Brevet FR2649554A1 — publié le 19910111

La présente invention concerne les disjoncteurs élec- troniques et, plus particulièrement, des disjoncteurs utili- sant des circuits électroniques numériques pour faire la distinction entre une surcharge soutenue dans la ligne protégée à laquelle il y a lieu de répondre et des impulsions de surcharge momentanée sur cette ligne ayant une énergie insuffisante pour être nuisibles et auxquelles il n'y a pas lieu de répondre. Un disjoncteur électronique utilisant un circuit numérique insère l'enroulement primaire d'un transforteur respectif de courant dans chaque conducteur d'une ligne d'alimentation qu'il protège; et le signal présent au secondaire de chaque transformateur de courant ainsi employé est redressé et mis sous forme numérique. Les échantillons résultants sont portés au carré au moyen d'une multiplication numérique, et intégrés pendant un laps de temps de 50 millisecondes ou une durée similaire. Les échantillons mis au carré et intégrés sont alors cumulés dans des durées prescrites et détectés par seuil de manière à produire un signal de déclenchement, dans le cas o la surcharge se produirait pendant un intervalle de temps trop long. On a utilisé des modulateurs delta-sigma suréchantillonnées, sui- vis par des filtres de décimation, comme convertisseurs analogiquesnumériques, fournissant les résultats de leur - 2 - conversion sous forme de bits sériels aux multiplicateurs numériques employés pour porter au carré les échantillons de signaux avant les procédures d'accumulation et de détection de seuil. Un signal de déclenchement actionne un commutateur électromécanique afin d'interrompre la circulation du courant dans chaque conducteur de la ligne d'alimentation. L'accumu- lation s'est effectuée pendant une multitude d'échantillons d'un nombre relativement petit et le seuil des accumulations est détecté à un niveau relativement élevé, afin de produire un signal de déclenchement à courte constante de temps; et l'accumulation s'est effectuée pendant une multitude d'échan- tillons d'un nombre relativement grand et le seuil de l'accumulation a été détecté à un niveau relativement faible pour produire aussi un signal de déclenchement à longue constante de temps. Cependant, la production des signaux de déclenchement, comme on l'a décrit jusqu'ici, est invariablement trop lente, lorsqu'il se produit des défauts catastrophiques dans un ou plusieurs des conducteurs de la ligne d'alimentation. Les commutateurs électromécaniques utilisés pour interrompre les conducteurs de la ligne d'alimentation peuvent répondre à un signal de déclenchement dans un laps de temps d'environ 50 millisecondes, et l'on souhaite produire des signaux de déclenchement "instantané" dans une fraction de ce temps. Dans la présente invention, les signaux du déclenche- ment instantané sont produits dans le disjoncteur numérique électronique en déterminant le moment o une valeur prescrite pour le seuil est dépassée par les échantillons numériques fournis par le convertisseur analogique-numérique, avant que ne commencent les procédures de mise au carré, d'intégration et d'accumulation associées à la production des signaux de déclenchement à courte constante de temps et à longue constante de temps. Dans les modes de réalisation préférés de l'invention, dans le but de réduire les faux déclenchements, deux échantillons successifs doivent dépasser la valeur - 3 - prescrite pour le seuil avant la production du signal de déclenchement instantané. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un schéma d'ensemble d'un disjoncteur électronique selon la présente invention; figure 2, un schéma plus détaillé des circuits pour la production des signaux à courte constante de temps, à longue constante de temps et de déclenchement instantané. En figure 1, un commutateur tripolaire 10 à une direction, normalement fermé, permet d'interrompre la conduc- tion dans chacun des conducteurs 11, 12 et 13 des phases A, OB, OC, respectivement, d'une ligne d'alimentation triphasée. Cette interruption est commandée par un actionneur électromé- canique 47 déclenché électriquement en réponse à la détection d'une surcharge se produisant dans un ou plusieurs des conducteurs 11, 12 et 13. Les côtés source des conducteurs 11, 12 et 13 peuvent être à la partie supérieure de la figure 1 et leurs côtés charge à la partie inférieure de cette figure. En variante, les côtés source des conducteurs 11, 12 et 13 peuvent être situés à la partie inférieure de la figure 1 et les c6tés charge à la partie supérieure. Des transformateurs de courant 14, 15 et 16 ont leurs enroulements primaires respectifs incorporés dans les conduc- teurs 11, 12 et 13, respectivement, et comportent des enroulements secondaires aux bornes desquels des tensions apparaissent en réponse au passage du courant dans les enroulements primaires. On a représenté les enroulements secondaires des transformateurs de courant 14, 15 et 16 avec des dispositifs de protection respectifs 17, 18 et 19 contre les surtensions munis de diodes à avalanche. Les enroulements secondaires des transformateurs de courant 14, 15 et 16 fournissent leurs tensions alternatives à des ponts 21, 22 et 23 comportant des diodes redresseuses biphasées. Les tensions positives de sortie de ces ponts 21, 22, et 23 alimentent un régulateur de tension 20 (qui peut être, par exemple, du type régulé à shunt), lequel fournit une tension régulée, posi- tive, au circuit électronique du disjoncteur de la figure 1. Les tensions négatives de sortie des ponts 21, 22 et 23 sont appliquées, via des résistances 24, 23 et 26, respectivement aux points d'entrée de modulateurs A -E, suréchantillonnés 31, 32 et 33, respectivement. La tension positive régulée provenant du régulation de tension 20 est également appliquée aux points d'entrée des modulateurs 31, 32 et 33 via les résistances 27, 28 et 29, respectivement, afin de placer les excursions de la tension redressée dans la plage de conversion analogiquenumérique des modulateurs. On trouvera une description plus détaillée de ce mode opératoire et de la construction spécifique d'un modulateur dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique n 4 758 018, qu'on incorpore ici à titre de référence. Un générateur d'horloge 30 alimenté par une tension positive régulée à partir du régulateur de tension 20 comprend un oscillateur à quartz pour produire une fréquence d'horloge maître. Des compteurs numériques procèdent à un comptage régressif à partir de cette fréquence maître pour produire le signal d'horloge de sur-échantillonnage pour les modulateurs A -E, 31, 32 et 33 et une horloge d'échantillon analogique-numérique (HAN) . L'horloge d'échantillon HAN peut être une horloge à bits seriels ayant un débit binaire et une horloge de débit de mots fournies sur des lignes séparées. A titre d'exemple, les disjoncteurs électroniques conçus par la demanderesse ont utilisé un débit des signaux d'horloge de suréchantillonnage de 3,56352 MHz et des filtres de décima- tion ayant un facteur de décimation égal à 28. Par consé- quent, l'horloge du débit des mots est 13,92 kHz dans une telle réalisation. On a utilisé dans cette réalisation un mot à bits sériels de 25 bits, de sorte que la vitesse de fonc- tionnement des bits sériels est 445,44 kHz, en supposant acru'il n'y a aucun multiplexage a division dclans le temps de matériel - 5 - numérique. Les échantillons numériques provenant des filtres de décimation 34, 35 et 36 sont fournis respectivement à des circuits 41, 42 et 43 de génération de signaux de déclenche- ment à courte constante de temps/longue constante de temps, ainsi qu'à des circuits 44, 45 et 46 de déclenchement lnstantane, respectivement. Une porte OU 40 répond à un signal de déclenchement fourni par l'un des circuits 41-46 afin d'acheminer ce signal de déclenchement jusqu'à l'actionneur électromécanique 47 pour provoquer l'ouverture du commutateur 10 normalement fermé, ouvrir et interrompre la conduction dans chacun des conducteurs 11, 12 et 13. La figure 2 représente plus particulièrement la façon dont se présentent les circuits 41 et 44 (ou 42 et 45, ou 43 et 44). Une alimentation 30 avec valeur de seuil établie par l'utilisateur fournit trois valeurs de seuil. La première de ces trois valeurs est utilisée pour développer des signaux de déclenchement à courte constante de temps dans les circuits 41- 43. La seconde de ces valeurs sert à développer les signaux de déclenchement à longue constante de temps dans les circuits 41-43. La troisième de ces valeurs sert à développer les signaux de déclenchement instantané dans les circuits 44- 46. La première de ces valeurs de seuil est normalement supérieure à la seconde (par exemple de six fois); et la troisième de ces valeurs est normalement non seulement supérieure à la seconde (par exemple, de vingt fois), mais également à la première. Le signal provenant du filtre de décimation 34 est fourni à la fois comme multiplicateur et comme multiplicande à un multiplicateur numérique 410 pour la mise au carré de chaque échantillon de ce signal. Les échantillons portés au carré sont fournis à un intégrateur 411 avec une constante de temps de 50 millisecondes, qui peut être par exemple un dispositif de formation de moyenne pour chaque séquence de - 6 - 696 échantillons à un débit des mots de -13,92 kHz. Le temps d'intégration de 50 millisecondes correspond à 2,5 cycles d'un courant à 50 Hz, à trois cycles d'un courant à 60 Hz et à 20 cycles d'un courant à 400 Hz. Des groupes relativement petits d'échantillons séquen- tiels (par exemple au nombre de 20) sont accumulés dans un accumulateur 412, et les résultats de l'accumulation sont comparés dans un comparateur différentiel 413 par rapport à la première valeur de seuil provenant de l'alimentation 30. Si et seulement si les résultats de l'accumulation dépassent la première valeur de seuil, le comparateur 413 fournit un niveau logique 1 à une porte OU 416 et de là à la porte OU , niveau 1 qui est le signal de déclenchement à courte constante de temps. Si les résultats de l'accumulation ne dépassent pas la première valeur de seuil provenant de l'alimentation 30, le signal de sortie du comparateur 413 est au niveau logique zero. Des groupes relativement grands d'échantillons séquen- tiels (par exemple au nombre de cent trente) sont accumulés dans un accumulateur 414, et les résultats de l'accumulation sont comparés dans un comparateur différentiel 415 par rapport à la seconde valeur de seuil provenant de l'alimenta- tion 30. Si et seulement si les résultats de l'accumulation dépassent la seconde valeur de seuil, le comparateur 415 délivre un niveau logique 1 à la porte OU 416 et de là à la porte OU 40, niveau 1 qui est le signal de déclenchement à longue constante de temps. Si les résultats de l'accumulation ne dépassent pas la seconde valeur de seuil provenant de l'alimentation 30, le signal de sortie du comparateur 415 est au niveau logique zéro. Le circuit de déclenchement instantané 44 compare le signal provenant du filtre de décimation 34 à la troisième valeur de seuil dans un comparateur différentiel 440. Il n'y a aucun retard dans la réalisation de cette comparaison comme pourraient le créer la mise au carré, l'intégration ou -7- l'accumulation. Pour réduire le risque qu'une impulsion transitoire d'un échantillon ne provoque un faux déclenche- ment, un suppresseur 441 d'impulsions courtes suit le comparateur différentiel 440. Chaque résultat d'une compa- raison est soumis à une opération ET dans une porte ET 442 avec son prédécesseur, stocké temporairement dans une bascule rythmée 443. La réponse de la porte ET 442 est d'un niveau logique zéro à moins que deux échantillons numériques successifs provenant du filtre de décimation 34 ne dépassent la troisième valeur du seuil, condition exceptionnelle qui a pour effet que la réponse de la porte ET 442 est un niveau logique 1. Ce niveau logique 1 est le signal de déclenchement instantané qui est fourni à la porte OU 40. Une certaine variante dans le suppresseur d'impulsions courtes est pos- sible (par exemple une opération ET de trois résultats successifs du comparateur 440 peut être effectuée pour fournir la suppression des impulsions courtes encore moins enclines à produire de faux signaux de déclenchement, au détriment de la vitesse de réponse du déclenchement instan- tané). Le technicien, à l'étude du mémoire précédent, aura la possibilité de concevoir d'autres modes de réalisation de l'invention, et cela doit être présent à l'esprit lorsqu'on examine le domaine des revendications suivantes. Par exemple, des disjoncteurs électroniques pour la protection de lignes d'alimentation ayant un nombre quelconque de phases en courant alternatif et un nombre quelconque de conducteurs peuvent être construits en conformité avec la présente invention. Des disjoncteurs électronqiues pour des lignes d'alimentation transmettant du courant continu peuvent égale- ment être construits selon la présente invention en utilisant un hacheur dans les connexions aux enroulements primaires de chaque transformateur de courant. - 8 - REVENDICATIONS 1. Disjoncteur électronique pour ligne d'alimentation à n-conducteurs (11, 12, 13), n étant un entier positif égal au moins à un, caractérisé en ce qu'il comprend: un transformateur de courant correspondant (14; 15; 16) pour chacun des n-conducteurs de la ligne d'alimentation, chaque transformateur de courant comportant un enroulement primaire interposé dans le conducteur correspondant de la ligne d'alimentation et comprenant un enroulement secondaire à partir duquel un signal est fourni en réponse à la circulation du courant dans le conducteur correspondant de la ligne d'alimentation; un moyen respectif (21; 22; 23) associé à l'enroule- ment secondaire de chaque transformateur de courant pour redresser le signal fourni par celui-ci afin de produire un signal redressé respectif; un moyen respectif de convertion analogique-numérique (31; 32; 33) pour convertir chaque signal redressé en une suite respective d'échantillons numériques pendant des pério- des d'échantillonnage recurrent; un multiplicateur numérique respectif (410) pour multiplier les échantillons numériques dans chaque suite respective par eux-mêmes afin de produire une suite respec- tive d'échantillons portés au carré; un moyen respectif (411) pour intégrer chaque suite d'échantillons portés au carré afin de produire une suite respective d'échantillons au carré intégrés; un moyen respectif (412; 414) pour accumuler chaque suite d'échantillons au carré intégrés pendant au moins une multitude de périodes d'échantillonnage afin de produire un résultat respectif d'accumulation; un moyen (413; 415) pour comparer chaque résultat d'accumulation à une valeur de seuil prescrite correspondants afin de produire un signal de déclenchement respectif lorsque la valeur de seuil prescrite est dépassée; -9- un moyen (440) comparant chaque échantillon numérique provenant de chaque moyen de conversion analogique-numérique à une autre valeur de seuil prescrite pour produire une réponse essentiellement instantanée, respective, chaque fois qu'il y a dépassement de cette valeur de seuil prescrite; un moyen pour produire un signal respectif de déclen- chement instantané répondant à chacune des réponses essen- tiellement instantanées se produisant lors de chaque durée d'un petit nombre de durées d'échantillonnage récurrent; un circuit OU (40) répondant à tout signal de déclenchement produit de manière à engendrer un signal d'actionnement; et un moyen (10) répondant au signal d'ac- tionnement pour interrompre la conduction dans la ligne d'alimentation à n-conducteurs. 2. Disjoncteur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour produire un signal respectif de déclenchement instantané est d'un type générant un signal de déclenchement instantané respectif répondant à chacune des réponses essentiellement instantanées qui se produisent pendant deux périodes successives parmi les périodes d'échan- tillonnage *récurrent. 3. Disjoncteur électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen pour produire un signal respectif de déclenchement comprend: un moyen pour retarder chacune des réponses essentiel- lement instantanées d'une desdites périodes d'échantillonnage récurrent et; un moyen (442) pour soumettre à une opération ET chacune des réponses essentiellement instantanées avec elle- même telle qu'elle est retardée par ladite période d'échan- tillonnage récurrent afin de produire un signal *de déclen- chement répondant à la réponse essentiellement instantanée se produisant pendant deux périodes successives desdites pério- des d'échantillonnage récurrent. 4. Disjoncteur électronique selon la revendication 2, - 10 - caractérisé en ce que chaque moyen de conversion analogique- numérique comprend: un modulateur delta-sigma (31; 32; 33) du type sur- échantillonnage ayant des points respectifs d'entrée et de sortie et échantillonnant le signal redressé provenant de son point d'entrée plusieurs fois au cours de chacune des périodes d'échantillonnage récurrent; et un filtre de décimation (34; 35; 36) ayant un point d'entrée relié au point de sortie du modulateur delta-sigma et comportant un point de sortie pour fournir la suite respective d'échantillons numériques pendant les périodes d'échantillonnage récurrent. 5. Disjoncteur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce le moyen de conversion analogique-numérique comprend: un modulateur delta-sigma (31; 32; 33) du type sur- échantillonné ayant des points respectifs d'entrée et de sortie et échantillonnant le signal redressé fourni à son point d'entrée plusieurs fois au cours de chacune des périodes d'échantillonnage récurrent; et un filtre de décimation (34; 35; 36) ayant un point d'entrée relié au point de sortie du modulateur delta- sigma et ayant un point de sortie pour fournir la suite respective d'échantillons numériques au cours de périodes d'échantillonnage récurrent. 6. Disjoncteur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen respectif pour accumuler chaque suite d'échantillons au carré intégrés pendant au moins une multitude de périodes d'échantillonnage afin de produire un résultat respectif d'accumulation comprend: un moyen respectif (412) pour accumuler chaque suite d'échantillons au carré intégrés pendant une première multi- tude de périodes d'échantillonnage; et un moyen respectif (414) pour accumuler chaque suite d'échantillons au carré intégrés pendant une seconde multi- - 11 - tude de périodes d'échantillonnage, la seconde multitude étant au moins plusieurs fois supérieure à la première multitude et dans lequel le moyen permettant de comparer chaque résultat d'accumulation à une valeur de seuil pres- crite correspondante est d'un type ayant une valeur de seuil plus élevée pour comparer chaque résultat d'accumulation provenant de l'accumulation de chaque suite d'échantillons au carré intégrés pendant la seconde multitude de périodes d'échantillonnage. 7. Disjoncteur électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen pour produire un signal respectif de déclenchement instantané est du type produisant un signal respectif de déclenchement instantané répondant à chacune des réponses essentiellement instantanées se produi- sant pendant deux périodes successives des périodes d'échan- tillonnage récurrent. 8. Disjoncteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque moyen de conversion analogique-numérique comprend: un modulateur delta-sigma (31; 32; 33) du type sur- échantillonné ayant des points respectifs d'entrée et de sortie et échantillonnant le signal redressé fourni à son point d'entrée plusieurs fois au cours de chacune des périodes d'échantillonnage récurrent et; un filtre de décimation (34; 35; 36) ayant un point d'entrée relié au point de sortie du modulateur delta-sigma et comportant un point de sortie pour fournir la suite respective d'échantillons numériques pendant les périodes d'échantillonnage récurrent. 9. Disjoncteur électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque moyen de conversion analogique- numérique comprend: un modulateur delta-sigma (31; 32; 33) du type sur- échantillonné ayant des points respectifs d'entrée et de sortie et échantillonnant le signal redressé fourni à son - 12 - point d'entrée plusieurs fois au cours de chacune des périodes d'échantillonnage récurrent et; un filtre de décimation (34; 35; 36) ayant un point d'entrée relié au point de sortie du modulateur delta- sigma et ayant un point de sortie pour fournir la suite respective d'échantillons numériques pendant les périodes d'échantil- lonnage récurrent.