Brevet FR2212668A1 — publié le 19740726

L'objet de la présente invention est un dispositif de couplage destiné à la surveillance de l'échauffement des éléments d'un réseau parcourus par un courant électrique et qui doivent être protégés, notamment de conducteurs et de câbles, ce dispositif convertissant le courant en une tension proportionnelle et comportant un condensateur en aval duquel est monté un étage à valeur de seuil. Sléchalffement d'un conducteur parcouru par un courant I Peut être décrit avec une approximation satisfaisante par l'équation ci-dessous : > (k) - r La - C T 0 t 4 dans laquelle (t) est la valeur de la température d en fonction du tempos t so est la température de l'air ambiant, T est la constante de temps thermique et k est un facteur qui, entre autres, est proporitionnel au coefficient de transmission de chaleur entre le cible conducteur et l'air ambiant.La température du conducteur tend donc suivant une fonction exponentielle vers une température finale qui est proportionnelle au carré du courant de conduction Cet échauffement présente une importance particulière notamment dans les caténairea ou lignes de contact des chemins de fer électriques. On se trouve ici dans l'obligation de surveiller l'échauffement des lignes de contact, et lorsqu'une certaine température limite réglable est atteinte, de provoquer la coupure du courant de conduction On connait un relais de protection électrothermique qui surveille l'échauffement des caténaires et lignes de contact dans les chemins de fer à traction électrique. Ce relais de protection à surcharge comporte un bloc de cuivre grâce auquel on simule thermiquement la ligne à surveiller.Sous l'effet d'un courant proportionnel au courant de la ligne de contact, le bloc de cuivre s'chauffe d'une façon correspondant à l'échauffement de la ligne. La température du bloc de cuivre, qui se modifie avec ce temps, est mesurée à l'aide d'un thermomètre à résistance électrique et est transformée en une tension proportiontelle qui est transmise à un étage à vabur de seuil monté en aval. Lorsque la valeur de seuil de cet étage est dépassée, un signal de déclenchement est émis qui coupe la ligne de contact. L'inconvénient de ce relais de protection à surcharge est que le bloc de cuivre ne peut å jamais simuler thermiquement de façon correcte qu-'une seule ligne de contact ou un caténaire bien déterminés. Si on veut contrôler l'échauffement d'une ligne de contact présentant des propriétés thermiques différentes', il faut monter dans le relais de protection à surcharge un autre bloc de cuivre présentant de façon correspondante des propriétés thermiques différentes. On connaît de plus un appareil qui, à l'aide d'un dispositif de couplage purement électrique, surveille l'échauffement d'un conducteur parcouru par le courant. Dans ce cas, le courant est transformé en une tension proportionnelle dans un dispositif redresseur en aval duquel est monté un shunt Cette tension est élevée au carré dans un montage fonctionnant suivant une loi quadratique puis est convertie en impulsions. Les impulsions chargent un condensateur monté en aval et appartenant à un circuit R-C (résistance-capacité) de telle sorte que la tension au condensateur constitue la mesure pour la température du conducteur parcouru par le courant. Au condensateur fait suite-un étage à valeur de seuil dont la valeur de seuil est réglable. lorsque la tension au condensateur atteint la valeur de seuil réglée, c'est-à-dire lorsque la température du conducteur à surveiller atteint' sa valeur marimale admissible, l'étage à valeur de seuil émet un signal de coupure interrompant le courant de conduction. l'inconvénient est que les constantes de temps thermiques des éléments de circuit à protéger qui sont de l'ordre de grandeur de 103 secondes, ne peuvent être simulées qu'au prix d'une dépense électrique élevée. En outre, la simulation de constantes de temps thermiques aussi élevées par un procédé électrique oblige à prévoir des résistances d'isolement très grandes qui ne peuvent être réalisées qu'en recourant à des procédés particuliers, par exemple par coulée dé résines synthétiques. La présente invention a pour but de créer un dispositif de couplage moins compliqué permettant de surveiller d'une façon précise l'échauffement d'éléments de circuit électriques à protéger parcourus par un courant, notamment d'un conducteur, d'une ligne ou d'un câble, mdmé loraque l'échauffement se produit avec une constante de temps thermique élevée. En outre, l'inven- tion a pour but de faciliter l'adaptation du dispositif de couplage à des conducteurs, câbles et autres éléments à protéger présentant des constantes de temps thermiques différentes. Ce résultat est obtenu par-l'invention avec un dispositif de couplage du type décrit au début grâce au fait qu'un dispositif convertisseur comprenant un générateur d'impulsions et une source de courant à valeur constante transforme la tension en impulsions en ce que le produit de l'amplitude et du rapport du taux d'impulsions augmente proportionnellement au carré du courant de conduction, en ce que les impulsions de courant chargement un condensateur monté å la suite et en ce qu'au dit condensateur est associé un circuit dérivé ou shunt commandé par un générateur à tension rectangulaire. Les caractéristiques et avantagesde la présente invention ressortent de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés - La fig. I représente le dispositif de couplage selon l'invention avec un dispositif convertisseur dont les impulsions de sortie présentent une fréquence augmentant proportion neNJmei su carré du courant de conduction - la fig. 2 montre un dispositif convertisseur destiné à produire des impulsions de sortie dont 1' amplitude et la fréquence augmentent en même temps que le courant de conduction;; - La fig. 3 montre un dispositif convertisseur dont les impulsions de Xortieont une amplitude augmentant proportion nullement au carré du courant de conduction - - "a fig. 4 représente des moyens pour faire varier les constantes de temps. Dans les différentes figures, les parties correspondant portent les mimes références. A la fig. 1 on a représenté en 1 un conducteur parcouru par un courant de conduction I et dont on veut surveiller l'Ochauftement. Une grandeur proportionnelle au courant I est appliquée par l'intermédiaire d'un transformateur 2 à une résistance de charge 3 qui est suivie d'un couplage redresseur4. La tension apparaissant au redresseur 4 est appliquée à un ensemble convertisseur 5 connu en soi qui contient une source à courant constant 6 et un générateur d'impulsions 16. Dans ce dernier la tension continue du couplage redresseur 4 est transformée en impulsions dont la fréquence et par conséquent le taux d'impulsions augmentent au carré du courant de conduction I. Par taux d'impulsions, il faut entendre le quotient de la durée d'impulsions par la durée de la période. Ces impulsions commandent la source à courant constant 6 de telle sorte qu'on obtient à la sortie du dispositif de conversion 5 des impulsions à amplitude constante dont la fréquence augmente proportionnellement au carré du courant de conduction I. Les impulsions de courant du dispositif de conversion 5 chargent par l'intermédiaire d'une diode 7 un condensateur 8.Parallèlement à ce dernier'est monté un circuit dérivé 14 commandé par un. générateur de rectangulaires 10 et qui contient une résistance 9 et un transistor 15. La base du transistor 15 est reliée à la sortie du générateur de rectangulaires 10. L'émetteur du transistor' 15 est raccordé au pole négatif drune source de tension 13. Le dispositif de couplage contient de plus un étage à valeur de seuil li suivi d'un relais 12. ta source de tension 13 alimente le générateur de rectangulaires 10, l'étage à valeur de seuil 11 et le convertisseur tension-fréquence 16. Ce dispositif de couplage fonctionne de la. façon suivante. Le courant I qui provoque l'échauffement du conducteur 1 est transformé par le transformateur 2 et la résistance de charge 3 en une tension proportionnelle qui est redressée. dans le dispositif redresseur 4. A la sortie du redresseur 4 on dispose d'une tension continue qui est proportionnelle à l'amplitude du courant de conduction I. Cette tension continue est appliquée au convertisseur tension fréquence 16 contenu dans le dispositif convertisseur 5, à la sortie duquel se forment des impulsionsdont la fréquence augmente proportionnellement au carré de cette tension c'est-à-dire au carré du courant de conduction I, à surveiller.La'source à courant constant 6 est commandée par le générateur d'impulsions 16 de sorte qu'on dispose d'impulsions de courant à la sortie du circuit convertisseur 5, la fréquence de ces impulsions augmentant avec le carré du courant de conduction I. Etant donné que l'amplitude est constante, le produit de l'amplitude et le taux d'impulsions augmentent égaiement proportionnellement au carré du courant de conduction I. La source à courant constant 6, le condensateur 8 et le shunt pouvant entre commandé 14 représentent alors le dispositif de couplage analotique électrique proprement dit destiné à la stimulation de l'échauffement du conducteur 1-. La réalisation pratique de l'analogie entre l'échauffement d'un conducteur et la charge d'un condensateur d'un couplage en parallèle RC exige que la tension au condensateur varie proportionnellement au carré du courant de conduction I. Dans le montage électrique analogique en question la constante de temps thermique, qui peut aller jusqu'à 103 sec dans les conducteurs et câbles, est correctement simulée par la constante de temps thermique du couplage en parallèle RC 8, 9, 15.Pour permettre de reproduire électriquement avec une grande précision ces constantes de temps thermiques élevées, le condensateur 8 est chargé par les impulsions de courant de sortie du circuit convertisseur 5, dont la fréquence varie avec le carré du courant de conduction 1, et il les décharge par impulsions par l'intermédiaire de la résistance 9 et du transistor 15 monté en série avec cette résistance et commandé par 'e générateur de tensions rectangu lsires 10.A cet effet la source à courant constant 6 du convertisseur 5 est mise en circuit à des intervalles de temps assez grands (de l'ordre des millisecondes), pour un laps de temps très court, et la résistance 9 destinée à la décharge du condensateur 8 par l'intermédiaire du générateur de tensions rectangulaires 10 tournant à une fréquence constante avec due grands intervalles d'impulsiontuataz d'impulsions est mise en connexion pour de très courtes durées à des intervalles de temps assez grands avec le p8le négatif de 'la source de tension 13 par l'intermédiaire du circuit collecteur-émetteur du transistor 15.Ce dernier laisse passer le conrant à chaque fois lorsqu'à la sortie du générateur de tensions rectangulaires 10 il y a une impulsion positive excitant la base du transistor 15. La fonction exponentielle de la charge est ainsi représentée de façon approchée par une courbe en escalier dont les gradins sont néanmoins si étroits et serrés que leurs écarts par rapport à la fonction exponentielle peuvent être considérés comme négligeables. Grâce à cette charge et à cette décharge du condensateur 8 par des impulsions on obtient d'une façon avantageuse une constante de temps électrique très grande ce qui permet de simuler de façon facile et très précise les grandes constantes de temps thermiques. L'énergie électrique amenée au condensateur et au circuit dérivé 14 correspond dans le conducteur à surveiller à l'énergie électrique transformé en chaleur, provoquée par le passage du courant de conduction I. La chaleur du conducteur s'échauffant est dissipée dans l'air est simulée dans le montage électrique analogique de la fig. 1 par a décharge du condensateur 8 par l'intermédiaire du montage en série de la résistance 9 et du transistor 15. L'énergie restante dans le conducteur en cours d'échauffement et par conséquent l'échauffement du conducteur lui-mSme sont simulés par la tension au condensateur 8.En faisant varier ensemble la grandeur du courant de la source à courant constant 6 et celle de la résistance 9 il est possible de faire varier la constante de temps dans de larges limites sans que pour autant il faille faire varier la grandeur du condensateur 8 et la valeur de réponse de l'étage à valeur de seuil 11. Dès que la tension au condensateur 8 a atteint la valeur de seuil réglée à l'étage à valeur de seuil 11, la température du conducteur 1 échauffé par le courant I a atteint sa valeur limite et l'étage à valeur de seuil 11 envoie un signal de déclenchement au relais 12 qui coupe le courant I dans le conducteur 1. Si on désigne par U la valeur de réponse de l'étage à valeur de seuil 11, par UO la valeur finale qui est proportionnelle au carré du courant de conduction I par r la constante de temps électrique, on peut calculer le temps de déclenchement t grâce à la formule La fig. 2 représente un autre mode de réalisation du dispositif convertisseur 5. Celui-ci contient un générateur'd'im- pulsions 17, la source à courant constant 6 qui se présente sous la forme d'un transistor, une résistance série 19 et une diode 18. Le générateur d'impulsions 17 et la source à courant constant 6 sont alimentés par la source de tension 13, La tension continue du couplage redresseur 4 est appliquée par l'intermédiaire de la résistance série 19 à la base du transistor qui représente la source à courant constant 6. Cette base est en outre soumise à l'action des impulsions du générateur d'impulsions 17 dont la fréquence est une fonction linéaire du courant de conduction I. A la sortie du convertisseur 5 on obtient ainsi des impulsions de courant pour lesquelles le produit de l'amplitude du taux d'impulsions varie avec le carré du courant de conduction I. Ces impulsions chargent le condensateur 8 de telle sorte que sa tension augmente proportionnellement' au carré du courant de conduction I. La fig. 3 représente une autre variante du dispositif convertisseur 5. Ce dispositif comprend un générateur d'impulsions 20, un circuit d'élévation au carré 21, la source à courant constant 6 se présentant 'sous la forme d'un transistor, la diode 18 et la résistance série 19. Le générateur d'impulsions 20 envoie ses impulsions à la source à courant constant 6 qui est en même temps actionnée par la tension du redresseur 4 élevée au carré. On obtient ainsi à la sortie du convertisseur 5 des impulsions de carant dont l'amplitude augmente proportionnellement au carré du courant de conduction I. A la fig. 4 il est prévu outre les éléments représentés à la fig. 1, deux résistances 31, 32 commutables grâce auxquelles on peut faire varier l'intensité du courant de la source à courant constant 6. A la résistance 9 de la fig. I correspondent dans la fig. 4 deux résistances de valeur ohmique élevée qui peuvent être mises sous tension au choix par un commutateur 22. A chaque résistance 29, 30 se rattachent entre deux diodes de commutation 24, 25 et 26, 27 servant de commutateurs et des résistances série 23, 28. Des contacts 53, 34 du commutateur 22 établissent la liaison des résistances chutrices 23, 28 et des résistances série commutables 31, 32 avec le pôle négatif de la source de tension 13. Les résistances 29, 30 sont connec tées au transistor 15 au point nodal 20. La charge et la décharge du condensateur 8 ainsi que la surveillance de la tension du condensateur s'effectuent de la même façon qu'il a été expliqué à propos de la fig. 1. La suite des explications concerne donc seulement les mesures ayant pour but de faire varier les constantes de temps électriques et par conséquent également thermiques. Dans la position représentée-du commutateur 22, 1'amplitude de la source à courant constant 6 est déterminée par la résistance commutable 31 qui est reliée par le contact 33 au pôle négatif de la source de tension 13. Des deux résistances ?9 et 30 disponibles, c'est la résistance 30 qui est alimentée dans 1a position représentée du commutateur 22 et ceci pour la raison suivante. Partant du pôle positif de la source de tension 13 un courant passant par la résistance chutrice 23 arrive au contact 34 et, de là, au pôle négatif de la source de-tension 13.L'anode de la diode 24 reliée à la résistance 23 a donc un potentiel négatif et est. donc bloquée. La décbarge du condensateur 8 s'effectue par la diode 25 et par la résistance 30 sur le transistor 15 monté à la suite et qui est commandé par le générateur de tension rectangulaires 10. I1 ne peut pas y avoir de décharge du condensateur 8 par l'intermédiaire de la résistance 29 en direction du générateur de tensions rectangulaires 10 parce que dans la position du commutateur 22 indiquée, la diode 27 est bloquée.Le potentiel positif de la source de tension 13 peut donc dans ce cas agir par l'intermédiaire de la diode 26 sur le point de jonction des diodes 26 et 27 et provoque le blocage de la diode 27 parce que l'anode de cette dernière qui est reliée à l'une des armatures du condensateur 8, présente un faible potentiel positif. lorsqu'on manoeuvre le commutateur 22 pour le faire passer sur la position des contacts 33, 34 représentée en traits interrompus, c'est la résistance 29 qui joue le rôle principal tandis que la grandeur du courant de la source à courant constant 6 est déterminé par la résistance commutable 32. Dans cette position, la diode 26 est bloquée de sorte que le condensateur 8 peut se décharger par la diode 27 et par la résistance 29 sur le transistor 15 qui est commandé par le générateur de tension rectangulaire 10. D'une façon avantageuse, le commutateur 22 ne commute donc pas directement les résistances 29, 30 de valeur o himique élevée et déterminant le temps. A la place de deux résistances 29, 30, on peut également prévoir un plus grand nombre de résistances. Etant donné que la valeur de réponse de l'étage à valeur de seuil doit rester constante et indépendamment des constantes de temps réglées, il est toujours nécessaire de commuter. les résistances 29, 30 en m6me temps et la source de courant constant 6. Au lieu des iodes 24, 25, 26, 27 on peut également utiliser d'autres composants semi-conducteurs à haut pouvoir de blocage pour la commutation des résistances 29, 30. De plus on peut -utiliser aussi des commutateurs mécaniques de grande qualité, comme les relais "Reed". Au lieu d'agir sur la résistance 9 pour faire varier la constante de temps on peut aussi, en maintenant constante la résistance a, faire varier le taux d'impulsions des impulsions du générateur à tension rectangulaire 10. Si par exemple on augmente la durée d'impulsion, celà signifie que le transistor 15 est conducteur plus longtemps de sorte que le conden sateur peut se décharger de façon plus complète. wais cela signifie aussi qu'une plus petite résistance 9 est simulée de sorte qu'on obtient une constante de temps plus petite. On peut également faire varier la constante de temps en modifiant le taux d'impulsions du générateur d'impulsions 16. L'étage à valeur de seuil 11 est avantageusement précédé d'un transistor à effet de champ monté dans l'entrée de façon à empêcher que le condensateur 8 ne se décharge sur cet étage à valeur de seuil 11. De plus on peut agir sur la valeur de réponse de l'étage à valeur de seuil 11 à l'aide d'éléments supplémentaires de telle sorte que, par exemple, la température de l'air ambiant du conducteur à protéger ou du cible à protéger entraîne une élévation ou un abaissement de la valeur de réponse de l'otage à valeur de seuil 11. le dispositif de couplage selon l'invention peut également être utilisé pour surveiller des réseaux triphasés à l'aide d'un couplage d'entrée triphasé dans lequel le courant le plus grand est sélectionné et est transmis sous forme de tension au convertisseur 5 D'une façon générale, on peut avec le dispositif de couplage selon l'invention surveiller l'échauffement d'autres éléments à protéger tels que transformateurs moteurs etc qui s'échauffent sous l'action d'un courant électrique. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de couplage pour la surveillance de l'échauffement d'éléments à protéger, parcourus par un courant électrique, notamment de conducteur et de câbles, qui convertit le courant de conduction en une tension proportionnélle et qui comporte un condensateur en aval duquel est monté un étage à valeur de seuil, caractérisé en ce qu'un couplage convertisseur 5 comportant un générateur d'impulsions 16 et une source à courant constant 6 convertit la tension en impulsions, en ce que le produit de l'amplitude et du taux d'impulsions des impulsions augmente proportionnellement. au-carré du courant de conduction I en ce queifimpulsions chargent le condensateur 8 monté en aval et en ce qu'au condensateur 8 est associé un shunt ou dérivation 14 commandé par un générateur à tensions rectangulaires 10. 2 - Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur 5 présente à son entrée un générateur d'impulsions 16 alimenté par le couplage redresseur 4 et en ce que les impulsions du générateur d'impulsions'l6 dont la fréquence augmente proportionnellement au carré du courant de conduction I, ouvrent et ferment la source à courant constant 6. 3 - Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source à courant constant 6 est commandée aussi bien par la tension du redresseur 4 que par des impulsions qui sont crées à partir de ladite tension au moyen d'un générateur d'impulsions 17. 4 - Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur 5 comporte un circuit d'élévation au carré 21 reeevant la tension du redresseur 4 et un générateur d'impulsions 20 dont les signaux de sortie commandent la source à courant constant 6. -5 - Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit dérivé commandé 14 renferme une résistance 9 et un dispositif semi-conducteur 15 pouvantêtre commandé et monté en série avec cette résistance 9. 6 - Dispositif de couplage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif semi-conducteur 15 pouvant être commandé est un transistor dont la base est reliée à la sortie du générateur de tensions rectangulaires 10. 7 - Dispositif de couplage selon la revendication 6, carao- térisé en ce que le taux d'impulsions du générateur de tensions rectangulaires 10 est réglable. 8 - Dispositif de couplage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le taux d'impulsions du générateur d'impulsions 16 est réglable. 9 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que plusieurs résistances à grande valeur ohmique 29, 30 de grandeurs différentes, sont montées en parallèle, l'une d'elles étant mise en série par l'intermédiaire d'un commutair inverseur de grande qualité avec le transistor 15 pouvant être commandé. 10 - Dispositif de couplage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est prévu corme commutateur une première diode de commutation 25 montée en série avec chaque résistance et commandée par une deuxième diode de commutation 24. Il - Dispositif de couplage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'ai utilise comme commutateurs des contacts ou relais "Reed".