Brevet FR2690035A1 — publié le 19931015

PROCEDE DE COMMANDE D'UN GRADATEUR POUR CHARGES RESISTIVES La présente invention concerne un procédé de commande d'un gradateur pour charges résistives. L'invention s'applique notamment à la commande de résistances électriques chauffantes. La régulation de la puissance délivrée dans des charges résistives alimentées en courant alternatif s'opère classiquement au moyen de gradateurs monophasés ou triphasés, généralement constitués, selon la répartition des phases, par une association de thyristors en parallèle montés tête-bêche ou par une association de thyristors et de diodes. Les circuits de commande de ces gradateurs sont essentiellement formés de trois modules principaux, à savoir - un capteur qui fournit une image électrique de la grandeur mesurée (température, pression, etc...), - un régulateur qui élabore une tension de commande fonction de l'écart entre la valeur mesurée et une valeur de consigne, - un dispositif de commande qui traduit cette tension de commande par la fermeture plus ou moins fréquente des thyristors ou des triacs de puissance.De cette façon, la puissance moyenne fournie à la charge peut être variée entre 0 à 100 % de la puissance nominale. La manière de commander l'ouverture et la fermeture des triacs ou des thyristors fait l'objet de nombreuses variantes et on connaît notamment - la commande par variation de l'angle d'amorçage ou d'allumage des thyristors, - la commande par trains d'ondes synchronisées dont la durée est fonction de la tension de commande, ce qui permet de faire varier le rapport cyclique de la commande proportionnellement au pourcentage de puissance requis par la charge, - la commande syncopée ou par alternances isolées synchronisées, qui envoie le courant dans la ou les charges alternance par alternance. Les deux derniers types de commande précédemment mentionnés peuvent faire l'objet de diverses réalisations et on connaît notamment le dispositif de commande de l'alimentation de charges à partir d'un réseau triphasé qui est proposé dans le brevet FR-A-2 590 741 au nom de la Société EUROTHERM. Le dispositif décrit dans ce document est cependant très complexe puisqu'il nécessite, pour atteindre les objectifs cités plus haut, de disposer d'un circuit de commande numérique à base d'un microprocesseur contrôlant la mise en conduction des thyristors de chacune des trois phases en fonction de critères sur la tension des deux autres phases, notamment de leur sens d'évolution, les phases et les sens d'évolution desdites tensions étant permutées après une série de six déclenchements successifs de l'alimentation des charges. La présente invention vise à proposer un procédé de commande beaucoup plus simple et moins onéreux d'un gradateur monophasé ou triphasé pour l'alimentation de charges résistives, utilisant une commande syncopée par alternances isolées synchronisées des circuits de commutation de la tension d'alimentation sur lesdites charges, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on génère un signal de commande par impulsions dont la fréquence est proportionnelle à la puissance moyenne à fournir à la charge d'une phase, ce signal de commande provoquant la commutation d'une seule alternance de la tension d'alimentation sur ladite phase dès le passage à zéro, soit sur front montant soit sur front descendant, de ladite tension d'alimentation. Etant donné que la fréquence du signal de commande par impulsions peut varier dans une assez large mesure par rapport à la fréquence d'alimentation, tout en lui étant bien évidemment toujours inférieure, on comprend que le délai existant entre l'impulsion de commande et la commutation de la tension d'alimentation n'est pas fixe de ce fait, il est proposé, conformément à une caractéristique complémentaire de l'invention, de générer, à partir du signal de commande par impulsions, un signal logique de mémorisation à deux états, haut et bas, le passage au niveau logique haut se faisant de manière synchrone avec le signal de commande, et le passage au niveau logique bas se faisant de manière synchrone avec le passage par zéro de la tension d'alimentation, soit sur front montant soit sur front descendant, de sorte à ce que la commutation d'une seule alternance de ladite tension d'alimentation sur une phase se produise d'une manière synchrone avec le passage du signal de mémorisation depuis son niveau logique haut vers son niveau logique bas. Le procédé conforme à l'invention permet de réaliser un dispositif de commande composé d'un nombre restreint de circuits élémentaires, nettement moins couteux qu'un microprocesseur et ses périphériques, tout en offrant un mode de fonctionnement suffisamment fiable dans la plupart des applications. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un mode d'exécution d'un dispositif de commande pour gradateur monophasé donné à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est un schéma électrique synoptique simplifié du gradateur monophasé, à base d'une association de deux thyristors en parallèle montés tête-bêche, alimentant une résistance unique, - les figures 2 à 7 sont des chronogrammes montrant les variations respectives, sur plusieurs cycles, du signal de synchronisation représentatif du passage à zéro de la tension d'alimentation, du signal de commande par impulsions, du signal logique de mémorisation, du signal de gâchette de l'un des thyristors, du signal de gâchette de l'autre thyristor et, enfin, de la tension syncopée par alternances isolées envoyée sur la résistance. Le gradateur monophasé représenté sur le dessin est destiné à réguler la puissance fournie à une résistance R de type purement résistif, par exemple une résistance chauffante. En série avec cette résistance R, il est ainsi monté un circuit de commutation 1, par exemple composé de deux thyristors en parallèle Th et Th' montés tête-bêche ces deux thyristors Th et Th' pourraient bien entendu être remplacés par un unique triac ou encore par des GTO. La tension d'alimentation alternative V doit être commutée sur la résistance chauffante R de manière à ce que sa température soit constante et égale à une température de consigne T c fixée par un régulateur 2. A cet effet, le gradateur suivant l'invention est équipé d'une boucle d'asservissement comportant principalement une sonde en température 3, traduisant la température Tm de la résistance R en une grandeur électrique, par exemple une tension ; cette dernière tension sert à élaborer, dans un circuit de commande 4, un signal de commande par impulsions Vcom (fig. 3) dont la fréquence est proportionnelle à la différence entre les tensions représentatives des températures T c et T Cette fréquence peut normalement varier entre une valeur maximale, sensiblement égale ou légèrement supérieure à la fréquence de la tension d'alimentation alternative V et une valeur minimale pratiquement nulle. Par ailleurs, le gradateur est pourvu d'un circuit de détection du passage à zéro, sur front montant, de la tension d'alimentation V ; ce circuit de détection, non représenté sur la figure 1, permet d'élaborer un signal de synchronisation Vsvn (fig. 2), formé d'impulsions courtes, qui sont synchrones avec le passage à zéro de la tension. La fréquence de Vsvn est donc, en fait, égale à celle de la tension d'alimentation alternative V. Le signal de commande Vcom et le signal de synchronisation Vsvn viennent attaquer un circuit de mémorisation 5 formant, à partir de ces deux signaux, un signal logique de mémorisation Vmem, dont l'allure est montré sur la figure 4. Selon le procédé conforme à l'invention, Vmem passe à son niveau logique haut chaque fois que le circuit de mémorisation 5 détecte une impulsion sur le signal de commande Vcom, et repasse à son niveau logique bas dès qu'il détecte une impulsion de synchronisation sur le signal Vsvn. A partir de la détection du front raide descendant du signal de mémorisation Vmem, le circuit de mémorisation 5 élabore un signal de commande du circuit de commutation 1 destiné à provoquer sa conduction pendant une alternance, et une seule, de la tension d'alimentation V ; dans le cas du gradateur monophasé ici représenté à titre d'exemple, ce signal de commande consiste à envoyer des signaux adéquats i g et igt (fig.5 et 6) sur chacune des gâchettes des thyristors Th et Th'. La conformation exacte de ces signaux est parfaitement connue de l'homme du métier ordinaire et ne sera pas développé ici plus en détail ; en outre, le cas d'un gradateur monophasé n'a pas d'intérêt pratique et la commande des gâchettes des thyristors d'un gradateur triphasé, à partir d'un signal de déclenchement tel que le front descendant de Vmem, est également parfaitement connue. La tension Vr monophasée aux bornes de la résistance R est illustrée sur la figure 7. On constate que cette tension Vr est syncopée et comporte des alternances entières et isolées de la tension d'alimentation V chaque fois que le signal Vmem présente un front descendant. Dans le cas représenté sur les figures annexées, seulement 3 alternances sur 7 sont envoyées sur la résistance R, ce qui correspond à une puissance moyenne égale à 3/7 de la puissance maximale pouvant être délivrée à cette résistance R. En comparaison à une commande par trains d'ondes qui prévoierait, dans un cas identique, une conduction des thyristors de 3 alternances successives suivies de 4 périodes de non conduction, on comprend que l'ondulation de la tension moyenne, ou du courant moyen, soit moindre. On observera enfin que, dans le cas le plus courant d'un gradateur triphasé avec réseau en étoile sans neutre, l'association de deux thyristors par phase est classiquement remplacée par une association thyristor/diode sans que le principe de la commande soit modifié. REVENDICATIONS 1 - Procédé de commande d'un gradateur monophasé ou triphasé pour l'alimentation de charges résistives (R), utilisant une commande syncopée, par alternances isolées synchronisées, des circuits de commutation (1) de la tension d'alimentation (V) sur lesdites charges (R), caractérisé en ce que l'on génère un signal de commande par impulsions (Vcom) dont la fréquence est proportionnelle à la puissance moyenne à fournir à la charge (R) d'une phase de l'alimentation, ce signal de commande (Vcom) provoquant la commutation d'une seule alternance de la tension d'alimentation (V) sur ladite phase dès le passage à zéro, soit sur front montant soit sur front descendant, de ladite tension d'alimentation (V). 2 - Procédé de commande d'un gradateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on génère, à partir du signal de commande par impulsions (Vcom), un signal logique de mémorisation (Vmem) à deux états, haut et bas, le passage au niveau logique haut se faisant de manière synchrone avec le signal de commande (Vcom), et le passage au niveau logique bas se faisant de manière synchrone avec le passage par zéro de la tension d'alimentation (V), soit sur front montant soit sur front descendant, de sorte à ce que la commutation d'une seule alternance de ladite tension d'alimentation (V) sur une phase se produise d'une manière synchrone avec le passage du signal de mémorisation (Vmem) depuis son niveau logique haut vers son niveau logique bas. 3 - Application du procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes aux gradateurs monophasés et triphasés pour la régulation de la puissance délivrée dans des charges purement résistives. 4 - Application du procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes aux gradateurs monophasés et triphasés pour la régulation de la température de résistances chauffantes.