Brevet FR2661038A1 — publié le 19911018

RELAIS ELECTRONIQUE DE PROTECTION POUR CHARGE ELECTRIQUE POLYPHASEE. La présente invention concerne un relais électronique de protection associable à une charge électrique polyphasée pour couper l'alimentation de celle-ci lorsqu'il se pro- duit une surcharge de courant sur au moins une phase ou un déséquilibre entre les courants de phase. Pour protéger des moteurs polyphasés, on sait utiliser des relais électroniques du type comportant pour chaque phase un organe détecteur tel qu'un transformateur d'intensité délivrant un signal image de l'intensité du courant dans la phase, ainsi qu'un circuit électronique de traitement qui reçoit et traite les signaux fournis par les organes détecteurs pour délivrer un signal de déclenchement. Or, comme cela est bien connu, les échauffements du moteur sont proportionnels au carré du courant de phase; en conséquence, le fait de mettre en oeuvre des organes détecteurs délivrant chacun un signal image uniquement du courant absorbé par le moteur conduit à prévoir des moyens électroniques supplémentaires aptes à traiter ce signal pour qu'il donne une image représentative des sur- charges thermiques par une élévation au carré du courant -2- détecté, ce qui complique le circuit de traitement uti- lisé. L'invention a pour but d'associer au circuit de traite- ment d'un relais électronique de protection associable à une charge polyphasée telle qu'un moteur, des organes détecteurs de courant qui fournissent chacun un signal directement image du carré de l'intensité du courant de phase et qui présentent une structure simple, compacte et peu encombrante. A cet effet, l'invention a pour objet un relais électro- nique de protection associable à une charge électrique polyphasée pour protéger celle-ci en cas de surcharge de courant sur au moins une phase ou de déséquilibre entre courants de phase, ce relais comprenant dans un boîtier: un organe détecteur par phase pour délivrer un signal dépendant de l'intensité du courant de phase, un circuit électronique de traitement qui reçoit et traite les signaux fournis par les organes détecteurs, ce circuit comprenant une logique apte à délivrer un signal de déclenchement. Selon l'invention, ce relais est plus particulièrement caractérisé en ce que chaque organe détecteur comporte: un circuit magnétique formé de deux armatures coopé- rantes, respectivement fixe et mobile, qui sont iden- tiques et ont une forme de L dont l'une des branches est notablement plus longue que l'autre, et qui sont montées tête-bêche pour former entre elles une cavité rectangulaire, les extrémités associées des deux arma- tures étant situées en regard l'une de l'autre avec un même entrefer de manière que le sens de déplacement de l'armature mobile soit parallèle à la branche la plus longue du L de l'armature fixe, un enroulement électrique bobiné autour de la branche la plus longue du L de l'armature fixe et parcouru par le courant de phase qui induit un champ magnétique pro- -3- voquant l'attraction de l'armature mobile par l'armature fixe, une lame piézoélectrique logée à l'intérieur de la cavité en s'étendant parallèlement aux branches respec- tives les plus longues des deux armatures en L, montée en appui contre les deux branches respectives les plus courtes desdites armatures en L et interposée entre deux plaquettes isolantes comblant la cavité, ladite lame piézoélectrique étant soumise à une force de compression lors de l'attraction de l'armature mobile par l'armature fixe et étant électriquement reliée au circuit de traitement pour lui transmettre un signal analogique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un organe détecteur appartenant au relais électronique selon l'invention; La figure 2 est une vue en coupe longitudinale de cet organe détecteur; La figure 3 est une vue en perspective de la lame piézoélectrique appartenant à l'organe détecteur; et La figure 4 est une vue schématique en éléva- tion du relais électronique selon l'invention. L'organe détecteur 10 illustré sur les figures 1 et 2 et destiné à être associé à une phase d'une charge élec- trique polyphasée telle qu'un moteur, se compose d'un circuit magnétique formé d'une armature fixe 11 et d'une armature mobile en translation 12 qui sont toutes deux -4- identiques et ont une forme de L dont la branche ou aile longitudinale lia, respectivement 12 a, est notablement plus longue que la branche ou aile transversale llb, res- pectivement 12 b. Ces deux armatures 11, 12 en L sont disposées tête-bêche, c'est-à-dire parallèlement l'une à l'autre et en sens inverse, pour former entre elles une cavité rectangulaire 13 (figure 1) et sont agencées de façon complémentaire d'une manière telle que les deux faces terminales 15, 16 de leurs deux branches longitudinales respectives lia, 12 a soient situées respectivement, avec le même entrefer prédéterminé e, en regard des deux faces internes 17, 18 de leurs deux branches transversales respectives llb, 12 b, voir figure 2 Dans cette configuration, figure 2, l'armature mobile 12 en L est à sens de déplacement lon- gitudinal, figuré par la flèche A, comme on le verra plus loin. Comme le montrent les figures 1 et 2, un enroulement électrique 20 parcouru par le courant de phase est bobiné autour de la branche longitudinale lia de l'armature fixe 11 en L, par exemple en quatre sections 20 a, 20 b, 20 c et d. A l'intérieur de la cavité rectangulaire 13 (figure 1) formée par les deux armatures 11, 12 en L est logée une lame rectangulaire piézoélectrique 22 qui s'étend paral- lèlement aux deux branches longitudinales lia, 12 a des deux armatures respectives 11, 12 en L et qui est montée en appui par ses deux faces latérales 22 a, 22 b respecti- vement contre les deux faces internes 17, 18 des deux branches transversales respectives iib, 12 b des deux armatures (figure 2) La lame piézoélectrique 22 est métallisée sur ses deux faces longitudinales et est élec- triquement reliée par des fils de connexion 23, visibles à la figure 4, au circuit électronique de traitement prévu dans le relais. -5- La lame piézoélectrique 22 est, de préférence, une céra- mique telle que le zirconate titanate de plomb connu sous la marque PZT, qui est polarisée par application d'un fort champ électrique. Comme le montre la figure 3, le sens de la force méca- nique F exercée sur la face latérale 22 a de la lame pié- zoélectrique 22 est perpendiculaire au sens du champ électrique de polarisation noté P Une telle lame piézo- électrique est alors dite à effet transversal et présente ainsi l'avantage d'avoir un facteur de transformation piézoélectrique qui peut être augmenté par modification des dimensions de la lame, ce qui permet d'accroître la sensibilité de la lame piézoélectrique. A cet effet, on rappellera que le facteur connu de trans- formation piézoélectrique noté W d'une telle lame piézo- électrique à effet transversal est défini par w = k\f T VC* o: k est le facteur de couplage transversal du matériau C est la capacité électrique de la lame piézoélec- trique et est égale à Eo Er 1 b avec:o la constante diélectrique du vide (Eo = 8,85 p F/m); Er la constante diélectrique du matériau; 1, b, t respectivement la lon- gueur, la largeur et l'épaisseur de la lame C* est la raideur élastique de la lame piézoélec- trique et est égale à E tib avec E le module d'élasticité i du matériau. A titre uniquement d'exemple, en donnant à la lame piézo- électrique 22 à effet transversal une longueur 1 égale à millimètres, une largeur b égale à 12 millimètres et une épaisseur t égale à 0,1 millimètre, et en choisissant comme matériau le zirconate titanate de plomb à caracté- -6- ristiques données, on obtient un facteur de transforma- tion piézoélectrique W élevé, de l'ordre de 150 n Cb/N. La cavité rectangulaire 13 de la figure i est par ail- leurs comblée par deux plaquettes isolantes 24, 25 dispo- sées longitudinalement en support de part et d'autre de la lame piézoélectrique 22, voir figure 2; la plaquette 24 présente sur sa face opposée à la lame piézoélectrique des crans 26 (figure 1), ici au nombre de quatre, dans lesquels sont engagées les portions correspondantes des quatre sections 20 a, 20 b, 20 c, 20 d de l'enroulement 20. L'organe détecteur 10 décrit ci-dessus en relation aux figures 1 à 3 et associé à une phase d'une charge poly- phasée telle qu'un moteur fonctionne de la façon sui- vante: Le courant de phase parcourant l'enroulement 20 crée une induction magnétique B dans le circuit magnétique formé par les deux armatures 11, 12 en L; cette induction B = go NI o po est la perméabilité relative de l'air, NI e les ampères-tours circulant dans l'enroulement et A, l'entrefer, tend à attirer l'armature mobile 12 vers l'armature fixe 11, en réduisant l'entrefer e, suivant le sens de déplacement longitudinal représenté par la flèche A sur la figure 2. Lors de cette attraction de l'armature mobile 12 par l'armature fixe 11, ladite armature mobile 12 exerce sur la lame piézoélectrique 22 une force de compression transversale F = B 2 S o B est l'induction magnétique et 2 go S la section de l'armature, les plaquettes isolantes 24, empêchant tout flambage de la lame piézoélectrique 22 lors de la déformation de celle-ci La force de compres- sion F peut alors s' écrire F = go N 2 I 2 S et est donc 2 e 2 proportionnelle au carré du courant, de sorte que la lame piézoélectrique 22 délivre un signal analogique directe- -7- ment image du carré de l'intensité du courant dans la phase. Par ailleurs, du fait que la lame piézoélectrique 22 peut présenter, comme on l'a vu précédemment, un facteur de transformation piézoélectrique élevé grâce à l'effet transversal de ladite lame, le signal analogique fourni par la lame piézoélectrique est un signal de forte ampli- tude; dans ces conditions, l'organe détecteur 10 fournit le signal de mesure et, avantageusement, la puissance d'alimentation des circuits électroniques associés de traitement de ce signal. En outre, de par sa structure même, un tel organe détec- teur 10 présente l'avantage de ne créer aucun échauffe- ment, contrairement aux détecteurs thermiques qu'on sait utiliser pour des relais électroniques. La figure 4 illustre un mode de réalisation du relais électronique de protection d'un moteur, qui est doté d'organes détecteurs du type décrit ci-dessus Ce relais présente un boîtier 30 dans lequel sont logés, par exemple, trois organes détecteurs 10 dont un seul a été représenté sur la figure 4 et qui sont associés chacun à une phase, ainsi qu'une carte de traitement 31 portant le circuit de traitement électronique relié à chacun des organes détecteurs via les fils de connexion 23 des lames piézoélectriques 22. La carte de traitement 31 porte également, d'une part, des éléments de réglage communiquant avec des organes de réglage et de signalisation prévus sur la face avant 33 du boîtier 30, d'autre part, des relais de sortie reliés via des bornes 34 à des organes extérieurs de signalisa- tion ou de commande. -8- Des bornes de puissance 36, 37 relient les extrémités respectives des enroulements 20 au circuit d'alimentation du moteur. Bien entendu, le relais 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. 9 - Revendications 1 Relais électronique de protection associable à une charge électrique polyphasée pour protéger celle-ci en cas de surcharge de courant sur au moins une phase ou de déséquilibre entre courants de phase, ce relais comprenant dans un boîtier ( 30): un organe détecteur ( 10) par phase pour délivrer un signal dépendant de l'intensité du courant de phase, un circuit électronique de traitement ( 31) qui reçoit et traite les signaux fournis par les organes détec- teurs, ce circuit comprenant une logique apte à déli- vrer un signal de déclenchement, caractérisé en ce que chaque organe détecteur ( 10) comporte: un circuit magnétique formé de deux armatures coopé- rantes, respectivement fixe ( 11) et mobile ( 12), qui sont identiques et ont une forme de L dont l'une des branches est notablement plus longue que l'autre, et qui sont montées tête-bêche pour former entre elles une cavité rectangulaire ( 13), les extrémités associées ( 15, 17; 16, 18) des deux armatures ( 11, 12) étant situées en regard l'une de l'autre avec un même entre- fer (e) de manière que le sens de déplacement de l'armature mobile ( 12) soit parallèle à la branche la plus longue (lia) du L de l'armature fixe ( 11), un enroulement électrique ( 20) bobiné autour de la branche la plus longue (lia) du L de l'armature fixe ( 11) et parcouru par le courant de phase qui induit un champ magnétique provoquant l'attraction de l'armature mobile ( 12) par l'armature fixe ( 11), une lame piézoélectrique ( 22) logée à l'intérieur de la cavité en s'étendant parallèlement aux branches respec- tives les plus longues (lia, 12 a) des deux armatures ( 11, 12) en L, montée en appui contre les deux branches respectives les plus courtes (llb, 12 b) desdites arma- tures en L et interposée entre deux plaquettes iso- - lantes ( 24, 25) comblant la cavité, ladite lame piézo- électrique ( 22) étant soumise à une force de compres- sion lors de l'attraction de l'armature mobile par l'armature fixe et étant électriquement reliée au cir- cuit de traitement ( 31) pour lui transmettre un signal analogique. 2 Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lame piézoélectrique ( 22) est en céramique ferroélectrique et à effet piézoélectrique du type transversal.