Brevet FR2445083A1 — publié le 19800718

On sait que les appareils à accumulation fonctionnant à 1' électricité sont classiquement enclenchés au moment du passage heures pleines/heures creuses. Or, la simultanéité des enclenchements d'un grand nombre d'appareils pose au distributeur le double problème d'une montée en puissance rapide que les organes de production ont du mal à suivre et d'une pointe de puissance absolue sur la journée au niveau de certains postes due distribution. On a déjà cherché à parer à cette difficulté en créant des dispositifs dits de régulation de charge tendant à étaler les enclenchements pendant la période nocturne : la charge des appareils est reculée ainsi en fin de période d'heures creuses. Les dispositifs actuellement connus mettant en oeuvre cette technique de régulation dite "régressive" utilisent en général trois paramètres ; la température extérieure, la charge résiduelle des appareils et le temps : pour une meme température extérieure, l'appareil ayant la moindre chaleur résiduelle est enclenché le premier, les autres s'enclenchent ultérieurement et c'est le top marquant la fin des heures creuses qui coupe l'alimentation des appareils. Ces dispositifs connus sont sontcentralisés et peuvent commander jusqu'à cent accumulateurs ou davantage. Leur prix d'achat élevé ne peut justifier que la commande de toute une installation comportant plusieurs appareils. Leur encombrement ne permet pas d' envisager l'intégration dans un appareil isolé. Leur relative complexité et la présence d'organe en mouvement conduisent à une fiabilité douteuse, De plus, on ne connaît pas de dispositif de régulation adaptable aux chauffe-eau. La présente invention a pour objet un dispositif décaleur de charge mettant en oeuvre la technique ci-dessus évoquée de régulation régressive mais offrant une structure compacte et un prix de revient modéré permettant l'association du dispositif à un appareil individuel, voire l'intégration dans celui-ci. Un autre objet de l'invention est un tel dispositif adaptable aux chauffe-eau de construction courante. L'invention vise encore la possibilité pour l'usager d'un réglage à volonté de l'énergie accumulée en fin de charge, en particulier de la température de l'eau dans le cas d'un chauffe-eau. Un objet additionnel de l'invention est de rendre le dispositif insensible aux pannes de secteur de durées n'excédant pas une valeur de l'ordre d'une heure. Selon des dispositions générales déjà mises en oeuvre dans les dispositifs antérieurs, le retard de l'enclenchement est défini en fonction d'un signal de simulation de l'énergie accumulable qui diminue régulièrement du début vers la fin de la période d'heures creuses, d'un signal représentatif de l'énergie accumulée résiduelle et enfin d'un troisième signal représentant un maximum déterminé que doit atteindre l'énergie accumulée en fin de période d'heures creuses. Selon l'invention ces trois signaux sont constitués, pour un appareil donné, par des tensions électriques respectivement élaborées par un générateur de rampe à variation sensiblement linéaire en fonction du temps, par un moyen thermométrique adapté à délivrer une tension sensiblement proportionnelle à la température prélevée en un point choisi de l'appareil et par un moyen d' élaboration d'une tension proportionnelle à une valeur maximale désirée de cette température en fin de charge, l'enclenchement étant commandé au moyen d'un comparateur recevant sur deux entrées respectives, d'une part, la tension délivrée par ledit générateur de rampe, et d'autre part, une combinaison des deux autres tensions. Le dispositif ainsi conçu permet d'atteindre les objectifs ci-dessus indiqués de l'invention en se prêtant à une réalisation entièrement électronique d'un encombrement et d'un cott suffisamment faible pour rendre techniquement et économiquement possible son incorporation dans un appareil individuel qui peut etre un poele à accumulation ou un simple chauffe-eau. Une simplification importante résulte notamment de la représentation de l'énergie accumulée, en particulier de l'énergie résiduelle de l'appareil, par une tension proportionnelle à la température prélevée en un point choisi de l'appareil ; dans le cas d'un chauffe-eau ce point se situe, selon une caractéristique de l'invention, aux deux cinquièmes environ de la hauteur du ballon. La charge maximale désirée est de son cdté représentée alors par une tension semblable qui peut etre très simplement obtenue au moyen d'un potentiomètre susceptible d'entre associé à un bouton d'affichage de ladite charge, celle-ci se définissant donc par une valeur de température. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma bloc d'un appareil selon l'inven tion ; la figure 2 est un diagramme explicatif du fonctionnement ; la figure 3 est un schéma électrique d'un exemple de réali sation. Suivant le schéma de principe de la figure 1, un appareil de chauffage à accumulation, tel qu'un chauffe-eau, indiqué en 1 est alimenté par le secteur en monophasé entre une phase P et le neu tre N, par l'intermédiaire du contact 2 d'un disjoncteur 3. L'appareil est équipé d'une sonde thermométrique 4 faisant partie d' un circuit 5 adapté à produire une tension dite thermométrique Ve qui est fonction d'une part, de la température mesurée en 4, et d'autre part, de la position d'un moyen 6 d'affichage d'une température désirée en fin de charge eF dite température de consigne. La tension thermométrique Ve est appliquée à l'une des entrées d'un comparateur 7 dont la seconde entrée est raccordée à un générateur de rampe 8 par l'intermédiaire d'un circuit 9 de mémorisa- tion et de remise à zéro. Le disjoncteur 3 est relié à la sortie du comparateur 7 par l'intermédiaire d'un amplificateur de puis sance 10. Un bloc d'alimentation A délivre différentes tensions continues nécessaires pour le fonctionnement des organes précités, ce bloc d'alimentation étant lui-mCme avantageusement alimenté en alternatif par la phase pilote PP qui est classiquement commandée par une horloge ou un relais de sorte que la tension n'y est établie que pendant les périodes d'heures creuses. Pour l'examen du fonctionnement du dispositif ainsi constitué, on se référera au diagramme de la figure 2 où lton voit, à droite, une courbe, de préférence linéaire, représentant les variations de la tension de rampe VR en fonction du temps, et, à gauche, les variations - dé préférence également linéaires - de la tension thermométrique Ve en fonction de la température Q détectée par la sonde thermométrique 4, La tension de rampe VR est élaborée pendant la période d'heu res creuses qui commence couramment à 22 h pour se terminer à 6 h. Partant d'une valeur initiale nulle elle croit (éventuellement avec un certain retard, comme on le verra ci-après) de préférence liné airement pour atteindre en fin de période d'heures creuses, donc au bout de huit heures, une certaine valeur de plafond M. La tension thermométrique est de son cOté constituée par la somme de deux tensions partielles élaborées dans le circuit 5, à savoir une première tension V1 proportionnelle à la température détectée par la sonde 4 et une seconde tension V2 qui est proportionnelle à l'écart entre la température maximale de fin de charge et la température de consigne. Lorsque la température de consigne affichée en 6 est égale à la température maximale, cette seconde tension est nulle, Le comparateur 7 est adapté à provoquer l'enclenchement du disjoncteur 3 à partir du moment où la tension de rampe VR de vient.égale à la tension thermométrique Ve .Ainsi, par exemple, pour une valeur de 400C de la température résiduelle détectée par la sonde 4, l'enclenchement se produira respectivement aux instants tl, t2 et t3 pour les températures de consigne de 90, de 70 ou de 5O0C et les temps de charge correspondants sont respectivement visibles en Tl, T2 et T3. Le circuit 9 de mémorisation et de remise à zéro intervient dans tous les cas en fin de période d'heures creuses pour assurer la remise à zéro de la tension de rampe, tandis qu'en cas de panne de secteur pendant ladite période il assure la conservation du niveau atteint par la rampe. En cas d'interruption du secteur à un instant tx, par exemple, et rétablissement à un instant tx', la tension de rampe conserve sa valeur acquise en A et reprend sa montée de B jusqu'S un niveau final C : le temps de charge effective se trouve raccourci de la durée de l'interruption seulement, alors que si la tension de rampe devait recommencer son ascension à partir de zéro, par exemple selon A'B', le temps de charge se trouverait réduit en plus de toute la durée nécessaire pour le retour de la tension de rampe au niveau A, te schéma de la figure 3 montre un exemple de réalisation d'un dispositif ainsi conçu. On y trouve tout d'abord le générateur de rampe comportant un relaxateur astable 21 de montage classique adapté à provoquer alternativement le blocage et la saturation d'un transistor interrupteur 22 qui commande la charge d'un condensateur 23 à partir d'une borne d'alimentation 24 par une première résistance 25, d'une diode 26 et d'une seconde résistance 27. La tension de rampe VR est captée aux bornes du condensateur 23 ; elle s'établit par incréments distincts se produisant à chaque blocage du transistor 22. L'amplitude (M, fig. 2) de la tension de rampe peut etre ajustée en jouant sur les caractéristiques du relaxateur 21 au moyen, par exemple, d'une résistance variable 28 incorporée dans l'un des circuits de celui-ci. Le circuit de mémorisation et de remise à zéro de la rampe comporte un transistor à effet de champ (F E T) 30 dont les électrodes de source S et de drain D sont aux bornes du condensateur de rampe 23, tandis que la grille est au potentiel de charge d'un condensateur de mémorisation 31 relié à la borne 24 par une cascade de deux résistances 32, 33. Une diode Zener 34 limite la tension maximale de charge du condensateur 31 à une valeur appropriée compatible avec le bon fonctionnement du transistor à effet de champ. Ce transistor (à canal P) reste passant en l'absence de polarisation et assure ainsi par décharge du condensateur 23 la réunion et le maintien à zéro de la rampe en dehors des périodes de fonctionnement du dispositif A la mise sous tension le transistor 30 reste passant pendant le temps initial nécessaire pour que le potentiel de charge du condensateur de mémorisation 31 atteigne la valeur de coupure de la tension grille-source. Ce temps initial pendant lequel la rampe demeure remise à zéro peut etre choisi sans inconvénient de l'or dre d'une vingtaine de minutes une une constante de temps aussi éle- vée favorise la fonction de mémorisation de la rampe. En effet, lors d'une panne de secteur la capacité 31 permettra alors de conserver la polarisation de blocage du transistor pendant au moins une heure. En vue de cette fonction de mémorisation est prévu par ailleurs un relais 42 à deux contacts 42a et 42b qui sont représentés exposition de repos en l'absence d'alimentation ; le contact 42a permet alors la décharge lente du condensateur de mémorisation 31, tandis que le contact 42b évite la décharge du condensateur de rampe 23 dans le reste du circuit, La tension de rampe VR est appliquée en effet par l'intermédiaire de ce contact 42b à la base d'un transistor d'isolement 34 et par ce dernier à l'une des entrées d'un amplificateur opérationnel 35 constituant le comparateur 7 de la figure 1. Comme le montre le schéma, le relais 42 est alimenté en présence d'alimentation par l'intermédiaire d'un transistor interrupteur 33. La sonde thermométrique 4 de la figure 1 comporte dans l'exemple considéré une thermistance 36, tandis que le moyen d'affichage 6 de la température de consigne comporte un potentiomètre 37. Dans cet exemple de réalisation particulièrement simple et économique le circuit thermométrique 5 de la figure 1 se trouve réduit au montage en pont de deux éléments 36 et 37 sous une alimentation de 10 volts, la tension Ve étant captée à la jonction de ce pont pour entre appliquée à la seconde entrée du comparateur 7 constitué par l'amplificateur opérationnel. La thermistance 36 choisie est une résistance C T N de 18 kiloohms à 25C présentant sur une plage 800C une variation d'environ 37 kiloohms ; partant d'environ 35 kiloohms à 100C, sa valeur descend progressivement à environ 1 kiloohm à 900C. Cette variation s'écarte assez sensiblement de la linéarité mais l'expérience a montré que les écarts peuvent demeurer tolérables sans qu'il soit indispensable de prévoir des moyens de linéarisation. La résistance 37 est de son cOté constituée dans l'exemple choisi par un potentiomètre logarithmique étalonné de 47 kiloohms. L'alimentation sous 10 volts limite le courant (1,4 mX maximum) ce qui évite tout effet joule néfaste. Pour la température de cnnsigne maximale de 900C la valeur de la résistance R1 est réduite à un niveau de l'ordre de 6 kiloohms. Un chauffe-eau étant un appareil qui favorise les stratifications, il semblait difficile jusqu'à présent d'en déterminer l'état thermique avec un seul capteur de température. Or, il a été constaté qu'en plaçant le capteur de température en un point approprié la température lue varie linéairement avec les volumes soutirés. L'expérience montre que sur la majorité des appareils ce point approprié se situe aux deux cinquièmes environ de la hauteur totale du ballon d'eau chaude en partant de la base. Cette disposition a été trouvée satisfaisante dans le cas de ballons d'eau chaude cylindriques à axe vertical, le point choisi pour l'emplacement du capteur se situant alors le long d'une génératrice, éventuellement dans un doigt de gant placé verticalement à l'intérieur du ballon. Mais la meme disposition se vérifie également dans le cas de ballons cylindriques à axe horizontal, le point choisi se situant alors sur une circonférence de la cuve ou dans un doigt de gant placé verticalement à l'intérieur du ballon aux deux cinquièmes environ du diamètre vertical. Cette disposition de l'invention permet donc d'utiliser un seul capteur disposé à la hauteur choisie en surface de la cuve avec la possibilité de supprimer les doigts de gants spécialisés habituels. Mais une solution économique peut consister cepen dant à placer le capteur dans le doigt de gant dans les cas où un gant tel doigt de/ existe déjà pour loger le thermostat du chauffe-eau. La sortie de l'amplificateur opérationnel 7 commande le relais 3 par l'intermédiaire d'un transistor de puissance 38. Le relais s'enclenche, ferme le contact 2 (fig. 1 > et la charge s'effectue à partir du moment où la tension de rampe VR dépasse la tension thermométrique Ve, te dispositif réalisé selon la descrption précédente a été essayé en application à un chauffe-eau de type courant pour lequel la durée de charge nécessaire pour passer d'une température d'eau initiale de 100C à une température finale de 900C est d'environ 7 heures. L'appareil est classiquement équipé d'une commande par thermostat adapté à couper la charge lorsque la température de l'eau atteint la limite supérieure de 900C. Les essais ont permis de constater que dans cette forme de réalisation simplifiée des écarts prévisibles se produisaient par rapport aux variations théoriquement linéaires des variations de la tension thermométrique en fonction de la température, d'une part, et de la tension de rampe en fonction du temps, d'autre part. tes variations effectivement constatées ont l'allure des courbes indiquées respectivement en C e et en CR, sur la figure 2. Ainsi, par exemple, pour la température résiduelle de 4O0C la valeur mesurée de la tension thermométrique était de V'1 au lieu de V1 (consigne 900C) : la non-linéarité de l'information délivrée par la thermistance 36 tend à réduire le décalage de l'instant d'enclenchement par rapport à sa valeur théorique tel, Ce décalage est accentué par la non-linéarité constatée de la courbe CR suivi par la tension de rampe. Les non-linéarités ainsi constatées tendront donc à provoquer une surchauffe. Ceci peut etre considéré comme parfaitement tolérable, car la surchauffe est de toute manière, limitée par le thermostat de régulation classique ; elle contribue, d'autre part1 à compenser le retard a d'une vingtaine de minutes accusé par la rampe de ten- sion au début de la période d'heures creuses, comme on l'a vu ci-dessus On peut cependant aussi corriger, si l'on préfère, les non linéarités et l'on dispose à cet effet de divers moyens connus en eux-mCmes ; il suffira de consentir pour cela une certaine complication du dispositif. Ainsi, en ce qui concerne le générateur de rampe on peut en améliorer la linéarité en réduisant les fuites du condensateur de rampe 23 et le courant de fuite de la diode 26. Cette réduction peut s'obtenir en faisant appel à des composants de meilleure qualité et aussi en complétant le générateur de rampe par un amplificateur opérationnel multiplicateur de la tension de rampe effectivement élaborée aux bornes du condensateur de rampe 23. En ce qui concerne la linéarité du générateur de tension thermométrique, on peut d'sabord envisager une linéarisation de la thermistance selon un montage classique comportant la disposition aux bornes du pont 36-37 (fig. 3) d'une résistance parallèle de linéarisation. Un autre type de solution également connu en soi est d'utiliser au lieu de la thermistance un empilement de diodes utilisant la propriété du déplacement de la caractéristique courant/tension d'une jonction en fonction de la température, et combinée avec une alimentation à courant constant obtenue par exemple par la mise en oeuvre d'un amplificateur opérationnel. Tous ces moyens sont aisément accessibles dans le commerce ils n'ont que l'inconvénient de compliquer quelque peu la structure du dispositif avec une augmentation correspondante du prix de revient. La forme de réalisation simplifiée telle que décrite semble etre,malgré les défauts de linéarité constatés,bien adaptée à la fonction demandée et susceptible de se preter à- un développement en série dans des conditions économiquement attrayantes. REVENDICATIONS 1) Dispositif de commande d'enclenchement d'un appareil de chauffage électrique à accumulation d'énergie, en particulier d'un chauffe-eau, en conjonction avec un indicateur de période d' heures creuses, l'enclenchement étant retardé par rapport au début de la période d'heures creuses en sorte que l'énergie accumulée n'atteigne un maximum déterminé que vers la fin de cette période, ce retard étant défini en fonction d'un signal de simulation d'énergie accumulable, d'un signal représentatif de l'énergie accumulée et d'un signal représentatif dudit maximum, caractérisé en ce que ces trois signaux sont des tensions électriques respectivement élaborées par un générateur de rampe à variation sensiblement linéaire en fonction du temps, par un moyen thermométrique adapté à délivrer une tension sensiblement proportionnelle à la température prélevée en un point choisi de l'appareil et par un moyen d'élaboration d'une tension proportionnelle à une valeur maximale désirée de cette température, l'enclenchement étant commandé au moyen d'un comparateur recevant sur deux entrées respectives, d'une part, la tension délivrée par ledit générateur de rampe, et d'autre-part, une combinaison des deux autres tensions. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de rampe comporte un multivibrateur astable commandant l'état bloqué ou saturé d'un transistor interrupteur déterminant la charge intermittente d'un condensateur dit de rampe aux bornes duquel est établie la tension de rampe, 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension de rampe captée aux bornes du condensateur de rampe est multipliée par un amplificateur de tension. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le condensateur de rampe est shunté par un moyen de remise à zéro et de mémorisation comportant un transistor à effet de champ dont la grille est portée au potentiel de charge d'un condensateur dit de mémorisation mis en charge sous la tension redressée d'une phase pilote alimentée pendant la seule période d'heures creuses. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' un contacteur à relais est adapté à mettre en décharge lente le condensateur de mémorisation et à couper le circuit de décharge du condensateur de rampe en l'absence d'alimentation. 6) Dispositif melon 1 une queiconque des revendications précé dellLes, caractérisé en ce u'un générateur de tensions thermomé triques est constiLué par un pont de résistances comportant une thermistance de type CTN et une résistance ajustable, ladite thermistance étant disposée audit point choisi de l'appareil, tandis que ladite résistance ajustable est associée à un bouton d'affichage de la charge maximale désirée. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à un chauffe-eau du genre comportant un ballon d'eau chaude de forme générale cylindrique à axe vertical et en ce que ledit point choisi se situe le long d'une génératrice de ce ballon aux deux cinquièmes environ de la hauteur, éventuellement dans un doigt de gant placé verticalement à l'intérieur du ballon. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à un chauffe-eau du genre comportant un ballon d'eau chaude de forme générale cylindrique à axe horizontal et en ce que le dit point choisi se situe sur une circonférence de la cuve appartenant à un plan vertical aux deux cinquièmes environ du diamètre vertical, éventuellement dans un doigt de gant placé verticalement à l'intérieur du ballon.