Brevet FR2310005A1 — publié le 19761126

Le "National Electric Code" a autorisé l'utilisation de dispositifs d'interruption des circuits à masse défectueuse (GFCI) dans des circuits électriques domestiques en vue d'une protection contre des risques de choc électrique. Ces dispositifs GFCI, disponibles à l'heure actuelle dans le commerce, utilisent un transformateur différentiel d'intensité pour détecter un déséquilibre du courant entre le conducteur de ligne et le conducteur neutre dû à un courant de ligne défectueux retournant vers la source par l'intermédiaire d'un circuit de masse non voulu, autre que le conducteur neutre.Afin d'empêcher un choc électrique dangereux, le transformateur différentiel d'intensité doit engendrer un signal de tension de grandeur suffisante pour oermettre à un dispositif de traitement du signal d'amorcer une interruption de circuit lorsque la différence de courant entre le conducteur de ligne et le conducteur neutre est de 5 milliampères ou plus. Pour des commodités de fabrication et pour obtenir un dispositif compact, les conducteurs de ligne et neutre, qui constituent des enroulements primaires du transformateur différentiel d'intensité ne traversent qu'une fois l'ouverture du noyau toroïdal du transformateur. Ainsi, pour satisfaire au niveau d'excursion de 5 milliampères, le dispositif de traitement de signal doit être conçu pour répondre à une excitation primaire du transformateur de 0,005 ampère-tour. Afin que les contraintes de conception du dispositif de traitement du signal ne soient pas rigides au point de le rendre prohibitivement coûteux, les transformateurs différentiels doivent avoir un noyau à haute perméabilité et un enroulement secondaire constitué par un grand nombre de spires - généralement supérieur à 1000 spires en fil très fin - afin d'engendrer des signaux de tension de valeur pratique.Néanmoins, ces niveaux de signaux sont très bas, un à dix millivolts, nécessitant une amplification élevée. Avec une telle amplification élevée, la conception du dispositif de traitement doit assurer la stabilité de l'amplificateur et uneimmunitéappropriée contre le bruit pour empêcher un déclenchement néfaste du dispositif GFCI. Selon la présente invention, on a réalisé un détecteur perfectionné répondant à de faibles différences de niveau entre les courana circulant dans au moins deux conducteurs. Le détecteur perfectionné s'applique particulièrement dans les dispositifs d'interruption de circuits de masse défectueux (GFCI), des circuits de distribution de courant domestique, dans lequel le niveau de déclenchenent prescrit est une différence d'intensité de 5 milliampères ou plus. La réponse du détecteur, engendrée par la différence d'intensité,se présente sous la forme d'un signal de tension d'amplitude considérablement plus importante que ce n'était le cas auparavant. Plus particulièrement, le détecteur de la présente invention se présente sous la forme d'un transformateur différentiel d'intensité. On utilise à l'heure actuelle des transformateurs différentiels d'intensité dans les dispositifs (GFCI) en tant que détecteurs différentiels d'intensité. Cependant,c'est un aspect de la présente invention, de fournir un détecteur utilisant un transformateur différentiel d'intensité de coût réduit, conçu pour des dispositifs (GFCI). En outre, le détecteur selon l'invention est équipé pour engendrer,en réponse à une différence d'intensité, un signal de tension proportionnel d'amplitude plus importante d'au moins un ordre de grandeur que ce qui était le cas auparavant dans les dispositifs GFCI.Ceci permet une simplification et un abaissernent du coût du dispositif de traitement de signaux, non seulement du point de vue de la manipulation du signal, mais également en ce qui concerne l'immunité vis-à-vis du bruit. Ainsi, on a réalisé un dispositif GFCI plus fiable et considérablement moins susceptible à un déclenchement néfaste. Le détecteur selon l'invention répond à des différences d'intensité dans une paire d'enroulements primaires à spire unique, qui dans une application GFCI, sont respectivement reliés au côté ligne et neutre du circuit de distribution pour lequel on souhaite une protection contre un défaut de masse. Le noyau du transformateur est de préférence un noyau de ferrite de faible perméabilité peu coûteux plutôt que le noyau fer-nickel à haute perméabilité, coûteux, utilisé dans les transformateurs différentiels d'intensité pour les dispositifs GFCI. En outre, le présent detecteur nécessite un enroulement secondaire ayant considérablement moins de spires - d'au moins un ordre de grandeur - que les transformateurs différentiels d'intensité des dispositifs GFCI existants.Ce facteur contribue aussi à réduire le coût et à accroitre la fiabilité car le risque de rupture de fil est un problème moins important. L'enroulement secondaire du transformateur différentiel d'in- tensite est, selon la présente invention, court-circuité sur luimême par l'intermédiaire d'un commutateur électronique monté en shunt avec une résistance de charge. Ainsi,le courant du secondaire dû à l'existence d'une différence de courant dans les enroulements primaires, circule normalement à travers le commutateur, permettant ainsi l'usage d'une résistance de charge de valeur plus élevée que celle utilisée dans le cas a le courant du secondaire circule toujours dans une résistance de charge comme c'est de pratique courante.Périodiquement, le commutateur électronique s'ouvre pour alors forcer le courant du secondaire à travers la résistance de charge, développant ainsi, du fait de sa valeur résistive plus élevée, un signal de tension relativement grand momentané destiné à être appliqué au dispositif de traitement du signal en vue d'amorcer ùn déclenchement. Puisque l'existence du courant dans le secondaire est détecté périodiquement et même alors seulement pendant un brève instant, et puisque le bruit électrique est aléatoire et habituellement intermittent, la présente invention entraine, ce qui est un bénéfice supplémentaire une bien plus grande immunité au déclenchement par ce bruit. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement, Figure 1, un diagramme schématique d'un dispositif d'interruption de circuit de masse défectueux (GFCI) selon la présente invention, Figure 2, un diagramme de circuit équivalent pour le transformateur différentiel d'intensité de la figure 1, et Figure 3, un diagramme representant les diverses formes d'ondes des circuits de la figure 1. Dans toutes les figures les mêmes numéros de référence correspondent aux mêmes éléments. Sur la figure 1 on a représenté un dispositif d'interruption de circuit de masse défectueux (GFCI) utilisé pour interrompre un circuit de distribution de courant se composant d'un conducteur de ligne 12 et d'un conducteur neutre 14 dans le cas ot il y a un défaut de masse d'impédance élevé sur le conducteur de ligne. On a représenté le conducteur neutre comme étant mis à la masse à la source comme cela est de pratique courante dans les circuits domestiques. Le dispositif GFCI comprend des éléments sensibles à des surcharges et à des court-circuits, indiqués de façon schématique en 16 comme cela est également classique. Un détecteur différentiel d'intensité construit selon l'invention et indiqué d'une manière générale en 18, détecte un déséquilibre de courant dans les conducteurs de ligne et neutre , occasionné par un courant de fuite à la masse retournant vers la source à partir du conducteur de ligne par un trajet autre que le conducteur neutre.Le signal de réponse du détecteur est traité par un dispositif i traitement de signal 20 qui fonctionne pour déclencher un commutateur électronique, généralement un redresseur commandé au silicium (non représenté) de façon à terminer un circuit d'excitation pour un solénoïde de déclenchement 22 entre les conducteurs de ligne et neutre . L'actionnement du solénoïde de déclenchement amorce la séparation des contacts 24 pour ouvrir les cotés ligne de distribution, interrompant ainsi le passage de courant. Le détecteur 18 comme le montre la figure 1, comprend un transformateur différentiel d'intensité 26 comprenant un noyau toroidal 28 à travers lequel passe les conducteurs de ligne et neutre qui constituent des enroulenents primaires distincts à spire unique. Un enroulement secondaire à spires multiples est bobiné sur le noyau 28 et comprend par exemple 75 à 300 spires. Aussi longtemps que les courants des conducteurs de ligne et neutre sont égaux, le flux net dans le noyau 28 est nul et aucune intensité ou tension n'est induite dans l'enroulement secondaire 30. D'un autre côté, si le conducteur de ligne sur le côté charge du transformateur 26 présente un défaut de masse, par lequel s'écoule un courant défectueux vers la masse et à nouveau vers la source par un circuit de masse autre que le conducteur neutre, il s'établit un déséquilibre de courant dans les enroulements primaires du transformateur différentiel. Le flux magnétique résultant induit une tension dans l'enroulement secondaire 30.Cette tension induite provoque le passage d'un courant dans une résistance de charge Rb, développant ainsi un signal de tension Vs destiné à être traité par le dispositif de traitement de signal 20. Si le signal de tension excède un niveau prédéterminé correspondant à un courant de défaut de masse de 5 milliampères, le dispositif de traitement de signal doit effectuer l'excitation du solénoïde de déclenchement conduisant à l'interruption du circuit de distribution au moyen des ç acts 24. I1 faut noter que le niveau de déclenchement de 5 milliampères signifie que le dispositif de traitement de signal doit agir sur un signal de tension Vs engendré en réponse à une excitation du primaire du transformateur qui n'est pas supérieure à 0,005 ampère-tour et de préférence de l'ordre de 0,001 ampèretour.Ainsi, les dispositifs GFCI existants demandent un transformateur différentiel ayant un noyau de perméabilité élevé avec un très grand nombre de spires de secondaire afin de produire un signal de tension de proportion utile. Selon la présente invention, les deux côtés de l'enroulement secondaire 30 sont court-circuités ensemble par un commutateur électronique qui est représenté comme étant un simple commutateur à transistor Q mais qui peut prendre d'autres formes.Ainsi, comme le montre la figure 1, les deux côtés de l'enroulement secondaire 30 sont court-circuités ensemble par le circuit collecteur émetteur du transistor Q lorsque le commutateur est dans son état de conduction élevée. Un générateur d'impulsion 34, alimenté par le circuit de distribution et synchronisé à la fréquence de ligne, maintient le commutateur électronique Q dans son état conducteur, excepté pour de brefs moments périodiques lorsqu'il produit une impulsion allant vers une valeur négative sur la base du commutateur à transistor.Le commutateur électronique devient brutalement non conducteur, et le courant du secondaire est dérivé par l'intermédiaire de la résistance de charge Rb pour engendrer un signal de tension Vs sous la forme duntransitare de tension d'ans plitude relativement élevée aux bornes de la résistance de charge. L'amplitude du picde oe transitoiré de talsin estessentieîîement proportionnel au produit de la résistance de charge par le courant du secondaire normalement conduit par le commutateur électronique; Ce courant du secondaire étant proportionnel au déséquilibre de courant dans les conducteurs de ligne et neutre . Le dispositif de traitement de signal 20 traite ce transitoire de tension Vs et si 1' plitude du pic de transit 9 passe un minimum prédéterminé correspon- dant à un niveau de déclenchement de courant de fuite à la masse prescrit par exemple 5 milliampères, il amorce une fonction de déclenchement pour défaut de masse. Pour mieux comprendre le fonctionnement de la présente invention, on se réfèrera à la figure 2 qui représente un circuit équivalent du secondaire du transformateur différentiel. Le courant du primaire se transforme en un courant de secondaire Is d'amplitude déterminée par le déséquilibre du courant primaire, multiplié par le rapport du nombre de spires c'est-à-dire 1/Ns ou Ns égal le nombre de spires du secondaire. Ce courant du secondaire se partage entre trois circuits équivalents en parallèle. Ainsi, le courant du secondaire en fait se divise en un courant I1 circulant dans une inductance Lc représentant l'inductance de magnétisation du secondaire du transformateur, un courant I2 circulant dans la résistance Rc représentant les pertes dans le noyau 28 et un courant I3 circulant dans la résistance Rw (pertes dans les fils) et soit le commutateur électronique 9 lorsqu'il est fermé ou la résistance de charge Rb lorsque le commutateur est ouvert. On notera que pour accroître au maximum l'amplitude du signal de tension Vs engendré aux bornes de la résistance de charge Rb, le produit de l'intensité 13 par la résistance R6 doit être rendu aussi grand que possible.On obtient cec: selon la présente invention en faisant fonctionner normalement le secondaire du transformateur dans le mode court-circuité, c'est-à-dire avec le commutateur électronique fermé. Ceci permet de choisir une valeur de résistance relativement grande pour la résistance de charge Rb sans compromettre cette division favorable de courant. Auparavant, avec un courant de secondaire 13 circulant toujours à travers la résistance de charge, il était nécessaire de choisir une faible valeur pour cette résistance de charge afin d'obtenir une division favorable de courant pour améliorer l'amplitude du signal de tension et particulièrement diminuer la sensibilité aux variations du paramètre du noyau. On peut voir que pour une amplitude donnée de l'intensité T3, la possibilité d'accroître de façon significative la résistance de charge fournit un accroissement critique du signal de tension qui peut se développer aux bornes de cette résistance. En outre, puisque la résistance de charge effective devient négligeable lorsque le commutateur est fermé, la valeur de l'intensité 13 est quelque peu accrue, provoquant un accroissement supplémentaire de la tension du signal.En vertu de la très faible impédance dans ce trajet court-circuité, les courants il et I2 deviennent très petits et la majeure partie du courant du secondaire Is s'écoule sous forme du courant I3 dans le commutateur électronique. I1 faut également noter qu'une division de courant favorable est encore améliorée par réduction des pertes dans les fils Rw au moyen de l'utilisation d'un petit nombre de spires de secondaire en fil de plus grand diamètre nominal que celui utilisé dans les transformateurs différentiels d'intensité présents pour les dispositifs GFCI. Ceci également permet les bénéfices de fabrication et des réductions de coût importants, car la rupture de fil devient un problème moindre. En outre, la présente invention permet l'utilisation d'un matériau de noyau de transformateur de faible perméabilité peu couteux, tel qu'une ferrite, contrairement aux matériaux de noyau à haute perméabilité coûteux utilisés auparavant. Un noyau de ferrite présente l'avantage supplémentaire, en ce sens que la résistance équivalente de perte dans le noyau Rc est grande. Ainsi, le courant I2 dans le circuit équivalent est pratiquement nul dans le mode court-circuité et peut être négligé dans la présente description. Bien que l'inductance Lc d'un transformateur à noyau de ferrite soit moindre, le courant I1 est néanmoins petit dans le mode court-circuité et une partie prédominante du courant du secondaire Is s'écoule sous forme du courant I3 dans le commutateur électronique Q. Selon la présente invention, le commutateur électronique Q est momentanément ouvert par le générateur d'impulsions 34 pour dériver le courant I3 par la résistance de charge Rb. Cet échantillonnage du commutateur électronique Q dans son état de non conduction est dans la réalisation représentée, effectué au moins une fois par cycle du courant du secondaire et de facon idéale lorsque le courant sinusoldale du secondaire croit vers son pic d'amplitude. L'intervalle de temps de non conduction du commutateur est de préférence court, par exemple 0,50 à 50 microsecondes. En comoaraison des 16.667 microsecondes d'meondeà 60 hertz, cet intervalle de non conduction du commutateur est très court. Ceci est avantageux du point de vue de l'immunité contre le bruit. Puisque le bruit électrique sur un circuit de distribution est aléatoire et généralement intermittent, la probabilité de sa présence dans le circuit secondaire du transformateur durant le bref moment où le commutateur électronique est non conducteur est très faible. Pour tous les autres instants, tout bruit dans le circuit secondaire est shunté par rapport au dispositif de traitement du signal par l'intermédiaire du commutateur Q. I1 faut noter cependant que c'est la dérivation initial de la composante I3 du courant du secondaire empêchant celle-ci de circuler à travers le commutateur Q pour l'obliger à circuler à travers la résistance de charge de valeur élevée Rb qui est responsable de l'amplitude élevée du signal de tension Vs. Le cycle de fonctionnement du commutateur et sa relation de phase avec l'onde sinusoidale du courant du secondaire sont variables de façon à être ajustés en fonction des caractéristiques du transformateur et d'autres paramètres du circuit pour obtenir une performance optimale. Si lbn se réfère à la figure 3, on peut voir que lorsque le signal de sortie du générateur d'impulsion Eg passe d'un niveau de tension positif àzéro à l'instant tl, le commutateur électronique passe brusquement dans son état de non conduction et le courant I3 est dérivé par la résistance de charge Rb. L'addition soudaine de l'impédance de la résistance de charge dans le circuit secondaire provoque un réajustement de la division du courant du secondaire, de sorte que le courant I1 s'élève en même temps que le courant I3 dans la résistance de charge chute.Néanmoins, il apparait un signal de tension d'amplitude élevée Vs à la suite de l'ouverture du commutateur Q comme le montre la figure 3, aux bornes de la résistance de charge, destiné à être appliqué au dispositif de traitement de signal 34. A l'instant t2, le signal de sortie du générateur d'impulsion Eg retourne à son niveau de tension positif normal, entrainant ainsi le retour du commutateur à transistor dans son état de conduction.LescourantsI3 et Il retournent alors à leurs niveauxrespectifsélevé et bas. On a réalisé un prototype qui engendrait un pic de signal de tension ayant une amplitude de pic de 200 millivolts aux bornes d'une résistance de charge de 3600 ohms en réponse à une différence d'intensité de 5 milliampères. Le transformateur se composait d'un noyau de ferrite avec un enroulement secondaire de 125 spires. Ceci est très différent des spécifications classiques pour les dispositifs GFCI où une différence d'intensité de 5 milliampères produit un signal utile d'amplitude de l'ordre de 1 à 10 millivolts. Le transformateur différentiel d'intensité d'un dispositif GFCI classique se compose d'un noyau nickel-fer de perméabilité élevée, coûteux avec un secondaire comportant un nombre aussi important que 1.500 spires. On peut apporter de nombreuses modifications à l'invention sans sortir du cadre de cette dernière. Ainsi, par exemple, on peut soumettre le signal de tension Vs à une conformation par impulsion par l'addition d'un condensateur pour un traitement plus commode par le dispositif de traitement. En outre, les impulsions de tension peuvent être soumises à une intégration sur plusieurs cycles du courant du secondaire. Pour encore améliorer l'immunité vis-à-vis du bruit, on peut fournir le signal de sortie du générateur d'impulsions en tant que signal d'inhibition normal au dispositif de traitement de signaux afin d'empêcher toute réponse du dispositif de traitement aux bruits entrant par des trajets autres que son circuit d'entrée de signaux. En outre, le dispositif GFCI selon la présente invention peut également comporter des moyens pour amorcer une fonction de déclenchement pour défaut de masse dans le cas d'un défaut de masse de faible imné- dance sur le conducteur neutre. REVENDICATIONS 1 - Détecteur destiné à être utilisé dans un dispositif d'interruption pour masse défectueuse branché dans une circuit de distribution de courant comprenant au moins un conducteur de ligne et un conducteur neutre, détecteur caractérisé en ce qu'il comprend - un transformateur différentiel d'intensité se composant d'un noyau dans lequel apparait un flux magnétique lors d'une condition de déséquilibre de codant dans les conducteurs de ligne et neutre du circuit de distribution, et un enroulement secondaire bobiné sur le noyau,, - un élément de sortie relié aux bornes de l'enroulement secondaire pour engendrer un signal de tension indicatif de l'amplitude du courant secondaire engendré à la suite du déséquilibre de courant, - un commutateur relié aux bornes de l'enroulement secondaire et formant shunt par rapport à l'élément de sortie, et - un moyen de commande du commutateur pour le faire passer de l'état fermé dans lequel il court-circuite l'enroulement secondaire et shunté lue courant du secondaire par rapport à l'élément de sortie à un état d'ouverture dérivant le courant du secondaire par l'intermédiaire de l'élément à la suite de l'apparition de ce signal de tension. 2 - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur est un commutateur électronique. 3 - Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande du détecteur comprend un générateur d'impulsion fournissant périodiquement une impulsion au commutateur élec- tronique pour rendre ce commutateur non conducteur durant l'intervalle de chacune des impulsions. 4 - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau est un noyau de ferrite. 5 - Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire comprend de 75 à 300 spires. 6 - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de sortie est une résistance de charge. 7 - Dispositif d'interruption de circuit à masse défectuetze destiné à couper un circuit de distribution de courant électrique comprenant au moins un conducteur de ligne et un conducteur neutre dans le cas d'un défaut de masse sur le conducteur de ligne, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend A) des contacts de coupure du circuit destinés à assurer la liaison en série avec le conducteur de ligne, B) un solénoïde de déclenchement fonctionnant, lorsqu'il est excité pour amorcer la séparation des contacts et l'interruption du passage de courant dans le circuit de distribution, C) un transformateur différentiel d'intensité comprenant 1 - un premier enroulement primaire destiné à être relié en série avec le conducteur de ligne, 2 - un second enroulement primaire destiné à être relié en série avec le conducteur neutre,et 3 - un enroulement secondaire dans lequel apparait un courant secondaire proportionnel au déséquilibre des courants s'écoulant à travers le premier et le second enroulement primaire D) un élément de sortie relié aux bornes de l'enroulement secondaire, E) un moyen relié aux bornes de l'enroulement secondaire pour shunter le courant du secondaire par rapport à l'élément de so vie, ce moyen fonctionnant périodiquement pour dériver le courant du secondaire par l'élément de sortie pour engendrer un signal de tension dans cet élément de sortie ayant une amplitude de pic prcpor tionnelle à l'amplitude du courant secondaire, et F) un dispositif de traitement de signal pour traiter le signal de tension et amorcer l'excitation du solénolde de déclenchement dans le cas ou l'amplitude du signal de tension dépasse un minimum prédéterminé. 8 - Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend un commutateur électronique relié aux bornes de l'enroulement secondaire en shunt avec l'élément de sortie et un générateur d'impulsion engendrant une impulsion pour commander le commutateur afin de court-circuiter l'enroulement secondaire et shunter le courant du secondaire par rapport à l'élément de sortie et pour périodiquement dériver le courant du secondaire par l'élément de sortie à la suite de l'apparition de ce signal de tension. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier et le second enroulement primaire se composent chacun d'une spire unique et en ce que le transformateur comprend en outre un noyau toroïdal en ferrite. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire comporte de 75 à 300 spires. 11 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fréquence de ligne du circuit de distribution de courant est de 60 hertz et en ce que le signal de sortie du générateur d'impulsions commande le commutateur pour dériver le courant du secondaire par l'élément de sortie au moins une fois par cycle du courant du secondaire pendant un intervalle de 0,5 à 50 microsecondes.