Brevet FR2617661A1 — publié le 19890106

DISPOSITIF DE COMMANDE POUR UNE SOURCE DE CHALEUR ELECTRIQUE La présente invention concerne les dispositifs permettant de commander des sources de chaleur électriques, telles que des radiateurs électriques répartis dans un local à chauffer. On connais des dispositifs de commande électromécanique permettant de commander alternativement la marche et l'arrêt de l'alimentation de radiateurs électriques pour maintenir la température d'un local selon une plage relativement constante. Ces dispositifs électromécaniques présentent l'inconvénient d'être relativement peu précis, et la température obtenue peut dériver dans le temps. On a tenté de résoudre ce problème en concevant des dispositifs de commande électroniques, comprenant des moyens de consigne, des moyens de mesure de la température du local, des moyens de comparaison de la température mesurée et de la consigne, et une channe de réaction pour commander en fonction de la comparaison ltouverture et la fermeture d'un interrupteur disposé en série avec les radiateurs. Les dispositifs électroniques de régulation connus améliorent la précision de régulation par rapport aux dispositifs électromécaniques, mais présentent l'inconvénient de nécessiter une alimentation électrique séparée, de faible puissance, pour alimenter le circuit électronique de commande lui-même. L'alimentation électrique séparée du circuit de commande électronique nécessite des lignes d'alimentation électrique supplémentaires, ce qui augmente sensiblement le. coût d'installation du dispositif tans un bâtiment. On constate d'autre part que, dans ces dispositifs connus, la précision de régulation obtenue est certaines fois insuffisante, et la consommation d'énergie peut être exagérément élevée, notamment lorsque des perturbations importantes se produisent dans le local à chauffer, par exemple l'ouverture d'une porte ou d'une fenêtre. La présente invention a notamment pour objet d'éviter les inconvénients des dispositifs connus, en proposant un nouveau dispositif de commande électronique ne nécessitant aucune ligne d'alimentation électrique auxiliaire. L'alimentation du circuit de commande est assurée par les seuls conducteurs électriques alimentant le radiateur piloté par le dispositif. Un autre objet de la présente invention est de permettre une précision de régulation nettement améliorée, une vitesse de réaction te la régulation plus rapide, ce qui assure, à l'utilisation, une économie sensible d'énergie. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le dispositif de commande électronique selon l'invention assure le pilotage d'une charge alimentée par deux fils conducteurs, et comprend un interrupteur en série avec la charge et commandé par des moyens de commande électroniques alimentés par une alimentation ; selon l'invention, l'alimentation est connectée en parallèle sur l'interrupteur, présente une impédance d'entrée nettement supérieure à l'impédance de la charge, et comprend des organes accumulateurs d'énergie pour stocker l'énergie électrique pendant les périodes d'ouverture de l'interrupteur, ladite énergie électrique stockée étant utilisée pour alimenter les moyens de commande pendant les périodes de fermeture de l'interrupteur. Selon un mode de réalisation, l'interrupteur est un triac dont la gachette est commandée par un circuit de commande par l'intermédiaire d'un coupleur optoélectronique, le circuit de commande étant alimenté par une alimentation stabilisée dont les bornes d'entrée sont connectées aux bornes du triac par l'intermédiaire d'un transformateur électrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour la réalisation d'une régulation thermique, le dispositif comprend des moyens de consigne, des moyens de mesure de la température du local, des moyens de comparaison de la température mesurée et de la consigne, une charnue de réaction pour commander la fermeture et l'ouverture de l'interrupteur en fonction de la comparaison, dans un sens tendant à réduire la valeur de la comparaison.Selon l'invention, la channe de réaction comprend - une première chaine de réaction dont l'entrée reçoit la comparaison, et qui comprend des moyens pour produire à sa sortie un signal pulsé à fréquence basse relativement lente et dont le rapport cyclique est calculé en fonction de la comparaison, - une seconde channe de réaction, dont l'entrée reçoit la comparaison, et qui comprend des moyens pour produire à sa sortie un signal pulsé à fréquence haute relativement rapide et dont le rapport cyclique est calculé en fonction de la comparaison, - un dispositif de type ET logique à deux entrées, dont la première et la seconde entrées reçoivent respectivement le signal de sortie de la première channe de réaction et le signal de sortie de la seconde channe de réaction, et dont la sortie commande l'interrupteur. De cette manière, la source de chaleur est alimentée en énergie électrique lorsque l'une et l'autre des deux chaînes de réaction donnent un ordre de fonctionnement, et la source de chaleur n'est plus alimentée lorsque ltune au moins des deux channes de réaction donne un ordre d'arret. De préférence, la fréquence haute est au moins le triple de la fréquence basse. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - la figure 1 illustre les dispositifs connus pour la commande et la régulation d'une charge - la figure 2 illustre la connexion électrique d'un.dispositif selon la présente invention - la figure 3 représente un circuit de commande selon l'invention, incluant un sous-ensemble de réaction - la figure 4 représente le schéma fonctionnel du sous-ensemble de réaction - les figures 5 et 6 illustrent les fonctions de transfert du sousensemble de réaction ;; - les figures 7 à 13 sont des diagrammes temporels illustrant le fonctionnement simultané des organes du sous-ensemble de réaction - les figures 14 à 16 sont des diagrammes temporels à plus grande échelle illustrant le fonctionnement du sous-ensemble de réaction ; et - les figures 17 et 18 représentent les courbes de transfert du dispositif. Comme le représente la figure 1, les dispositifs électromécaniques connus pour la commande et la régulation de chauffage électrique, comprennent une commande électromécanique 1 commandant un interrupteur 2 connecté en série avec la charge ou radiateur électrique 3 à travers les bornes 11 et 12. L'ensemble est connecté aux deux bornes 4 et 5 du réseau d'alimentation électrique. Le fonctionnement de la commande électromécanique 1, qui comprend généralement un ressort bilame sensible a la température du local, ne nécessite pas d'alimentation électrique. séparée. Comme le représente la figure 2, le dispositif selon la présente invention comprend une commande électronique 6, actionnant l'interrupteur 2, l'interrupteur 2 étant lui-même connecté en série avec la charge ou radiateur électrique 3 entre les bornes 4 et 5 du réseau d'alimentation électrique. Selon l'invention, le circuit de commande électronique 6 est alimenté, selon ses deux bornes d'alimentation 7 et 8, par deux conducteurs électriques respectivement 9 et 10 reliant les bornes 7 et 8 respectivement à la première borne 11 et à la seconde borne 12 de l'interrupteur 2. L'impédance d'entrée du circuit d'alimen- tation de la commande électronique 6, ou impédance entre les bornes 7 et 8, est choisie nettement supérieure à l'impédance de la charge 3.Le circuit de commande électronique 6 comprend des organes accumulateurs d'énergie pour stocker l'énergie électrique pendant les périodes d'ouverture de l'interrupteur 2, l'énergie stockée devant être suffisante pour assurer l'alimentation des moyens de commande électronique pendant les périodes de fermeture de l'interrupteur 2. La figure 3 représente un circuit de commande selon l'invention adapté à une utilisation dans laquelle la source d'énergie électrique est un réseau d'alimentation alternatif. Dans ce mode de réalisation, l'interrupteur 2 est un triac, dont l'anode 13 est connectée à la borne d'entrée 11, dont la catode 14 est connectée à la borne d'entrée 12, et dont la gachette 15 est connectée à la borne de sortie 16 du circuit de commande. Le circuit de commande comprend un sous-ensemble de réaction 17, dont les bornes de sortie 18 et 19 sont reliées à la sortie 16 du dispositif de commande, de manière connue et représentée sur la figure, par un dispositif de mise en forme des signaux et un coupleur optoélectronique 20 assurant l'isolement électrique entre le circuit du triac 2 et le circuit de commande. Le sous-ensemble de réaction 17 est alimenté, sur ses deux bornes d'alimentation 21 et 22, par un circuit d'alimentation stabilisée faisant partie du circuit de commande électronique 6. Le circuit d'alimentation stabilisée comprend un transformateur électrique 23 pour l'isolement électrique et l'adaptation d'impédance, dont le primaire 24 est connecté aux bornes 7 et 8 d'entrée d'alimentation de la commande électronique, lesquelles bornes 7 et 8 sont connectées aux bornes d'entrée 11 et 12. Le secondaire 25 du transformateur est connecté a un pont redresseur 26 dont les bornes de sortie 27 et 28 sont connectées a' un ensemble 29 de stabilisation d'alimentation.Les bornes de sortie 30 et 31 de l'ensemble de stabilisation 29 sont connectées en parallèle sur les bornes d'entrée d'alimentation 21 et 22 du sous-ensemble de réaction 17, et aux bornes d'un ensemble accumulateur d'énergie électrique 32. L'ensemble accumulateur 32 constitue les organes accumulateurs d'énergie permettant de stocker l'énergie électrique pendant les périodes d'ouverture de l'interrupteur ou triac 2, l'ensemble accumulateur 32 restituant ensuite l'energie pendant les périodes de fermeture du triac 2. Par exemple l'ensemble accumulateur 32 peut être une batterie de condensateurs de forte valeur, ou une batterie d'accumulateurs. Le dispositif des figures 2 et 3 peut etre utilisé pour tous types de sous-ensembles de réaction 17, le sous-ensemble de réaction déterminant le type de régulation que L'on obtient, étant observé qu'il faut seulement que le fonctionnement de la régulation définisse des périodes alternées de fermeture et d'ouverture du triac 2, de façon à assurer l'alimentation correcte du circuit de commande en énergie électrique. Pendant les périodes d'ouverture du triac 2, les bornes 7 et 8 se retrouvent connectées en série avec la charge 3 ; l'impédance du dispositif entre les bornes 7 et 8, par l'effet du transformateur 23, est nettement plus grande que l'impédance de la charge 3, de sorte que le primaire 24 du transformateur est soumis à la quasi-totalité de la tension du réseau d'alimentation présente entre les bornes 4 et 5. Pendant ces périodes, la batterie d'accumulateur 32 se charge en énergie électrique. Lorsque le triac 2 est fermé, la tension entre les bornes 7 et 8 est voisine de zéro ; la batterie d'eccumulateur 32 assure l'alimentation du sous-ensemble de réaction 17 par les bornes 21 et 22. La figure 4 représente un schéma théorique du sous-ensemble de réaction 17 selon la présente invention. Le dispositif comprend des moyens de consigne C et des moyens de mesure M schématiquement représentés. Par exemple, les moyens de consigne peuvent être un potentiomètre fournissant une tension électrique commandable par l'utilisateur ; les moyens de mesure M peuvent hêtre une sonde de température permettant de mesurer la température du local et de produire un signal d'entrée. Le dispositif comprend des moyens de comparaison 33 pour comparer le signal de température produit par les moyens de mesure M et le signal de consigne fixé par les moyens de consigne C.Le résultat de la comparaison fournie par les moyens de comparaison 33 est envoyé è l'entrée d'une chaîne de réaction 34, dont la sortie 35 fournit les signaux de sortie sur les bornes 18 et 19 du sous-ensemble de réaction 17. Selon l'invention, la chaîne de réaction 34 comprend une première chaîne de réaction 36 et une deuxième chaîne de réaction 37. La première chaîne de réaction 36, dont l'entrée 38 reçoit le signal de comparaison fourni par le moyen de comparaison 33, comprend des moyens pour produire à sa sortie 39 un signal A pulsé à fréquence basse relativement lente et dont le rapport cyclique varie en fonction de la comparaison. La seconde chaîne de réaction 37, dont l'entrée 40 reçoit le signal de comparaison produit par le moyen de comparaison 33, comprend des moyens pour produire à sa sortie 41 un signal B pulsé à fréquence haute relativement rapide et dont le rapport cyclique est calculé en fonction de la comparaison. Par exemple, les signaux A et B sont des signaux carrés de type tout ou rien. La fréquence du signal A, ou fréquence basse, doit hêtre différente de la fréquence du signal B, ou fréquence haute. De préférence, la fréquence du signal B ou fréquence haute est au moins le triple de la fréquence du signal A ou fréquence basse. Les sorties 39 et 41 respectives des chaînes de réaction 36 et 37 sont connectées respectivement aux deux bornes d'entrée 42 et 43 d'un dispositif 44 de type ET logique à deux entrées, dont la sortie est connectée à la borne 35. Le dispositif 44 de type ET logique fournit sur sa borne de sortie 35 un signal lorsqu'un signal est simultanément présent sur chacune de ses bornes d'entrée 42 et 43 ; le signal sur la borne de sortie 35 est nul dès que l'une ou l'autre deè bornes d'entrée 42 ou 43 reçoit un signal nul. Dans le mode de réalisation représenté, la première chaîne de réaction 36 comprend un amplificateur-filtre A1 définissant la fonction de transfert 'principale de la première chaîne de réaction. Cette fonction, de transfert principale peut être de type proportionnel, de type proportionnel et intégral, de type proportionnel et dérivé, de type proportionnel intégral et dérivé. Le signal de sortie de l'amplificateur-filtre A1 est échantillonné par un comparateur A5 sollicité par un générateur de rampe A3. La sortie du comparateur A5 fournit le signal pulsé A de la première chaîne de réaction 36, La fréquence du générateur de rampe A3 détermine la fréquence basse ou fréquence du signal A.Le rapport cyclique du signal A, ou la largeur des créneaux du signal, sont fonction du signal de comparaison présent sur l'entrée 38 et des caractéristiques de l'amplificateur-filtre A1. De manière similaire, la seconde chaîne de réaction 37 comprend un amplificateur-filtre A2 définissant la fonction de transfert principale de la seconde chaîne de réaction, fonction de transfert qui peut être de type proportionnel, proportionnel et intégral, proportionnel et dérivé, ou proportionnel intégral et dérivé. Le signal de sortie de l'amplificateur-filtre A2 est échantillonné par un oscillateur A4 à modulation de largeur d'impulsions et à fréquence constante, la fréquence de l'oscillateur A4 déterminant la fréquence haute ou fréquence du signal de sortie B. Le rapport cyclique du signal de sortie B, ou la largeur des créneaux de ce signal, sont fonction du signal de comparaison présent sur l'entrée 40 et des caractéristiques de modula- tion de l'oscillateur A4. Les figures 5 et 6 illustrent la fonction de transfert du dispositif complet selon l'invention, comprenant les moyens de mesure, les moyens de consigne, les moyens de commande et le radiateur électrique. Ho(p) est la fonction de transfert réglante, du local et tu système de chauffage. H1(p) est la fonction de transfert de la première chaîne de réaction 36. H2(p) est la fonction de transfert de la deuxième chaîne de réaction 37. S(p) est le signal analogique de mesure de température du local. E(p) est le signal analogique de consigne, défini par l'utilisateur. d(p) illustre les perturbations éventuellement appliquées au dispositif, par exemple l'ouverture d'une fenetre. Les calculs montrent que la fonction de transfert globale-T(p) est un produit complexe des fonctions de transfert partielles, selon la formule T(p) t H0(p) x (H1(p).H2(p)) avec le signe "x" représentant un produit en algèbre linéaire, et le signe "." représentant un produit en algèbre de BOOLE. La figure 7 représente un exemple d'évolution de la température mesurée M autour du point de consigne C. Les figures 8 a 13 illustrent l'allure des signaux A et B pendant des périodes distinctes : les figures 8 et 9 illustrent les signaux A et B dans la zone Y1 de la figure 7, les figures 10 et 11 illustrent les signaux A et B dans la zone Y2 de la figure 7, tandis que les figures 12 et 13 illustrent les signaux A et B dans la zone Y3 de la figure 7. Les figures 14 à 16 illustrent le fonctionnement du dispositif 44 de type ET logique : les signaux A et B des figures 14 et 15 se combinent pour donner le signal R de la figure 16, dans lequel le signal B module le signal A pendant les intervalles au cours desquels ce dernier est positif. Dans ces diagrammes temporels, T est la période de pulsation de la première chaîne de réaction, T2 est la période de pulsation de la seconde chaîne de réaction. Au cours des temps d'errêt, la puissance électrique fournie au radiateur est nulle. Au cours des temps de marche, la puissance fournie au radiateur est maximale. Ainsi la puissance fournie par le radiateur reflète fidèlement l'allure du signal résultant R de la figure 16. Les figures 17 et 18 illustrent des courbes de transfert des deux chaînes de réaction. PA est la puissance demandée par la première chaîne de réaction. PB est la puissance demandée par la seconde chaîne de réaction. Les figures illustrent que la seconde chaîne de réaction permet des réactions beaucoup plus rapides de la régulation, sans pour autant provoquer des oscillations néfastes. De façon avantageuse, le dispositif peut comprendre des moyens, non représentés sur les figures, pour décaler le signal d'entrée de la première chaîne de réaction d'une valeur choisie de manière adéquate pour compenser l'erreur statique introduite par la seconde chaîne de réaction. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS r 1 - Dispositif de commande électronique pour une charge alimentée par deux fils, comprenant un interrupteur (2) en série avec la charge (3) et commandé par des moyens de commande électroniques alimentés par une alimentation, caractérisé en ce que l'alimentation est connectée en parallèle sur l'interrupteur (2), présente une impédance d'entrée nettement supérieure à l'impédance de la charge (3), et comprend des organes accumulateurs d'énergie (32) pour stocker l'énergie électrique pendant les périodes d'ouverture de l'interrupteur (2), ladite énergie électrique stockée étant utilisée pour alimenter les moyens de commande (17) pendant les périodes de fermeture de l'interrupteur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur (2) est un triac dont la gachette (15) est commandée par un circuit de commande (17) par l'intermédiaire d'un coupleur optoélectronique (20), le circuit de commande étant alimenté par une alimentation stabilisée (29) dont les bornes d'entrée (27, 28) sont connectées aux bornes du triac (2) par l'intermédiaire d'un transformateur électrique (23). 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, pour la réalisation d'une régulation thermique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de consigne (C), des moyens de mesure de la température d'un local (M), un radiateur électrique (3) constituant la charge du dispositif et disposé dans le local, des moyens de comparaison (33) de la température mesurée et de la consigne, une chaîne de réaction (34) pour commander la fermeture et l'ouverture de l'interrupteur (2) en fonction de la comparaison, tendant à réduire la valeur de la comparaison. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chaîne de réaction (34) comprend - une première chaîne de réaction (36) dont I'entrée (38) reçoit la comparaison, et qui comprend des moyens (A1 > Ag, A3) pour produire à sa sortie (39) un signal (A) pulsé à fréquence basse relativement lente et dont le rapport cyclique est calculé en fonction de la comparaison, - une seconde chaîne de réaction (37), dont l'entrée 40 reçoit la comparaison, et qui comprend des moyens (A2, A4) pour produire i sa sortie (41) un signal pulsé à fréquence haute relativement élevée, différente de la fréquence basse de la première chaîne de réaction, et dont le rapport cyclique est calculé en fonction de la comparaison, - un dispositif (44) de type ET logique à deux entrées, dont la première (42) et la seconde (43) entrées reçoivent respectivement le signal de sortie de la première chaîne de réaction (36) et le signal de sortie de la seconde chaîne de réaction (37), et dont la sortie (35) commande l'interrupteur (2), de sorte que la source de chaleur (3) est alimentée lorsque l'une et l'autre des deux chaînes de réaction (36, 37) fournissent un ordre de fonctionnement, et la source de chaleur n'est pas alimentée lorsque l'une au moins des deux chaînes de réaction donne un ordre d'arrêt. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence haute est au moins le triple de la fréquence basse. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour décaler le signal d'entrée. de la première chaîne de réaction d'une valeur choisie de manière adéquate pour compenser l'erreur statique introduite par la seconde chaîne de réaction.