Brevet FR2641410A1 — publié le 19900706

RELAIS THERMIQUE ELECTRONIQUE ET ELEMENT THERMIQUE APPRO- PRIE. La présente invention concerne un relais thermique électro- nique associable à une charge polyphasée pour couper l'ali- mentation de celle-ci lorsqu'il se produit une surcharge de courant sur au moins une phase ou un déséquilibre entre les courants de phase. Elle concerne aussi un élément thermique approprié à un tel relais. Les relais thermiques mécaniques habituellement utilisés pour protéger des moteurs polyphasés comprennent un bilame par phase et un ensemble de contacts séparables. Les bilames sont parcourus par tout ou partie des courants de phase et, quand il advient une surcharge, le bilame de la phase ou des phases surchargées défléchit et agit mécaniquement sur un mécanisme de déclenchement, lequel provoque l'ouverture de l'ensemble de contacts. Ces relais connus jouissent d'une grande robustesse et d'un faible prix de revient. Mais ils ont entre autres inconvé- nients de ne pas assurer une précision suffisante du seuil de déclenchement en régime permanent, de ne pas permettre une alarme préalable au déclenchement et de ne pas traiter de manière satisfaisante les démarrages à chaud des moteurs auxquels ils sont associés. - 2- Pour protéger des moteurs polyphasés, on utilise également des relais électroniques. Ces relais comportent pour chaque phase un organe détecteur tel qu'un transformateur d'inten- sité délivrant un signal image de l'intensité du courant dans la phase, ainsi qu'un circuit électronique de traite- ment qui reçoit et traite les signaux fournis par les orga- nes détecteurs pour délivrer un signal de déclenchement. Ces relais assurent une préalarme et une bonne précision du régime permanent, mais ils sont compliqués, ce qui engendre un accroissement du coût, de l'encombrement et des probabi- lités de défaut. Par ailleurs, ils ne traitent correctement les démarrages à chaud qu'au prix d'une mémorisation de l'état thermique du moteur qui génère les inconvénients précités. L'invention a notamment pour but d'assurer, dans un relais thermique électronique associable à une charge polyphasée telle qu'un moteur, une mémorisation simple et intrinsèque aux organes détecteurs de l'état thermique de la charge et de concilier cette simplicité de mémorisation avec une détection rapide des fortes surcharges. L'invention a aussi pour but d'associer au circuit électro- nique d'un tel relais des organes détecteurs munis d'élé- ments chauffants à dissipation thermique considérablement réduite par rapport aux bilames des relais thermiques méca- niques. Selon l'invention, chaque organe détecteur comprend un élément thermique muni d': - un élément résistif chauffant parcouru par tout ou partie du courant de phase, - un capteur résistif dont la résistivité varie de manière continue avec la température et qui est électriquement relié au circuit de traitement pour lui transmettre un signal analogique représentatif de l'échauffement engen- dré par l'élément résistif, - 3 - - une masse thermique apte à former une mémoire thermique de l'échauffement de la charge, et l'élément chauffant est thermiquement couplé, d'une part, à la masse-mémoire thermique et, d'autre part, au capteur au moyen d'un corps dont l'inertie thermique est beaucoup plus faible que celle de la masse-mémoire. Le relais ainsi constitué contient donc des organes détec- teurs qui délivrent au circuit électronique de traitement des signaux analogiques respectifs évoluant avec une premiè- re constante de temps essentiellement fonction de l'inertie thermique du corps de couplage en cas de forte ou moyenne surcharge - c'est-à-dire par exemple d'environ 2 In à 17 In - et avec une deuxième constante de temps plus élevée et essentiellement fonction de l'inertie thermique de la masse-mémoire en cas de faible surcharge - c'est-à-dire par exemple au-dessous d'environ 2 In -. La masse-mémoire ther- mique est avantageusement choisie en fonction de la classe de protection désirée pour le moteur, ceci permettant de simplifier la fabrication des éléments thermiques. Le corps à faible inertie thermique est, de préférence, une plaquette mince en céramique à bonne conductibilité calori- fique dont une première face porte un conducteur dont la résistivité varie de manière continue avec la température et dont une deuxième face est au voisinage immédiat de l'élé- ment chauffant. De manière avantageuse, l'élément chauffant est une plaquette mince en alliage de cuivre ou autre allia- ge conducteur; la masse-mémoire thermique est en matériau présentant une forte inertie thermique sous un faible volu- me, par exemple en fibrociment. La description qui suit d'un mode de réalisation non limita- tif de l'invention est faite en regard des dessins annexés: La figure 1 montre en perspective un organe détecteur appartenant au relais thermique électronique conforme à l'invention; - 4 - La figure 2 est une vue latérale schématique de cet organe; La figure 3 est une vue similaire d'une variante de l'organe détecteur; La figure 4 est une vue schématique d'un relais ther- mique électronique selon l'invention. L'organe détecteur 10 illustré sur les figures 1 et 2 est un élément thermique 11 comprenant un élément résistif chauf- fant 12, un capteur 13 porté par un corps de couplage isolant 14 et une masse-mémoire thermique 15. Chaque organe détecteur est associé à une phase d'une charge polyphasée telle qu'un moteur; il peut être relié par connexion de conducteurs aux extrémités 16, 17 de l'élément chauffant 12 à des broches ou bornes d'un pôle respectif du relais thermique électronique, comme il sera expliqué plus loin en regard de la figure 4. L'élément résistif chauffant ou chaufferette 12 est consti- tué par une plaquette mince en cuivre ou alliage conducteur approprié découpée en méandres ou agencée de toute autre manière. Le capteur 13 est une grille conductrice, par exemple en nickel, déposée sur une plaquette mince en alumi- ne 14 qui constitue le corps de couplage thermique électri- quement isolant. Des broches 18 de connexion avec le circuit électronique de traitement prévu dans le relais sont reliées à la grille du capteur 13. La masse-mémoire thermique 15 est en matériau électriquement isolant et à grande inertie thermique par rapport à celle de la plaquette 14 portant le capteur. Ce matériau est par exemple en fibrociment. La masse-mémoire 15 est propre à mémoriser l'état thermique du moteur et à en simuler appro- ximativement l'échauffement en cas de surcharge et le refroidissement en cas de coupure de l'alimentation de la -5 phase considérée, par suite d'un déclenchement dû au relais ou d'une interruption due à un élément extérieur au relais. La masse-mémoire 15 et son inertie sont déterminées en fonc- tion de la classe de protection désirée pour le moteur auquel doit être associé le relais thermique électronique. Dans la forme d'exécution de la figure 2, la plaquette de couplage thermique 14 porte sur une première face 14a la couche du capteur 13; sur une deuxième face 14b, opposée à la première, la plaquette 14 est au contact direct de la chaufferette 12 qui est posée à plat. La masse-mémoire thermique 15 se compose de deux demi- coquilles 15a, 15b. La demi-coquille 15a est disposée du côté de la face 14a de la plaquette de couplage thermique 14; elle est au contact, d'une part, avec cette face et la grille 13 et, d'autre part, avec une face 12a de la chauffe- rette 12. La demi-coquille 15b est disposée du côté opposé de la plaquette de couplage 14 et elle est au contact de la face opposée 12b de la chaufferette 12 et avec la face 14b de la plaquette. La masse-mémoire 15 peut également être formée d'une seule pièce. Les pièces 12-15 peuvent être encapsulées dans un boîtier électriquement isolant 19 représenté en traits mixtes sur la figure 2. Ce boîtier isolant peut constituer la masse-mémoi- re 15. Dans la forme d'exécution de la figure 3, la chaufferette 12 est un conducteur bobiné autour de la plaquette 14 de couplage thermique. Le capteur 13 est disposé d'un côté de la plaquette 14 sur une partie de celle-ci qui est soit non recouverte par le conducteur bobiné, soit recouverte par ce conducteur mais avec interposition d'une couche isolante ou d'un organe isolant convenable. La masse-mémoire thermique recueille ici encore la chaleur provenant essentiellement de la chaufferette 12 et secondairement de la plaquette 14. -- 6 -- La figure 4 illustre un mode de réalisation du relais ther- mique électronique doté d'organes détecteurs du type décrit. Ce relais présente un boîtier 20 dans lequel sont logées trois cartes de circuit imprimé 21, 22, 23. La carte de détection 21 porte, par exemple, trois éléments thermiques 11 associés chacun à une phase, ainsi qu'un élément thermique de compensation 24 destiné à fournir un signal analogique représentatif de la température ambiante, et ce, au moyen d'un capteur dont la résistivité varie de manière continue avec la température régnant à l'intérieur du boîtier. Lorsque le relais thermique électronique doit être placé à proximité du moteur à protéger, il peut être dépourvu de l'élément thermique de compensation 24. Dans un mode de réalisation avantageux, il est prévu un sélecteur 24a qui commande un interrupteur associé à l'élément thermique de compensation pour mettre celui-ci en service ou hors service en fonction des conditions d'utili- sation. La carte de traitement 22 porte le circuit électronique de traitement; ce circuit n'a pas besoin d'être muni des éléments déterminant une mémoire thermique puisque celle-ci est déjà fournie par les masses-mémoire 15. La carte de réglage et de sortie 23 porte, d'une part, les éléments de réglage communiquant avec des organes de réglage et de signalisation prévus sur la face avant 25 du boîtier , d'autre part, des relais de sortie reliés via des bornes 26 à des organes extérieurs de signalisation ou de commande. Les cartes 21-23 peuvent, bien entendu, être réduites à deux cartes, voire une seule carte, de circuit imprimé. - 7 - Des bornes 27 sont prévues dans le boîtier pour assurer l'alimentation des cartes 21-23. Des bornes de puissance 28, 29 relient les extrémités respectives 16, 17 des chaufferet- tes au circuit d'alimentation des enroulements du moteur. Bien évidemment, le relais thermique électronique peut être agencé différemment. Il peut, en particulier, être inclus dans un appareil de protection assurant diverses fonctions, notamment celles de contacteur et/ou de disjoncteur. -8- Revendications 1. Relais thermique électronique associable à une charge électrique polyphasée pour générer une préalarme et/ou couper l'alimentation de la charge en cas de surcharge de courant sur au moins une phase ou de déséquilibre entre courants de phase, ce relais comprenant dans un bo tier (20): - un organe détecteur par phase pour délivrer un signal dépendant de l'intensité du courant de phase, - un circuit électronique de traitememt qui reçoit et traite les signaux délivrés par les organes détecteurs, ce circuit comprenant une logique apte à délivrer un signal de préalarme et/ou un signal de déclenchement, caractérisé par le fait que chaque organe détecteur (10) est un élément thermique (11) muni d': - un élément résistif chauffant (12) parcouru par le courant de phase, - un capteur résistif (13) dont la résistivité varie de manière continue avec la température et qui est électri- quement relié au circuit de traitement pour lui transmet- tre un signal analogique représentatif de l'échauffement produit par l'élément résistif, -une masse thermique (15) apte à former une mémoire thermi- que de l'échauffement de la charge, et que l'élément chauffant (12) est thermiquement couplé, d'une part, au capteur et, d'autre part, à la massemémoire thermique au moyen d'un corps de couplage thermique (14) qui porte le capteur et dont l'inertie thermique est plus faible que celle de la masse-mémoire (15). 2. Relais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps de couplage (14) à faible inertie thermique est une plaquette mince en cérami- que à bonne conductibilité calorifique dont une première face (14a) porte un conducteur à résistivité variable de -9- manière continue avec la température et dont une deuxième face (14b) est au voisinage immédiat de l'élément chauffant (12). 3. Relais selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (12) est une plaquette mince en alliage conducteur. 4. Relais selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps de couplage (14) à faible inertie thermique est une plaquette mince à bonne conductibilité calorifique qui porte le capteur (13) et autour de laquelle est bobiné un conducteur électrique constituant l'élément chauffant (12), et par le fait que la plaquette mince et/ou l'élément chauffant est au contact de la masse-mémoire thermique (15). 5. Relais selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la masse-mémoire thermique (15) présente une forte inertie thermique sous un faible volume et est électriquement isolée de l'élément chauffant (12). 6. Relais selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la masse-mémoire (15) et son inertie thermique sont déterminées en fonction de la classe de protection désirée pour la charge polyphasée à laquelle est associé le relais. 7. Relais selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le bottier (20) loge un organe détecteur de compensation (24) comprenant un capteur dont la résistivité varie de manière continue avec la température régnant à l'intérieur du boîtier, les organes détecteurs de phase (11) et l'organe détecteur de compensation (24) étant montés sur un même circuit imprimé (21). - 10 - 8. Relais selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'un sélecteur (24a) commande un interrupteur associé à l'organe détecteur de compensation (24) pour sélectionner la mise en ou hors service de celui- ci. 9. Organe détecteur pour relais thermique électroni- que selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un élément thermique (11) muni d': - un élément résistif chauffant (12) parcouru par le courant de phase, - un capteur résistif (13) dont la résistivité varie de manière continue avec la température et qui est électri- quement relié au circuit de traitement pour lui transmet- tre un signal analogique représentatif de l'échauffement produit par l'élément résistif, - une masse thermique (15) apte à former une mémoire thermi- que de l'échauffement de la charge, et que l'élément chauffant (12) est thermiquement couplé, d'une part, au capteur, et d'autre part, à la massemémoire thermique au moyen d'un corps de couplage thermique (14) qui porte le capteur et dont l'inertie thermique est plus faible que celle de la masse-mémoire (15).