Brevet FR2520164A1 — publié le 19830722

Dispositif de déclenchement différentiel à propre courant. L'invention est relative à un dispositif de déclenchement différentiel dans lequel l'énergie de déclenchement fournie à un relais de déclenchement du type polarisé est engendrée dans le bobinage secondaire d'un transformateur différen- tiel par un défaut différentiel apparaissant dans les en- roulements primaires du transformateur différentiel. Un dispositif différentiel du genre mentionné, qui ne néces- site aucune source auxiliaire d'alimentation, est particu- lièrement adapté à la protection différentielle d'une in- stallation basse tension domestique ou artisanale qui doit être simple et économique Le dispositif est avantageusement incorporé ou associé à un interrupteur ou à un disjoncteur à boîtier moulé, par exemple du type miniature Il assure la protection des personnes contre les contacts indirects et fréquemment une protection complémentaire contre les contacts directs, en particulier lorsque sa sensibilité est supérieure à environ 30 milliampères L'obligation de réagir à de très faibles courants de défaut et d'autre part de disposer d'une éner- gie mécanique suffisante à la commande du verrou du dis- joncteur ont contraint les constructeurs à développer des dispositifs d'accumulation d'énergie, notamment à condensa- teurs, à circuits résonnants, à relais polarisés et ana- logues, qui sont parfaitement efficaces en présence d'un courant de défaut alternatif Or, ces dernières années on incorpore de plus en plus fréquemment des dispositifs élec- troniques à effet redresseur du courant dans de nombreux appareils d'utilisation, notamment pour le réglage de la vitesse des moteurs, et ces dispositifs redresseurs peuvent engendrer une composante continue susceptible d'influencer le fonctionnement du dispositif différentiel ou même de le rendre inopérant. Le besoin s'est fait sentir de développer un disjoncteur différentiel à propre courant et à haute sensibilité ca- pable d'assurer une protection efficace des personnes dans tous les cas de figure A cet effet, il est apparu néces- saire que les dispositifs différentiels soient sensibles aux courants alternatifs, aux courants pulsés et aux cou- rants continus appliqués brutalement Le seuil de sensibi- lité dans le cas du courant continu appliqué brutalement peut être supérieur à celui d'un courant de défaut alterna- tif, mais la temporisation au déclenchement doit être nota- blement inférieure La contrainte d'un déclenchement quasi instantané élimine toutes les solutions d'accumulation d'énergie dans un condensateur qui retardent toujours le déclenchement Sont également éliminées toutes les solu- tions réagissant à une seule alternance ou à une seule pola- rité du courant de défaut et aucun des dispositifs connus ne réalise le but précité de la présente invention, d'une protection efficace pour tout défaut. Le dispositif selon la présente invention est caractérisé par le fait que le bobinage du relais polarisé, relié audit bobinage secondaire par un redresseur à double alternance à diodes, présente une inductance suffisante à une accumulation d'énergie de déclenchement dans le circuit magnétique du relais. L'enroulement secondaire du transformateur différentiel alimente directement, par l'intermédiaire du redresseur à double alternance, le relais de déclenchement du type pola- risé Le déclenchement intervient dès le franchissement du l.euil prédéterminé et indépendamment de la polarité du signal de défaut Le relais possède une très faible puis- sance de déclenchement, par exemple de l'ordre de 20 o p VA, et une constante de temps supérieure à 15 ms, par exemple voi- sine de 30 ms La self importante du relais permet un stockage d'énergie de déclenchement dans le fer. Pour accroître la puissance du signal délivré par le trans- formateur différentiel il est avantageux de réaliser le circuit magnétique de ce transformateur en un matériau pré- sentant une forte différence entre les inductions de satu- 2-0164 ration et de rémanence La puissance disponible au niveau du relais peut également être augmentée par l'adjonction d'un condensateur modifiant le déphasage entre le courant et la tension aux bornes de-l'enroulement secondaire du transformateur différentiel et en combinant ces deux dispositions il a été possible de respecter l'encombrement des disjoncteurs miniatures, notamment la hauteur de 68 mm, en répondant aux conditions précitées de sensibilité, notam ment à une composante continue. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés dans le dessin annexé, dans lequel la figure 1 représente le schéma d'un dispositif de dé- clenchement selon l'invention; la figure 2 est une vue analogue à celle de la fig 1, re- présentant une variante de réalisation; les figures 3 et 4, analogues aux figures 1 et 2, illustrent des perfectionnements. Sur les figures, un transformateur différentiel 10 à cir- cuit magnétique 12 en forme de tore porte deux enroule- ments primaires 14, 16 et un enroulement ou bobinage secon- daire 18 Le transformateur 10 est incorporé ou associé à un disjoncteur électrique (non représenté) de coupure d Cs conducteurs de phase et de neutre connectés aux enroule- ments 14, 16 Le déclenchement du disjoncteur est piloté par un relais 20, dcnt la palette 22 actionne la serrure du disjoncteur La palette 22 coopère avec une culasse fixe 24 en forme de U dont l'une des branches porte un bobinage 26 Un aimant permanent 28, intercalé entre les branches du U, maintient la palette 22 en position accolée à l'en- contre d'une force de rappel 30 De tels relais polarisés sont bien connus et présentent l'avantage d'une faible puissance de déclenchement. L'une des extrémités du bobinage 206 du relais 20 est reliée à un point milieu 32 de l'enroulement secondaire 18, tandis que l'autre extrémité est reliée par l'intermédiaire de deux diodes D 1, D 2 aux deux extrémités de l'enroulement secondaire 18 Le redresseur 19 à double alternance, con- stitué par les diodes Di, D 2 transforme le courant alter- natif engen dré dans l'enroulement secondaire 18, lors de l'apparition d'un courant différentiel dans les enroule- ments primaires 14, 16, en courant continu d'alimentation du relais 20, de polarité appropriée. Selon la présente invention la constante de temps du relais , en l'occurrence le rapport entre son inductance Z et L sa résistance R, est élevée, en particulier > 15 ms Le bobi- nage 26 peut par exemple comporter 8000 spires d'un fil d'un diamètre de 0,04 mm, R étant dans ce cas voisin de 30 ms. Ce rapport élevé, allié à l'alimentation du relais eh cou- rant continu, permet une accumulation d'énergie dans le fer suffisante au déclenchement Le très grand nombre de spires du bobinage 26 réduit l'intensité du courant traver- sant les diodes Dl, D 2 et en conséquence les pertes dans ces diodes. Selon un développement de l'invention le circuit magnétique 12 du transformateur différentiel est réalisé en un maté- riau à induction de saturation élevée et à induction réma- nente faible En présence d'un défaut différentiel à compo- sante continue, la courbe d'hystérésis du matériau du cir- cuit 10 est parcourue entre ces deux valeurs extrêmes en engendrant un signal d'une amplitude notable dans l'enroule- i Tent secondaire 18 d'une manière bien connue des spécia- listes. Le dispositif selon la fig 1 fonctionne de la manière suivante: En fonctionnement normal d'égalité des courants dans les enroulements primaires 14, 16 aucune tension n'est induite dans le secondaire 18 et le relais 20 est maintenu en posi- tion collé Lors d'un déséquilibre entre les courants, en l'occurrence lors d'un défaut différentiel entre des cou- rants alternatifs, un signal de défaut en forme de courant alternatif est engendré dans l'enroulement secondaire '1 et ce signal est appliqué, après redressement à double alternance par les diodes Di, D 2, au bobinage 26 du relais 20 L'effet d'accumulation dans le fer du relais 20, grace à l'inductance élevée du bobinage 26, permet d'atteindre le seuil de déclenchement La chute de tension dans les diodes D 1, D 2 est maintenue faible car la valeur du courant dans le circuit est faible et une seule des diodes est, à un instant donné, branchée dans le circuit Le relais 20 déclenche à l'une quelconque des alternances du signal sans temporisation. Si les courants dans les enroulements primaires 14, 16 sont des courants continus pulsés ou des courants alternatifs présentant une composante continue qui sont comparables aux courants continus pulsés, un signal alternatif est induit dans l'enroulement secondaire 18 L'amplitude de ce signal est fonction de l'amplitude d'induction, qui est la-diffé- rence entre l'induction de saturation et l'induction réma- nente, et grâce au choix du matériau magnétique ce signal est suffisamment puissant pour actionner le relais 20 de la manière décrite ci-dessus Le déclenchement intervient sans retard. Lors d'une application brusque d'un courant continu, par exemple lors d'un défaut à la terre en aval d'un élément redresseur, l'un des enroulements primaire 14, 16 est par- couru par un courant continu, le courant dans l'autre-en- roulement étant nul La variation brusque du courant induit un signal temporaire dans l'enroulement secondaire 18, qui alimente le relais 20 Il est à noter que le relais 20 dé- clenche quelle que soit la polarité du signal transmis soit par la diode D 1, soit par la diode D 2 et le déclenchement est instantané L'amplitude d'induction importante du tore 12 garantit un niveau suffisant du signal La faible chute de tension dans les diodes et l'accumulation d'énergie dans le fer du relais 20 sont également favorables. Sur les figures 2 à 4, les mêmes numéros de repère sont utilisés pour désigner des éléments analogues ou iden- tiques à ceux de la figure 1 Le dispositif selon la fi- gure 2 comporte un redresseur à double alternance consti- tué par un pont de diodes 34, relié aux bornes d'un enrou- lement secondaire 36 Cet enroulement 36 ne comporte plus de point milieu de raccordement, mais l'emploi d'un pont de diodes implique une connexion en série de deux diodes dans le circuit d'alimentation du relais 20, ce qui aug- mente les chutes de tension Le fonctionnement est bien entendu identique à celui décrit ci-dessus, le relais 20 réagissant à l'une quelconque de l'alternance du signal de défaut. Sur la figure 3 un condensateur C 1 est relié aux extrémi- tés de l'enroulement secondaire 18, et la valeur de cette- capacité, qui modifie le déphasage entre le courant et la tension au secondaire, est choisie pour élever au maximum la tension par spire On augmente ainsi la puissance dispo- nible à l'alimentation du relais 20 A titre d'exemple cette capacité peut être d'environ 100 nanofarad. Un deuxième condensateur C 2, représenté en trait discon- tinu, peut être branché aux bornes du bobinage 26 pour améliorer le lissage de la tension redressée, mais ce con- densateur C 2 temporise le déclenchement et le choix de sa valeur soit résulter d'un compromis entre le retard au dé- clenchement et une puissance accrue. La figure 4 représente le dispositif selon la figure 2, doté des condensateurs précités C 1 et C 2. Il est facile de voir que le dispositif de déclenchement différentiel selon l'invention est particulièrement simple et ne nécessite aucune source auxiliaire En utilisant un relais d'une sensibilité d'environ 200 / v A le dispositif a pu être logé dans l'encombrement de 68 mm d'un boitier de disjoncteur miniature Le dispositif assure une protec- tion des personnes quel que soit le courant de défaut. L'invention n'est bien entendu nullement limitée au mode de mise en oeuvre plus particulièrement décrit et elle s'applique à des dispositifs triphasés ou autres. Revendications 1 Dispositif de déclenchement différentiel dans lequel l'énergie de déclenchement fournie à un relais de déclenche- ment ( 20) du type polarisé est engendrée dans le bobinage secondaire ( 18, 36) d'un transformateur différentiel ( 10) par un défaut différentiel apparaissant dans les enroule- ments primaires ( 14, 16) du transformateur différentiel, caractérisé en ce que le bobinage ( 26) du relais polarisé ( 20), relié audit bobinage secondaire ( 18, 36) par un re- dresseur à double alternance ( 19, 34) à diodes (Dl, D 2), présente une inductance suffisante à une accumulation d'énergie de déclenchement dans le circuit magnétique ( 22, 24) du relais ( 20). 2 Dispositif différentiel selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le bobinage secondaire ( 18) présente un point milieu relié à l'une des bornes du bobinage ( 26) du relais ( 20), les extrémités du bobinage secondaire étant respectivement reliées par l'intermédiaire d'une diode (Dy, D 2) à l'autre borne du relais pour limiter le nombre de diodes (Dl, D 2) insérées dans le circuit de déclenchement et les chutes de tension correspondantes. 3 Dispositif différentiel selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique ( 12) du trans- formateur différentiel ( 10) est en un matériau dont le cycle d'hysterésis présente une grande différence entre les valeurs d'induction de saturation et de rémanence. 4 Dispositif différentiel selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la différence entre les valeurs d'induc- tion de saturation et de rémanence est supérieure à 3000 Gauss. Dispo sitif différentiel selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par un condensateur (C 1) d'adaptation d'impédance inséré dans le circuit de déclenchement. 6 Dispositif différentiel selon la revendication 5, carac- térise en ce que ledit condensateur (C 1 i) est connecté aux bornes d'extrémités du bobinage secondaire ( 13, 36) du transformateur différentiel ( 10). 7 Dispositif différentiel selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qlue la con- stante de temps du relais polarisé ( 20) est supérieure a 8 Dispositif différentiel sclon la revendication 7, carac_ térisé en ce que l'inductance du relais ( 20) est voisine de Hl pour un courant alternatif de 50 -Hz et sa résistance voisine de 3 K Q.