Brevet FR2586489A1 — publié le 19870227

- 1 - DISPOSITIF DE DETERMINATION NUMERIQUE ET DE SAUVEGARDE D'UNE IMAGE THERMIQUE. La présente invention concerne un dispositif de détermina- tion numérique et de sauvegarde de l'image thermique d'un appareil ou d'une charge, plus particulièrement applicable à un relais de protection thermique utilisant un microproces- seur pour élaborer l'image thermique d'un moteur. Certains relais électroniques de protection thermique pour moteurs présentent un microprocesseur qui sert notamment à simuler l'état thermique du moteur à partir de la mesure des courants de celui-ci; cette simulation s'effectue suivant des courbes exponentielles d'échauffement et de refroidis- sement bien connues. Il est souhaitable que le relais de protection poursuive la simulation du refroidissement par exemple pendant plusieurs dizaines de minutes après une coupure de l'alimentation du moteur, cette coupure survenant, soit sous l'effet du relais de protection dont l'image thermique a dépassé le seuil admissible, soit sous l'effet d'une disjonction ou d'une coupure de l'alimentation du moteur et du relais. Dans ce dernier cas, la poursuite de la simulation du refroidisse- ment suppose le maintien de l'alimentation d'une partie au moins des circuits électroniques du relais après la mise hors tension afin de disposer lors du redémarrage ultérieur du moteur d'une image thermique acceptable de celui-ci. - 2 - On peut envisager de poursuivre la modélisation thermique au moyen du microprocesseur, en alimentant celui-ci avec une batterie ou une capacité-tampon; cette solution s'avère cependant coûteuse et trop restrictive quant au choix de la technologie et du type de microprocesseur employé. Il importe donc d'imaginer un dispositif à consommation réduite susceptible d'être adjoint au microprocesseur et d'être alimenté en cas de mise hors tension du relais par une capacité- tampon relativement faible pour poursuivre l'élaboration de l'état thermique pendant la durée de la coupure. Il est proposé dans le brevet DE - 3 137 496 de mémoriser dans la capacité d'un circuit RC, au moment de la coupure de tension provoquée par le relais, l'image thermique élaborée par le microprocesseur, puis de laisser se décharger la capacité dans la résistance du RC dont la constante de temps permet de poursuivre la simulation de l'exponentielle de refroidissement caractéristique du moteur; à la remise sous tension, le microprocesseur lit la valeur analogique de tension aux bornes du RC au moyen d'un convertisseur analo- gique-numérique et poursuit la simulation. Un tel dispositif a pour inconvénient de nécessiter un organe analogique et une conversion corrélative analogique- numérique, voire numérique-analogique si l'on veut charger la capacité avec une tension fonction de l'image thermique. La Demanderesse part de la constatation que la simulation du refroidissement du moteur lors d'une coupure de tension peut être simplifiée par la substitution à l'exponentielle de refroidissement d'au moins un segment de droite dont la pente est choisie pour être adaptée à la partie "chaude" de l'exponentielle. L'invention a notamment pour but de sauvegarder l'image thermique élaborée par un processeur associé à un appareil - 3 - de protection thermique, en cas de coupure de l'alimentation de celui-ci, en actualisant l'image thermique de façon approchée, cette image étant récupérable par le processeur après le rétablissement de la tension. Elle a pour autre but d'associer au processeur un circuit numérique à très basse consommation, simple, peu coûteux, peu encombrant et permettant d'actualiser et de transférer facilement l'image thermique approchée. L'invention concerne un dispositif de détermination numéri- que et de sauvegarde de l'image thermique d'un appareil, d'une machine ou d'une enceinte susceptible d'échauffement, le dispositif étant relié à une source de tension et compre- nant un processeur relié via un interface à au moins un capteur et susceptible d'élaborer une image numérique de l'état de l'appareil, une mémoire vive associée au proces- seur et contenant en vue d'un traitement ou d'une commande l'image thermique élaborée par le processeur, et un disposi- tif de sauvegarde permettant de mémoriser l'image thermique contenue dans la mémoire vive en réponse à un signal de coupure transmis au processeur pour traduire un manque de tension. Selon l'invention, le dispositif de sauvegarde comprend un organe de comptage numérique programmable relié au proces- seur et muni d'au moins un compteur muni d'une horloge qui modifie son état de comptage pendant la durée du manque de tension, le processeur comprenant des moyens de lecture de l'état du compteur après la remise en tension. La fréquence de l'horloge du compteur est déterminée pour que le segment de droite figurant l'évolution de l'image thermique approchée épouse la partie "chaude", c'est-à-dire à forte décroissance, de la courbe exponentielle de refroi- dissement. - 4 - Le compteur peut effectuer un comptage représentatif du temps écoulé depuis l'apparition du défaut de tension, tandis que la mémorisation de l'image thermique à l'appari- tion du défaut de tension est réalisée dans une mémoire sauvegardée par une capacité, afin de permettre au proces- seur de recalculer le refroidissement à la remise en tension à partir de l'état thermique de départ et du temps écoulé. De préférence, le compteur est lui-même programmable et il est chargé par le processeur en réponse au signal de coupure avec un état initial de comptage fonction de l'image thermi- que instantanée contenue dans la mémoire vive à l'apparition du défaut de tension. Il en résulte une connectique plus simple et une occupation plus réduite de la surface du support du processeur et de l'organe de temporisation numé- rique programmable. Le processeur est, de préférence, un microprocesseur dont une sortie peut générer des impulsions à fréquence rapide, cette sortie étant reliée à l'organe de temporisation numé- rique de manière à se substituer à l'horloge lente de celui- ci en forçant des trains d'impulsions rapides dont le nombre est fonction de l'image thermique contenue dans la mémoire vive, consécutivement à un changement d'état du signal de coupure. Il en résulte qu'à la coupure de tension, le microprocesseur porte ainsi rapidement le compteur à un premier état de comptage qui est une fonction biunivoque de l'image thermi- que instantanée de la mémoire vive et qu'au rétablissement de la tension le microprocesseur récupère un deuxième état de comptage en achevant rapidement le comptage par le força- ge de l'horloge du compteur jusqu'au changement d'état de la sortie de l'organe de temporisation numérique. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation non limi- tatif de l'invention en regard des dessins annexés. -5 La figure 1 est un schéma synoptique d'un relais de protection thermique de moteur incluant le dispositif conforme à l'invention; La figure 2 est un graphe représentant la variation de l'image thermique élaborée par le microprocesseur du relais; Les figures 3 et 4 montrent une séquence de coupure et de rétablissement de la tension d'alimentation du relais et respectivement l'image thermique approchée correspondante; Les figures SA-5E montrent un chronogramme de divers signaux et états représentatifs des échanges entre l'organe de temporisation numérique programmable et le microprocesseur. Le relais de protection thermique 10 de la figure 1 comprend un microprocesseur 11 auquel sont associés une mémoire vive 12 interne ou externe et un interface 13 relié à des cap- teurs de courant 14 disposés sur les lignes d'un réseau alternatif d'alimentation d'un organe sous contrôle, par exemple d'un moteur M, et/ou des capteurs de température 15. Le microprocesseur 11 et les autres constituants du relais sont eux-mêmes alimentés à partir du réseau alternatif via une alimentation 16; le microprocesseur modélise de manière connue l'image thermique du moteur M à partir des données délivrées par les capteurs de courant 14 et/ou de températu- re 15 à l'interface 13, cette image thermique étant stockée dans la mémoire vive 12. Lorsque l'image thermique numérique dépasse un seuil déter- miné e max (figure 2), le microprocesseur agit via une sortie 17 sur un interrupteur 18 qui détermine via un relayage approprié l'ouverture d'interrupteurs de puissance 19 pour couper l'alimentation du moteur. - 6 - Selon l'invention, on prévoit des moyens numériques permet- tant de poursuivre une modélisation approchée de l'image thermique du moteur en cas de coupure ou de défaut de la tension du réseau. Ces moyens comprennent un organe de comptage numérique programmable 20 relié au microprocesseur 11 par des lignes de données et de commande, à savoir une ligne d'état LE, une ligne de réarmement LR et une ligne de forçage LF. L'organe 20 est constitué simplement dans le présent mode de réalisa- tion par un compteur programmable 21 et par quelques élé- ments annexes à ce compteur. Pour poursuivre l'alimentation de l'organe de comptage numé- rique 20 pendant la durée de coupure maximale souhaitée, on prévoit une capacité Cl reliée à l'alimentation 16 propre au relais via un interrupteur d'isolement 22. L'interrupteur 22 est normalement fermé pour autoriser la charge de la capaci- té Cl; il est ouvert par un signal provenant d'une sortie 23 du microprocesseur après coupure de la tension du réseau, ce signal subsistant pendant l'absence de tension sur le microprocesseur et étant maintenu après rétablissement de la tension du réseau pendant un laps de temps permettant à l'alimentation interne 16 du relais de garantir l'autonomie du microprocesseur et l'intégrité de ses échanges avec l'organe 20. La ligne d'état LE relie une sortie Q (ou Q selon le cas) de l'organe de comptage numérique 20 à une entrée 24 du micro- processeur; il est prévu sur la ligne LE un interrupteur , par exemple un transistor MOS, commandé par un signal S représentatif de la coupure de tension. La ligne de réarmement LR relie une sortie 26 du micropro- cesseur à une entrée RST du compteur programmable 21. La ligne de forçage LF relie une sortie 27 du microprocesseur à une entrée Re du compteur programmable 21; la ligne LF comprend un organe de filtrage 28 tel qu'un condensateur. 7- L'organe 20 comprend une horloge lente CK1 reliée à l'entrée Re du compteur de manière que celle-ci recoive, soit le signal CK1, par exemple à fréquence de 10 Hz, soit un signal CK2 généré par le microprocesseur sous forme de trains d'impulsions rapides, par exemple à fréquence de l'ordre de kHz. La basse fréquence du signal CK1 est réglable pour permettre d'ajuster la pente du segment de droite de refroi- dissement. Il existe une relation biunivoque entre lUexponentielle de refroidissement programmée dans le microprocesseur et la variation de l'état de comptage de l'organe de comptage numérique programmable. Au microprocesseur son. par ailleurs rattachés un chien de garde et des lignes de réarmement local et à distance. Une capacité C2 est conIte-nue dans _1alimentation 16 afin dVassu- rer une brève autonomie du microprocesseur 11. Le fonctionnement du dispositif va à présent être décrit en regard des figures 2 à 5E. Le relais de protection 10 modélise, à partir des données délivrées par les capteurs 14, une image thermique numérique 0 du moteur M. Cette image est mémorisée dans la mémoire vive 12. Tant qu'elle reste inférieure à une valeur e max et s'il survient une coupure de la tension U, d'alimentation du relais, le microprocesseur commande l'arrêt du moteur; quand l'image thermique 8 atteint à l'instant to la valeur e max (figure 2), la sortie 17 du microprocesseur 1l entra - ne via l'interrupteur 18 et le relais R l'ouverture des interrupteurs de puissance 19. Le moteur 11 n'est plus alimenté et commence à se refroidir, tandis que son image thermique 8 commence à diminuer selon une courbe exponen- tielle E (figure 2). Si une coupure de la tension U d'alimentation du relais survient à l'instant t1 (figure 3), le relais va continuer - 8 - de simuler selon un segment de droite OE' le refroidissement du moteur pendant une durée qui peut aller jusqu'à plusieurs dizaines de minutes. Le signal de coupure S est généré et, d'une part, ferme l'interrupteur 25, d'autre part, active l'entrée 29 du microprocesseur qui génère à sa sortie 26 une impulsion (figure 5A) transmise par la ligne LR à l'entrée RST du compteur programmable 21; celui-ci est dès lors armé et commence à décrémenter (figure 5E) à partir de Nm sous l'effet du signal d'horloge CK1 qui active l'entrée Re (figure 5D), tandis que la sortie Q du compteur 21 passe à l'état logique 1 (figure 5B), cet état étant transmis par la ligne LE à l'entrée 29 du microprocesseur. Des trains d'impulsions rapides sont alors propagés par la sortie 27 du microprocesseur, la ligne LF et l'organe de filtrage 28 jusqu'à l'entrée Re du compteur 21, qu'ils forcent en remplaçant le signal d'horloge basse fréquence CK1. Le nombre d'impulsions k(Nm - N1) est représentatif de l'image thermique 6(tl). Quand le décomptage atteint Nl à l'instant t'l, le signal 27 cesse et seul le signal d'horloge lent CK1 continue (figures 5C et 5D). La sortie Q du compteur pro- grammable 20 reste à l'état logique 1 jusqu'à ce que le décomptage ait atteint une valeur déterminée. Lorsqu'à l'instant t2 la tension U d'alimentation du relais est rétablie, le microprocesseur vérifie, à son entrée 24, l'état logique de; si = 0, l'état thermique du moteur est considéré comme nul; si Q = 1, cela signifie que le décomptage n'a pas atteint la valeur prédéterminée et le microprocesseur émet à sa sortie 27 des impulsions rapides qui forcent l'entrée Re du compteur, de manière à décrémen- ter celui-ci rapidement. Le nombre kN2 d'impulsions est compté par le microprocesseur jusqu'à ce que Q passe à l'état logique 0 à l'instant t'2 (figures 5B et 5E). Le nombre d'impulsions étant significatif de l'état thermique -9- approché au rétablissement de la tension, il est pris par le microprocesseur comme état thermique approché à l'instant t2. La capacité C2 comprise dans l'alimentation 16 est destinée à assurer une brève autonomie du microprocesseur et nécessi- te un certain temps de charge lors du rétablissement de la tension; il convient de noter que le microprocesseur ne commence à reprendre l'état thermique du compteur programma- ble que s'il dispose d'une réserve d'énergie suffisante pour subir une nouvelle panne d'alimentation. L'interrupteur 22 n'est fermé par la sortie 23 du micropro- cesseur au rétablissement de la tension que si Q est à l'état logique 1, pour éviter le réarmement automatique du compteur programmable. Il va de soi que l'on peut apporter des modifications au dispositif décrit sans sortir du cadre de l'invention. Le dispositif est en particulier applicable à tout appareil électrique de protection comportant un processeur de modéli- sation thermique d'un appareil ou d'une charge susceptible de dissipation thermique, pour effectuer une incrémentation ou décrémentation linéaire du phénomène thermique en cas de coupure de l'alimentation de l'appareil. - 10 - Revendications de brevet 1. Dispositif de détermination numérique et de sauve- garde d'une image thermique, relié à une source de tension et comprenant un processeur relié via un interface à au moins un capteur et susceptible d'élaborer une image numéri- que de l'état thermique d'un appareil ou d'une charge, une mémoire vive associée au processeur et contenant l'image thermique élaborée par le processeur, et un dispositif de sauvegarde permettant en cas de manque de tension de mémori- ser l'image thermique instantanée, caractérisé par le fait que le dispositif de sauvegarde comprend un organe de comptage numérique programmable (20) relié au processeur (11) et à une capacité (Cl) déterminée pour assurer l'alimentation dudit organe pendant la durée de coupure maximale souhaitée, et muni d'au moins un compteur équipé d'une horloge (CK1) qui modifie son état de comptage pendant la durée du manque de tension, le processeur compre- nant des moyens de lecture de l'état du compteur après le rétablissement de la tension. 2. Dispositif numérique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le compteur est programmable et est chargé par le processeur (11) en réponse au signal de coupure (S) avec un état initial de comptage fonction de l'image thermique instantanée contenue dans la mémoire vive (12) à l'apparition du manque de tension. 3. Dispositif numérique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'organe de comptage numérique programmable présente une sortie logique (Q) changeant d'état en fin de comptage et reliée par une ligne d'état (LE) à une entrée du processeur (11), tandis que le proces- seur comprend une sortie apte à générer un signal (CK2) constitué d'impulsions à fréquence rapide et reliée par une ligne de forçage (LF) à l'organe de comptage numérique pour substituer ledit signal rapide au signal d'horloge lente - 11 - (CKl) de celui-ci consécutivement à un changement d'état d'un signal de coupure (S) représentatif du manque de tension. 4. Dispositif numérique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la ligne d'état (LE) reliant la sortie (Q) de l'organe de comptage numérique à l'entrée du processeur (11) comprend un interrupteur (25) commandé par le signal de coupure (S). 5. Dispositif numérique selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé par le fait que la capacité (Cl) assurant l'alimentation de l'organe de comptage numérique pendant la durée du défaut de tension est reliée à la source de tension via un interrupteur d'isolement (22) commandé par le proces- seur (11) et maintenu ouvert tant que l'autonomie d'alimen- tation du processeur n'est pas réalisée.