Brevet FR2599182A1 — publié le 19871127

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN ELECTRO-AIMANT DONT L'EXCITATION, PAR UN COURANT ALTERNATIF, PROVOQUE LA MISE EN CONTACT DE DEUX PIECES. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de commande d'un électro-aimant dont l'excitation, par un courant alternatif, provoque la mise en contact de deux pièces. Elle s'applique notamment à la commande des électro-aimants utilisés dans les contacteurs électriques dont la fermeture est obtenue à la suite de l'excitation de la bobine de l'électro-aimant par un courant alternatif, cette excita10 tion provoquant l'application des contacts mobiles du contacteur sur les contacts fixes. Toutefois, l'invention ne se limite pas à ce type d'application. Elle peut, en effet, convenir à de nombreux autres dispositifs actionnés par un électro-aimant tels que, par exemple, des électrovannes. 15 Il s'avère que dans les dispositifs de ce genre, l'énergie mécanique communiquée à la partie mobile de l'électro-aimant pour provoquer la fermeture est variable selon l'angle de fermeture de l'interrupteur qui commande l'excitation de la 20 bobine de l'électro- aimant, c'est-à-dire selon l'instant marquant le début de l'excitation, considéré dans la période correspondante du courant alternatif. - 2 C'est la raison pour laquelle, à l'heure actuelle, on est obligé de dimensionner les électro-aimants de manière à les rendre opérationnels dans tous les cas de figure, y compris pour des angles de fermeture les plus défavorables. Toutefois, outre l'augmentation du coût et de l'encombrement qu'implique ce dimensionnement, ces mesures présentent un certain nombre d'inconvénients principalement dus à l'excès d'énergie développée notamment lorsque l'angle de fermeture 10 est favorable. On constate en effet, qu'en raison de ce surcroît d'énergie, il se produit fréquemment dans les contacteurs un impact brutal des contacts mobiles sur les contacts fixes qui 15 s'accompagne de rebondissements entraînant une usure prématurée. En outre, l'équipage mobile de contact et/ou l'armature de l'électro-aimant percutent la partie fixe de l'électro-aimant avec une vitesse élevée, ce qui provoque un rebondissement du circuit magnétique (croquage), un matage 20 voire une rupture du circuit magnétique, ainsi qu'un bruit important. Des problèmes similaires se posent également dans d'autres dispositifs à électro-aimant tels que des électrovannes qui 25 sont alors le siège d'usure prématurée des joints d'étanchéité et de phénomènes de rebondissement plus accentués dus, en particulier, à l'élasticité desdits joints. L'invention a donc pour but de supprimer ces inconvénients. 30 A cet effet, elle part de la constatation qu'un électroaimant du type susdit présente au moins un angle de fermeture privilégié conduisant à un actionnement optimal de l'équipage mobile associé à l'électro-aimant. Par conséquent, en imposant cet angle de fermeture privilégié, il 35 devient possible de supprimer les inconvénients précédemment mentionnés. - 3 Pour parvenir à ce résultat, l'invention propose un procédé pour la commande d'un électro-aimant comprenant une bobine sur laquelle peut être appliqué un courant alternatif à la suite de l'émission d'un ordre de commande, en vue de provo5 quer la mise en contact de deux pièces, ce procédé étant plus particulièrement caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la détermination préalable d'une période de temps qui 10 correspond à un angle de commande d'excitation privilégié de l'électroaimant; - la détection, à partir de l'instant o ledit ordre de commande a été émis, d'un passage à zéro du courant alter15 natif; - l'application du courant alternatif à la bobine, lorsque ladite période de temps succédant ledit passage à zéro s'est écoulée. Ce procédé peut être mis en oeuvre en associant à un dispositif interrupteur commandable en série avec la bobine de l'électro-aimant, un circuit électronique relativement simple comprenant: - un organe de détermination des zéro de tension du courant alternatif; - un élément de temporisation connecté à la sortie de 30 l'organe de détermination de zéro, cet élément de temporisation étant réglé pour obtenir un temps de temporisation qui correspond à l'angle de commande privilégié de l'électro-aimant; - un dispositif de commutation commandé par l'élément de temporisation pour délivrer au dispositif interrupteur, à la suite d'un ordre de commande, un signal de commande -4 d'excitation de la bobine retardé dudit temps de temporisation. La maîtrise ainsi obtenue de la vitesse communiquée à 5 l'équipage mobile de contact et/ou à l'armature mobile permet d'éviter les inconvénients précédemment cités. Des essais effectués sur de tels dispositifs ont montré qu'il était possible de multiplier jusqu'à dix la durée de 10 vie de l'appareil et, d'autre part, de réduire considérablement le volume et le prix de l'électro-aimant, du fait notamment de la diminution du volume de cuivre requis. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci15 après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de commande conforme à l'invention; 20 La figure 2 est un diagramme représentatif des signaux électriques en différents points du circuit représenté sur la figure 1; Les figures 3, 4, 5 et 6 sont des schémas de variantes d'exécution de l'interrupteur commandable utilisé dans les dispositifs représentés sur les figures 1 et 2. Tel que représenté sur la figure 1, le dispositif de commande pour électro-aimant dont seule la bobine L a été représentée, fait intervenir, en série dans un circuit reliant la bobine L aux bornes d'une source de courant alternatif (bornes B1, B2), un interrupteur de commande I dont la 35 fermeture est obtenue par application d'un ordre d'excitation de la bobine et un interrupteur commandable constitué par un Triac T shunté, de façon classique, par une résistance RS ("Snubber") destinée à éviter un déclenchement intem- -2 5 --5 pestif par d du Triac T lors de la fermeture de l'interrupteur de commande I. La gâchette G de ce Triac T est commandée par un circuit 5 électronique de commande alimenté par un circuit d'alimentation connecté entre la borne de sortie A de l'interrupteur I et la borne B2 de la source. Ce circuit d'alimentation comprend notamment, en série, une diode D1, une résistance R1 et un condensateur C1 shunté par une diode Zener Dz1. 10 Dans cet exemple, la détection des zéros de tension de la source et l'obtention du susdit temps de temporisation définissant l'angle de commande privilégié de l'électro-aimant sont obtenus selon un processus comprenant les étapes sui15 vantes: - l'obtention d'un courant redressé demi-onde synchrone du courant alternatif de la source, mais déphasé par rapport à celui-ci d'un angle de déphasage correspondant à l'angle 20 de commande privilégié; - la conformation dudit courant redressé en un signal crénelé présentant les mêmes caractéristiques de fréquence et en opposition de phase; - la dérivation du signal crénelé de manière à obtenir des impulsions correspondant aux fronts montants dudit signal; - la commande de la gâchette G du Triac T par une bascule bistable sensible-auxdites impulsions. Ainsi, dans l'exemple représenté, la phase d'obtention du courant redressé est réalisée au moyen d'un circuit redres35 seur comprenant, entre les bornes A et B2, une résistance R4 et une diode D3 en parallèle avec laquelle est monté un condensateur C3. Le déphasage du courant redressé demi-onde obtenu au point C par rapport au courant alternatif du - 6 réseau peut être ajusté à la valeur souhaitée, par un choix approprié de la valeur de la résistance R4 et/ou du condensateur C3. Ce déphasage est visible sur les oscillogrammes O1 et 03 représentés sur la figure 2 qui représentent 5 respectivement la tension du courant alternatif prélevée à la borne A et la tension redressée demi-onde obtenue au point C (jonction entre la résistance R4 et le condensateur C3). Cette tension redressée demi-onde est appliquée à un premier conformateur inverseur IN1 qui délivre au point D un signal crénelé synchrone mais en opposition de phase visible sur l'oscillogramme 04. Ce signal est ensuite transmis à un dérivateur formé, de façon classique, par un condensateur C4 15 et une résistance R6. Au point F situé à la jonction du condensateur C4 et de la résistance R6, on obtient donc une succession d'impulsions qui correspondent respectivement aux fronts montants des crénaux du signal délivré par le conformateur inverseur IN1. Ces impulsions visibles sur l'oscillogramme 06 sont ensuite appliquées à un deuxième conformateur.inverseur IN2 dont la sortie est connectée à l'entrée E1 d'une bascule bistable FL de type RS. La sortie Q de cette bascule FL dont le signal 25 est représenté par l'oscillogramme 08 est connectée à la gâchette du Triac T par l'intermédiaire d'une résistance R7. L'entrée d'initialisation E2 de cette bascule FL est connectée à un circuit d'initialisation agencé de manière à 30 n'émettre un signal d'initialisation que, lorsque, à la suite de la fermeture de l'interrupteur I, la tension d'alimentation dépasse une valeur prédéterminée. Ce circuit d'initialisation comprend plus particulièrement, entre le point B du circuit d'alimentation et la borne B2, une résis35 tance R8 en série avec un condensateur C2. Le point de jonction entre cette résistance R8 et cette capacité C2 est alors relié à un dispositif à seuil IN3 qui délivre à sa sortie E une tension dont la variation a été représentée par - 7 l'oscillogramme 05 et comprend une première phase qui suit l'instant de fermeture de l'interrupteur I, et au cours de laquelle la tension croît à l'image de la tension d'alimentation au point B (oscillogramme 02) et une deuxième phase 5 qui est déclenchée lorsque la tension atteint un seuil prédéterminé VS et au cours de laquelle cette tension présente une valeur nulle. La sortie E du dispositif à seuil IN3 est reliée à l'entrée 10 d'un conformateur inverseur IN4 qui fournit à sa sortie S une tension de sortie qui, comme on le voit sur l'oscillogramme 07, présente une valeur nulle (état logique 0) dans la première phase de fonctionnement du dispositif à seuil IN3 et une valeur correspondant à un état logique 1, au 15 cours de la deuxième phase. Cette tension de sortie est appliquée à l'entrée d'initialisation E2 de la bascule FL. On obtient donc ainsi une temporisation de l'initialisation de la bascule FL qui permet d'éviter un fonctionnement aléatoire de la bascule lors de la phase transitoire qui suit la 20 fermeture de l'interrupteur I. Une diode D4 montée entre le point F (sortie du dérivateur C4R6) et le point S interdit l'enclenchement de la bascule FL pendant tout le temps que l'initialisation qui doit 25 s'opérer à la suite de la fermeture de l'interrupteur I n'est pas terminée (la diode D4 maintient la sortie du dérivateur C4R6 à une tension nulle pendant la première phase de fonctionnement du dispositif à seuil IN3 et du conformateur inverseur IN4). Le circuit précédemment décrit comprend en outre: - une diode D2 reliant les points B et C de manière à limiter la tension au point C à la tension d'alimentation 35 délivrée au point B; - 8- une diode Dg, en parallèle avec la résistance R8, qui sert à accélérer la décharge du condensateur C2 lors de l'ouverture de l'interrupteur I. Il convient de noter que sur les oscillogrammes représentés sur la figure 2, le temps de temporisation correspondant à l'angle de commande privilégié de l'électro-aimant a été choisi à 2,7 ms environ, ce qui correspond à un angle de 500. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à cet angle. En effet, selon le type de dispositif à électro-aimant utilisé, cet angle peut varier de 0 à 180 . Dans la variante d'exécution représentée sur la figure 3, le courant de gâchette du Triac est amplifié par un transistor TR1 dont la base est reliée à la sortie Q de la bascule FL, par l'intermédiaire d'une résistance R10. Le collecteur de ce transistor TR1 est connecté à la diode D1 par l'intermé20 diaire d'une résistance Rll et à la borne B2 de la source de courant alternatif, par l'intermédiaire d'un condensateur C5 shunté par une diode Zener Dz2. L'émetteur du transistor TR1 est alors connecté à la gâchette du Triac T par l'intermédiaire d'une résistance R12 et d'une diode électrolumines25 cente D10 qui permet la visualisation de l'état de la commande du Triac T. Il convient de noter que la commande de l'électro-aimant - pourrait s'effectuer autrement qu'à l'aide d'un Triac. 30 Ainsi, la figure 4 montre un exemple d'exécution dans lequel cette commande s'effectue au moyen d'un optocoupleur pouvant comprendre, de façon connue, une diode électroluminescente Dll montée dans le circuit de sortie de la bascule FL et 35 deux optothyristors TH1, TH2 montés têtebêche dans le circuit de la bobine L. - 9 La figure 5 représente une autre variante selon laquelle bascule bistable FL provoque la mise en action d'un oscil teur ou d'un multivibrateur OSC1 dont la sortie débite d le primaire P1 d'un transformateur. Celui-ci comprend al une résistance R14, R15. Une autre solution, représentée sur la figure 6, consiste utiliser un transformateur sans fer à un seul enrouleme secondaire dont le primaire P4 est monté sur le circuit sortie d'un oscillateur OSC2 piloté par la bascule bistab 15 FL. La tension aux bornes de l'enroulement secondaire P5 e alors redressée et filtrée (D14, C6, R16) puis appliquée la gâchette d'un transistor à effet de champ FET. Ce tra sistor à effet de champ FET effectue la commande de de thyristors montés tête-bêche TH6, TH7 dans le circuit de 20 bobine, par l'intermédiaire d'un pont de diodes D15 à D18 I1 s'avère que le procédé et le dispositif précédemmep décrits sont particulièrement avantageux pour la commanó des contacteurs utilisés dans des montages inverseurs. 25 En effet, ces montages font habituellement intervenir det contacteurs à fonctionnement inverse, c'est-à-dire que] fermeture de l'un de ces contacteurs s'accompagne c l'ouverture de l'autre contacteur. 30 Or, dans ces montages, dans lesquels l'ouverture et 1 fermeture respectives des deux contacteurs s'effectuen simultanément, il existe un risque important de court circuit dû au fait que la commutation du contacteur recevan 35 l'ordre de fermeture se produit avant l'extinction de l'ar de coupure qui se produit au niveau des contacts du contac teur recevant l'ordre d'ouverture. Ainsi, par exemple dan i {. le cas d'un montage inverseur pur courant monophasé, le circuit de phase se trouvera directement relié au neutre. Ce danger est supprimé grâce à l'emploi, pour chacun des 5 contacteurs du montage inverseur, d'un dispositif de commande selon l'invention. En effet, grâce à ces dispositifs de commande, la commutation du contacteur sollicité à la fermeture sera toujours retardée par rapport à la commutation du contacteur sollicité à l'ouverture, avec un temps de retard 10 supérieur au temps d'extinction de l'arc de coupure de ce dernier contacteur, par suite du temps nécessaire à l'initialisation. - 11 Revendications 1. Procédé pour la commande d'un électro-aimant comprenant une bobine sur laquelle peut être appliqué un courant alternatif à la suite de l'émission d'un ordre d'excitation, en vue de provoquer la mise au contact de deux pièces, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la détermination préalable d'une période de temps qui correspond à un angle de commande d'excitation privilégié 10 de l'électro- aimant; - la détection, à partir de l'instant o ledit ordre de commande a été émis, d'un passage à zéro du courant alternatif; - l'application du courant alternatif à la bobine, lorsque ladite période de temps succédant ledit passage à zéro s'est écoulée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détection du zéro de tension et l'obtention du susdit temps de temporisation définissant l'angle de commande privilégié de l'électro-aimant sont obtenus selon un processus comportant les étapes suivantes: 25 l'obtention d'un courant redressé demi-onde synchrone du susdit courant alternatif mais déphasé par rapport à celui-ci d'un angle de déphasage correspondant à l'angle de commande privilégié; - la conformation dudit courant redressé en un signal présentant les mêmes caractéristiques de fréquence et de phase; - 12 - la commande de l'application du courant alternatif sur ladite bobine par un front montant ou descendant dudit signal. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend la dérivation du signal crénelé, de manière à obtenir des impulsions de courant qui coincident dans le temps avec les fronts montants dudit signal et la commande de l'application du courant alternatif 10 sur la bobine par l'une desdites impulsions. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend l'inhibition desdites impulsions au cours d'une période transitoire succédant 15 l'émission de l'ordre de commande. 5. Dispositif pour la commande d'un électro-aimant comprenant une bobine reliée à une source d'alimentation en courant alternatif par l'intermédiaire d'un dispositif 20 interrupteur commandable (T) en série avec la bobine (L) de l'électro-aimant, caractérisé en ce que ledit dispositif interrupteur (T) est commandé par un circuit de commande comprenant: - un organe de détermination des zéro de tension du courant alternatif (R4, C3, D3, IN1, C4, R6, IN2); - un élément de temporisation connecté à la sortie de l'organe de détermination de zéro, cet élément de tempori30 sation étant réglé pour obtenir un temps de temporisation qui correspond à l'angle de commande privilégié de l'électro-aimant; - un dispositif de commutation (FL) commandé par l'élément 35 de temporisation pour délivrer au dispositif interrupteur (T), à la suite d'un ordre de commande, un signal de commande d'excitation de la bobine retardé dudit temps de temporisation. - 13 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la bobine de l'électro-aimant est reliée à une source de courant alternatif par l'intermédiaire d'un circuit comprenant en série un interrupteur (I) dont la fermeture est 5 obtenue par application d'un ordre d'excitation de la bobine et d'un dispositif interrupteur commandable (T), caractérisé en ce que la commande dudit dispositif interrupteur commandable (T) est assurée au moyen d'un circuit comprenant: - à la sortie dudit interrupteur (I), un redresseur interrupteur commandable (T). 7. Dispositif-selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en aval du susdit interrupteur (I) un circuit redresseur (D1, R1, C1, Dz1) servant à l'alimentation des éléments du circuit de commande du dispo35 sitif interrupteur commandable (T), ainsi qu'un dispositif à seuil (IN3, IN4) qui fournit à la susdite bascule bistable un signal d'initialisation lorsque la tension délivrée par - 14 le circuit redresseur (D1, R1, C1, Dz1) dépasse un seuil prédéterminé, à la suite de la fermeture du susdit interrupteur (I). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (D4) permettant d'inhiber les susdites impulsions pendant la phase transitoire comprise entre le moment de fermeture de l'interrupteur (I) et l'instant o s'effectue l'initialisation de 10 ladite bascule (FL}. 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le susdit dispositif interrupteur commandable consiste en un Triac (T) dont la gâchette (G) 15 est commandée par le circuit de sortie de la bascule bistable (FL). 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le susdit dispositif interrupteur 20 commandable comprend un optocoupleur (Dll, T H1, TH2}. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le susdit dispositif interrupteur commandable comprend une diode électroluminescente (Dll) 25 montée dans le circuit de sortie de la bascule bistable (FL) et deux optothyristors C(TH1l, 'TH2) montés tête- bêche dans le circuit de la bobine (L). 12. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, 30 caractérisé en ce que le susdit interrupteur commandable comprend un oscillateur (OSC1) commandé par la bascule bistable (FL) et dont la sortie débite dans le primaire (P1) d'un transformateur, et en ce que ce transformateur comprend deux enroulements secondaires (P2, P3) pilotant deux thyris35 tors respectifs (TH4, TH5) montés tête-bêche dans le circuit de la bobine (L) de l'électro-aimant et ce, par l'intermédiaire de deux démodulateurs respectifs (D12, R14, D13, R15)- - 13. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le susdit interrupteur commandable comprend un oscillateur (OSC2) commandé par la bascule bistable (FL) et dont la sortie (Q) débite dans le primaire 5 (P4) d'un transformateur, un redresseur (D14, C6, R16) servant à redresser et à filtrer la tension délivrée par le secondaire (P2) de ce transformateur, un transistor à effet de champ (FET) piloté par la tension ainsi redressée et filtrée, ce transistor à effet de champ effectuant la 10 commande de deux thyristors (TH6, TH7) montés tête-bêche dans le circuit de la bobine (L), par l'intermédiaire d'un pont de diodes (D15 à D18).