Brevet FR2220906A1 — publié le 19741004

La coupure en charge des canalisations électrique se fait à l'aide de disjoncteurs actionnés par des moyens mécaniques, électromécaniques, électromagnétiques ou de fluides comprimés. En exploitation, le temps de réponse de tels moyens à un ordre de déclenchement a été suffisamment abaissé pour assurer la protection efficace des appareils et matériel de lignes. Par contre, la protection du personnel et des usagers contre un défaut présentant un danger d'électrocution exige un temps de ré ponse extrermement faille, de tordre d d'une demi-période de courant alternatif, que l'inertie des systèmes utilisés ne permet pas d'atteindre. La nécessité de cette protection est cependant imposée légalement depuis le décret du 11 Novembre 1962. Dans les dispositifs actuels de coupure, comme il n'est plus possible de réduire le facteur temps, on a cherché à augmenter la sensibilité des appareils interrupteurs pour limiter le plus possible l'intensité critique de défaut; on sait en effet que l'éner- gie Ec dissipée lors de l'apparition d'un défaut est donnée par la formule : Ec = Z I Z, impédance inconnue fonction de l'installation de la nature du défaut et du circuit de terre I intensité fixée par le réglage de l'appareil T est fonction de la conception de l'appareil. Mais l'accroissement de sensibilité augmente corollairement les risques de déclenchements intempestifs et la recherche d'un compromis ne permet pas de donner satisfaction réelle ni à la protection corporelle, ni à une exploitation exempte de perturbations d'origines anodines. Pour solutionner le problème ainsi posé, on a songé à faire intervenir des corps semi-conducteurs dont la vitesse de réponse à une excitation quelconque est, comme on sait, bien supérieure à celle de tcus les disjoncteurs connus; mais les propositions faites juscutici d'utiliser les composants semi-conducteurs pour contrôler électroniquement un courant ne sont aucunement d'une application générale. C'est ainsi que les commandes électroniques de regulation ont l'inconvénient de créer une distorsion de la forme d'onde du courant, tandis que lz commende par tout ou rien, qui permet la coupure totale, se limite aux charges purement résistives. La présente Invention permet pour la première fois l'utilisa- tion de certains semi-conducteurs dans la coupure en charge à très haute vitesse de réponse, c'est-à-dire inférieure à 10 ms, applicatie quelle que soit la complexité de la charge et sans créer aucune distorsion de la forme tonde du courant. Pour qu'un composant semi-conaucteur soit applicable à la cou- pure en charge en courant alternatif, il est nécessaire qutil puisse contrôler les deux alternances positive et négative d'un courant sinusoïdal; il est maintenant connu un composant appelé triac qui réponde à cette condition; deux thyristors montés têtebêche satisfont aussi à cette condition, mais comme ils constituent alors ltéquivalent d'un triac, on se contentera dans ce qui suit d'évoquer ce dernier composant. La présente invention se propose de dorner les moyens permettant la mise en oeuvre de la coopération des triacs avec les dis- joncteurs, de manière à assurer 12 coupure dans un temps de réponse inférieure à une demi-période pour tout courant mono ou polyphasé, et quelie que soit la nature de la charge, réactive inductive ou capacitive. Elle a pour objet une installation électronique pour la réduc- tion sans distorsion du temps de réponse des disjoncteurs automatiques lors de la coupure sur charges alimentées en courant mono ou polyphasé caractérisée en ce que par phase elle comporte essen tiellement deux circuit séparés soit - un bloc interrupteur électronique à triac, et - un bloc de commande avec information en haute fréquence assurant le passage, ou l'arrêt en cas de surintensité au disjonc- teur, des impulsions ne commande de la gachette du triac dans le bloc interrupteur électronique, celui-ci étant constitué de telle sorte quVil y ait concordance de chaque impulsion de réamorçage avec le passage à zéro d courant, la dite impulsion étant prise aux bornes d'ure résistance de faible valeur en série avec le triac dans le courant de puissance, la première impulsion ou Im- pulsion de démarrage étant prise sur la tension aux bornes du triac bloqué. Cette conception particulière de l'utilisation des triacs sera tien comprise après les quelques explications préliminaires ciaprès se référant aux diagrammes de la figure 1 du dessin ciannexé. Jusqu'à présent, le triac servait comme limiteur de courant (fig. la); en effet, la tension U du secteur étant représentée par une sinusoide régulière, on devait amorcer le triac à chaque demie-alternance, mais cet amorçage se faisait en un point quelconque de la sinusoïde, comme le montre le diagramme des impulsions de la gâchette G; le courant I distribué était ainsi entaché de distorsion. Par suite en faisant glisser en avant ou en arrière dans le temps l'impulsion de gâchette, on diminuait ou augmentait le courant efficace distribué à la charge. Afin d'utiliser à présent le triac comme interrupteur parfait, il faut-comme le montre les diagrammes lb, appliquer la tension de commande de gâchette à l'instant de chaque passage à zéro de la sinusoïde U. Si l'impulsion est supprimée lors d'un de ces passages, ily a instantanément coupure du-courant I lorsque cetui- ci stannule. Cependant dans le cas des charges complexes, le courant peut ne pas etre en phase avec la tension, en sorte que pour utiliser un triac comme interrupteur, les impulsions de commande de gâchet- te doivent entre émises lors des passages à zéro du courant et non plus de la tension (fig. lc). Par émission dTune impulsion de commande lors d'un passage à zéro du courant, il faut entendre exactement que cette impulsion de trouve " à cheval n sur ce passage. C'est ce dernier cas que se propose d'appliquer l'invention, en raison@de son utilisation générale. dolais pour cette application, il convient encore de tenir compte du fait qutau démarrage de l'alimentation d'une charge, le courant est nul et par suite la première information de commande de la gâchette doit être prise sur la tension qui apparaît aux bornes du triac bloqué; toutes les informations ou impulsions suivantes seront prises sur le courant pour maintenir l'amorçage du triac. Celui-ci se désamorcera et fonctionnera en interrupteur chaque fois que le train d'impulsions de commande de la gâchette sera supprimé; à chaque redémarrave,-la première impulsion sera prélevée aux bornes du triac bloqué. A noter que la durée de passage du courant après réception de la dernière impulsion de commande avant coupure est égale à une demie-période, soit 10 ms dans le cas du secteur 50 Hz; la durée d'une impulsion est de 1 mms. Le moue particulier de branchement d'un triac préconis6-par le Demandeur d'après les bases ci-eessus, ainsi que des exemples non limitatifs de réalisation 'une installation de coupure selon l'invention, vont maintenant être décrits ci-après en se référant au dessin ci-annexé. Sur ce dessin, la figure 2 est un schéma du branchement adopté pour un triac dans toute installation de coupure selon l'invention. La figure 3 est un schéma synoptique montrant un exemple de bloc interrupteur électronique à triac avec son bloc de commande à information haute fréquence sensibilisé à l'intensité traversant un disjoncteur. La figure 4 est un oscillogramme complet des tensions de sortie des différents éléments du bloc interrupteur électronique de la figure 3. La figure 5 est le schéma général simplifié d'une installation d'ensemble sur secteur triphasé. La figure 6 est le schéma de structure du bloc de sécurité commun aux trois phases de l'installation suivant la figure 5. La figure 7 est le schéma des liaisons du bloc de securité par lesquelles peuvent se produire des blocages de l'oscillateur de ce bloc. La figure 8 est le schéma du montage de contrôle simultané de plusieurs récepteurs par une installation d'ensemble selon l'invention. Dans le branchement selon la figure 2, le triac T est monté en série sur la charge P avec une résistance R de très faible valeur; la première impulsion de commande de la gâchette G au démarrage est prise sur la tension U entre l'anode A et la cathode K du triac bloqué; les impulsions suivantes chargées de maintenir l'amorçage du triac sont -fournies par la tension UR aux bornes de la résistance, donc par le courant absorbé par la charge P. En général la valeur de R sera telle que la chute de tension dans cette résistance ntexcède pas le dixième de volt. Comme représenté par la figure 3, le bloc interrupteur électronique est supposé constitué d1un circuit d'éléments 10 à 18 se refermant sur le triac T branché comme indiqué ci-dessus pour la figure 2; pour faciliter la représentation développée de ce bloc, on a figuré le triac aux deux extrémités du cIrcuit. L'élément 10 est un amplificateur qui donne à l'information incidente provenant du triac la dimension convenable; à sa sortie, un déphaseur 11 avance la phase de cette information d'un angle d'environ 5 , tandis qu'un adaptateur 12 permet de ne pas dégra- der l'information diphasée et de fournir une tension carrée en sortie, par saturation de l'amplificateur; cette information est inversée par l'élément 13 afin de pouvoir recueillir ensuite deux impulsions de même signe : les dérivateurs 14 et 15 placés respectivement aux sorties de 12 et de 13 délivrent en sortie des impul- sions brèves positives et ngatives, dont seules les positives sont triées et retenues par le mélangeur lo. a bascule monostable 17, placée après ce mélangeur, délivre alors un train d'impulsions rectangulaires, chacune de durée 100 d'angle et ainsi calée à cheval sur un passage à zéro du courant; un- amplificateur 18 donne finalement à ces impulsions la dimension convenable pour commander la gâchette du triac. ktoscal,ogramme de ia figure 4 image fort bien cette évolution successive des tensions ou impulsions V au fur et à mesure de leur progression à travers les éléments 10 à 17 du bloc interrupteur électronique. Comme on le voit au bas de cet oscillogramme, en comparant les impulsions V17 à la sinusoïde V10, qui n'est autre que celle du courant I, le jeu du déphaseur l1 et de la bascule 17 assure la position " à cheval " de chaque impulsion de commande de la gâchette sur un passage à zéro du courant. L'amplificateur 18 est asservi au bloc de commande formé des éléments 19 à 22, et suivant l'ordre reçu de ce bloc, il autorise ou arrête le passage de l'impulsion de commande jusqu'à la gâ- chette du triac. Ce bloc de commande est contrôlé par un système à haute fréquence comportant un oscillateur générateur d'une tension alternative de 10 KHZ; l'information HF parvient à l'entrée du récepteur 19 par l'intermédiaire, soit d'un transformateur à isolement approprié dans a transmission par phase, soit de tout moyen électronique effectuant une séparation de potentiel (photocoupleurs ou magnétorésistances).Le Demandeur donne la préférence à la transmission de la haute fréquence par transformateur convenablement isolé, parce que celui-ci est réversible; ii permet en effet une transmission d'information à partir du bloc interrupteur élec tronique, soit vers le bloc de commande, soit dans tout système polyphasé vers les autres blocs interrupteurs électroniques des autres phases du système dans des conditions qui apparaltront plus loin. @'oscillate@r, ainsi qu'on le verra également} n'émet que si le fonctionnement de l'installation est normal. Supposons donc aucune infcrmation haute fréquence parvienne au récepteur 19; cette haute fréquence est transformée par un détecteur 20 qui, après redressement, délivre une tension continue.Cette tension est transr--ise aux amplificateurs 21 et 22, et deux cas se présentent - Si le courant dans le triac ne dépasse pas la valeur de consigne (tension aux bornes de la résistance F), l'amplificateur 21 ne réagit pas, tandis que l'amplificateur 22, qui fonctionne en interrupteur, se ferme à l'arrivée de la tension continue issue de 20 et autorise ainsi le passage de l'impulsion de commande de l'amplificateur 18 vers la gâchette du triac. - Si au contraire le courant dans le triac dépasse la valeur de consigne, le disjoncteur 23 qui est relié à la cathode K du triac est en surintensité, l'amplificateur 21 est saturé par l'amplificateur 22 et court-circuite la commande HF; l'amplificateur 18 arrête l'impulsion de commande de la gâchette, le triac se désamorce à la fin de la demi-alternance en cours et le courant est coupé. Le court-circuit, comme on le verra, est transmis au primaire du transformateur HF, ce qui a pour effet d'éliminer la haute fréquence également sur les autres phases et de désamorcer les autres triacs. La coupure est complète. Pour redonner le courant, il faut une opération de réarmement qui est soit manuelle, soit automatique, par un dispositif à retard (cinq secondes par exemple) avec nouveau désamorçage du triac, si le défaut persiste. Il vient d'être exposé de façon détaillée le fonctionnement par phase d'une installation selon l'invention en laissant prévoir les liaisons qui existent entre phases; il va maintenant être décrit de façon plus complète la structure de l'installation con çue en polyphasé de manière à détailler les différentes liaisons qui assurent la sécurité en amont et en aval de l'installation, et comment ces liaisons seront établies selon que la charge con trôlée par l'installation comporte une ou plusieurs machines. On supposera que le secteur d'alimentation est triphasé, cas pratique fréquent. De façon très schématique, la figure 5 donne l'ensemble d'une installation sur un tel secteur. Sur chacune des phases Phl, Ph2, Ph3 on retrouve un bloc interrupteur électronique avec son bloc- de commande à information HF, et chacun a été réduit sur la figure à son élément électronique de base le triac, soit T1, T2 et T3.En aval sur ces trois phases et en amont de la charge P, est monté un tore 24 fonctionnant sur le principe du disjoncteur différentiel; cela signifie quten fonctionnement normal, la somme des trois courants passant dans les trois phases est nulle et le tore n'émet aucune information; si au contraire un défaut appa ralat sur l'une des phases, la somme des trois courants n'est plus nulle et le tore émet une information de défaut qui est captée et exploitée par les éléments du bloc de sécurité 25 chargé de provoquer le désamorçage des triacs et la coupure du courant. Tel est sous son aspect simplifié le fonctionnement général de l'instal- lation d'ensemble. On sait que le principe du disjoncteur différentiel est déjà utilisé dans de nombreux dispositifs électriques de sécurité où la disjonction est confiée à des contacts mécaniques et dont il convient de rappeler les deux défauts essentiels : a) le courant est coupé avec un temps de réponse non négligeable, la tension reste pendant ce temps appliquée sur la ligne, ce qui est au détriment de la sécurité des personnes pouvant y entre soumises. b) la coupure s'effectue en un point quelconque de la sinusof- de, ctest-à-dire qutelle peut steffectuer à un moment où la couo rant instanténé n'est pas nul.-I1 subsiste alors, dans le cas d'un moteur, de l'énergie réactive W dans les bobinages Wjoules = 1 L LI, 2 L étant l'inductance en Henrys des bobinages et I le courant instantané. A la coupure, il se produit une surtension de rupture : e = - 'a dl dt et toute l'énergie se trouve libérée avec dommages dans l'élément ou la personne responsable du défaut. Dans une installation selon l'invention, ces deux défauts dan gereux'sont supprimés, car : a) la durée de coupure est égale au temps restant à parcourir depuis la détection du défaut jusqu'à l'annulation totale du courant de charge; on a vu qu'il est au plus égal à une demipériode, donc inférieur à 10 ms pour le secteur 50 HZ b) l'interrupteur s'ouvre automatiquement alors que le courant est passé à zéro, c'est--à-dire qu'il n'y a plus à cet instant d'énergie disponible dans les bobinages de la charge. La figure 6 donne le schéma de structure du bloc de sécurité 25 commun aux trois phases de la figure 5. A la sortie du tore 24, un amplificateur 26 donne à l'information de défaut une dimension convenable; la bascule 27 qui suit, autorise ou interdit, à la manière d'un interrputeur le fonctionnement de ltoscillateur de commande 28, déjà mentionné précédemment. - il y a autorisation, si le tore n'émet aucune information. Le transformateur 29 assure, comme déjà vu, la transmission de la haute fréquence à chacun des récepteurs 19 (fig. 3-) de chacune des trois phases. - il y a interdiction, si une telle information se présente. C'est à cette bascule que peut être prévu le dispositif de réarmement signalé précédemment et indiqué par la référence 30 sur la figure 6. On peut donc grâce à cette bascule, après coupure du courant - soit le rétablir par intervention manuelle - soit le remettre automatiquement au bout d'un temps réglable à volonté de n secondes. Tant que le défaut subsiste, l'interrupteur électronique à triac, qui se ferme toutes les n secondes, se déclenche en un temps inférieur à 10 ms. La sécurité est mainte nue. Lorsqu'il y a autorisation, l'oscillateur 28 fournit une tension alternative de 10 KHZ, c'est-à-dire que l'oscillateur émet en fonctionnement normal de l'installation. En cas de défaut ou de panne, l'arrêt immédiat de ltoscillateur se traduit par lwou- verture du circuit de puissance, donc par la mise en sécurité de l'appareillage. L'utilisation d'une source HF de 10 KHZ se justifie par la rapidité de la réponse du bloc de sécurité : l'arrêt de ltoscil- lateur est pratiquement instantané. La constante de temps consécutive à la mise en sécurité est de l'ordre de grandeur de la åurée de la pcrioce HS, soit de 0,1 ms très inférieure à 10 ms, durée maximale du courant ae puissance après ouverture de l'interrupteur électronique. L'oscillateur 28 peut encore se bloquer de deux manières dues aux liaisons, internes au bic de sécurité et entre bloc de securité et blocs de commande des blocs Interrupteurs électroniques. La figure 7 donne le schéma de ces liaisons. 10) Blocage résultant ae la liaison entre la bascule 27 et l'oscillateur 28. La sortie de la bascule comporte un redresseur 33 et un transistor 34 connecté au disJoncteur X, en cas de défaut d'isolement capté par le bloc de sécurité, le transistor 34 se sature et interdit l'amorçage de tous les triacs. L'oscilla- teur 28 est donc bloqué. 20) Blocage résultant de la liaison de ltoscillateur 28 et du transformateur 29 avec l'entrée d'un bloc de commande d'interrupteur électronique, de l'une des phases Ph@ par exemple. L'inforration HF transmise par le secondaire du transformateur 29 pénètre dans le bloc de commande par un redresseur 31 suivi d'un transistor 32 relié au disJoncteur D; en cas de surintensité, le transistor 32 se sature et en retour, par suite comme on l'a vu de la réversibilité du transformateur 29, coupe et interdit l'amorçage de tous les triacs en bloquant l'oscillateur 28. Une installation selon l'invention, c'est-à-dire comprenant un bloc de sécurité avec (en triphasé) trois interrupteurs électroniques et leurs commandes respectives, doit être complétée lorsqu'il s'agit de contrôler individuellement plusieurs machines ou récepteurs. @'installation prend le nom de " Mère " et il est interposé entre la " Mère " et chaque récepteur un ensemble annexe chargé du contrôle propre de ce récepteur et appelé " Fille ". Un tel montage présente alors l'organisation générale schématisée par la figure 8, pour quatre récepteurs par exemple : les différents groups " filles n - récepteurs F1,91, F2R2, F3R3 R3 et F,R, sont montés en parallèle sous le contrôle de l'installation de sécurité Mère " M. Le principe de fonctionnement de ce montage est le suivant : Si un @éfaut apparaît sur un récepteur quelconque, la " Mère " déclenche et toutes les " filles " déclenchent; il n'y a plus de défaut car tcus les contacteurs sont hors service. La " Mère " réenc@enche soit automatiquement, soit manuellement; toutes les " fi@les " réenclenchent: - automatiquement pour les machines autonomies - manuellement pour les machine-outils sauf celle qui aurait contrôlé un défaut d'iso@ement, ce qui est signalé par un voyant. Les " Filles " peuvent être équipées de différentes manières connues pour @atisfaire à ce principe : c'est ainsi qu'au @éclen- chement, c'est-à-dire à la coupure sur le secteur alternatif, peut être mis en circuit automatiquement une source de courant continu (redressé) dont Le courant circule à travers lu masse du récepteur et une résistance; s'il y a un défaut d'isolement, le courant prend une valeur suffisante pour saturer un transistor qui alimente un relais s'opposant au réenclenchement sur secteur et provoquant l'allumage d'un voyant de defaut indiquant que le récepteur intéresse est en panne. PVEI'DI CATIONS 1 - Installation électronique pour la réduction sans distorsion du temps de réponse des disjoncteurs automatiques lors de la coupure sur charges alimentées en courant mono- ou polyphasé caractérisée en ce que par phase elle comporte essentiellement deux circuits séparés, soit - un bloc interrupteur électronique à triac, et - un bloc de commande avec information en haute fréquence assurant le passage, ou l'arrêt en cas de surintensité au disjoncteur, des impulsions de commande de la gâchette du triac dans le bloc interrupteur électronique, celui-ci étant constitué de telle sorte qu'il y ait concordance de chaque impulsion de réamiorçage avec le passage à zéro du courant, la dite impulsion étant prise aux bornes d'une résistance de faible valeur en série avec le triac dans le courant de puissance, la première impulsion ou impulsion de démarrage étant prise sur la tension aux bornes du triac bloqué. 2 - Installation électronique suivant la revendication 1 caractérisée en ce que la valeur de la résistance est telle que la chute de tension dans cette résistance n'excède pas le l/loè de volt. 3 - Installation suivant la revendication 1 caractérisée en ce que le bloc interrupteur électronique comporte notamment un déphaseur et une bascule monostable qui calent chaque impulsion de commande Qe la gazette au triac St à cheval " sur un passage à zéro du courant. 4 - Installation électronique suivant la revend-ication 3 caractérisée en ce que chaque impulsion de réamorçage traverse immé diatement avant la gâchette un amplificateur qui, selon qu'il re çoit ou ne reçoit pas de signal en provenance du bloc de commande, autorise ou arrête le passage de cette impulsion. .5 - Installation électronique suivant la revendication 1 caractérisée en ce que l'information HF est engendrée par un oscillateur et, par l'intermédiaire d'un transformateur à isolement approprié dans sa transmission par phase, est transmise à chaque phase. 5 - Installation électronique suivant la revendication 5 caractérisée en ce que ltosc-llateur ne -fontion0 qu'en l'absence de défaut sur chacune des phases. 7 - Installation électronique suivant les revendications 4 et 5 caractérisée en ce que dans chaque phase le disjoncteur est relié à la cathode du trica, et en cas de sur ntensité la commande HF est court-circuitée par un amplificateur dans 1 bloc de commande. 8 - Installation électronique pour distribution en polyphasé suivant les revendications 1 et 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un bloc de sécurité commun à toutes les phases, bloc comprenant l'oscillateur et le transformateur, chaque phase étant équi pSe Individuellement d'un bloc interrupteur électronique a triac avec son bloc de commande à information HF. 9 - Installation électronique suivant la revendication 8 ca caractérisée en ce que sur le secteur il est interposé, entre les équipements électroniques des phases et la charge, un dispositif émetteur d'un signai éventuel de défaut d'une phase quelconque, signal reçu et exploité par le bloc de sécurité'qui assure la coupure du courant par désamorçage des triacs. 10 - Installation électronique suivant la revendication 9 caractérisée en ce qu'en triphasé le dispositif émetteur de signal de défaut est un tore fonctionnant sur le principe du disjoncteur différentiel. 11 - Installation électronique suivant l'une des revendications 9 et 10 caractérisée en ce que le bloc de sécurité comporte, en amont de l'oscillateur, une bascule qui, sous le controle du dispositif émetteur de signal de défaut, autorise ou interdit le fonctionnement de l'oscillateur. 12 - Installation électronique suivant la revendication il ca caractérisée en ce que la bascule est munie d'un dispositif de réarmement manuel ou automatique avec temporisation des triacs. 13 - Installation suivant la revendication 11 caractérisée en ce que la bascule est connectée par transistor au disjoncteur de manière à bloquer l'oscillateur en cas de défaut d'isolement qui provoque la saturation du transistor. 14 - Installation électronique suivant la revendication 8 caractérisée en ce que l'information HF issue du transformateur pénètre amans le bloc de co-anue d'interrupteur électronique de chaque phase par un redresseur suivi d'un transistor, lequel est connecté au disjoncteur et se sature en cas de surintensité, ce qui provoque le blocage de l'oscillateur et le désamorçage de tous les triacs par le jeu de la réversibilité du transformateur. 15 - Installation électronique suivant les revendications 1, 8 et 9 caractérisée en ce qu'elle assure, à titre de " ibère " le contrôle de sécurité de plusieurs récepteurs en parallèle, chaque récepteur étant équipé d'un ensemble annexe de contrôle appelé " Fille ", tout défaut apparaissant en un point quelconque de l'installation provoquant le déclenchement de la " Mère " suivi de celui je toutes les " Filles ", le réenclenchement de chacune de celles-ci se faisant indépendamment de celui de la " Mère ". lo - Installation électronique suivant la revendication 15 ca caractérisée en ce qu'après déclenchement général, chaque " Filie provoque la circulation d'un courant continu à travers la masse de son récepteur et d'une résistance, couiant dont la valeur en cas d'un défaut d'isolement provoque par saturation d'un transistor le maintien au déclenchement de la " Fille " avec signalisa- tlon lumineuse.