecondes. Ce temps est réglable par modification de la valeur de la résistance qui en pratique peut Btre constituée par un rhéostat. Les relais à temps inverse ainsi que les relais à action rapide qui constituent les relais statiques de détection de surintensité conformes à l'invention peuvent & re à réarmement automatique ou au contraire à réarmement empêché. Dans le cas où ils sont à réarmement automatique, le retour à l'état initial de ces déclencheurs s' opère naturellement sans intervention spéciale, dès que le phénomène qui a provoqué leur basculement a cessé. Au contraire, dans le cas où les déclencheurs sont à réarmement empêché, le retour a' l'état initial après suppression du défaut à l'origine du déclenchement, ne doit être possible qu' après intervention manuelle sur un organe de réarmement. Le technologie propre aux appareils statiques ne permet pas hadBuellement la réalisation d'une intervention manuelle sur un composant statique. Selon une forme plus évoluée de l'invention, l'organe d'intervention permettant le réarmement manuel de tels déclencheurs peut être réalisé à l'aide d'un relais constitué par un bobinage excitant un contact sous verre du type "Reed". Ce contact nReed" conserve la position basculée méme après suppression de ltexcitation crééé par la bobine gracie à la présence d'un petit aimant mobile dont le flux est suffisant pour maintenir le contact "Reed" en position basculée, mais insuffisant à lui seul pour déterminer le basculement de ce contact. Lors de l'apparition d'un défaut, contrôlé par le relais déclencheur en question, la bobine s'exciste et vient créer un flux qui, s'ajoutant à celui déterminé par 1 'aimant permanent, devient suffisant pour entraîner le basculement du contact "Reed". Après la disparition du défaut et deséxcitation dè la bobine, le contact "Reed" ne peut revenir à l'état initial que si l'on déplace l'aimant permanent de manière à réduire l'influence de celui-c4 sur le contact "Reed". Cette opération de déplacement de l'aimant permanent peut être réalisée par poussoir et constitue l'intervention manuelle de réarmement. A titre d'exemple, un tel dispositif de réarmement est représenté dans les figures 7 et 8, Il peut comporter un bloc support 9 avantageusement réalisé en matière isolante. Ce bloc 9 porte dans une cavité 10 pouvant être cylindrique la bobine ll et le contact "Reed" 12. Dans une cavité cylindrique 13 parallèle à la première cavité, coulisse un tube non magnétique 14 portant en bout un aimant 15. Cet aimant dans la position repos, vient maintenir basculé le contact "Reed" 12 à la condition que celui-ci ait été préalablement enclenché.Un déplacement de cet aimant provoqué par une pression en bout du tube 14 se traduit par un relachement de l'action-de l'aimant 15 sur le contact 12 qui s'ouvre à ce moment. L'ouverture de ce contact 12 provoque ainsi le retour à l'état initial, par action manuelle, après suppression du défaut. Le retour peut être provoqué par ressort dès relâchement de l'action manuelle sur le tube 14. Le bloc support 9 peut porter également d'autres cavités cylindriques parallèles à l'axe de déplacement de l'aimant 15. Ces cavités peuvent contenir chacune un autre contact ttReedt soumis au champ de l'aimant 15. De cette manière une pression en bout du tube 14 aura pour effet non seulement de déplacer l'aimant 15 et de réarmer ainsi, s'il y a lieu le contact "Reed" 12 excité préalablement par la bobine, mais encore d'entrainer le basculement des contacts supplémentaires de manière à réaliser toutes opérations complémentaires qui pourraient être nécessaires. Un dispositif de réarmement de cette espèce peut facilement être adapté à un ensemble statique à semi-conducteurs et se monter sur un circuit imprimé. REVELDICATIONS 1. PerSectioxonements au relais de protection contre la surintensité sur réseaux polyphasés ou monophasés, caractérisés par le fait que le dispositifnà temps inverse" d'un relais, au lieu d'être constitué par un seul montage comprenant un condensateur et une résistance en série, comporte deux montages de ce type, ces deux montages étant connectés en cascade, de telle manière que le deuxième montage ne puisse se mettre en action que si le premier a déclenché, c'est-à-dire que l'état de chage de la sonde capa cité est nul tant que la première capacité n'a pu se charger jusqu'au seuil qui lui a été assigné. 2. Perfectionnements selon la revendication l, caractérisés en ce que le relais comprend un dispositif de correction de courbes constitué de préférence par une diode Zener. 3. Perfectionnements selon la revendication 2, caractérisé en ce que la diode Zener vient shunter la résistance montée en série avec le condensateur. 4. Perfectionnemenbs selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisés en ce que le relais comprend des organes convertisseurs pour convertir directement l'intensité primaire en une tension image du courant. 5. PerSectionnements selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisés en ce que la constante de temps est adap table par simple réglage d'un rhéostat ou par échange d'une résistance. ó. PerSectionnements selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisés en ce que le relais comporte un déclencheur rapide du type à seuil, tel qu'un trigger de Schmitt. 7. PerSectionnements selon la revendication 6, caractérisé en ce que le déclencheur est complété par un temporisateur statique, par exemple un montage résistance-capacité. 8. PerSectionnements selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisés en ce que le rélais est à réarmement empêché. 9. Perfectionnements selon la revendication 8, caractérisés en ce que pour empêcher un réarmement spontané un contact, de préf é- rence de type Reed, excité par un bobinage est prévu airsi qutun aimant mobile dont le flux est suffisant pour empêcher le contact de revenir spontanément dans sa position initiale. lO.PerSectionnements selon les revendications 8et 9, caractérisé en ce que l'aimant est déplaçables de préférence à l'encontre de tsactien du ressort de rappel, et qu'un bouton à pression est prévu qui provoque le déplacement de aimant. 11. Perfectionnements sélon les revendications 1 à 10 prises dans leur ensemble, caractérisés par la combinaison de leurs caraetéristique.