Brevet FR2420865A1 — publié le 19791019

L'invention est relative à un perfectionnement à un relais à image thermique, destiné à protéger une machine électrique. On connait des relais à image thermique électroniques qui fonctionnent selon le principe décrit ci-après. On élabore un signal P = I1 + k I2 i 2' représentant la puissance qui échauffe la machine, et dans lequel I1 est une image de la composante directe du courant de la machine, I2 une image de la composante inverse de ce courant et k un coefficient compris entre 3 et 6. Le signal P est appliqué à un intégrateur exponentiel de constante de temps RC égale à la constante de temps thermique de la machine (R = résistance en ohms, C = condensateur dont la capacité est exprimée en Farad). En sortie de l'intégrateur, on recueille un signal S proportionnel à l'échauffement de la machine. Le signal S est comparé à une valeur de consigne au moyen d'un comparateur qui émet un ordre de déclenchement de l'alimentation de la machine en cas de dépassement de la valeur de consigne. Un tel relais fonctionne bien lorsque la constante de temps thermique de la machine est faible (quelques minutes). Lorsque la machine dont on désire surveiller l'échauffement a une forte constante de temps thermique (une heure à quelques heures), le dispositif décrit devient difficile à réaliser et de fonctionnement incertain. En effet, pour obtenir une constante de temps d'une heure, il faut utiliser par exemple une résistance R de 1 mégohm avec une capacité C de 3600 micro farads le condensateur est alors très important et de réalisation difficile. Si on choisit une capacité de 36 micro farads associée à une résistance de 100 mégohms, on aura résolu la difficulté due à ia réalisation du condensateur, mais on aura' une nouvelle source d'erreur due à l'imperfection de l'amplificateur opérationnel utilisé pour réaliser le circuit intégrateur exponentiel en effet, le courant i d'entrée de ce dernier n'est pas nul et la chute de tension Ri est assez mal déterminée.Enfin si la résistance R est grande (quelques centaines de mégohms), on est tenu de l'enfermer et de la déssecher pour lui maintenir une valeur constante. Un but de la présente invention est de réaliser un relais thermique électronique capable de protéger une machine ayant une constante de temps thermique atteignant plusieurs heures et ayant un fonctionnement sûr et répétitif. Un autre but est de réaliser un relais thermique électronique comprenant un nombre aussi-faible que possible de composants électroniques. La caractéristique principale de l'invention réside en ce que l'intégra teur du relais thermique est associé à un compteur-décompteur numérique à N sorties, de telle sorte que la constante de temps de l'intégrateur est N non plus RC, mais 2NRC ; de la sorte, il est possible d'obtenir une forte constante de temps avec des composants R et C de valeur relativement faible. Une autre caractéristique de l'invention est l'utilisation, dans le circuit d'élaboration du signal proportionnel à l'échauffement de la machine, d'un commutateur électronique qui permet l'économie de plusieurs composants du circuit par rapport au schéma classique. L'invention a pour objet un relais à image thermique pour la protection d'une machine triphasée, comprenant un circuit d'élaboration d'un signal image de l'échauffement de la machine ayant une constante de temps thermique K, et un intégrateur auquel ledit signal est appliqué, caractérisé par le fait que l'intégrateur comprend un amplificateur opérationnel ayant une entrés négative et une sortie, un condensateur de valeur C étant connecté entre ladite entrée négative et ladite sortie, ladite sortie étant également reliée à ladite entrée négative par un circuit comprenant, en série, un compteurdécompteur, à deux entrées et N sorties, un convertisseur numérique analogique et une résistance R, les deux entrées du compteur décompteur étant reliées chacune à la sortie de l'amplificateur opérationnel respectivement à travers un circuit à seuil haut et un circuit à seuil bas, lesdits circuits à seuil commandant lorsque le seuil est atteint la remise à zéro de l'intégrateur, les valeurs R, C, N et K étant reliées par la relation 2N RC peu différent de K. L'invention sera maintenant précisée par la description d'un mode préféré de réalisation de l'invention en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma par blocs du relais de l'invention - la figure 2 est m diagramme illustrant le fonctionnement du relais. - la figure 3 est un schéma détaillé du circuit d'élaboration du signal proportionnel à l'échauffement de la machine - La figure 4 est un schéma détaillé de l'intégrateur électronique. La figure 1 est un schéma par blocs du relais de l'invention dans lequel le rectangle 1 représente un circuit élaborant, à partir des courants de phase de la machine à surveiller, un signal proportionnel à l'échauffement de la machine. Un tel circuit sera décrit en détail en référence à la figure 2. Le ci.rcuit intégrateur exponentiel qui suit le circuit 1 comprend un amplificateur opérationnel 2. Entre Entrée négative de l'amplificateur opérationnel et sa sortie est disposé un condensateur 3 de capacité C. A la sortie de l'amplificateur opérationnel, on trouve un compteur-décompteur numérique 4 à 2 entrées (une entrée de comptage 5 et une entrée de dé comptage 6) et N sorties (ici, huit sorties). Ce compteur décompteur est relié à la sortie de l'amplificateur par l'intermédiaire de deux circuits à seuil 7et 8, disposés respectivement en amont des entrées 5 et 6. Les sorties du compteur-décompteur sont reliées à 11 entrée d'un convertisseur digital analogique dont la sortie est reliée à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel par l'intermédiaire d'une résistance 10 de valeur R. Un interrupteur 11, commandé par les circuits à seuil 7 et 8 permet de remettre l'intégrateur à zéro lorsque l'un ou l'autre des seuils est atteint. Un indicateur 12 (voltmètre gradué en température par exemple) et un système de déclenchement 13 complètent, de manière connue, le relais thermique. Le relais fonctionne de la manière suivante : en période d'échauffement de la machine, le signal fourni par le circuit 1 est intégré et le compteur 4, alimenté par son entrée du comptage 5 par le circuit à seuil haut 7, voit son contenu croître en fonction du temps. Le signal S représentatif de l'échauffement de la machine est disponible à la sortie du convertisseur. La partie gauche du diagramme de la figure 2 montre, en fonction du temps t, l'évolution de l'échauffement S de la machine lorsque la puissance W de la machine est constante. Lorsque la puissance W disparait, ie signal du circuit 1 disparait. La phase de refroidissement de la machine commence : le condensateur 3 se charge en inverse, et le compteur-décompteur: alimenté sur son entrée décomptage 6 par le circuit à seuil bas 8, voit son contenu décroître. La partie droite du diagramme de la figure 2 montre la décroissance exponentielle du signal représentatif de ltéchauffement de la machine. Cette décroissance exponentielle, plus proche de la réalité que la décroissance linéaire des relais de type connu, est très bénéfique. En effet, le relais peut contrôler un très grand nombre de cycles d'échauffement et de refroidissement de la machine sans avoir besoin d'être recalé, ce qui n'est pas le cas pour un relais ayant un intégrateur à décroissance linéaire. Il est avantageux de choisir les valeurs de R, C, N de telle sorte N que le produit 2N RC soit au moins égal à la constante de temps thermique K de celle des machines à surveiller ayant la constante de temps la plus élevée. Cette relation s'entend bien entendu pour l'utilisation d'un compteur binaire à N sorties. Si on utilise un compteur à décades à N sorties, c' est la relation 10N RC peu-différent de K qu'il convient d'utiliser. Le condensateur 3 peut être réalisé sous forme de- boites à'décades de manière à pouvoir afficher, aux fins d'essais, un sous-multiple commode de la valeur réelle du condensateur (par exemple C/1000). La figure 3 représente un mode de réalisation détaillé du bloc 1 de la figure 1, qui fournit un signal P proportionnel à la puissance W de la machine. Il comprend deux transformateurs T1 et T2 dont les primaires sont respectivement traversés par les courants de deux des phases de la machine à protéger. Le secondaire du transformateur T1 est relié à une première diagonale A B d'un pont comprenant des résistances 21, 22 et 23 et une capacité 24. Le secondaire de T2 est relié à l'autre diagonale C D dudit pont. L'image de la composante directe du courant est obtenue en sortie d'un amplificateur opérationnel 30 alimenté sur sa borne négative par une tension prélevée aux bornes de la résistance 21 à travers un transformateur T3 et me résistance 19. L'amplificateur 30 est contreréactionné par un condensateur 31, une résistance 32 et deux diodes 33 et 34. L'image de la composante inverse du courant est obtenue en sortie d'un amplificateur opérationnel 40 alimenté sur sa sortie négative, à travers une résistance ajustable 39, par la tension du point B du pont précité. L'amplificateur opérationnel est contreréactionné par un condensateur 41, une résistance 42 et deux diodes 43 et 44. La résistance 39 sert à ajuster le coefficient multiplicateur k qui intervient dans la formule de l'image thermique. En sortie des amplificateurs thermiques on dispose de tensions respectivement proportionnelles à I1 et I2, avec I1 composante directe du courant de la machine et 12 composante inverse. Ces tensions sont envoyées sur un interrupteur électronique 50, par exemple du type commercialisé par la société RCA sous la référence CD 4016 A, et fonctionnant à 1000 Hz environ. Grâce à cet interrupteur, on n'utilise en sortie qu'un seul élévateur au carré. Ce dernier, précédé d'un adaptateur d'impédance 52 et d'une résistance de réglage de seuil de constante de temps 53, est constitué d'un amplificateur opérationnel 54 attaqué sur sa borne négative par une résistance 55 et contreréactionné par deux transistors 56 et 57 montés en diodes. Un transistor 58 complète l'élévateur au carré. Le signal au point "P" est proportionnel à la quantité I12 + k I2 , dans laquelle I1 est la composante directe du courant de la machine, 12 la composante inverse et k un coefficient réglable par la résistance 39, et voisin de 3. La figure 4 représente un mode détaillé de réalisation de l'intégrateur. Les éléments communs aux figures 1 et 4 ont reçu les mêmes numéros de référence. Les transistors lia et 11 b servent à la remise à zéro de l'intégrateur. Les détecteurs de seuil 7 et 8 comprennent chacun un amplificateur opérationnel (70, 80), des circuits NON-OU (71, 72, 81, 82), des diodes (73, 83) pour éviter toute instabilité au niveau du seuil, en série avec des résistances (74, 84), et des résistances (75, 85) de réglage de la valeur du seuil. Le compteur-décompteur 4 et le convertisseur digital-analogique 9 sont des articles du commerce en technique intégrée (par exemple compteur commercialisé sour la référence CD 40193 A par la société RCA). Le signal de sortie du relais est disponible au point S, en sortie d'un amplificateur 90 servant d'adaptateur de niveau de tension. Des moyens sont prévus pour que, lorsque le compteur a atteint sa capacité maximale, il ne repasse pas à zéro. On utilise par exemple un circuit ET, référencé 88, disposé sur l'entrée de comptage 5 et recevant un signal de la borne report 89 (borne carry out) du compteur-décompteur 4. Un moyen analogue non représenté est disposé si nécessaire sur l'entrée de comptage 6. REVENDICATIONS 1/ Relais à image thermique pour la protection d'une machine triphasée, comprenant un circuit d'élaboration d'un signal image de l'échauffement de la machine ayant une constante de temps thermique K, et un intégrateur auquel ledit signal est appliqué, caractérisé par le fait que l'intégrateur comprend un amplificateur opérationnel ayant une entrée négative et une sortie, un condensateur de valeur C étant connecté entre ladite entrée négative et ladite sortie, ladite sortie étant également reliée à ladite entrée négative par un circuit comprenant, en série, un compteur-décompteur, à deux entrées et N sorties, un convertisseur numérique analogique et une résistance R, les deux entrées du compteur-décompteur étant reliées chacune à la sortie de l'amplificateur opérationnel respectivement à travers un circuit à seuil haut et un circuit à seuil bas, lesdits circuits à seuil coBnandant lorsque le seuil est atteint la remise à zéro de l'intégrateur, les valeurs R, C, N et K étant reliées par la relation 2N RC peu différent de K, lorsque le N compteur-décompteur est du type binaire et par la relation 10N RC peu différent de K lorsqu'il est décimal. 2/ Relais à image thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit d'élaboration d'un signal image de l'échauffement de la machine comprend un circuit fournissant respectivement sur deux sorties une image de la composante directe du courant de la machine et une image de la composante inverse dudit courant, les deux sorties étant reliées à un commutateur électronique ayant une sortie reliée à un circuit élévateur au carré. 3/ Relais selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le condensateur est réalisé sous la forme d'une boite à décades.