Brevet FR2541777A1 — publié le 19840831

Dispositif pour l'obtension de signaux images de grandeurs électriques à travers un isolement haute tension La pressente invention a pour objet un dispositif pour l'obtention de signaux images de grandeurs électriques à travers un isolement haute tension par l'intermédiaire d'un tranformateur. L'exploitation d'équipements haute tension implique souvent la mise en oeuvre d'agencements annexes qui ne doivent être soumis à un isolement haute tension qu'en raison de leur environnement, tels par exemple bon nombre d'agencements électroniques de mesure. De manière habituelle on insère donc des transformateurs à fort pouvoir d'isolement entre agencements annexes situés dans un environnement haute tension et leurs compléments situés à I'ext;Qrieur de cet environnement. Ceci permet d'obtenir dans un environnement basse tension des signaux electriques images de grandeurs obtenues ou converties sous forme électrique dans l'environnement haute tension Si dans certains cas il est possible de dériver de la haute tension l'énergie electrique basse tension nécessaire au fonctionnement desagencements électroniques situés dans l'environnement haute tension, dans bon nombre de cas une telle solution n'est pas avantageuse en raison des contraintes qu'elle implique ou des pertes d'énergie qu'elle entraine. la solution alternative classiquement employée consiste à mettre en oeuvre une alimentation dans l'environnement haute-tension, ce qui conduit à disposer de deux transfoPmateurs d'isolement l'un pour l'alimentation des circuits électroniques de l'environnement haute tension et 11 autre pour l'obtention des signaux images à partir des signaux représentants les grandeurs à transmettre. Ceci n'est pas avantageux sur le plan de l'encombrement, de la complexité et du coût. Un objet de la présente invention est donc un dispositif pour l'obtention de signaux images de grandeurs électriques par transforma- teur à travers un isolement haute tension, à l'aide d'une partie primaire basse tension reliée aux bornes du primaire du transformateur et située dans un environnement basse tension et d'une partie secondaire basse tension située dans un environnement haute tension et reliée au secondaire du transformateur. Selon une caractéristique de l'invention la partie primaire comporte au moins un circuit d'alimentation et un circuit de réception, le circuit d'alimentation fournit, via le transformateur, lténergie électrique nécessaire au fonctionnement de la partie secondaire sous forme d'impulsions de puissance dont la fréquence et la durée sont prédéterminées. La partie secondaire comporte au moins un circuit d'alimentation transformant les impulsions de puissance reçues du transformateur en courants et tensions nécessaires au fonctionnement de cette partie secondaire, ainsi qu'au moins un agencement de conversion d'information apte à court-circuiter, en l'absence périodique d'impulsions de puissance, le secondaire du transformateur avec un rapport cyclique fonction de la grandeur électrique dont une image doit-être obtenue au niveau de la partie primaire. Le circuit de réception d'une partie primaire est apte à mesurer la durée des courts-circuits secondaires et à en déduire un signal image de la grandeur Qlectrique, sous forme analogique. L'invention, ses oaraotéristiques et ses avantages sont précisés dans la suite de la description en liaison avec les figures ci-dessous répertoriées. La figure 1 présente un schema d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 présente un exemple de réalisation des éléments non classiques de l'invention. Le dispositif d'obtention de signaux images de grandeurs électri- ques à travers un isolement haute tension-- selon l'invention, tel que présenté figure 1, comporte une partie primaire 1 destine à être logée dans un environnement basse tension symbolisé par l'indication ET et une partie secondaire 2 destinée à être logée dans un environnement haute tension symbolisé par l'indication HT. La partie secondaire 2 du dispositif ne comporte pas de circuits alimentés en haute tension, par contre ces cireuits sont susceptibles d'être soumis à des hautes tensions en raison de leur emplacement et/ou de leur- rle, ce sont par exemple des circuits de mesure dont les capteurs sont reliés à des liaisons haute tension ainsi que cela est symbolisé par entrée E sur la figure 1. De ce fait la partie secondaire 2 ne soit pas être directement accessible aux utilisateurs lorsqu'il y a présence de hautes tensions dans l'environnement HT.En consé- quence la transmission d'informations telles que des mesures, entre partie secondaire 2 et partie primaire 1 située dans un environnement basse tension, s'effectue par l'intermédiaire d'un transformateur 3 à fort isolement prévu pour satisfaire aux conditions de sécurité requises par la présence de hautes tensions. Dans la mesure où l'énergie électrique basse tension nécessaire au fonctionnement de la partie secondaire 2 ne peut être obtenue commodément et/ou économiquement à partir des liaisons haute tension de l'envi- ronnement HT, selon l'invention on partage le temps d'utilisation du transformateur 3 de manière à permettre alternativement et successivement une fourniture d'énergie électrique par la partie primaire 1 à destination de la partie secondaire 2 puis la transmission d'informations de la partie secondaire 2 vers la partie primaire 1, via les enroulements du transformateur 3. En ce but la partie primaire 1 comporte un agencement d'alimentation 1A apte à fournir aux bornes du primaire du transformateur 3 l'énergie électrique nécessaire au bon fonctionnement de la partie secondaire 2 alimentée par le secondaire du transformateur 3. Dans l'exemple choisi cet agencement d'alimentation 1A comporte un circuit découpeur 11 permettant de fournir des impulsions de fréquence et de durée prédéterminées à un amplificateur 12 relié aux bornes du primaire du transformateur 3, à partir d'une source d'alimentation continue 10, via des liaisons non figurées ici. La partie secondaire 2 comporte un circuit d'alimentation 2A relié aux bornes du secondaire du transformateur 3 de manière à recevoir les impulsions de puissance induites dans ce secondaire par réaction du circuit découpeur 11 et à en obtenir par redressement, filtrage et réguration les tensions et courants nécessaires du fonctionnement des autres circuits de cette partie secondaire 2, qu'il alimente via des.liaisons non figurées. La partie secondaire 2 comporte de plus un agencement de conversion d'information 2B qui selon l'invention transforme chaque information analogique présentée sous forme d'une grandeur électrique à une entrée de l'agencement en une mise en court-circuit du secondaire du transformateur 3 avec un rapport cyclique proportionnel à la valeur de la grandeur mesurée. En ce but l'agencement de conversion d'information 2B comporte un circuit découpeur 21 alimenté par le circuit d'alimentation 2A via une liaison non figurée, ce circuit découpeur 21 fournit des impulsions dont l'apparition est contrôlée par un circuit de synehronisation 22 et dont la durée est contrôlée par un circuit de différence 23 recevant la grandeur électrique correspondant à l'information à transmettre et un signal de référence correspondant ici à la valeur moyenne du signal fourni en sortie du circuit découpeur 21, telle qu'obtenue à travers un filtre intégrateur 24. Le circuit de synchronisation 22 est connecté au secondaire du transformateur 3 pour détecter l'apparition des impulsions de puissance sur l'arrivée desquelles il se synchronise. La sortie du circuit découpeur 21 est également relié à l'entrée de commande d'un circuit de court-circuit 25 relié au secondaire du transformateur 3 afin d'agir sur eelui-ci au rythme des impulsions de données que ce circuit dé coupeur fournit pendant les intervalles périodiques de temps où aucune impulsion de puissance n'est reçue. La détection des mises en court-circuit du secondaire du transformateur 3 s'effectue dans un agencement de réception 1B au niveau de la partie primaire 1. Cet agencement de réception 1B comporte un détecteur de courtcircuit 13 relié au primaire du transformateur 3 de manière à détecter les variations engendres dans ce primaire par les courts-circuits réalisés au secondaire de transformateur et à produire des signaux impul- sionnels dont la durée est fonction de celle des variations détectées. Le détecteur de court-circuit 13 est lui même relié à un diseri minateur 111 relié par une entrée de blocage à la sortie du circuit découpeur 11 de manière à être inhibé par les impulsions produites par ce circuit de découpage et à ne transmettre que les signaux impulsionnels reçus du transformateur 3. Les signaux impulsionnels de valeur constante mais de rapport cyclique fonction de la grandeur mesurée qui apparaissent en sortie du discriminateur 14 sont appliqués à un filtre 15 intégrateur restituant à la sortie S de la partie primaire 1 un signal analogique image de la grandeur mesurée au secondaire. L'exemple de réalisation présentée en figure 2 a pour objet de préciser certains détails de mise en oeuvre étant entendu qu'un certain nombre- de circuits mis en oeuvre dans l'invention sont tout à fait classiques, notamment les circuits 10, 11, 12, 2A et 21 et que dans l'exemple ici choisi la grandeur est présentée sous -forme d'une tension continue. Bien entendu, les mêmes dispositions sont également valables si la grandeur est présentée sous forme d'un courant continu. La source d'alimentation 10 est une source continue fournissant notamment une tension VA aux bornes du primaire du transformateur, une tension VG d'alimentation des composants de la partie primaire 1 et une tension de réglage VU, cette dernière est fournie à un circuit potentiomètrique 16 permettant de règler l'amplitude du signal image de sortie S et le niveau zéro en sortie S, selon des moyens connus en cux-memes. Le circuit découpeur 11 est classique c'est par exemple un circuit TDA 1060 de RTC qui fournit des impulsions à une fréquence qui est par exemple de l'ordre de vingt-quatre kilohertz avec un rapport cyclique déterminé de manière permanente par réglage. La sortie s du circuit découpeur contrôle un amplificateur 12 qui alimente un enroulement primaire d'alimentation 31 du transformateur 3. En ce but l'enroulement primaire d'alimentation 31 est relié par sa borne d'entrée à une borne positive d'alimentation VA de la source 10 et par son autre borne au drain d'un transistor VMOS référencé 120 dont la borne de source est au potentiel de masse primaire et dont la borne de gate est reliée à la sortie s du circuit découpeur 11 via une resistance 121 et un inverseur 122.Ce transistor 120 contrôle donc la génération d'impulsions de puissance dans la partie secondaire 2 à un rythme fixé par le circuit de découpage 11 qui vient mettre à la masse primaire l'entrée de l'inverseur 122 autrement reliée au potentiel VG par la résistance 174. Le détecteur de court-circuit 13 est inséré aux bornes d'un enroulement primaire de mesure 30 du transformateur-3, il comporte essentiellement un inverseur 130 dont l'entrée est relié à un point commun, d'une part à deux diodes 131, 132 en série entre la borne d'extrémité au potentiel de masse primaire de l'enroulement 30 et le potentiel d'alimentation VG, d'autre part à une résistance 133 dont l'autre borne est relié à l'autre borne d'extrémité de l'enroulement 30. Dans l'exemple choisi où la tension VG est de l'ordre de treize volts le détecteur de court-eircuit est déclenché par une tension d'environ 6 volts. De manière connue en soi un agencement auxiliaire de filtrage est associé à l'alimentation VA, il comporte un condensateur 170 relié d'une part au potentiel de masse primaire et d'autre part à la borne d'enroulement primaire 31 qui est au potentiel VA. De plus un montage comportant un condensateur 172 et une résistance 171 en série entre le point de potentiel VA et la sortie de l'enroulement primaire- 30 est monté en parallèle avec la diode 173. Le discriminateur 14 comporte essentiellement deux bascules 140, 141 de type D et une porte 1112 de type NANA. Les deux bascules 140 et 141 ont leur entrée de remise à zéro R reliées en sortie s du circuit découpeur 11 via un inverseur 143 de manière que leurs sorties Q respectives soient à zéro pendant la durée des impulsions de puissance. La sortie Q de la bascule 1110 est reliée à l'une des entrées de la porte 742 vva une résistance 145 et elle bloque cette porte 1112 à l'état un pendant les impulsions de puissance et ce jusqu'à l'apparition d'un front montant du signal qui lui est fourni sur son entrée d'horloge H par ll-inverseuP 130 du détecteur de court-circuit 13 via un inverseur 156. L'entrée de données D de la bascule 140 est fixée au niveau un par application constante de la tension VG et la sortie Q de cette bascule 140 est également reliée à l'entrée D de la bascule 191. L'entrée d'horloge H de la bascule 141 est reliée à l'inverseur 130 du détecteur de court-circuit 113 et la sortie eomplémentée Q de cette bascule 1111 est reliée à la seconde entrée de la porte 142, via une résistance 147 ; un condensateur 748 impose un retard fixe aux impulsions transmises par la sortie Q de cette bascule 141. En fin d'impulsion de puissance les bascules 140 et 141 ont leurs sorties Q au niveau zéro et le front montant après l'impulsion en puissance entraine la création d'un front montant correspondant au début du court-circuit secondaire au niveau de l'entrée d'horloge -de la bascule 141, via l'inverseur 146. Le signal obtenu en sortie Q de la bas cule 140 est donc un créneau positif commençant au début du court-circuit secondaire. A l'arrêt du court-circuit le détecteur du court-circuit détecte un front de descente qui inverse par 130 est envoyé sur l'entrée d'horloge H de la bascule 141 Comme entrée de données de la bascule 140 est maintenant à l'état un la bascule change d'étant et la sortie Q de la bascule 141 passe à 1. Nous avons donc la bascule 140 qui détecte le front de des cente (arrêt du court-circuit secondaire) et qui passe à un sur ce front. L'ensemble porte 142, inverseur 144 se comporte comme une porte ET pour les signaux issus de la sortie Q de la bascule 140 et de la-sortie complémentée Q de la bascule 141. On a donc bien en sortie d'inverseur 144 un signal binaire dont chaque impulsion positive a une durée égale au court-circuit réalisé au secondaire. Le filtre intégrateur 15 classiquement réalisé à l'aide d'une résistance 150-et d'un condensateur 151 permet d'obtenir un signal image de sortie S analogique. Un compensateur potentiométrique 16 classique permet d'ajuster la valeur de pleine échelle et le zéro du signal S. L'enroulement secondaire 32 du transformateur 3 est isolé par un isolement haute tension vis-à-vis des enroulements primaires 30 et 31, il est relié par sa sortie à une masse secondaire, via une diode 201, il est également relié au circuit d'alimentation 2A qui ne sera pas détaillé ici dans la mesure où il est classique ; on a fait toutefois figurer un condensateur réservoir 200 placé en parallèle à l'alimen- tation 20 aux bornes de l'enroulement secondaire 32 de manière à se décharger dans cette alimentation pendant les intervalles de temps entre impulsions de puissance. L'alimentation 20 dessert les différents circuits basse tension situés dans l'environnement haute tension et notamment un circuit découpeur 21 identique au circuit découpeur 11. Toutefois, le circuit découpeur 21 est asservi en fréquence par rapport aux impulsions de puissance qu'initialise le circuit déccu- peur 11, en ce but une entrée de blocage sy de ce circuit découpeur 21 est reliée à la sortie de l'enroulement 32 par un circuit de synchronisation 22 ici réalisé au moyen d'une simple diode. Le circuit de découpage 21 comporte également un condensateur réservoir 202 entre ses bornes d'alimentation + et -. Le circuit de différence 23 est classiquement constitué autour d'un amplificateur opérationnel 230 dont une entrée inverseuse reçoit les impulsions produites par la sortie s du circuit découpeur 21, via un inverseur 231 et deux résistances 232, 233. La seconde entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 230 est relié aux bornes d'entrée E de la grandeur électrique dont. ou veut obtenir une image dans l'environnement. basse tension en sortie de partie primaire 1. En ce but la borne positive d'entrée E est reliée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 230 par une résistance 234 alors que la borne négative d'entrée E est reliée à cette même entrée non inverseuse par l'intermédiaire d'une résistance 235 en parallele avec une diode zener de protection 236 et que cette borne négative d'entrée constitue également le point milieu d'un pont diviseur à résistances 236, 237 permettant de décaler le niveau zéro du signal d'entrée correspondant à une grandeur électrique E de manière à créer un eourt-eircuit même pour une valeur nulle de ce signal d'entrée. Ceci est compensé au niveau de la partie primaire par le compensateur potentiométrique 16 qui assure un décalage en sens inverse de manière qu'une grandeur électrique E de valeur nulle soit représenté par un signal image S de valeur nulle. Classiquement le pont diviseur 236, 237 est inséré entre masse secondaire et tension d'alimentation secondaire VH en sortie du circuit d'alimentation 20. Une contre-réaction est assurée par une résistance 238 et un condensateur 239, et un filtre RC comprenant la résistance 233 et un condensateur 239 assure l'obtention d'un signal correspondant à la valeur moyenne des signaux impulsionnels obtenus en sortie du circuit découpeur 2t. Le circuit de différence 23, constitué autour de l'amplificateur opérationnel 230 fournit donc en sortie de celuiaci une tension variable en fonction de la grandeur électrique E et cette tension est appliquée via une résistance 203, à une entrée e du circuit découpeur 21 où elle agit sur la largeur des impulsions fournies en sortie s de ce circuit découpeur, de manière que le rapport cyclique des impulsions fournies soit fonction de cette tension et tende à croître à partir d'une valeur minimale correspondant à une valeur de grandeur électrique E nulle jus qu'à une valeur limite de pleine échelle. La sortie s du circuit de découpage 21 qui est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 230 est également reliée via un inverseur 251 à la borne de gate d'un transistor 250 de type VMOS qui constitue le circuit de court-circuit. Le transistor 250 à sa borne de drain reliée à la sortie de l'enroulement secondaire 32 du transfor mateur 3, via une diode 252, et sa borne de source reliée à la masse secondaire, il permet de court-circuiter le secondaire 32 avec un rap port-cyclique fixé par la grandeur électrique E pendant les absences périodiques d'impulsion de puissance. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour l'obtention de signaux images de grandeurs éleetriques à travers un isolement haute tension par- 11intermédiaire d'un transformateur (3) et à l'aide d'une partie primaire (1) basse tension, reliée aux bornes du primaire du transformateur (3) et située dans un environnement basse tension, et d'une partie secondaire (2) basse tension, composée de circuits électroniques située dans un environnement haute tension et reliée au secondaire du transformateur (3), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour alternativement alimenter les circuits électroniques de la partie secondaire (2) à travers le transformateur d'isolement (3), et transférer à travers ce transformateur (3) des signaux permettant d'obtenir au niveau de la partie primaire (1) une image de grandeurs mesurées dans l'environnement haute tension. 2/ Dispositif selon la revendication,-1,~caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circuit d'alimentation (lA) et un circuit de réception (1B), le circuit d'alimentation fournissant, via le transformateur (3), l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement de la partie secondaire (2) sous forme d'impulsions de puissance dont la fréquence et la durée sont prédéterminées, en ce que la partie secondaire (2) comporte au moins un circuit d'alimentation (2A) transformant les impulsions de puissance reçues du transformateur (3) en courants et tensions nécessaires au fonctionnement de cette partie secondaire, ainsi qu'au moins un agencement de eonversion d'information (213) apte à court-circuiter en l'absence périodique d'impulsions de puissance, le secondaire-du transformateur, avec un rapport cyclique fonction d'une grandeur électrique dont on veut obtenir une image au niveau de la partie primaire (1), ledit circuit de réception (1B) étant apte à mesurer la durée des court-circuits secondaires et à en déduire un signal image de la grandeur électrique sous forme analogique 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un circuit d'alimentation (1A) comporte un circuit découpeur (11) fournissant les impulsions de fréquence et durée prédéterminée.au primaire du transformateur (3) via un amplificateur (12) et à partir d'une source d'alimentation continue (10). 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un circuit de réception (1B) comporte - un détecteur de court-circuit (13) relié au primaire du transformateur (3) apte a détecter les variations apparaissant à ce primaire de transformateur et à en déduire des signaux impulsionnels de durée correspondante, - un discriminateur (14) relié en sortie du détecteur de court-circuit (13) et en sortie du circuit découpeur (11) pour éliminer les signaux impulsionnels engendrés par ce circuit découpeur au niveau du détecteur, - un filtre intégrateur (15) relié en sortie du discrimi- nateur (111) générant un signal image analogique dont la valeur est fonda tion du rapport cyclique des signaux impulsionnels reçus via le discriminateur. 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un agencement de conversion d'informations (2B) comporte s - un circuit de synchronisation (22) contrôlé par les impulsions de puissance engendrées au secondaire du transformateur (3) par le circuit d'alimentation (lA) de la partie primaire (1), - un circuit de différence (23), apte à fournir un signal de tension dont la valeur est fonction de la différence entre la grandeur électrique don'c on veut obtenir une image et une valeur de référence, - un circuit découpeur (21) relié par une entrée de blocage en sortie du circuit de synchronisation (22), et relié par une seconde entrée en sortie du circuit de différence (23), de manière à fournir des impulsions dont l'apparition et la fréquence sont contrôlées par le circuit de synchronisation (22) et dont la durée est contrôlée par le circuit de différence (23), - un circuit de court-circuit (25) relié au secondaire du transformas teur (3) et contrôlé par la sortie du circuit découpeur (21) de l'agen cément de conversion (2B) qui le comporte, - un filtre-intégrateur (24) relié en sortie du circuit découpeur (2lui) de l'ageneement de conversion (2B) qui le comporte et en entrée du circuit de différence (23) de cet agencement de manière à fournir ladite valeur de référence nécessaire à ce circuit de différence.