Brevet FR2447627A1 — publié le 19800822

La présente invention a pour objet un dispuaitif de sécurité pour la détection d'un défaut d'isolement électrique, du circuit d'aiimentation électrique du (ou des) récepteurts) à protéger et dos organes Electriques du dit récepteur. 0e façon plus précise, l'invention boncarne un circuit de détection qui est monte sur le réseau d'alimentation de puissance d'une machine électrique pour détester un éventuel défaut d'isolement dans l'alimentation de cette machine et assurer ainsi la protection de l'utilisateur par interruption de cette alimentation électrique et déclenchement d'un signal indiquant la présence de ce défaut, et donc subsidiairement la protection de cette machine. On connait déjà des dispositifs de ce type, par exemple celui qui est décrit et revendiqué dans la demande de brevet français n0 75 03653 qui concerne un dispositif comprenant un circuit de surveillance maintenu en permanence sous une tension continue fournie par le secondaire d::un transformateur dont le primaire est branche sur le circuit d'alimentation de la machine et qui est caractérisé en ce que cette tension est appliquée aux bornes d'un relais qui coupe la puissance sur la machine dès qu'il est attaque par le courant de base d'un transistor équipé de façon à devenir conducteur dès qu'une différence de potentiel apparaît aux bornes d'une résistance de grande valeur montée entre le circuit de base et le circuit émetteur cette resistance étant calculée de façon que le courant de base soit pratiquement egal au courant de courtscircuit, le transistor polarisé devenant conducteur et le restant aussi longtemps que dure le court-circuit. Selon d'autres perfectionnements apportes à cette invention, il est prevu l'adjonction de patentiomètre de reglage montés en parallele par rapport a la résistance de grande valeur qui permet de régler le seuil de dCcîenche- ment de ce dispositif de sécurité, Un -tel dispositif, tout en assurant doja une bunne sécurite, présente cependant un certain nombre de défauts. D'une parut, il ne prend en compte que les défauts d'isolement sur les conducteurs de phase dans le cas d'une alimentation polyphasée. Or, le conducteur du neutre constitue en fait également un conducteur actif et un défaut d'isolement sur ce conducteur n'est pas pris en compte. Par ailleurs, si plusieurs moteurs sont utilises dans une même installation industrielle, compte tenu du fait que toutes les masses sont reliées entre elles, un défaut dfisolement relatif à un moteur ou à une des installations électriques provoquera le déclenchement de tous les dispositifs branchés sur chacun des moteurs et donc l'arrêt de tous ces moteurs.Il est évident qu'une telle disposition est peu intéressante du point de vue économique Il faut noter en outre que du fait de la présence en parallèle de la résistance de valeur élevée, et du potentiomètre de réglage du seuil de déclenchement, la courhe reliant le défaut d'isolement à la position du potentiomètre n'est nullement linéaire. Pratiquement, la pente de cette courbe dans la région réellement intéressante pour le réglage est très importante. Cela implique qu'il n'existe pratiquement pas de possibilités de réglage. Selon une autre caractéristique de l'invention décrite ci-dessus, il existe une possibilité de réarmement automatique du dispositif. Cependant. compte tenu de la façon dont est prévu le réarmement automatique, celui-ct est prioritaire par rapport à la détection d'un défaut. En d'autres termes, on ré enclenche le circuit d'alimentation même si le défaut subsiste. On comprend que cette disposition entratne un fonctionnement avec battement du relais de commande de la coupure du circuit d'alimentation de puissance, ce qui est préjudiciable à la durée de vie du relais. La présente invention a précisément pour objet un dispositif de sécurité monté sur l'alimentation électrique d'une machine électrique qui pallie les inconvénients cites ci-dessus. En particulier, le dispositif objet de l'invention permet une sélectivité du déclenchement du dispositif, c' est comportant effectivement un défaut. De plus, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir un temps de réponse de ce dispositif qui est de l'ordre de 15 ms, ce qui assure effectivement la protection des utilisateurs de la machine électrique conformément aux normes en vigueur. Pour obtenir ces résultats, le dispositif de protection contre les défauts d'isolement d'une machine électrique alimentée par un circuit de puissance comportant au moins deux fils d'alimentation, et comportant une terre et une masse se caractérise en ce qu'il comprend - des moyens pour réaliser un point de référence de potentiels ce point étant le point commun d'au moins deux résistances montées en étoile, l'autre borne de chaque rés-istance étant reliée à chacun des fils d'alimentation - des moyens pour convertir la tension entre ledit point de référence et le point commun à la terre et à la masse en un courant continu proportionnel à ladite tension et des moyens de réglage pour faire varier ledit rapport de proportionnalité - un amplificateur monté à la sortie desdits moyens de con version et de réglage ;; - un circuit à seuil apte à délivrer un signal de détection si le courant délivré par ledit circuit est supérieur à un seuil donné; - un circuit de sortie apte à couper éventuellement ladite alimentation de puissance lorsqu'apparait le signal de dé tection - des moyens de réarmement manuels ou automatiques du dispo sitif consistant en une liaison électrique entre la sortie du circuit à seuil et une entrée de l'amplificateur, et - un capteur de courant monté sur le fil de masse et relié à une entrée dudit amplificateur. Dans le cas ou l'alimentation est monophasée, les deux fils d'alimentation sont constitués par le fil de phase et le neutre. Dans le cas d'une alimentation triphasée, les fils d'alimentation en question sont les trois fils de phase Dans ce dernier cas, on peut également effectuer une détection de defaut d'isolement sur le neutre isolé en faisant un montage "en étoile1, entre le neutre et un fil de phase. On prévoit alors un deuxième enseroble de moyens de conversion et de variation du rapport de proportionnalité branché entre le deuxième montage en "étoilez et la terre. Lasortie de ces deuxièmes moyens est appliquée également à l'entrée de l'amplificateur, De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'un mode préféré de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, un schéma sous forme de bloc diagramme de l'ensemble du dispositif illustrant les principales fonctions qu'il comporte, et - sur la figure 2, une vue plus détaillée représentant un mode concret de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur la figure X, on a représenté l'ensemble du dispositif dans le cas ou il est monté sur le circuit d'alimentation électrique d'une machine (non représentée) par une ligne triphasée comportant un neutre isolé. Dans ce mode de réalisation, le dispositif permet d'assurer une détection d'un défautd'isolement sur les fils de phase proprement dits, mais également sur le conducteur neutre considéré comme un conducteur actif En autre bien entendu, la machine à protéger comporte une prise de masse et une terre, Le dispositif objet de l'invention comporte tout d'abord trois résistances Ra, R2 et R3 montées en étoile avec un point commun A, chaque résistance étant montée sur un fil de phase d'alimentation, ces fils de phase n'étant pas représentés. (Cependant, les références 1, 2 et 3 symbolisent ces fils de phase3 Le point A constitue ainsi un point de référence de potentiel De préférence, les résistances Rs, R2 et R3 ont la même valeur, mais cela n'est pas nécessaire. Un ensemble de mise en forme et de réglage de seuil portant la référence B est monté entre le point commun A et le point C commun à la masse, (par exemple la masse machine) et au fil de terre. La sortie du circuit B est appliquée à l'entrée d'un amplificateur de courant O dont la sortie est elle-même appliquée à l'entrée d'un circuit E de détection d'un seuil. Ce circuit de détection E émet un signal I si le courant appliqué à son entrée est supérieur au seuil considéré et ce courant I est appliqué à un circuit de sortie S ainsi qu'à un ensemhle de signalisation S'. Cet ensemhle de sortie S et cet ensemble de signalisation S' seront décrits plus en détail ultérieurement. On peut cependant indiquer que le circuit de sortie sera par exemple une commande relais qui viendra couper l'alimentation électrique de la machine lorsqu'on a détecté la présence d'un défaut d'isolement et l'ensemble de signalisation S' sera par exemple un voyant lumineux ou un klaxon. Comme on l'a indiqué, dans le dispositif objet de l'invention, on peut également détecter un défaut d'isolement sur le neutre. Pour cela, les résistances R4 et R sont montées avec un point commun F, l'une des bornes de chacune des résistances R4 et R étant reliée respectivement au fil de neutre référencé N et à l'une des phases 1, 2 ou 3. Un deuxième circuit B' de mise en forme et de réglage de seuil est relié respectivement au point commun F et au point commun C. La sortie 61 du circuit B' est raccordée à la sortie du circuit B. Comme on l'a déjà indiqué, le dispositif permet, lorsque plusieurs machines électriques sont montées par exemple dans un même atelier avec des terres reliées de distinguer sur quelle machine se produit le défaut d'isolement. pour cela, on monte sur le fil de masse G un circuit H de détection de courant. La sortie de ce circuit de détection H est appliquée en J à la sortie du circuit B de mise en forme et de réglage de seuil. Ainsi, en cas de défaut, le dispositif de sécurité ne sera déclenché que si l'on détecte effectivement le passage d'un courant dans le fil de masse G, c'est-à-dire Si c'est effectivement sur cette machine que se produit le défaut. Le circuit objet de l'invention comporte également des moyens de réenclenchement après la détection d'un défaut. Cependant, comme on l'a indiqué précédemment, le dispositif est tel qu'il y ait priorité de la détection d'un défaut sur tordre de réenclenchement. En d'autres termes, le Yéenclen- chement ne peut persister que si le défaut a été éliminé. Le circuit de réenclenchement est essentiellement constitué par le conducteur L qui raccorde la sortie du circuit de détec- tion de seuil E à l'entrée de l'amplificateur D. Ce conducteur L comporte un interrupteur R servant au réenclenchement manuel. En fait, le dispositif peut comporter également. un circuit de réenclenchement ou de réarmement automatique M. Un commutateur K permet de passer de la position de réarmement manuel (ligne L) à la position de réarmement automatique. Lorsque l'organe de sortie S a provoqué la coupure de l'alimentation électrique de la machine après la détection d'un défaut, la ligne L assure un auto-entretien du signal de défaut. Cette ligne L n'est interrompue que lors des tentatives de réarmement du circuit par l'interrupteur R. Quant au dispositif de réarmement automatique V, il est également essentiellement constitué par l'interrupteur commandé automatiquement et associé à un circuit de temporisation et à un compteur qui permet de limiter à un nombre choisi et prédéterminé le nombre des réarmements possibles. Le fonctionnement du circuit décrit en liaison avec la figure 1 est le suivant. En l'absence de défaut d'isolement, il existe d'une part entre le point A et le point C et d'autre part, entre les points F et C des différences de potentiels telles que compte tenu du réglage de seuil assuré par les circuits B et B', le circuit de détection E ne détecte aucun signal, c'est-à-dire que les courants délivrés par les circuits B et B' correspondant aux tensions relevées, sont inférieurs au seuil tel qu'il a été réglé. En d'autres termes, le circuit E ne délivre pas de courant I de détection. Lorsqu'il apparait un défaut d'isolement, le potentiel du point C varie. La différence de potentiel entre les points A et C varie donc et à la sortie du dispositif D, il apparaît un courant continu qui va être supérieur au seuil réglé. En conséquence, il apparaîtra un courant I de détection à la sortie du circuit E et le dispositif de sortie S sera activé assurant ainsi l'ouverture du circuit d'alimentation de puissance.On comprend cependant, que en dehors des réarme ment s, la boucle constituée par le conducteur L assure l'auto entretien du signal d'erreurs, Bien entendu, s'il existait un défaut d'isolement sur le neutre, c'est le circuit B' de mise en forme et de réglage de seuil qui délivrerait un courant supérieur au seuil et donc détecté par le circuit E. Comme on l'a déjà indiqué, s'il existait un défaut d'isolement sur l'alimentation d'une machine, les terres étant équipotentielles pour les différentes machines d'un meme atelier, les différents dispositifs de sécurité montés sur chacune de ces machines risqueraient de déclencher. Cependant, le seuil de détection est tel qu'il ne soit dépassé que si le circuit de détection de courant H émet également un signal, c'est-à-dire seulement s'il circule effectivement un courant dans le fil de masse G. Dans ces circonstances, on obtiendra bien un déclenchement du dispositif seulement- pour la machine présentant un défaut. Le signal délivré par'le capteur H joue donc le rôle de signal d'autorisation de déclenchement du dispositif en cas de détection d'un défaut d'isolement. On va maintenant décrire plus en détail, en se référant à la figure 2, les différents circuits déjà décrits d'une façon générale en liaison avec la figure 1. Sur cette figure; on a représenté un mode préféré de réalisation de l'invention. On a bien sOr repris les références déjà utilisées dans la figure 1 pour désigner les parties communies On voit que lrensemble de mise en forme et de réglage du seuil 6 est constitué par un circuit redresseur P (par exemple un pont à diode) dont les entrées sont montées entre le point A et le point C, comme cela est expliqué précédemment. Les sorties positive et négative de ce pont redresseur P sont reliées à un point commun P1 par l'intermédiaire des résistances Rb fixe et Ra qui est variable. Le point commun P1 est relié à l'entrée D1 du circuit amplificateur D. De préférence, on place une diode de protection da entre les points Pi et D1. Les résistances R a et Rh servent à régler le rapport de conversion tension courant et donc le seuil qui sera ultérieurement détecté par le circuit de détection de seuil E. En d'autres termes, ces résistances R a et Rb servent à faire varier et à adapter la valeur du courant de défaut sortant du pont redresseur P.Ce pont redresseur est nécessaire puisque l'alimentation électrique peut être alternative alors que le circuit de protection ne fonctionne qu'en courant continu. Comme on le voit sur la figure, le courant qui sort du circuit au point P1 et qui est appliqué a l'amplificateur est une fonction linéaire de la résistance Ra On voit donc qu'on pourra régler le seuil de détection en jouant sur le potentiomètre de commande de la résistance Ra . Le circuit de mise en forme et de réglage de seuil 6' est identique au circuit 6, c'est-à-dire que l'on retrouve le pont redresseur P' monté entre les points F et C, les sorties positive et négative du pont redresseur sont raccordées à un point commun Pj par l'intermédiaire des résistances R' fixe et R' a variable, le point commun P' étant relié à l'entrée D1 de l'amplificateur O par l'intermédiaire d'une diode de protection d2. Le réglage de seuil relatif au neutre présente bien sûr le même caractère de linéarité.De façon connue, l'amplificateur D est constitué par un transistor à jonction T, dont la base est reliée au point D1 par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation. Les bornes d'émetteur et de collecteur du transistor T1 sont reliées à l'entrée du circuit de détection de seuil E. Celui-ci est réalisé par exemple de façon connue par les transistors T2 e t T3 > le collecteur C du transistor T3 constituant la sortie de ce circuit de seuil. On trouve bien sOr également des résistances de polarisation des transistors R6 > R7, Rg. La sortie C3 du circuit de détecte tion de seuil est reliée à l'entrée du relais r de commande d'un relais capable, éventuellement comme on l'a indiqué, d'ouvrir le circuit d'alimentation triphasé de la machine protégée par le dispositif présentement décrit. Ce relais est par exemple électromagnétique à enroulement. Bien entendu, le circuit de détection comporte sa propre alimentation électrique AE. On a représenté également sur cette figure 2. > le conducteur L qui permet le réarmement manuel avec son interrupteur R. La ligne L relie l'entrée de l'amplificateur, c'est-à-dire la base du transistor Ta à la sortie de collecteur Cg du circuit à seuil. Sur la figure on n' a pas représenté le cirçuit de réarmement automatique. Comme on l'a également indiqué, on trouve entre la masse, par exemple la masse machine > et le point C un circuit de détection de courant H. Par exemple, ce circuit est constitué par un transformateur d'intensité C1. La sortie de ce transformateur est reliée, comme on l'a indiqué déjà > à la base du transistor T1 constituant le circuit d'amplification. il va de soi que le détecteur de courant qui est ici constitué par le transformateur d'intensité C1 pourrait être remplacé par un autre dispositif tel que par exemple une sonde à effet Hall ou tout autre capteur de courant. De même, il va de soi que l'amplificateur O pourrait avoir une structure différente et être par exemple constitué par un amplificateur opérationnel. Ce même, le circuit à seuil E pourraît être réalisé par un circuit intégré du commerce qui délivre un courant lorsqu'il reçoit sur son entrée un courant supérieur à un seuil donné. La mise en oeuvre du dispositif pour protéger une machine est très simple. Après branchement du dispositif de détection pour régler, par exemple le seuil de déclenchement relatif aux conducteurs d'alimentation triphasée, on agit sur le potentiomètre constituant la résistance R lorsque le circuit est dépourvu de défaut, jusqu'à ce qu'on obtienne le déclenchement du dispositif. Cette position du potentiomètre correspond à l'isolement normal de la ligne d'alimentation. Ensuite, on tourne le potentiomètre à partir de cette position pour régler le seuil de déclenchement et éviter ainsi des déclenchements intempestifs. Bien entendus on procéderait exactement de la même façon pour la ligne de neutre. On voit que ce réglage est particulièrement simple. Il faut également remarquer que le dispositif objet de l'invention présente un temps de réponse très faible inférieur ou égal à 15 ms quels que soient les types de défauts. Ce temps de réponse faible est dû au fait que l'on n'utilise aucune capacité dans le circuit. Ce temps est en fait prati quement fixé par la constante de temps du relais telle dépend de la nature de celui-ci) et par la valeur de seuil fixé, De toute manière, ce temps de réponse est largement compatible avec les narmes de sûreté ixses. En effet, le temps maximal de déclenchement doit décroitre avec l'importance du défaut d'isolement. On comprend que si le défaut augmente, le courant de défaut appliqué au circuit de seuil croît plus rapidement avec le temps et le temps de réponse du circuit à seuil est ainsi diminué. En outre, le dispositif objet de l'invention a une sensibilité parfaitement adaptée aux défauts d'isolement d'usage courant de O à 500 kQ. Cette sensibilité est obtenue essentiellement du fait qu'on utilise une détection en courant du défaut d'isolement entre le point de référence A (ou F) et la terre. ce qui permet de s'affranchir des fluctuations normales de tension apparaissant sur la ligne d'alimentation de puissance en l'absence de défaut d'isolement. De plus, le dispositif de détection peut être utilise pour la protection d'une alimentation monophasée. Dans ce cas, le circuit B de mise en forme et de réglage de seuil est supprimé. Il n'existe que le circuit B', le reste du dispositif demeurant. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre les défauts d'isolement d'une machine électrique alimentée par un circuit de puissance comportant au moins deux fils d'alimentation, et comportant une terre et une masse, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour réaliser un point de référence de potentiel, ce point étant le point commun d'au moins deux résistances montées en étoile, l'autre borne de chaque résistance étant reliée à l'un des fils d'alimentation ;; - des moyens pour convertir la tension entre ledit point de référence et le point commun à la terre et à la masse en un courant continu proportionnel à ladite tension et des moyens de réglage pour faire varier ledit rapport de proportionnalité - un amplificateur monté à la sortie desdits moyens de conversion et de réglage - un circuit à seuil apte à délivrer-un signal de détection si le courant délivré par ledit circuit est supérieur à un seuil donné ; - un circuit de sortie apte à couper ladite alimentation de puissance lorsqu'apparaSt le signal de détection - des moyens de réarmement du dispositif consistant en un con ducteur électrique reliant la sortie du circuit à seuil à l'entrée de l'amplificateur et comportant un interrupteur, et - un capteur de courant monté sur le fil de masse et relié à l'entrée dudit amplificateur. 2. Dispositif selon la revendication 1Z caractérisé en ce que le circuit de puissance comprend un fil de phase et un fil de neutre, le point de référence étant relié à ces deux fils 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de puissance est triphasé et en ce que le point de référence est relié aux trois fils dudit circuit de puissance. 4. Dispasitif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de puissance est triphasé et comprend un fil de neutre ledit montage en étoile étant relié audit fil de phase. ledit dispositif comprenant en outre des deuxièmes moyens pour réaliser un deuxième point de référence de potentiel, ce point étant le point commun à- deux résistances dont les autres bornes sont reliées à l'un des fils de phase et au fil de neutre, et des deuxièmes moyens pour convertir la tension entre ledit deuxième point de référence et le point commun à la terre et à la masse en un courant proportionnel à ladite tension et des deuxièmes moyens de réglage pour faire varier ledit rapport de proportionnalité, la sortie desdits deuxièmes moyens étant reliée à l'entrée dudit amplificateur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou chacun des dits moyens de conversion et de réglage consiste en un circuit redresseur dont les bornes d'entrée sont respectivement reliées à ladite terre et audit point ou à l'un desdits points de référence et dont les bornes de sortie sont reliées à un point commun par l'intermédiaire respectivement d'une résistance fixe et d'une résistance variable, ledit point commun étant relié à l'entrée dudit amplificateur.