Brevet FR2538908A1 — publié le 19840706

Procédé de mesure en courant alternatif de l'intensité par rapport à l'intensité nominale, et circuit électronique correstondant L'invention concerne un procédé de mesure en cou- rant alternatif de l'intensité par rapport à l'intensité nominale, et le circuit électronique correspondant. Par exemple, les moteurs électriques sont conçus et réalisés pour fonctionner à une intensité nominale In dé- finie, mais ils peuvent fonctionner pendant une durée plus ou moins longue, à une intensité supérieure à l'intensité nomina- le In Cette durée de fonctionnement en surintensité est d'autant plus courte que l'intensité du courant est grande. Usuellement, au lieu de mesurer l'intensité en valeur absolue, on mesure le rapport I/In de l'intensité à l'intensité nominale Lors de périodes normales de fonction- nement, ce rapport est voisin de 1, ou inférieur à 1 Lors d'un fonctionnement en surintensité, ce rapport est plus grand, et il faut arrêter le moteur avant sa détérioration Sa durée de fonctionnement en surintensité doit donc être calculée très vite en fonction du rapport I/In Un moyen rapide de calculer cette durée est de faire effectuer le calcul par un micro-pro- cesseur Mais, pour qu'un microprocesseur puisse jouer son rôle, il est nécessaire de l'alimenter en données sous forme numérique. Il est connu d'effectuer des mesures en courant alternatif au moyen d'appareils linéaires, en effectuant une conversion analogique-numérique après une conversion alterna- tif-continu; il y a donc deux étapes dans la conversion alter- natif-numérique. Pour la conversion analogique-numérique d'un ni- veau continu, on part d'une tension de référence Uref grande, on crée un signal en dent de scie, et on effectue un comptage d'impulsions jusqu'à ce que le signal en dent de scie atteigne la tension de référence On a alors compté un nombre d'impul- sions Nref, qui est le nombre maximal d'impulsions acceptable. On prend ensuite une tension U qui correspond à l'amplitude ou à la valeur efficace du courant à mesurer, on crée le même signal en dent de scie et on refait le comptage d'impul- siols. Si N est le nombre d'impulsions comptées, on dé- termine la valeur de la tension U par l'égalité U / Uref = N / Nref On en déduitlavaleur de l'intensité du courant et on peut calculer, par rapport à l'intensité nominale In, le temps de fonctionnement autorisé en surintensité. Dans les appareils linéaires connus, il ressort à l'évidence que l'intensité mesurée doit être inférieure à une valeur de référence correspondant à la capacité de compta- ge de l'appareil Par mesure de sécurité, on s'efforce d'avoir une valeur de référence aussi grande que possible La préci- sion de la mesure étant directement liée à la valeur de l'in- tensité mesurée, cette précision est grande pour les surinten- sités fortes, et faible lorsque l'intensité est proche de sa valeur nominale. Cependant, l'information utile pour les fortes valeurs de I n'est obtenue qu'après un temps de comptage long, ce qui ne va pas dans le sens de l'amélioration de la sécurité. L'un des buts de l'invention est d'éviter les in- convénients des appareils connus en prévoyant la mesure de toutes les intensités, sans limitation à une valeur maximale de référence. Un autre but de l'invention est de réaliser une mesure de l'intensité d'autant plus rapide que l'intensité est grande, de façon à être en mesure d'arrêter le moteur dans un délai d'autant plus bref que le risque de détérioration est plus grand. Un autre but encore de l'invention est de prévoir une précision de mesure d'autant plus grande que la valeur de l'intensité est proche de la valeur nominale. La présente invention a pour objet un procédé de mesure directe en courant alternatif, de l'intensité par rapport à l'intensité nominale dans les moteurs électriques, caractérisé par lés étapes suivantes: on définit une tension de référence Uref corres- pondant à une fraction de l'intensité nominale In du moteur, on élabore un signal de tension U proportionnel à l'intensité instantanée du courant à mesurer, on assure un comptage d'impulsions pendant la 3 253890 e 8 durée o la tension U varie de O à la tension de référence Uref, on applique le résultat N de comptage à une matrice de calcul qui définit directement la valeur du rapport I/In en fonction du nombre d'impulsions comptées. Selon d'autres caractéristiques de l'invention la matrice est indépendante, la matrice se trouve dans la mémoire morte du microprocesseur qui traite les informations I/In et temps. L'invention a également pour objet un circuit électronique pour la mise en oeuvre du procédé selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit élaborant un signal dé tension U à partir de l'intensité I du courant, une tension de référence Uref, deux comparateurs pour détecter les passages par zéro et par Uref de la tension U, un compteur pour compter un nombre (n) d'impul- sions entre lesdits passages par zéro et par Uref de la ten- sion U, une matrice de calcul délivrant à partir du nombre(n) d'impulsions comptées, une valeur du rapport I/In de l'intensité à l'intensité nominale du courant. Selon d'autres caractéristiques de l'invention le circuit élaborant le signal de tension U est une bobine de Rogowsky, le circuit électronique comporte un oscillateur et un circuit logique à bascule et portes; toute la partie logique du circuit électronique est représentée par un microprocesseur qui traite l'informa- tion. D'autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description suivante faite avec référence au dessin annexé sur lequel on peut voir: Figure 1 un schéma symbolique simplifié d'un exemple de réalisation du circuit électronique selon l'inven- tion, assurant la mesure de l'intensité d'une phase d'un mo- teur électrique triphasé. Figure 2 une représentation de différents 4 2538908- signaux, en divers points du circuit de la figure 1. Figure 3 Une variante simplifiée de réalisation utilisant un microprocesseur. En se reportant au dessin, on peut voir qu'un S circuit électronique selon l'invention est prévu pour chaque phase d'un moteur triphasé La phase contrôlée par le circuit est symbolisée par un conducteur 1 dans lequel circule un courant alternatif d'intensité I, à la fréquence du réseau, c'est-à- dire 50 Hz en France, et 60 Hz aux Etats-Unis, par exemple. Pour mesurer ce courant, on utilise par exemple une bobine de Rogowsky 2, qui donne un signal de tension Uin proportionnel à I Ce signal Uin est appliqué à l'entrée négative d'un premier comparateur 3, dont l'entrée positive est reliée à la masse et-à l'une des bornes de la bobine 2. Il est également appliqué à l'entrée positive d'un deuxième comparateur 4 dont l'entrée négative reçoit un signal régla- ble de tension de référence Uref, en provenance d'un poten- tiomètre 5 par exemple. Les sorties des deux comparateurs 3 et 4 sont respectivement reliées aux entrées H et S d'une bascule de type D, 6, dont l'entrée D est reliée à la masse, et dont la sortie Q, par l'intermédiaire d'une porte OU, 7, est reliée à l'entrée IN d'un compteur binaire 8 à 9 bits La sortie du premier comparateur 3 est aussi reliée à l'entrée R de blocage à zéro du compteur 8 La sortie du deuxième compara- teur 4 est également reliée, par l'intermédiaire d'une porte ET, 9, à l'entrée H d'une mémoire-tampon 10, constituée par exemple d'une série de 8 bascules D Les entrées Dl à D 8 de ces 8 bascules sont respectivement alimentées par les bits de rang 1 à 8 du compteur binaire 8 Les sorties Qi à Q 8 de ces 8 bascules sont reliées à 8 entrées d'une matrice de cal- cul 11 Cette matrice de calcul est par exemple une mémoire morte Le signal d'entrée de la matrice 11 est considéré comme une adresse Il correspond à un nombre N d'impulsions, compté par le compteur binaire 8 La matrice de calcul 11 donne en sortie, des valeurs du rapport I/In, de l'intensité I du courant dans la phase 1 à l'intensité nominale In, en fonction du nombre N d'entrée. Un oscillateur 12, dont la fréquence propre est 2538908 par exemple 1 000 fois celle du réseau, fournit des impulsions aux deux portes ET, 9 et OU, 7. Le fonctionnement du circuit électronique selon l'invention s'analyse de la manière suivante, en rappelant préalablement le fonctionnement de la bascule de type D: dans cette bascule, lorsqu'un front montant est appliqué à l'entrée H, l'état de l'entrée D est reproduit à la sortie Q, et lorsqu'un niveau " 1 " est appliqué à l'entrée S, la sortie Q est forcée à l'état " 1 ". L'oscillateur 12 délivre en permanence des im- pulsions, à la fréquence de 50 K Hz, par exemple Ces impul- sions, transmises au compteur binaire 8 par la porte OU, 7, sont comptées sauf si l'état de la sortie Q de la bascule 6 est 1 (dans ce cas le compteur 8 voit toujours un signal 1 et ne compte pas), ou bien si le sigmal à l'entrée R du compteur 8 est 1 (dans ce cas, le compteur 8 reste à zéro). L'intensité dans le conducteur de phase 1 étant sinusoïdale, la bobine 2 délivre un signal de tension sinusoi- dal Uin (figure 2, a) -En général, ce signal dépasse la tension de référence Uref au cours de ses variations. Le signal de sortie du comparateur 3 est représen- té sur la ligne b de la figure 2: il est égal à 1 ou O, respectivement, lorsque la tension Uin délivrée par la bobine 2 est négative ou positive, respectivement Le signal de sor- tie du comparateur 4, représenté sur la ligne c de la figure 2, est égal à 1 lorsque la tension Uin est supérieure à la tension de référence Uref, et à O dans le cas inverse. Le signal à la sortie Q de la bascule 6 est repré- senté sur la ligne d de la figure 2 Ce signal devient égal à 1 lorsque l'entrée S reçoit un niveau " 1 " (figure 2, c), et devient égal à O lorsque l'entrée H reçoit un front montant (Figure 2, b). La ligne e de la figure 2 représente les signaux reçus par l'entrée IN du compteur 8 Cette entrée ne peut procéder à aucun comptage lorsque la sortie Q de la bascule 6 est à l'état 1 (ligne d, figure 2). Par ailleurs, le compteur 8 ne peut procéder à aucun comptage lorsque le signal sur son entrée R est à l'état 1 (ligne b, figure 2). 6 2538908 Enfin, la ligne f de la figure 2 permet de réca- pituler les étapes du fonctionnement: avant l'instant to, la tension Uin est négative, l'entrée R du compteur 8 est à l'état 1, et le compteur 8 est bloqué à zéro; à l'instant to, la tension Uin devient positive, la sortie du comparateur 3 passe à l'état O, l'entrée R du compteur 8 passe à l'état 0, et le compteur 8 compte les im- pulsions de l'oscillateur 12 arrivant par la porte OU 7; à l'instant tl, la tension Uin atteint la va- leur de la tension de référence Uref La sortie du compara- teur 4 passe à l'état 1 La sortie Q de la bascule 6 passe à l'état 1 (front montant sur l'entrée S) L'entrée IN du compteur 8 recevant un signal 1 en permanence, arrête son comptage au nombre N d'impulsions déjà reçues depuis l'ins- tant to Par la porte ET, 9, l'entrée H de la mémoire-tampon reçoit une impulsion qui fait transférer à la matrice de calcul 11 le nombre N d'impulsions déjà comptées, et la matri- ce 11 délivre en sortie un rapport I/In fonction de ce nombre n, afin d'assurer le contrôle du temps de fonctionnement du moteur-en surintensité; à l'instant t 2, la tension U devient négative le comparateur 3 change d'état et le compteur est bloqué à l'état O jusqu'à la prochaine inversion de sens de la tension U à l'instant t 3. On peut remarquer que plus la surintensité est importante, plus vite la tension U dépasse la valeur de réfé- rence, plus court est le temps de comptage, et plutôt est transmis le signal de sortie de la matrice de calcul Ce raccourcissement du délai de réaction par rapport aux appa-. reils linéaires classiques va dans le sens de la sécurité. De plus, quelle que soit l'importance de la surintensité, on peut toujours donner une valeur du rapport I/In. Dans le cas o la tension Uin est inférieure à la tension de référence, le comptage n'est pas interrompu avant le quart de la période de la tension (figure 2, a). Le neuvième bit du compteur passe alors à l'état 1 et donne sur la sortie 13 un signal mettant en évidence un courant trop faible. 7,2538908 La mesure de I/In est faite une fois par cycle du courant I lui-même, et pour chaque phase Les résultats peuvent être transmis à un microprocesseur qui effectue le traitement approprié pour déclencher un système de sécurité en vue de la protection du moteur. Toute la partie logique du schéma I peut être remplacée par le microprocesseur 14 lui- même, comme dans la figure 3; dans ce cas la simplification de l'électronique par rapport aux systèmesconnus est évidente. Selon l'invention, la précision est très bonne au voisinage de la valeur nominale de l'intensité Cet avantage est appréciable car c'est dans ce voisinage que les temps de fonctionnement autorisés en surintensité diffèrent beaucoup et doivent être bien connus En revanche, pour les très for- tes valeurs de l'intensité, la précision est moins grande, mais l'invention permet un déclenchement plus rapide de la sécurité Dans un exemple particulier de réalisation cde l'invention, la fréquence du courant à mesurer étant de 50 Hz, et la fréquence de l'oscillateur de 50 K Hz, on a défini une tension de référence Uref qui correspond à une intensité moitié de l'intensité nominale In On a relevé les valeurs du rapport I/In, du rapport correspondant U/Uref, et les nombres n d'impulsions comptées par le compteur binaire 8 Les résul- tats sont regroupés dans le tableau suivant: I/In U/Ure f n 0,5 1,0 250 - 0,6 1,2 157 0,8 1,6 107 1,0 2,0 83 1,1 2,2 75 1,2 2,4 68 1,5 3,0 54 2 4,0 40 3 6,0 27 10 16 20 8 8 2538908 Dans l'exemple décrit, on a mentionné une bobine de Rogowsky On peut utiliser en variante un transformateur de courant et un convertisseur courant-tension car il est né- cessaire de disposer d'une tension alternative L'avantage de la bobine de Rogowsky est qu'elle assure une parfaite linéarité de la mesure Pour mesurer des courants faibles, et en conséquence, augmenter la sensibilité, on peut munir la bobine d'un tore en matériau magnétique, en ferrite par exem- ple. Selon l'invention, on assure donc une conversion presque directe entre une intensité alternative et un rapport numérique I/In utilisable par un micro-processeur, sans pas- ser par une conversion de courant alternatif en courant con- tinu et sans échantillonnage, ce qui permet d'abaisser le coût de revient. Dans la pratique, on peut placer la bobine 2 et les deux comparateurs 3 et 4 prés du point de mesure, et disposer le reste du circuit électronique près du micro- processeur de traitement On mesure avec précision des rap- ports I/In proches de l'unité, et on mesure des rapports I/In très grands et sans limitation théorique puisque par conception, on mesure des tensions supérieures à la tension de référence. 9 2538908 REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure en courant alternatif, de l'intensité par rapport à l'intensité nominale, caractérisé par les étapes suivantes: on définit une tension de référence Uref cor- respondant à une fraction de l'intensité nominale In du mo- teur, on élabore un signal de tension U proportion- nel à l'intensité du courant à contrôler, - on assure un comptage d'impulsions pendant la durée o la tension U varie de O à la tension de référence Uref, on applique le résultat N du comptage à une matrice de calcul qui définit directement la valeur du rap- port I/In en fonction du nombre d'impulsions comptées. 2 Circuit électronique pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: un circuit ( 2) élaborant un signal de tension U à partir de l'intensité I du courant, une tension de référence Uref, deux comparateurs ( 3, 4) pour détecter les passages par zéro et Uref de la tension U, un compteur ( 8) pour compter un nombre (n) d'impulsions entre lesdits passages par zéro et Uref de la tension U, et une matrice de calcul ( 11) délivrant à partir du nombre (n) d'impulsions comptées, une valeur du rapport I/In de l'intensité à l'intensité nominale du courant. 3 Circuit selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le circuit ( 2) élaborant le signal de tension U est une bobine de Rogowsky. 4 Circuit selon la revendication 2, caractéri- sé en ce qu'il comporte un oscillateur ( 12) et un circuit lo- gique à bascule ( 6) et portes ( 7, 9). 5 Circuit selon la revendication 2, caractéri- se en ce que la matrice de calcul ( 11) est constituée par une mémoire morte. 2538908 6 Circuit selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les fonctions du compteur ( 8) et de la matrice de calcul ( 11) sont remplies directement par un microproces- seur ( 14) qui traite l'information I/In.