Brevet FR2227664A1 — publié le 19741122

La présente invention concerne d'une façon générale la protection de charges électriques de toute nature telles que générateurs, moteurs, freins électriques, etc. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif pour la protection collective de plusieurs charges électriques permettant de surveiller l'élévation de température de ces charges due par exemple à un fonctionnement intermittant trop intensif et, le cas échéant, de déclencher un signal d'alarme ou de couper l'alimentation des charges. A l'heure actuelle, on saint, par le montage judicieux de fusibles, relais thermiques ou magnétiques et autres moyens analogues, protéger individuellement des charges électriques, en particulier des moteurs électriques, qui peuvent ainsi être surveillés quant àZleur intensité de démarrage, à leur échauffement en fonctionnement permanent ou intermittent et à d'autres paramètres analogues. Bien qu'une telle protection puisse être satisfaisante lorsqu'il s'agit de charges individuelles munies chacune de son propre dispositif de protection, il n'en est pas de même dans le cas où des charges ont un fonctionnement interdépendant, de telle façon que le comportement de l'une des charges influe sur celui des autres et vice-versa. On est alors amené, au prix d'une complexité considérable des dispositifs de protection, à assurer l'interdépendance de ceux-ci, complexité qui est due au fait que les dispositifs classiques de sécurité ne peuvent être aisément utilisés dans-ce but. L'invention vise à fournir un dispositif de protection de plusieurs charges électriques interdépendantes qui est dlune conception très simple et qui ne met en jeu qu'un matériel courant pouvant être assemblé à un prix de revient relativement réduit. Elle a donc pour objet un dispositif de protection de plusieurs charges électriques interdépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sondes thermiques associées respectivement à un ou à plusieurs conducteurs électriques aboutissant auxdites charges et destinées à fournir chacune un signal électrique représentant l'échauffement du ou des conducteurs associés et ainsi celui de la charge correspondante, au moins un circuit de comparaison dans lequel sont insérées une ou plusieurs sondes et qui est destiné,en fonction de conditions de comparaison prédéterminées, à fournir un signal de comparaison lorsque lesdites conditions sont insatisfaites, et au moins un circuit d'exploitation connecté audit circuit de comparaison pour fournir un signale sortie à l'apparition dudit signal de comparaison. grâce à ces caractéristiques, on obtient un dispositif de protection simple et efficace, en particulier en raison du fait que les sondes thermiques peuvent être associées aux conducteurs menant aux charges électriques, dans l'armoire habituelle contenant les divers disjoncteurs, fusibles et autres appareils de commande classique. 9n évite ainsi l'utilisation des conducteurs de mesure classiques devant, pour déceler l'échauffement des charges, relier celles*-ei à ladite armoire, en particulier lorsque les sondes sont incorporées dans ces charges elles-memes. I1 est à noter que le terme charge" doit être pris dans son acception la plus large et qu'il peut donc englober aussi bien des moteurs électriques que des générateurs, alternateurs, freins électriques et autres appareillages électriques analogues. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple: - la Fig. 1 montre un schéma très simplifié d'un dispositif de protection thermique de deux charges interdépendantes, en 1' occur- rence des moteurs électriques; - les Fig. 2, 3 et 4 sont des schémas également très simplifiés d'autres modes de réalisation de l'invention; - les Fig. 5A à 5G montrent plusieurs variantes possibles de l'emplacement et du mode de fixation de capteurs ou sondes thermiques utilisés dans le dispositif de protection suivant l'invention; - la Fig. 6 montre une vue en plan schématique d'un pont roulant et ses organes d'entranement qui sont protégés par un dispositif suivant l'invention; - la Fig. 7 montre l'agencement, sous forme de schéma, d'une armoire pour l'alimentation électrique du pont de la Fig. 6, avec le dispositif suivant l'invention;; - la Fig. 8 est un schéma logique plus détaillé du dispositif de protection des Fig. 6 et 7. I1 est fréquent qu'un défaut de fonctionnement d'une charge électrique se traduit par un échauffement excessif de ce dernier. Cela est également le cas lorsque la charge est utilisée volontairement ou non en dehors de ses spécifications de fabrication indiquant par exemple les limites de surcharge, l'intensité maximale pouvant être supportée, etc. En règle générale, il apparait que tout effort anormal demandée à une charge électrique et risquant de la détériorer, entraîne une augmentation de l'intensité du courant demandée ou fournie. Ce courant traverse naturellement les conducteurs d'alimentation et/ou de sortie de la charge électrique aboutissant à celle-ci. Lorsque deux charges sont interdépendantes, on peut leur- assi- gner dès la fabrication des régimes de fonctionnement bien determinés devant répondre à certaines conditions qui seront alors par définition également interdépendantes. Il en est ainsi notamment, par exemple, pour deux moteurs d'entraînement d'un véhicule quelconque, les moteurs entraînant par exemple deux essieux de ce véhicule. Le principe de conception du dispositif de protection de l'in- vention est basé sur une mesure thermique de l'échauffement d'un ou de plusieurs conducteurs d'alimentation et/ou de sortie de deux charges et sur l'établissement à partir de cette mesure, d'une comparaison, par exemple par une opération logique. Le résultat de cette comparaison, qui doit répondre à des conditions prédéterminées, est ensuite-exploité pour, le cas échéant, déclencher une alarme, couper l'alimentation des charges ou pour effectuer une autre opération analogue. La Fig. 1 représente un cas pratique très simplifié d'un dispositif de protection fonctionnant selon le principe que l'on vient d'énoncer. Dans ce cas particulier, on a représenté deux moteurs électriques M1 et M2 qui sont par exemple montés sur un véhicule quelconque pour en entraîner deux essieux, de telle sorte que leurs fonctionnements sont interdépendants. Les moteurs sont alimentés en parallèles par exemple à partir d'une source triphasée R,S,T, à travers des câbles d'alimentation Cl et C2, tous les accessoires tels que les disjoncteurs, fusibles, etc. étant volontairement omis pour plus de clarté. Les câbles Cl et C2 sont traversés par les courants triphasés d'alimentation des moteurs et, de ce fait, ils sont portés à une certaine température de fonctionnement normal correspondant à des courants d'intensités admises par les spécifications du constructeur des moteurs et dépendant des couples que chaque moteur doit fournir. La température est détectée par des sondes thermiques 1 et 2, ayant la fonction de capteur et placées par rapport aux câbles d'alimentation respectifs Cl et C2, de maniere à en détecter la température. On verra plus loin à propos des Fig. SA à 5G comment une telle sonde peut être agencée par rapport à son câble associé. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les sondes 1 et 2 sont réalisées de préférence à l'aide de thermistances à coefficient de température positif ou négatif, mais il est bien entendu que d'autres sondes telles que des thermocoies peuvent être utilisées. Les sondes 1 et 2 sont raccordées à une source d'alimentation auxiliaire (borne 3) au moyen d'une résistance de réglage 4 qui établit un seuil admissible d'échauffement des câbles Cl et C2 et, partant, des moteurs Ml et M2. Elles sont reliées également aux entrées respectives 5a et 5b d'un circuit logique OU ou porte OU 5, dont la sortie 5c est connectée à -un circuit d'exploitation 6, tel qu'un circuit d'alarme, un circuit de coupure de l'alimentation des moteurs Ml et M2 ou autre. Si l'une des thermistances s'échauffe plus que l'autre et si l'écart de température devient trop élevé (établi par la résistance réglable 4) la porte OU se déclenche et commande le fonctionnement du circuit d'utilisation 6. On obtient ainsi un montage de protection extrêmement simple et très efficace contre des surcharges de l'un des moteurs par rapport à l'autre. Ce montage est surtout avantageux en raison du fait que l'ensemble du dispositif de surveillance peut entre logé dans l'armoire de commande des moteurs, ce qui n'est pas le cas actuellement des dispositifs de protection thermique utilisant des capteurs thermiques enrobés dans les bobinages des moteurs. La Fig. 2 montre une variante du dispositif dans laquelle deux thermistances 7 et 8 sont raccordées, d'une part, à une source auxiliaire 9 par 11 intermédiaire d'une résistance réglable IO et, d'autre part, aux entrées respectives lla et llb d'un circuit logique ET ou porte ET il dont la sortie llc est raccordée à un circuit d'exploitation I2. La résistance réglable 10 sert de nouveau à déterminer un seuil de fonctionnement des charges associées aux sondes 7 et 8, ces charges n'étant pas représentées sur la Fig. 2. Dans ce cas, on obtient une alarme ou autre action de protection analogue, lorsque les deux thermistances sont ensemble portée; à une température située au-delà du seuil fixé par la résistance IO, ce qui déclenche la porte ET Il. La Fig. 3 montre une autre variante d'après laquelle on voit que l'on peut surveiller plus que deux charges en prévoyant plus de deux thermistances. Ainsi, trois thermistances I3, IA et I5 sont intercalées en parallèle dans le circuit de polarisation de la base d'un transistor I6, l'ensemble de ces thermistances étant connecté en série avec une résistance réglable I7 de fixation de seuil supérieur et une résistance réglable I8 de fixation de seuil inférieur . Le circuit émetteur-collecteur du transistor I6 comporte des résistances 19 et 20 de charge et d'émetteur habituelles, le montage étant alimenté à partir d'une source auxiliaire 21.Le signal apparaissant sur le collecteur du transistor I6 peut être appliqué à un circuit d'utilisation 22. Dans ce cas, on obtient l'excitation de ce dernier circuit par le franchissement tant d'un seuil supérieur de température que d'un seuil inférieur de température. Les thermistances 23 et 24 de la variante de la Fig. 4 sont raccordées en opposition dans un pont de Wheatstone 25 qui comprend également deux résistances réglables 26 et 27. Le pont 25 est alimenté sur l'une de ses diagonales par une source de tension 28, tandis que le déséquilibre éventuel V apparaît sur son autre diagonale . Ce déséquilibre, qui qui produit lorsque l'une des thermis- tances s'échauffe davantage que l'autre (sa charge associée étant à une température supérieure à celle de 11 autre charge), est appliqué à un circuit d'exploitation 29. L'avantage de cette variante consiste en ce que l'on peut alimenter le pont aussi bien en courant continu qu'en courant alternatif, ce qui permet, dans le dernier cas, une amplification commode pour rendre l'exploitation du signal plus facile. Il est à noter que les thermistances ou les sondes d'une autre nature sont agencées de telle manière qu'elles détectent la température des conducteurs ou câbles aboutissant aux charges à surveiller. Les Fig. 5A à 5G montrent plusieurs possibilités pour agencer les sondes de température. Ainsi, la sonde 30 de la Fig. 5A est simplement disposée au voisinage d'un câble unifilaire 31. La Fig. 53 montre une sonde 32 adhérant à l'isolation d'un câble unifilaire 33, par exemple par collage ou un autre procédé approprié. La sonde 34 de la Fig. 5C est disposée dans une alvéole 35 ménagée dans l'isolation 36 d'un câble 37, l'alvéole étant ensuite remplie avec une substance appropriée telle qu'un masti par exemple. Sur la Fig. 5D, on voit qu'une sonde 38 est serrée dans un collier 39 entourant un câble 40, tandis que la Fig. 5E montre qu'une sonde 41 peut être disposée, de façon isolante, à l'intérieur de l'âme 42 d'un câble 43. La Fig. 5F montre le cas d'un câble triphasé 48 dans lequel est enrobé une sonde thermique 45 de la même façon que dans le cas de la Fig. 5C. Cette sonde détecte donc la résultante de l'échauf- fement dû au courant triphasé s'écoulant dans les trois conducteurs du câble. Enfin, la Fig. 5G montre que la sonde 46 peut être incorporée dans un bâtonnet 47 électriquement isolant ou non, qui est entouré par le câble 48 dont il s'agit de surveiller la température. Il est évident que les montages décrits à propos des Fig. 1 à 4 peuvent être combinés selon des configurations adaptées au type de protection souhaité. Un exemple, d'une telle configuration, sera maintenant décrit en se référant aux Fig. 6 à 8. Pour bien saisir l'agencement et le fonctionnement du dispositif de protection envisagé ici, il convient de se reporter d'abord à la Fig. 6. Celle-ci représente une vue très schématique en plan d'un pont roulant P pouvant se déplacer en translation sur deux rails parallèles Rl et R2 de façon bien connue. Le pont roulant P est entraîné par quatre groupes moteurs Ga à Gd. Chaque groupe comprend un moteur à grande vitesse (Ma à Md), un moteur à petite vitesse (Na à Nd) et un frein (Fa à Fd). Pour un pont roulant de ce type, le problème de la surveillance thermique des moteurs est particulièrement difficile à résoudre si l'on s > en tient aux dispositifs classiques de protection contre les surcharges, en particulier en raison du fait que les quatre groupes moteurs sont interdépendants. En effet, en fonction de la position de la charge du pont qui peut être située sur toute la largeur du pont (point PC sur la Fig. 6), se seront tantôt les groupes Ga et Gb, tantôt les groupes GC et Gd qui auront un effort plus important à fournir par rapport aux groupes opposés.Par ailleurs, en fonction du sens d'avancement du pont, on peut imposer des conditions de démarrage particulières en accouplant électriquement soit les groupes Ga et Gc, soit les groupes Gb et Cd. L'effort principal à fournir est alors attribué aux groupes se trouvant "à l'avant", compte tenu du sens de la mar chue; L'invention permet de déceler de façon simple et commode prati quement n'importe quel défaut de fonctionnement, y compris les échauffements excessifs lents qui sont le plus souvent les plus dangereux et les plus difficiles à détecter. Sur la Fig. 7, on retrouve les moteurs Ma à Md et Na à Nd ainsi que les freins Fa à Fd. Ces organes sont tous raccordés à une armoire d'alimentation AA indiquée en traits mixtes.Pour plus de clarté, seules les lignes d'alimentation des moteurs ont été détaillées sur la Fig. 7, alors que les lignes d'alimentation de freins ont été symbolisées par de simples traits. Dans ce dispositif de protection, on trouve un certain nombre de sondes de température qui sont réparties de la façon suivante: Sl - phase u du moteur Na S2 - phase u du moteur Nb S3 - phase u de l'ensemble des moteurs S4 - phase v n t s5 - phase w " " " s6 - phase w du moteur Ma S7 - phase w du moteur Mb S8 - température générale à l'intérieur de l'armoire AA S9 - température ambiante SIO - câble triphasé d'alimentation de l'ensemble des moteurs Sll - phase w du moteur Nc S12 - phase w du moteur Nd S13 - phase v du moteur Mc S14 - phase v du moteur Md S15 - phase u du moteur Mb 516 - phase u du moteur Mc SI7, SI8, S19 et S20 - câbles d'alimentation respectifs des freins Fa à Fd. Toutes ces sondes sont reliées à un bloc BL qui contient des circuits logiques et des circuits d'exploitation qui sont représentés plus en détail sur la Fig. 8. Sur cette Fig. 8, on voit que les sondes Sl à S20 sont connectées dans une série de ponts de Wheatstone Pl à P9 d'une façon analogue à celle déjà décrite à propos de la Fig. 4. Chaque pont est connecté par l'une de ses diagonales à une source d'alimentation classique (non représentée), tandis que les digonales opposés des ponts sont reliées à des amplificateurs opérationnels Al à A9. Ces derniers établissent des tensions de déséquilibre amplifiées a Vl à V9, lorsque l'équilibre du pont correspondant est rompu. Chaque pont comprend une ou plusieurs résistances de réglage Rl à RI6 qui fixent son point d'équilibre, ou autrement dit les conditions limites de température auxquelles les diverses sondes doivent satisfaire. Ainsi, on fixe également les conditions de fonctionnement thermique auxquelles les organes du pont roulant P doivent satisfaire. Les diverses sondes sont insérées dans les ponts de comparaison Pl à P9 de la façon suivante Pont Sonde Tension de Comparaison effectuée déséquilibre Fl S1,S2 A Vl Ecart entre moteurs Na et Nb P2 S3,S4,S5 n V2 Défaut de répartition du courant triphasé du câble principal P3 S6,S7 # V3 Ecart entre moteurs Ma et Mb P4 S8,S9,S10 a v4 Ecart entre les températures de l'armoire, de l'air ambiant et du câble principal P5 Sll,SI2 V5 Ecart entre moteurs Nc et d P6 S13,S14 LE v6 Ecart entre moteurs Mc et Md P7 SI5,SI6 A V7 Ecart entre moteurs Mb et Mc P8 SI7,SI8 # v8 Ecart entre freins Fa et Fb P9 SI9,S20 # V9 Ecart entre freins Fc et Fd La sonde SIO est utilisée pour établir une comparaison avec la température ambiante et la température de l'intérieur de l'armoire AA.Elle est également utilisée pour fixer une condition de fonctionnement absolue concernant la température maximale permise du câble principal d'alimentation. A cet effet, cette sonde SIO est insérée dans le pont P4, mais elle est également reliée individuellement à un amplificateur opérationnel A IO. Chacun des amplificateurs Al à ATO est connecté par une deuxième entrée à une résistance réglable de seuil RS qui en fixe le seuil de déclenchement. Ces résistances sont connectées à une source de référence (non représentée). Le montage logique utilisé est le suivant. Les sorties des amplificateurs Al et A3 sont reliées à un circuit OU, CLl dont la sortie est reliée à une entrée d'un circuit OU, CL2. Les sorties des amplificateurs A5 et A6 sont connectées à un circuit OU, CL3 dont la sortie est reliée à l'autre entrée du circuit CL2. Ce dernier a sa sortie connectée à un premier circuit d'alarme CAl. L'amplificateur A2 est connecté par sa sortie à un circuit de coupure CC commandant le disjoncteur principal DI de l'installation (Fig. 7). Ce circuit de coupure comporte une porte OU, CL4 recevant sur son autre entrée un signal provenant d"ne porte OU,CL5. Le première entrée de la porte CL5 est reliée à la sortie d'une porte ET, CL6. L'amplificateur A4 est relié à une première des entrées de cette porte CL6, tandis que son autre entrée est connectée à la sortie d'une porte ET CL7. Cette dernière reçoit sur ces entrées les signaux provenant respectivement des amplificateurs A6 et A7. La sortie du circuit CL7 est en outre connectée à un deuxième circuit d'alarme CA2 La deuxième entrée de la porte CL5 est connectée à la sortie de l'amplificateur AlO. Les amplificateurs A8 et A9 sont reliés aulx entrées respectives d'une porte OU CL8 qui est connectée à un troisième circuit d'alarme et de visualisation cn3. Le terme "circuit d'alarme" désigne un circuit pouvant provoquer la commande d'une alarme quelconque sonore, lumineuse et autre. Pour illustrer le fonctionnement de ce dispositif de protection, on décrira maintenant quelques cas de dérangement pouvant se produire, les autres cas pouvant être déduits facilement des Figures et de la description y afférant. Premier cas - Le moteur Nc consomme plus de courant que le moteur Nd. - Les sondes S11 et S12 ne fournissent plus les mêmes signaux. - Le pont P5 se déséquilibre. - Si la valeur du déséquilibre dépasse un certain seuil fixé par la résistance RS de l'amplificateur A5, le circuit d'alarme CAl est déclenché à travers les portes CL2 et CL3. Deuxième cas - La température à l'intérieur de l'armoire AA dépasse nettement la température ambiante. - La sonde S8 devient beaucoup plus chaude que la sonde S9. - Le pont P4 se déséquilibre en tenant compte de la température du câble principal (sonde Solo). - Si la somme des déséquilibres des ponts concernés dépasse un certain seuil fixé par la résistance RS de l'amplificateur opéra rationnel A2, le disjoncteur DI est coupé par l'intermédiaire du circuit de coupure CC. Troisième cas - La température du câble d'alimentation principal dépasse une certaine valeur fixée d'avance (Sonde SIX). - La sonde S10 agit directement à travers l'amplificateur opérationnel AlO et la porte CL5, pour provoquer la coupure du disjoncteur DI. Quatrième cas - Un des freins Fa à Fd reste serré. - Le pont correspondant P8 ou P9 se déséquilibre et à travers la porte CL8 une alarme est déclenchée avec visualisation d'un signal "Frein défectueux",par exemple. n'après la description détaillée donnée ci-dessus, on voit que l'invention fournit un dispositif de protection à usage très commode et adaptable à de nombreuses installations électriques. On peut en effet aisément modifier la configuration des circuits de comparaison, augmenter ou diminuer le nombre de sondes thermiques soumises à une même comparaison, modifier le seuil de déclenchement des signaux de comparaison, etc. REVEND ICAT IONS 1. Dispositif de protection de plusieurs charges électriques interdépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sondes thermiques (1, 2)- associées respectivement à un ou à plusieurs conducteurs électriques tCl, C2) aboutissant auxdites charges (Ml, M2) et destinées-à fournir chacune un signal électrique représentant l'échauffement du ou des conducteurs associés et ainsi celui de la charge correspondante, au moins un circuit de comparaison (5) dans lequel sont insérées une ou plusieurs sondes (1, 2) et qui est destiné, en fonction de conditions de comparaison prédéterminées (4), à fournir un signal de comparaison lorsque lesdites conditions sont insatisfaites, et au moins un circuit d'exploitation (6) connecté audit circuit de comparaison (5) pour fournir un signal de sortie à l'apparition dudit signal de comparaison. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de comparaison est un circuit logique comportant au moins une porte OU (5) et/ou une porte ET (11). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit circuit de comparaison comporte au moins un pont de Wheatstone (25). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite comparaison est effectuée en tenant compte des signaux fournis par lesdites sondes. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite comparaison est effectuée en tenant compte d'un signal à seuil réglable. 6. Dispositif selon l'une quelconque des-revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit circuit de comparaison comporte au moins un transistor (16) dont la polarisation de base est influencée par au moins une desdites sondes (13, 14 et 15). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque sonde {30, 32, 35, 38, 41, 45) est associée au cible correspondant (31, 33, 37, 40, 43, 44), soit en étant disposée au voisinage du câble, soit en étant accolée à celui-ci, soit encore en étant enrobée dans son isolement. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite sonde (46) est enrobée dans un bâtonnet (47) autour duquel est enroulé un tronçon dudit câble -(48). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit circuit de comparaison comprend également d'autres sondes thermiques (S8, Sg) pour effectuer des comparaisons avec des paramètres autres que ceux affectant directement lesdites charales, tels que la température ambiante ou la température de l'armoire (AA) dans laquelle il est logé. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que ledit circuit de comparaison comporte une série de ponts de Wheatstone (P1 à Pg) dont les signaux de sortie sont appliqués respectivement à des amplificateurs opérationnels (A1 à Ag) reliés à un montage de circuits logiques (CL1 à CL8) destiné à établir lesdites conditions. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit d'exploitation comprend un circuit d'alarme (CA1 à CA3) permettant de déclencher un signal visuel ou sonore et/ou un circuit de coupure (CC) pour couper au moins une des charges de son câble associé.