Brevet FR2220105A1 — publié le 19740927

La présente invention concerne un déclencheur électronique à maximum de courant pour la protection de moteurs, lignes, etc., en liaison avec des appareils de puissance connus, tels que contacteurs ou disjoncteurs. Pour la protection de moteurs, lignes, installations, etc., les appareils de puissance connus - tels que contacteurs, disjoncteurs, disjoncteurs de protection de moteur, etc. - sont équipés de déclencheurs à maximum de courant ou fonctionnent au moins en liaison avec de tels déclencheurs. Tous ces dispositifs présentent une importante caractéristique commune : une action de déclenchement inversement proportionnelle au courant contrlé Certains dispositifs de ce type comprennent d'autres fonctions, tellesllue le déclenchement rapide sur court-circuit ou le déclenchement différentiel, qui se produit quand les différences d'intensité dans les diverses phases dépassent une valeur absolue donnée. Outre les solutions connues à bilame ou électromagnétiques, des solutions électroniques sont de plus en plus nombreuses depuis quelque temps. L'action de déclenchement est alors produite par des dispositifs électroniques à fonctionnement essentiellement analogique. C'est ainsi que l'action de déclenchement inversement proportionnelle au courant peut être obtenue par intégration du carré du courant avec réaction simultanée de la valeur intégrée sur un "amplificateur intégrateur". De telles solutions analogiques présentent toutefois une série d'inconvénients. Un des principaux problèmes est posé par la stabilité à long terme, qui exige un appareillage particulier. L'action temporelle impose en outre l'emploi de condensateurs et autres composants relativement grands et par suite motteux. Il a été impossible jusqu'd présent de produire de tels dispositifs à un prix les rendant compétitifs avec de petits déclencheurs à maximum de courant classiques. L'invention a polir objet un déclencheur électronique à maximum de courant du type précédemment décrit, fonctionnant de façon très précise et pouvant Autre produit sans l'appareillage décrit. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un circuit numérique est prévu et décide du déclenchement en présence d'un maximum de courant. Un circuit numérique permet une simulation numérique de l'action de déclencheurs à maximum de courant. Dans ce but, la structure logique du circuit numérique est réalisable par exemple en microcalculateurs, avec une unité de commande, quelques mémoires, une unité de calcul et un dispositif d'entrée-sortie.Le circuit numérique est par ailléurs réalisable sous forme d'un compteur qui simule la température de 1organe de protection contre le maximum de cou rant par un comptage proportionnel à l'intensité et un décomptage proportionnel à la température. Des circuits électroniques à intégration poussée, réalisés en technologie "MOS" ou "TTL" par exemple, sont utilisables comme composants pour ces montages. MOS signifie "logique métal-oxyde-semiconducteur" et TTL "logique transistor-transistor". Au lieu d'un circuit numérique spécial, il est enfin possible d'utiliser un circuit approprié d'un calculateur existant, de sorte que le déclencheur à maximum de courant est alors simplement constitué par les organes entrée et de sortie. Le principe de l'invention est le suivant. l'échauffement d'un déclencheur à maximum de courant usuel peut entre décrit dans le cas le plus simple par l'équation différentielle suivante T étant la constante de temps, e la température et Q la température finale w qui s'établit pour un courant prédéterminé, au bout d'un temps infini. En écrivant l'équation différentielle sous forme d'équation aux différences finies, on obtient après transformation Cette relation connue montre que la variation est proportionnelle à la différence-par rapport à la valeur limite à atteindre. Pour le calcul d'une nouvelle valeur de la température dans un calculateur numérique, la variation de température est ajoutée à la valeur ancienne.La valeur nouvelle de la température, rapportée à la valeur ancienne, est ainsi donnée par l'équation suivante o 8 Q (1 + bt) Q ancienne nouvelle T T'(x, w (1 - T Cette relation permet une simulation numérique parfaite de l'action dtun déclencheur à maximum de courant. Un choix approprié de l'incrément At permet, pour une constante de temps T donnée, de choisir la constante tt/T de. façon à ramener la multiplication nécessaire par la valeur instantanée de température à un simple décalage de rang. Avec At/T = 0,001 par exemple, le calcul de la valeur nouvelle de température s'effectue comme suit çnowelle = 0s001 . cote + + ancienne 0s001 - ancienne (4) L'ensemble des opérations nécessaires au calcul de la nouvelle valeur de température se ramène ainsi à un simple déclage de rang, une addition et une soustraction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente un organigramme; la figure 2 représente une configuration de calculateur; la figure 3 représente le montage selon l'invention en liaison avec un appareil de commutation et la figure 4 représente une configuration de compteur. L'organigramme de la figure 1 décrit un cycle de calcul complet. La valeur instantanée-du courant, délivrée par le convertisseur analogique-numérique 1, est transmise sous forme numérique au registre d'entrée 2 du courant La température limite est admise proportionnelle à la valeur du courant dans le cas le plus simple; il est alors possible d'effectuer directement la phase de calcul selon la formule (3). On contrôle ensuite en 3 si la nouvelle température dépasse la température de déclenchément; dans la négative, un nouveau cycle de calcul est déclenché par le retour au registre d'entrée 2; dans l'affirmative, l'émetteur 4 délivre une instruction de déclenchement, puis le programme revient au registre d'entrée 2 du courant.Par hypothèse, l'instruction de déclenchement produit la coupure du courant et par suite la transmission de la valeur O du convertisseur analogique-numérique au registre entrée. L'organigramme décrit simule alors parfaitement aussi le refroi pissement. La figure 2 représente une configuration possible de calculateur pour l'application considérée. A l'aide d'une horloge 11, pouvant etre constituée par la fréquence du réseau dans le cas le plus simple, l'opérateur 13 transmet cycliquement les diverses phases du calcul d'une mémoire programme 12 amont aux autres éléments de l'unité. La partie centrale de cette dernière est constituée par un additionneur 14 avec un accumulateur I5 et deux autres registres 16, 17 pour la mémorisation de la température instantanée et du courant instantané, un complémenteur 18 effectuant la soustraction precédem- ment décrite et un comparateur 19, qui compare la valeur instantanée de la température à la température de déclenchement se trouvant dans la mémoire 20, puis active la mémoire 21 d'instruction de déclenchement en cas de dépassement de la température de déclenchement. Le déroulement du programme est le suivant dans un tel calculateur. Phase 1 Le contenu de l'accumulateur 15 est transmis à la mémoire T 16 (cette valeur est nulle à l'origine). Le complémenteur 18 est relié directement à la mémoire T et forme continûment le complément de la température. Phase 2 Le complement de T est additionné, avec decalage de rang, à la valeur de T se trouvant dans l'accumulateur. La valeur 0,999.T est ainsi disponible dans ce dernier (dans le cas de exemple numérique précité). Phase 3 Le contenu du registre d'entrée du courant 17 est additionné, avec décalage de rang, au contenu de l'accumulateur 15, par l'additionneur 14. Le registre d'entrée est bloqué avant cette addition, de sorte que d'éventuelles variations de la valeur instantanée du courant ne peuvent pas réagir pendant l'opération de calcul. L'accumulateur 15 contient la nouvelle valeur de tem pérature à la fin de cette phase. Phase 4 Le comparateur 19 compare la nouvelle valeur de temperature, se trouvant dans ltaccumulateur 15, à la température de déclenchement se trouvant dans la mémoire 20 correspondante. En cas de dépassement de la température de déclenchement, la mémoire 21 d'instruction de déclenchement est positionnée simultanément sur "déclenchement" (1 logique par exemple). Le cycle de calcul complet est ainsi terminé; il ne comporte donc que quatre phases au total. Le programme revient ensuite à la phase 1. Une série d'autres dispositifs permet de compléter le cas échéant ce programme ou cette configuration. I1 est ainsi possible par exemple, dans le cas de montages erlpha8*6, d'utiliser trois mémoires T et trois registres d'entrée du courant, avec traitement successif par l'unité de calcul unique. On voit facilement qu'il est possible aussi de former la différence des diverses valeurs de T pour obtenir un déelenchement différentiel dépendant. Un déclenchement sur court-circuit peut en outre etre obtenu par comparaison de la valeur instantanée du courant avec une autre intensité limite de déclenchement sur court-circuit. L'emploi d'un simple compteur cyclique permet un déclenchement échelonné dans le temps. Il est ainsi possible d'ajuster un temps de déclenchement quelconque par incréments At. La figure 3 représente le montage complet du déclencheur numérique à maximum de courant en liaison avec un appareil de puissance, un contacteur par exemple. Le circuit principal attaque, au moyen d'un transformateur de courant 22 approprié, le convertisseur analogique-numérique 23 qui agit sur le registre d'entrée du circuit numérique 24. Le registre de l'instruction de déclenchement de ce circuit numérique 24 agit sur l'amplificateur 25, dont le contact de déclenchement 26 interrompt le circuit de la bobine 27 d'un contctcur. Ce dernier coupe le circuit principal par son contaet principal 28 en cas de déclenchement. L'entrée de la valeur du courant de déclenchement est indiquée par E sur le circuit numérique et le rappel après déclenchement par R. La réalisation du circuit numérique décrit se fait de préférence par l'intégration à grande échelle de circuits MOS. L'ensemble de l'appareil lage du circuit numérique se loge facilement sur une seule pastille. Le convertisseur analogique-numérique peut aussi être réalisé le cas échéant en technologie MOS. Pour l'amplificateur 25 > on applique de préférence une technologie discrète, car les faibles niveaux de puissance de la technologie MOS ne permettent pas une réalisation facile des puissances nécessaires. La mise en oeuvre de l'invention est toutefois possible par principe d'une autre façon. Les grandes installations de commande comportent déjà souvent des calculateurs industriels, pouvant assumer sans difficulté le cycle logique précédemment décrit. L'appareil de déclenchement est simplement constitué dans ce cas par le transformateur de courant le convertisseur analogiquenumérique l'amplificateur de sortie et des interfaces appropriées entre ces derniers et le calculateur. La fonction désirée du circuit numérique décrit ne doit pas nécessairement titre réalisée de la façon précédemment décrite; d'autres solutions sont en effet concevables. C'est ainsi que la température de la bilame peut Stre simulée par un compteur. Un diviseur de fréquence délivre > à partir de la fréquence dthorloge, une série de fréquences. partielles servant au comptage de la température en fonction de l'intensité du courant. Le refroidissement simultané est produit par un décomptage. Ce dernier steffectue à une fréquence d'autant plus élevée que l'indication du compteur est plus proche de la valeur de déclenchement prédéterminée.Ce procédé exige un échelonnement relativement grossier de la caractéristique de déclenchement, mais peut être moins coûteux que la solution à calculateur précédemment décrite pour des applications simples. La figure 4 représente la configuration d'un circuit numérique sous forme de compteur. Un convertisseur analogiquenumérique 31 signale à l'opérateur la valeur du courant, par paliers rela tiercent grossiers. L'horloge délivre une fréquence, constituée par la fréquence du réseau par exemple, au diviseur à la sortie duquel de nombreuses fréquences partielles sont disponibles. Parmi ces fréquences, l'opté rateur 32 sélecte en fonction de l'intensité du courant une fréquence prcduisant le comptage du compteur 33.Le comptage peut avantageusement êtrt produit par le flanc croissant de l'impulsion d'horloge. L'indication du compteur est également signalée à l'opérateur qui, à l'aide du diviseur de fréquence 34 et du générateur d'horloge 35, forme ainsi des impulsions de décomptage, en utilisant de préférence le flanc décroissant. Il est ainsi possible de commander le compteur de façon que son indication représente la tempérture. L'indication du compteur ne varie pas à l'équilibre c'est-à-dire que chaque impulsion de comptage est immédiatement suivie d'une impulsion de décomptage. Le déclenchement est signalé quand l'indication prédéterminée du compteur est atteinte. Ce dispositif est également réalisable avec des circuits intégrés. Des circuits TTL du commerce sont utilisables et permettent ainsi le cas échéant une solution très économique. Un déclencheur électronique à maximum de courant du type décrit est réalisable en diverses variantes. C'est ainsi que le déclencheur peut être monophasé ou triphasé. Un déclenchement différentiel peut être prévu pour le modèle triphasé. Un déclenchement rapide sur court-circuit, à retard variable, peut en outre être prévu tant pour le modèle monophasé que pour le modèle triphasé. Bien entendues diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Déclencheur électronique à maximum de courant pour la protection de moteurs, lignes, installations, etc. en liaison avec des appareils de puissance connus, tels que contacteurs, disjoncteurs ou disjoncteurs de protection de moiteurs, ledit déclencheur étant caractérisé par un circuit numérique qui prend une décision de déclenchement dans le cas surintensité. 2. Déclencheur électronique à maximum de courant selon revendication 1, caractérisé en ce que la structure logique du circuit numérique est réalisée sous forme de microcalculateurs, c'est-à-dire comprend une unité de commande, quelques mémoires, une unité de calcul et des organes d'entrée et de sortie. 3. Déclencheur électronique à maximum de courant selon revendication 1, caractérisé en ce que le circuit numérique est réalisé sous forme d'un compteur qui simule la température de l'organe de protection contre les surintensités par un comptage proportionnel à l'intensité du- courant et un décomptage proportionnel à la température. 4. Déclencheur électronique à maximum de courant selon revendications I et 2 ou 3, c-sractérisé par l'emploi comme composants de circuits électroniques à intégration poussée, en technologie MOS ou TTL par exemple. 5. Déclencheur électronique à maximum de courant selon revendications I et 2, caractérisé par l'emploi des circuits correspondants d'un calcu lateur existant au lieu d'un circuit numérique spécial, de sorte que le déclencheur à maximum de courant est constitué uniquement par les organes d'entrée et de sortie.