Brevet FR2689335A1 — publié le 19931001

PROCÉDÉ DE VARIATION DE PUISSANCE DANS UNE CHARE BRANCHÉE SUR LE SETEUR La présente invention oncerne les variateurs de puis- sance comprenant un interrupteur cxna Edable tel qu'un triac, pour des charges branchâes sur le secteur On considère plus particulièrement de tels variateurs dans lesquels la variation de 5 puissance est réalisée en conmutant la charge sur le secteur pendant des portions variables de chaque alternance du secteur. La figure 1 représente un schéma simplifié de variateur de puissance Une charge L est reliée au secteur par l'inter- médiaire d'un triac S Le déclexi ent du triac S est retardé10 par rapport aux passages à zéro de la tension du secteur grâoe à un circuit retardeur comprenant une résistance variable R et une capacité C branches en série avec la charge L sur le secteur Un diac D relie la gâchette du triac S au point ocmmun entre la résistance R et la capacité C Ainsi, selon la valeur de la15 résistarxnce R, le triac S est déclenché à chaque alternaxnce avec un retard plus ou moins grand par rapport aux instants de passage à zéro de la tension du secteur. Ce circuit présente l'avantage d'être simple et assez insensible aux perturbations de la tension du secteur En effet, le réseau RC constitue un filtre passe-bas qui empêche le passage d'impulsions parasites qui pourraient déclencher intempestivement le triac S On trouve souvent ce genre de circuit monté à la place des interrupteurs domestiques d'éclairage Toutefois, ce circuit se comporte assez mal avec des charges inductives. 5 Il existe actuellement des variateurs plus complexes qui fonctionnent mieux avec des charges inductives et qui offrent un certain nombre de perfectionnements, comme par exemple un dnarrage en douceur lié à une cumralde par touche sensitive qui, selon la durée d'effleurement, permet d'établir, d'interrompre ou10 de faire varier la puissan e dans la charge. Ces variateurs utilisent généralement des circuits intégrés spécialisés en technologie analogique qui rnécoessitent un grand nombre de composants externes encombrants tels que des condensateurs de filtrage des impulsions parasites du secteur, des condensateurs pour fixer la constante de temps du dnmarrage en douceur, etc Ces variateurs sont donc chers à la fabrication et, vu leur encombrement, ils sont difficilement montables à la place des interrupteurs domestiques. Pour réduire le coût et l'encombrement d'un tel variateur, on pourrait envisager de réaliser la plupart de ses fonctios sous forme numérique Mais les circuits numériques présentent généralement 1 ' irxxwénient d'être très sensibles aux parasites. Un objet de la présente invention est de prévoir un variateur de puissance à ocmmande numérique s'affranchissant du problème des parasites du secteur et ne nécessitant qu'un faible nombre de oçmposants externes. Cet objet ainsi que d'autres de la présente invention est atteint grâce à un procédé de variation de puissance pour une charge branchée sur le secteur au moyen d'un interrupteur comman- dé dont la comande est retardée d'un intervalle de temps de consigne par rapport à l'instant de fourniture d'une impulsion de synchronisation sur le secteur Selon l'invention, le procèdé oomprend les étapes suivantes: a) détecter une impulsion de35 synchronisation, déterminant le début d'un cycle, dans un inter- valle de temps fixe açppartenant au cycle précdent; b) dés la détection de l'impulsion de synchronisaticn, attendre la fin de oet intervalle fixe puis décompter un premier intervalle de temps qui se termine sensiblement à un instant correspcrúoant à l'ins-5 tant d'arrivée de l'impulsion de synchronisation additionrné de l'intervalle de consigne; c) à la fin du premier intervalle, déclencher la fermeture de l'interrupteur et décompter un deu- xième intervalle de temps qui se termine avant l'arrivée normale de l'impulsion de syrchronisation suivante; et d) à la fin du deuxième intervalle, décompter l'intervalle fixe dans lequel on doit détecter l'impulsion de syrnchonisation suivante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième intervalle de temps débute par un troisième interval- le de temps d'une demi-période rnominale du secteur, à la fin duquel la fermeture de l'interrupteur est également déclenchée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à partir de l'étape b), le procédé comprend les étapes suivan- tes: mesurer le temps restant s'écoulant entre l'arrivée de l'impulsion de synchronisation et la fin de l'intervalle de temps fixe appartenant au cycle précédent; calculer l'écart entre le temps restant et une moyenne de temps restants prise sur un nom- bre prédétermiré (K) de cycles précédents; et, pour le cycle suivant (n+ l), corriger le premier intervalle de temps d'une fraction déterminée dudit écart et calculer la nouvelle moyenne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fraction détermine est un Ke dudit écart. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la coîarnde de l'interrupteur est arrêtée si une impulsion de synchronisation n'arrive pas pendant l'intervalle de temps fixe. La présente invention prévoit aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention Le dispositif est essentiellement constitué d'un microcontrôleur comprenant: des tooyens de détection des impulsions de syrzbronisation; des moyens pour mémoriser les premier et deuxième intervalles de temps, l'intervalle de temps fixe, le temps restant, l'intervalle de consigne et la moyenne; des moyens pour ajuster la valeur de l'intervalle de consigne en forction de commandes externes, et pour initialiser le temps restant, la moyenne et les premier et deuxième intervalles; un cnmpteur progranmmable dans lequel sont successivement chargés et décomptés au rythme d'une horloge5 interne les premier et deuxième intervalles et l'intervalle de temps fixe, l'état du compteur étant lu pernant l'intervalle de temps fixe pour fournir le temps restant; et des moyens de calcul pour calculer la moyenne en fnction des variations du temps restant, pour ajuster la valeur du premier intervalle en10 fonction de l'intervalle de consigne et de la moyenne, et pour ajuster la valeur du deuxième intervalle en fonction de l'inter- valle de oensigne. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, illustre un circuit variateur de l'art antérieur; la figure 2 représente un mode de réalisation d'un variateur selon la présente invention utilisant un microoontrô- leur; la figure 3 représente des tensions et un courant rela- tifs à des éléments de puissarnoe du variateur de la figure 2, et des signaux de syhronisation et de commenande utilisés dans ce25 variateur; et la figure 4 représente sch atiquement les principaux éléments du microoontrôleur utilisé dans le circuit de la figure 2. La figure 2 représente un variateur mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention Une charge L est branhée au neutre N du secteur et reliée à une phase P du secteur par l'interédiaire d'un triac S Le circuit de o"mmanae cmprernd un microcontrôleur 20 convenablement programme, un pont diviseur de quatre résistances Ri à R 4, une résistanoe R 5, une touche sensi-35 tive 21 et/ou un potentiaomtre 22. Le circuit de commande est alimenté par la phase P du secteur qui est à un potentiel Vp et par un potentiel VO inférieur à Vp de, par exemple, 5 V obtenu à partir du secteur par un circuit classique à capacité et diode Zener, non representé. Les première (RE) et dernière (R 4) résistances du pont sont respectivement reliées au potentiel Vp et au potentiel VO La résistance R 5 comporte une borne reliée au point commun entre le triac et la charge L et une borne reliée au point cemmun A entre la résistance R 2 et la résistance R 3 du pont diviseur. Le microcontrôleur 20, également alimenté par les potentiels Vp et V 0, reçoit un signal venant d'une touche sensitive 21, un signal délivré par un potentiomtre optionnel 22, et des signaux Vl et V 2 recueillis respectivement au point commun entre la résistance Rl et la résistance R 2 et au point commun entre la résistance R 3 et la résistance R 4 Le microcontrôleur fournit un signal de commandae Trig au triac S. Le rôle des résistances Rl à R 5, notamment des signaux Vl et V 2, sera exposé plus loin. La figure 3 permet d'illustrer le fnctionement du variateur selon la présente invention et notamment du microcontrôleur 20, qui pourrait aussi être remplacé par un circuit logique câblé, qui permet la réalisation des étapes du procédé selon l'invention Elle représente, pour un cycle de25 fonctionement (n), la tension V du secteur, le courant IL à travers la charge, la tension Vs aux bornes du triac S, des impulsions de synchronisation Sync utilisées dans le microcontrôleur 20 et des impulsions de comnande Trig fournies à la gâchette du triac S par le microontrÈleur. On suppose qu'initialement la période du secteur est égale à sa valeur nominale et qu'une impulsion de synchronisation Sync est régulièrement fournie à chaque période du secteur au amoment des passages par zéro par valeur négative du courant IL dans la charge L d'une manière expliquée plus loin Chacune des35 impulsions Sync détermine le début d'un cycle. Si, perndant oette période initiale, l'on considère un cycle N correspondant sensiblement à une période, on décxpose, selon l'invention, oe cycle en: des intervalles de temps Rn et Tln à la fin desquels on fournit une première impulsion de cxmmande Trig; la durée Rn + Tln est initialement choisie en fonction de la cxo Iiande appliquée au microontrôleur 20 pour oorrespoodre à une valeur Td déterminée par l'opérateur agissant sur la touche sensitive 21 ou le potentiomètre 22 pour fixer un déphasage désiré entre10 l'impulsion de synchronisation et l'impulsion de décleixleent; un intervalle de temps T 2 N à la fin duquel on fournit une deuxième impulsion de commanaxe destinée à la oommaxnde de mise en onduction de l'alternance suivante; l'intervalle de temps T 2 N séparant deux impulsions de commande est fixé à l'origine par15 le micromontrôleur pour orresporxioe à la durée d'une alternanoe nominale du secteur; un intervalle de temps T 3 N à la fin duquel on initialise le déocmptage d'un intervalle de temps fixe T 4 N au ours duquel on cherche à détecter la préseonce de l'impulsion de synchronisation suivante L'intervalle de temps T 3 N est choisi de sorte que la suomme des intervalles de temps Rn, Tln, T 2 N et T 3 n ait une valeur légèrement inférieure à la période nominale T. L'intervalle de temps T 4 N est choisi de sorte que la some des intervalles de temps Rn, Tln, T 2 n, T 3 N et T 4 N ait une valeur légèrement supérieure à la période nominale T. Ainsi, l'intervalle T 3 N se termine avant la fin inominale du cycle, c'est-à-dire avant l'arrivée normale de 1 ' impulsion de synchronisation suivante La présence de l'impulsion de synchronisation est recherchée pendant l'intervalle de temps fixe T 4 N et elle arrive normalement au bout d'un intervalle de temps T 4 n-Ro s'il n'y a pas eu de fluctuations du secteur, RO étant la valeur initiale des intervalles R. L'arrivée de l'impulsion de synchronisation initialise le cycle suivant. Le fait de détecter les impulsions de synchronisation pendant un intervalle T 4 qui est petit devant la période T rend le procédé peu sensible aux fluctuations du secteur En effet, un parasite du courant IL qui prov Dquerait une impulsion de5 synchronisation erronée n'a d'effet que s'il survient pendant l'intervalle T 4, alors qu'il n'a aucun effet s'il survient pendant l'un des intervalles T 1, T 2 ou T 3. Si l'impulsion de synchronisation n'arrive pas pendant l'intervalle T 4 n, il y a erreur et la conkande du triac est arrêtée Si une impulsion de synchronisation décalée ou parasite survient pendant un intervalle T 4 nl, l'intervalle Rn est différent de Ro et on n'est plus dans les conditions initiales. Pour assurer un bon fonctionnement dans des ccrnditions différentes des conditions nominales, il est prévu selon la présente invention de mesurer chaque durée Rnl s'écoulant entre l'instant d'apparition de l'impulsion de synchronisation et la fin de la durée prédétermine T 4 n_ 2 et d'ajuster la durée de l'intervalle de temps Tln en fonction de la valeur mesurée de l'intervalle de temps Rnl pour adapter la commande à des glissements lents éventuels de la fréquence du secteur, oet ajustement étant réalisé de manière à minimiser 1 l'influence d'impulsions parasites arrivant en lieu et plaoe de l'impulsion de synchronisation pendant l'intervalle de temps T 4 n_ 2 Pour oela, l'ajustement de la valeur de l'intervalle de temps Tln en fonction de l'intervalle de temps mesuré Rn-_l est effectué en apportant un facteur de pondération à l'influence de la mesure du temps Rn pour nmoyenner l'effet de variations brutales éventuelles de cet intervalle de temps Rn. En effet, on souhaite que le déphasage entre les impulsions de synchronisation et de commarxde s'adapte à des variations lentes de la période du secteur mais ne suive pas des variations brutales de la durée Rn dues à l'apparition d'impulsions de synchronisation parasites. De tels parasites sur le signal de synchronisation sont susceptibles de se produire par exemple dans le cas o l'on superpose à la tension du secteur un signal haute fréquence de télécoxmmnde de compteurs d'électricité en position jour-nuit. Ainsi, la présente invention prévoit de mémoriser et de mettre à jour une moyenne glissante sur K cycles de valeurs Rn (Rnk à Rn), cette moyenne glissante est appelée R'n A chaque nxuveau cycle, on mesure Rn, on détermine un facteur de correction (Rn R'n)/K et l'on corrige de ce facteur d'une part10 la valeur R'n+l, d'autre part l'intervalle de temps Tln+l du cycle suivant. Cette correction récursive peut s'exprimer par les formules suivantes: Tln+l = Tln (Rn-R'n)/K; R'n+l = R'n + (Rn-R'n)/K. En coenséquene, le variateur selon la présente invention est pratiquement insensible aux parasites pnctuels ou aléatoires mais il s'adapte à des glissements de la fréquenoe du secteur. A titre d'exemple de valeurs numériques, pour une fréquence du secteur de 50 Hz, on pourra choisir corne valeurs initiales: R O = 0,5 ms; Td = valeur fixée par l'opérateur; T 2 = 10 ms; T 3 = 9 ms Td; T 4 = 1,5 ms; et K = 16. Bien entendu, ces valeurs peuvent être optimisées selon les besoins et adaptées à des fréquences de secteur différentes. La présente invention prévoit aussi un mode particulier d'obtention des impulsions de synchronisation On exploite la tension Vs aux bornes du triac S à l'aide des résistances Rl à R 5, mentionrnées précédemment, qui sont calculées pour assurer le fonctionnement suivant. Si le oourant IL dans le triac S est non nul, alors la tension Vs est pratiquement nulle Le signal V 1 entre les résistancs R 1 et R 2 est à un niveau logique 1, et le signal V 2 entre les résistances R 3 et R 4 est à un niveau logique 0 Ainsi,5 le signal Vi est à 1 et le signal V 2 est à 0. Si le courant IL s'annule, le triac présente à ses bornes la tension du secteur Si on est dans une alternance posi- tive de la tension du secteur, le point A est à un potentiel inférieur au potentiel VO, et le signal Vl est alors à un niveau10 logique O Ainsi, les signaux Vl et V 2 sont tous les deux à 0. Si on est dans une alternance nrgative du secteur, le point A est à un potentiel supérieur au potentiel Vp de la phase P et le signal V 2 est alors à un niveau logique 1 Ainsi, les signaux Vl et V 2 sont tous les deux à 1.15 Pour détecter les passages à zéro du oeurant par valeurs rgatives, il suffit de détecter les instants de passage (V 1 = 1, V 2 = O) à (V 1 = 0, V 2 = 0), ce qui est effectué par le microcontrôleur 20 pour fournir les impulsions de synchroni- sation.20 La figure 4 représente schématiquement le microoontr&- leur 20 Le procédé selon la présente invention peut être mis en oeuvre à l'aide d'un miarooentrôleur simple et à faible capacité mémoire cimprenant des mrmoires 40, des moyens de gestion et de calcul ou microprocesseur 41, une horloge 42 et un seul compteur programlable 43 Les diverses valeurs Tl, T 2, T 3, T 4, R et R' sont initialisées et chargées dans des mnéoires appropriées, et la valeur Td est obtenue au tooyen d'un circuit d'interfaoe 44 qui reçoit les signaux provenant de la touche 21 ou du potentiomatre 22, puis mémorisée. Selon l'invention, on charge suocessivennt dans le coteur prograninable 43 les intervalles de temps Tln, T 2 n, T 3 n et T 4 N qui sont décoeptés au rythme de l'horloge 42 A la fin de chacun des intervalles Tln et T 2 n, on fournit une impulsion de oeonande de mise en conduction du triac S A la fin de l'inter- valle T 3 n, on valide, pendant la durée T 4 n, la détection d'impul- sions de synchronisation A la suite de l'arrivée de l'impulsion de synchronisation, on mémorise l'intervalle Rn+l correspxxdant à la durée T 4 N moins le temps écoulé depuis le début du chargaemnt 5 de l'intervalle T 4 N dans le compteur 43 Le microprooesseur 41 contenu dans le microcontrôleur assure le séquencement de oes opérations, et le calcul de la nouvelle valeur de Tln+l liée aux variations de Rn et de R'n de la manière suivante. Dès la détection d'une impulsion de synchronisation, dans une mnmoire, la valeur Rnl est remplacè par la nouvelle valeur Rn; dans une autre mémoire, la valeur R'n est remplacée par la rxxnouvelle valeur R'n+l = R'n + (Rn-R'n)/K; et dans une autre mémoire, la valeur Tln est remplacée par la nouvelle valeur Tln+l = Td R'n+ 1.15 Le procédé selon la présente invention a été décrit en relation avec une période du secteur Bien entendu, il peut être adapté pour fonctionner par demi-périodes du secteur en fournis- sant des impulsions de synchronisation aussi lors des passages à zéro par valeur positive du courant IL et en supprimant20 l'intervalle T 2. il REVENDICATIONS 1 Procédé de variation de puissance pour une charge brarnhe sur le secteur au moyen d'un interrupteur OA ifnné dont la comnane est retardée d'un intervalle de temps de consigne (Td) par rapport à l'instant de fourniture d'une impulsion de syrnrouisation sur le secteur, caractérisé en ce qu'il oomprend les étapes suivantes: a) détecter une impulsion de syrronisation, détermi- nant le début d'un cycle (n), dans un intervalle de temps fixe (T 4 nl) appartenant au cycle précédent (n-1); b) dès la détection de l'impulsion de synhronisation, atterire la fin de oet intervalle fixe (T 4 nl) puis déccxmpter un premier intervalle de temps (Tln) qui se termine sensiblement à un instant corresp ant à l'instant d'arrivée de l'impulsion de syri nisation additionné de 1 ' intervalle de consigne (Td);15 c) à la fin du premier intervalle (Tln), déclenchr la fermeture de l'interrupteur (S) et déonpter un deuxième inter- valle de temps (T 2 n+T 3 n) qui se termine avant l'arrivée normale de l'impulsion de synchronisation suivante; et d) à la fin du deuxième intervalle (T 2 n+T 3 n), décompter l'intervalle fixe (T 4 n) dans lequel on doit détecter l'impulsion de syrn misation suivante. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième intervalle de temps (T 2 n+T 3 n) débute par un troi- sième intervalle de temps (T 2 n) d'une demi-période rncinale (T/2)25 du secteur, à la fin duquel la fermeture de l'interrupteur est également déclenciée. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à partir de l'étape b), il comprend les étapes suivantes: mesurer le temps restant (Rn) s'écoulant entre l'ar- rivée de l'impulsion de sy ronisation et la fin de l'intervalle de temps fixe (T 4 n-1) appartenant au cycle précédent (n-l); calculer l'écart (Rn-R'n) entre le temps restant (Rn) et une rmoyenne de temps restants (R'n) prise sur un ncmbre prédé- terminé (K) de cycles précédents; et pour le cycle suivant (n+l), corriger le premier intervalle de temps (Tln+l) d'une fraction déterminée dudit écart et calculer la nouvelle moyenne (R'n+l). 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en oe que la fraction déterminée est un Ke dudit écart. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en oe que la comnande de l'interrupteur (S) est arrêtée si une impul- sion de syrcluronisation n'arrive pas pendant l'intervalle de temps fixe (T 4 n).10 6 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en oe qu'il est essentiellement constitué d'un microcontrôleur omprenant: des moyens de détection des impulsions de synchronisa- tion (V 1, V 2), des moyens ( 40) pour mémoriser les premier et deuxième intervalles de temps (T 1, T 2 +T 3), l'intervalle de temps fixe (T 4), le temps restant (R), l'intervalle de consigne (Td) et la rmoyenne (R'), des moyens ( 44, 41, 40) pour ajuster la valeur de l'intervalle de consigne (Td) en fonction de comnmandes externes ( 21, 22), et pour initialiser le temps restant (R), la moyenne (R') et les premier et deuxième intervalles (T 1, T 2 +T 3), un compteur programmable ( 43) dans lequel sont succes- sivement chargés et décomptés au rythme d'une horloge interne ( 42) les premier et deuxième intervalles (Tl, T 2 +T 3) et l'inter- valle de temps fixe (T 4), l'état du compteur étant lu pendant l'intervalle de temps fixe (T 4) pour fournir le temps restant (R), et des moyens de calcul ( 41) pour calculer la moyenne (R') en fonction des variations du temps restant (R), pour ajuster la valeur du premier intervalle (T 1) en fonction de l'intervalle de consigne (Td) et de la moyenne (R'), et pour ajuster la valeur du deuxième intervalle (T 2 +T 3) en fonction de l'intervalle de con- signe (Td).