Brevet FR2637394A1 — publié le 19900406

La présente invention se rapporte à un modulateur-regulateur proportionnel de puissance pour divers appareils électriques, notamment pour appareils électrodomestiques. La commande en puissance a d'un appareil électrique utilisant une résistance électrique : appa reil de chauffage, chauffe-eau, fer à repasser, machine à café et autres, s'effectue généralement par l'interme- diaire d'un circuit de coupure, par exemple à relais, commandé par un élément thermosensible. Toute la puissance est ainsi enclenchée ou déclenchée à la fois en fonction de l'état de l'élément thermosensible par rapport à une consigne modifiable par un bouton de réglage. Dans le cas d'un appareil de chauffage, il s'agit d'un bloc-thermostat, par exemple, à bulbe et capillaire, à bilame ou autre, agissant directement sur un élément de coupure du circuit d'alimentation électri- que de la résistance de chauffage. La présente invention vise à appliquer progressivement la puissance par variation continue de manière à éviter, pour chaque appareil, les demandes d'énergie trop brutales et trop importantes en énergie. Dans le cas de plusieurs appareils de chauffage en service simultané, ces appels d'énergie concordants ne peuvent bien souvent être supportés par le disjoncteur du tableau électrique limite à la puissance administrative souscrite. Le disjoncteur saute en cas de surcharge. occasionnant ainsi la coupure générale inopinée de l'alimentation de toute l'installation électrique Cette progressivité et cette limitation en puissance, obtenues grâce à l'invention, permettent de réduire notablement les pertes et les gaspillages pour réaliser une réelle économie d'énergie. Par ailleurs, en supprimant les variations brusques de température dans le cas d'un appareil de chauffage, on améliore grandement la sensation de confort électrique dans la pièce ainsi chauffée. Dans le cas d'autres appareils, on regle la consigne pour maintenir le régime au niveau juste suffisant permettant d'obtenir l'effet technique. Grâce à l'invention, ce maintien se réalise dans les meilleures conditions énergétiques possibles qui constituent le principal avantage de l'invention, la distinguant des inconvénients liés aux dispositifs antérieurs. A cet effet, elle se rapporte à un modulateurvariateur de puissance caractérisé en ce qu'il se compose d'un circuit d'entrée CE à pont résistif, d'un capteur de caractéristiques variables en fonction d'au moins un parametre du milieu ambiant et d'un modulateur d'impulsions MPI comprenant un comparateur et le capteur de caractéristiques variables, modulateur dont la sortie commande un composant doseur d'énergie DOE constituant le circuit de puissance alimentant la charge. D'autres avantages en découlent dont on citera ci-après les principaux . moindre usure et fatigue des appareils qui fonction nent toujours dans des conditions optimales - réglage de la consigne sur la même plaquette de puissance . coupure automatique de l'alimentation en cas de surchauffe de l'appareil ou d'augmentation inconsidé rée de la température ambiante simplicité du montage et prix de revient réduit. . temps de réponse rapide ( alarme et détecteur d'incen dite) . grande fiabilité de fonctionnement ; . composants peu nombreux et de type courant c'est à-dire disponibles et de court modeste. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de l'invention sont consignes dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode d'exécution en référence aux dessins accompagnants dans lesquels . La figure 1 est le schéma fonctionnel de base montrant la succession des blocs de fonctions ; . la figure 2 est le schéma d'un exemple de réalisation dans le cas d'une application à la commande d'un appa reil de chauffage électrique ; . la figure 3 est un diagramme illustrant la modifi cation dans le temps en largeur et en position des impulsions de commande ;; . les figures 4 et 5 sont des diagrammes comparatifs respectivement d'une commande conventionnelle en application tout ou rien de la puissance et en commande conforme à la présente invention. On décrira ci-apres les moyens essentiels et leur agencement constituant le modulateur-regulateur proportionnel de puissance selon l'invention. De façon générale, le modulateur-régulateuz proportionnel de puissance selon l'invention se compose des blocs fonctionnels suivants selon le schéma de la figure I. Un circuit d'entrée CE réalise simultanément l'abaissement de tension et la coupure monoalternance de la tension qui devient un signal répétitif positif à niveau de tension ajustable ou réglable. La tension est prise à un niveau ajustable sur ce circuit d'entrée pour commander un modulateur proportionnel d'impulsions MPI, constituant le circuit de commande d'un élément doseur d'énergie DOE, par exemple un composant électronique de puissance inséré dans le circuit de puissance se refermant sur une charge, par exemple une charge résistive CHR. Le modulateur proportionnel MPI est de préférence du type à modulation d'impulsions, par exemple en largeur et en position. Il comporte un élément capteur de caractéristiques variables ES, sensible à la modification d'un des parametres d'ambiance du milieu, par exemple un capteur de température à résistance variable en fonction de la température. Ce dernier comprend également un comparateur CO permettant de réaliser le type souhaité de modulation d'impulsions, par exemple celle à variation simultanée de position et de largeur pour commander l'élément doseur d'énergie DOE. Ce dernier est monté en série dans le circuit de puissance se refermant sur la charge, par exemple une charge résistive CHR. On modifie ainsi en continu la fréquence et la durée de déclenchement de l'élément doseur d'énergie DOE c'est-ê-dire l'élément de puissance en fonction de la valeur instantanée de la température. On réalise ainsi une application progressive de la puissance par un fractionnement et un étalement plus ou moins long de la puissance dans le temps. A l'approche de la température de consigne, référencée Tc, la reduction en durée des impulsions devient telle qu'elle tend vers zéro pour devenir nulle lorsque la température de consigne est atteinte. D'autres types de capteurs peuvent se substituer à la résistance variable, par exemple un détecteur photoêlectrique, phototransistor ou un montage à partir d'une cellule photovoltaïque. On peut imaginer aussi des capteurs de pression, de force, phoniques, lumineux, hygrométriques... On examinera un exemple de montage pour un appareil de chauffage en référence à la figure 2. Le circuit de puissance comporte le composant de puissance DOE commandé en déclenchement, débitant séquentiellement sur la résistance de chauffe. Le modulateur-régulateur proportionnel de puissance selon l'invention se présente sous la forme d'un montage 1 qui se branche sur la ligne d'alimentation de l'appareil après les bornes d'alimentation de phase P et de neutre N, en aval d'un thermostat de surchauffe ou thermostat de sécurité 2 normalement prévu dans chaque appareil destiné à disjoncter en cas de surchauffe et en aval d'un fusible 3 constituant la sécurité électrique primaire classique. En aval du fusible 3, la phase P et le neutre N sont shuntés par un condensateur de protection CP présentant à ses bornes un pont résistif 4 ferme au neutre à travers une diode DP. Le pont 4 comprend deux résistances fixes 5 et 6 et deux résistances variables ou ajustables du type potentiomètre dont un poten tiometre de consigne 7 disposé sur la face avant de l'appareil constituant sa commande et un potentiomètre de thermostat 8 présentant une borne 9 à tension variable, reliée à un capteur thermosensible TM, lui-même relié à travers une diode DT à l'électrode de déclenchement d'un composant électronique de declenchement TH, par exemple à la gâchette G d'un thyristor dont l'anode A est reliée à la phase à travers le fusible 3.Le circuit de puissance se referme par une cathode K et est constitué le plus souvent simplement par la résistance électrique CHR shuntée par un condensateur de decouplage CD. Le montage fonctionne grâce à un condensateur de maintien CM de forte capacité monté entre la gâchette G et la cathode K. Ce condensateur permet d'obtenir une tension continue entre les bornes K et G du thyristor utilisé principalement à des fins de polarisation. Selon l'exemple choisi, le capteur thermosensible TM est une résistance variable avec la température par exemple du type CTP (coefficient de température positif) ou CTN (cefficient de température negatif). On expliquera maintenant ci-après, à l'aide des figures, le fonctionnement du modulateur-regulateur proportionnel de puissance selon l'invention. Le circuit de commande de l'élément de puissance est un modulateur d'impulsions en largeur et en amplitude à partir- de la variation résistive de l'élément thermosensible TM. Ce résultat est obtenu par la combinaison des fonctions d'un comparateur de tension avec les fonctions d'un circuit à constante de temps variable dont l'élément résistif variable est celui du capteur de température. La comparaison constante du signal en dents de scie de forme modifiable avec une tension constante ou quasi constante permet d'obtenir des impulsions modulées en largeur et en amplitude, telles que représentées sur la figure 3. On peut réaliser ainsi une diminution progressive dans le temps de la puissance appliquée au fur et à mesure que l'on s'approche de la valeur de consigne référencée Tc. Cette caracteristique apparaît de façon particulièrement claire sur les courbes des figures 4 et 5 illustrant à la même échelle les variations de la température T du milieu ambiant c'est-à-dire les variations d'application de la puissance dans le temps "t". La régulation thermique classique s'effectue par enclenchement et déclenchement de la totalité de la puissance. En raison de l'inertie thermique, on arrive à depasser la température de consigne Tc. La régulation thermique à l'aide du modulateur selon l'invention s'effectue de façon beaucoup plus progressive sans écarts importants car mettant en jeu des puissances bien moins importantes de l'ordre du dizième et jusqu'au trentième de la puissance totale. De plus, les durées de consommation s'avèrent notablement plus faibles dans le cas de la présente invention. Un exemple de modification des impulsions de commande au cours d'une phase de regulation est representé sur la figure 3 en fonction du temps "t". On remarque sur cette représentation le resserrement des impulsions de commande et leur diminution de largeur dans le temps jusqu'à devenir très serres et minces puis disparaître lorsque la température T atteint la température de consigne Tc. Il s'agit d'une phase typique de commande au cours de laquelle le fonctionnement de l'appareil dans les conditions propres à l'invention permet de rattraper progressivement la température de consigne. Par ailleurs, et de façon interessante, le montage comprenant une résistance variable en fonction de la température à titre de capteur thermosensible; reagit également au degré d'humidite de l'air. Ainsi, tout se passe comme si la commande tenait compte du niveau de température de l'ambiance, mais aussi de son degré d'humidité. Les applications visées par l'invention s'avèrent multiples tant dans le domaine domestique que dans le domaine industriels. Il en est de meme pour les appareils commandés, appareils de chauffage, thermoplongeurs, caissons de climatisation, sèche-linge, machines à laver, fers à repasser, régulation en température de bains chimiques, photographiques, régulateur primaire sur tout circuit de charge Une application en alarme s' avère possible en remplaçant l'élément sensible du thermostat par une cellule photoélectrique. On peut egalement commander de la même façon un flux lumineux. L'invention a éte décrite ci-dessus en détail. Il est bien entendu cependant que diverses modifications simples, adjonctions, variantes directes, substitutions par des moyens équivalents entrent dans le cadre de la présente protection. REVENDICATIONS 1. Modulateur-regulateur proportionnel de puissance pour appareils électriques, notamment appareils électrodomestiques, caractérise en ce qu'il se compose d'un circuit d'entrée CE à pont résistif, d'un capteur ES de caractéristiques variables en fonction d'au moins un paramètre du milieu ambiant et d'un modulateur d'impulsions MPI comprenant un comparateur CO et le capteur ES de caractéristiques variables, modulateur MPI dont la sortie commande un composant doseur d'énergie DOE constituant le circuit de puissance alimentant la charge. 2. Modulateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément doseur d'énergie est un thyristor TH inséré dans le circuit de puissance entre la phase et la charge. 3. Modulateur selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le modulateur d'impulsions MPI comprend le pont résistif du circuit d'entrée se refermant sur le neutre par une diode DP, le capteur ES relié au pont résistif, une diode DT reliant le capteur ES à la gâchette G du thyristor-TH, la cathode K de ce thyristor étant reliée à la gâchette par un condensateur de maintien CM. 4. Modulateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le capteur du modulateur MPI est un élément résistif variable. 5. Modulateur selon la revendication 4 caractérisé en-ce que l'élément résistif est variable en fonction de la température.