Brevet FR2724045A1 — publié le 19960301

L'invention concerne un dispositif de circuit pour la régula- tion d'un entraînement électromagnétique d'un appareil de com- mutation, en particulier dans un contacteur-interrupteur, une vanne magnétique ou un relais, comprenant une bobine de self qui est connectée à un organe pulseur pour la génération de tensions pulsées. Des appareils de commutation électromagnétiques sont en géné- ral utilisés dans la technique de l'entraînement et de l'auto- matisation, ces appareils, excerçant par exemple la fonction de contacteur-interrupteur, servent, en liaison avec d'autres composants, à assurer la protection et la commande de postes consommateurs d'électricité. Pour adapter ces appareils de commutation, de manière optimale, à leur fonction de commuta- tion en tenant compte des différentes conditions de fonction- nement et des particularités spécifiques de l'appareil, il peut être souhaité de respecter un profil prédéterminé de la courbe de vitesse du mouvement de contact. Ainsi des princi- pes de commutation spécifiques peuvent être convertis et/ou le rebondissement de contact à la mise en service peut être minimisé, ce qui entraîne une réduction de la brûlure et de l'usure mécanique et une augmentation de la durée de vie et/ ou de la puissance de commutation maximale de l'appareil. Plus on arrive à garantir la courbe idéale requise de la vi- tesse des organes de commutation sur la parcours de commuta- tion, moins l'usure est importante et meilleure est l'adapta- tion de l'appareil à l'opération de commutation. Un tel pro- fil de la course de vitesse, en vue d'une diminution du rebon- dissement, provient essentiellement du fait de l'optimisation de la vitesse au moment du contact et du fait de la diminu- tion de la vitesse au moment de la rencontre des deux moitiés de noyau. L'agrandissement du trajet de commutation jusqu'a l'établissement du contact est particulièrement lourd de conséquence du fait de l'usure inévitable, ce qui a pour effet de modifier la courbe idéale du trajet et de la vitesse pendant la durée de vie. Une diminution du rebondissement peut être obtenue par le biais d'une meilleure synchronisation entre le système de contact, de transfert et d'entraînement, mais cette dernière ne peut être installée que pour certaines conditions et la plupart du temps des conditions nominales. Le respect d'un certain profil de parcours et de vitesse garantit en revanche la diminution du rebondissement dans toutes les conditions d'intervention admises pendant toute la durée de vie et en tenant compte des tolérances de fabrication de l'appareil. Un respect effectif de cette courbe idéale peut être réalisé par des dispositifs de circuit appropriés pour la régulation du mouvement. Par le EP O 376 493 A1 est connu un circuit de commande qui exerce une influence sur le mouvement des vannes électromagné- tiques en vue de la diminution des rebondissements. Ainsi, dans la première phase de rebondissement, un courant très élevé est admis pour une accélération rapide. Avant même la fermeture de la vanne, le courant est ramené à une valeur relativement petite et la vitesse adopte alors une grandeur plus faible correspondante. Par l'intermédiaire des dispositifs de circuit connus pour les entraînements électromagnétiques, on recherche certes une diminution de la vitesse d'induit sans obtenir pour autant une vitesse de contact spécifique, optimisée dans le domaine du rebondissement minimal. De même uniquement les variations de la tension de commande et partiellement de la température sont compensées et éventuellement prises en compte. Les gran- deurs perturbatrices telles que l'usure, la friction et les tolérances sont également négligées. 3 2724045 L'invention a donc pour but de créer un dispositif de circuit pour la régulation d'un appareil de commutation électromagné- tique qui garantit, de manière simple, le respect de la vi- tesse de contact optimale et la limitation de la vitesse de choc du noyau d'induit pendant toute la durée de vie de l'ap- pareil de commutation, des grandeurs perturbatrices telles que l'usure, la friction et les tolérances étant prises en considération et les plages admises pour la tension de com- mande et la température étant même élargies, des tolérances plus grandes pouvant être également admises. Le but de l'invention est atteint par les caractéristiques suivantes: une boucle de vitesse d'asservissement présentant un capteur de vitesse mesurant la vitesse de l'induit, - un convertisseur convertissant la tension mesurée en une grandeur correspondant à la vitesse, - un poste d'addition pour la détermination de la différence n v entre la vitesse vréel de l'induit mesurée et une grandeur Vthéorique amenée au poste d'addition, en tant que valeur de référence constante, - un élément de transfert à action proportionnelle pour le renforcement du signal de sortie C v du poste d'addi- tion en une valeur de courant Ithéorique, - une boucle de réglage de courant asservie comprenant un cap- teur de courant mesurant le courant de self Iréel de la bobi- ne, - un poste d'addition pour la détermination de la différence I entre la valeur de courant Ithéorique servant de réfé- rence et la valeur de courant mesurée Iréel et 4 2724045 - un organe pulseur monté après le poste d'addition avec hys- térésis par lequel la tension de commande pulsée est conduite à la bobine de self de sorte que le circuit électrique de com- mande est ouvert quand la valeur du courant mesurée Iréel est supérieure, en incluant l'hystérésis, à la valeur de courant de référence Ithéorique et inversement. Le dispositif de circuit, conforme à l'invention, peut être utilisé dans des appareils de commutation électromagnétiques qui fonctionnent aussi bien sous tension continue que sous tension alternative. En outre, son efficacité est indépendan- te de la position de phase de déclenchement de la tension de commande et l'opération d'actionnement commence sans retard si bien que le temps de retard de fermeture n'augmente pas. Le dispositif de circuit se caractérise par une construction simple qui ne nécessite, pour la régulation de l'entraîne- ment, aucune mémoire pour des courbes de consigne et aucun micro-ordinateur. Du fait de l'intervention d'un simple cap- teur de vitesse, une grande maîtrise des grandeurs perturba- trices, telles que la tension de commande, l'usure des con- tacts, la température, la friction et/ou les tolérances de montage et de fabrication est possible. D'autres caractéristiques de l'invention résultent des faits suivants: 1. la bobine de self est montée en série avec un organe pul- seur et en parallèle avec une diode de passage libre de sorte que l'organe pulseur est fermé quand la valeur de mesure du courant Iréel est inférieure à la valeur de référence Ithéori que et l'organe pulseur est fermé quand la valeur de mesure du courant Iréel est supérieure à la valeur de référence Ithéorique, le courant de self s'écoulant alors par la diode de passage libre. 2724045 2. L'organe pulseur est précédé, dans le circuit de courant de charge, d'un redresseur à deux voies recevant une tension continue ou alternative. 3. Le poste d'addition se compose d'un amplificateur opéra- tionnel faisant office de soustracteur de sorte que l'adapta- tion, par le convertisseur, du signal de la vitesse d'induit mesurée et le renforcement de l'élément de transfert à action proportionnelle sont compris dans le rapport des résistances, la tension de référence Uv. Ref étant appliquée à l'entrée positive et la tension mesurée du capteur de vitesse Uv mes étant appliquée à l'entrée négative du soustracteur. 4. Le poste d'addition se compose d'un comparateur de sorte que l'hystérésis de l'organe pulseur est réglée au moyen d'une résistance de réglage disposée entre l'entrée positive et la sortie du comparateur; la tension de référence UIthéo rique est appliquée à l'entrée positive et la tension UIthéo_ rique de la résistance de mesure de courant est appliquée à l'entrée négative et le signal de sortie Bas/Haut du compara- teur est délivré à l'interrupteur à semi-conducteur placé en aval. 5. L'interrupteur à semi-conducteur se compose d'un transis- tor MOS de puissance à effet de champ à canal P. 6. L'interrupteur à semi-conducteur se compose d'un transis- tor MOS de puissance à effet de champ à canal N commandé par une pompe de charge. 7. Il est prévu un micro-ordinateur dans lequel la boucle d'asservissement de régulation de vitesse et la boucle as- servie de régulation de courant sont réalisées par des algo- rithmes. 6 2724045 Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est repré- sentée, à titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés. La figure 1 est un bloc-diagramme de la régulation en cascade du courant et de la vitesse d'un appareil de commutation élec- tromagnétique. La figure 2 est un exemple de réalisation pour un dispositif de circuit. Les figures 3a à 3c montrent une opération d'actionnement régulée. La figure 4 représente des courbes de vitesse dans des condi- tions les plus mauvaises. La figure 1 montre un bloc-diagramme d'un dispositif de cir- cuit pour la régulation du mouvement d'un induit 1 dans un appareil de commutation électromagnétique non représenté, en particulier dans un contacteur-interrupteur, ou relais compre- nant une bobine de self 3 qui est reliée à un organe pulseur 19 pour générer des tensions pulsées de commande. Il est prévu une boucle d'asservissement de vitesse présentant un capteur de vitesse 7 qui mesure la vitesse de l'induit 1 et qui délivre, à un convertisseur 9, une tension de mesure proportionnelle à la vitesse. Le capteur de vitesse 7 peut être de n'importe quelle conception par exemple être optique ou inductif. La tension de mesure est ici convertie dans le convertisseur 9 suivant les paramètres du capteur de vitesse 7 en une grandeur correspondant à la vitesse qui est délivrée à un poste d'addition 11 pour la détermination de la diffé- 7 2724045 rence entre la vitesse d'induit mesurée Vréel et une grandeur Vthéorique délivrée en tant que valeur de référence constante à l'entrée positive du poste d'addition 11. Cette grandeur de référence Vthéorique pour la vitesse est une valeur de consigne constante pendant toute l'opération de régulation. Cette grandeur correspond approximativement à la vitesse souhaitée de l'induit à la mise en contact. Un signal de sortie correspondant à la différence E v et provenant du poste d'addition 11 est alors envoyé à un élément de transfert à action proportionnelle 13 pour la con- version et le renforcement de ce signal de sortie en une va- leur Ithéorique Les signaux de la valeur de courant Ithéori- que et d'une valeur mesurée de courant Iréel dans la bobine de self 3 sont délivrés à un poste d'addition 15 dans lequel est déterminée la différence A I entre la valeur de cou- rant Ithéorique et la valeur mesurée de courant Iréel. La va- leur de courant Iréel résulte de la tension mesurée détermi- née par exemple par une résistance de mesure 17. Dans le cas d'une déviation positive de la régulation de cou- rant / I ' Ithéorique + Iréel, c'est-à-dire la valeur de consigne du courant est supérieure à la valeur de mesure, le circuit de courant est fermé par l'intermédiaire d'un redres- seur à deux voies 18, de l'organe pulseur 19, de la bobine de self 3 et de la résistance de mesure 17. Ainsi, la tension d'alimentation de commande redressée est appliquée à la bobine de self et le courant passe par le circuit de com- mande. Dans le cas d'une déviation négative de la régulation de cou- rant /\ I l'organe pulseur 19 coupe le circuit de com- mande et le courant de self passe alors par la résistance de mesure 17 et un circuit de passage libre comprenant une diode 8 2724045 de passage libre 21. De ce fait, le courant se maintient dans la bobine de self 3 jusqu'à la prochaine impulsion de déclen- chement de l'organe pulseur 19. Le redresseur à deux voies 18 peut être soumis à une tension continue ou alternative. Dans une configuration avantageuse, l'organe pulseur 19 fonc- tionne avec une hystérésis. Dans ce but, l'organe pulseur 19 ne coupe le circuit que quand la valeur de mesure du courant Iréel dépasse la valeur de consigne Ithéorique d'une valeur fise d'hystérésis Ihystérésis et inversement. De ce fait, la boucle asservie de régulation de courant peut être utilisée, en liaison avec l'organe pulseur 19 dépendant de l'hystérésis après l'achèvement de l'opération d'actionnement pour l'impul- sion de maintien, du fait qu'une valeur limite de courant de maintien est délivrée au poste d'addition 15. De manière avan- tageuse, le passage à une valeur de courant constante Ithéori- que maintien s'effectue par un organe à temps constant, dont la constante de temps est sensiblement supérieure au temps total de fermeture maximal possible. Conformément à l'invention, il est prévu une boucle d'asser- vissement de régulation de vitesse et une boucle asservie de régulation de courant, dynamiquement plus rapide pour un ap- pareil de commutation électromagnétique, une diminution du rebondissement de contact et ainsi une diminution de l'usure sont obtenues par une vitesse optimale de contact et une vitesse limitée de choc de noyau d'induit. De ce fait, la durée de vie de l'appareil de commutation est allongée et/ou la puissance de commutation est augmentée, les vitesses, qui sont sous l'influences de variations de tension de commande, de températures ambiantes admises, d'usure constante et de friction pendant le temps de service et qui dépendent également des tolérances. étant maintenues relativement constantes. 9 2724045 La figure 2 montre un exemple de réalisation correspondant au blocdiagramme de la technique de régulation représenté à la fig. 1 o il est prévu un soustracteur 23, qui établit la différence à partir de la valeur de consigne pour la vitesse et à partir de la valeur mesurée par le capteur de vitesse 7 d'après la fig. 1. La valeur de consigne pour la vitesse est une valeur de référence restant constante. Cette différence de vitesse est renforcée par le rapport RN/RV des résistances , 27, 29, 31 dans un amplificateur opérationnel 12 de sorte que la valeur de consigne pour le courant est appliquée à la sortie du soustracteur 23. Un facteur de calibrage éventuel- lement nécessaire du capteur de vitesse peut être pris en considération dans le renforcement du soustracteur 23. La valeur de consigne du courant est délivrée, en tant que valeur de référence respectivement valeur de seuil, à un comparateur 16. Tant que la valeur de mesure du courant est inférieure à la valeur de référence, un potentiel élevé est appliqué à la sortie du comparateur 16 et le transistor MOS de puissance à effet de champ à canal P 39 est commandé par une pompe de charge 37. Dès que la valeur de mesure est supérieure à la valeur de référence en ajoutant une hystéré- sis de commutation réglable par l'intermédiaire d'une résis- tance 33 montée en parallèle avec le comparateur 16, un poten- tiel bas est appliqué à la sortie du comparateur 16 et l'in- terrupteur à semi-conducteur 20 est bloqué. Le courant de l'induit 3 passe alors par la diode de passage libre 21. L'interrupteur à semi-conducteur 20 peut se composer égale- ment d'un transistor MOS de puissance à effet de champ à canal P. Les figures 3a - 3c représentent une opération d'actionnement régulée, la division du temps étant, conformément à l'inven- tion, toujours identique. La figure 3a montre la courbe tempo- relle de la tension de commande pulsée, tandis que la figure 3b représente la valeur de consigne constante pour la vitesse 2724045 ainsi que la valeur réelle pour la vitesse pendant l'opéra- tion d'actionnement. Les moments de la mise en contact et du choc de noyau d'induit, quand les moitiés de noyau sont fer- mées, sont caractérisés. A la figure 3c, la valeur de consi- gne et la valeur réelle pour le courant sont représentées. La valeur de consigne du courant résulte de la différence, visi- ble à la figure 3b, entre la vitesse de consigne et la vite- sse réelle, renforcée d'un facteur K. Ce n'est qu'au moment o la vitesse de l'induit se rapproche de la valeur de consi- gne et donc, que la différence de vitesse est suffisamment petite, que la tension d'alimentation de commande est décon- nectée pour la première fois par l'organe pulseur 19. Jusque là, l'énergie disponible est complètement exploitée pour l'accélération de l'induit. Il n'en résulte, comme avantage du dispositif de circuit, conforme à l'invention, que des temps d'actionnement les plus courts possible et, en fonction de l'hystérésis de commutation, que très peu de cycles de com- mutation. Cette faible fréquence de commutation a pour con- séquence de bonnes propriétés EMV et une faible sollicitation des composants à semi-conducteur. La figure 4 représente trois courbes de vitesse de l'induit dans des conditions spéciales. La ligne en tiret 3 montre ici, en présence d'un surplus d'énergie, le cas le plus mauvais, à savoir la tension de commande extrême, la température la plus faible, la friction la plus minime, la force de ressort de charge la plus faible et l'entrefer le plus petit à l'établissement du contact pour une usure maxi- male. Le cas extrême opposé pour une énergie minimale en vue de l'actionnement est représenté par la ligne 1 en trait plein. La courbe de vitesse, dans des conditions normales (état neuf de l'appareil et conditions nominales de service) est représentée par la ligne 2 en pointillés. Plus on dispose d'un surplus d'énergie, plus vite l'opération d'actionnement est achevée. Les vitesses, en particulier pour l'établisse- il 2724045 ment du contact, ne divergent qu'à peine les unes des autres avec le dispositf de circuit, conforme à l'invention. 12 2724045 REVENDICATIONS 1. Dispositif de circuit pour la régulation de l'entraînement électromagnétique d'un appareil de commutation, en particu- lier dans un contacteur-interrupteur, une vanne magnétique ou un relais, comprenant une bobine de self qui est connectée à un organe pulseur pour la génération de tensions pulsées, caractérisé en ce qu'il est prévu: - une boucle de vitesse d'asservissement présentant un cap- teur de vitesse (7) mesurant la vitesse de l'induit (1), - un convertisseur (9) convertissant la tension mesurée en une grandeur correspondant à la vitesse, - un poste d'addition (11) pour la détermination de la diffé- rence A v entre la vitesse de l'induit vréel mesurée et une grandeur Vthéorique amenée au poste d'addition (11), en tant que valeur de référence constante, - un élément de transfert à action proportionnelle (13) pour le renforcement du signal de sortie L\ v du poste d'addi- tion (11) en une valeur de courant Ithéorique, - une boucle de réglage de courant asservie comprenant un cap- teur de courant (17) mesurant le courant de self Iréel de la bobine, - un poste d'addition (15) pour la détermination de la diffé- rence A I entre la valeur de courant Ithéorique servant de référence et la valeur de courant mesurée Iréel de la bobine et 13 2724045 - un organe pulseur (19) monté après le poste d'addition (15) avec une hystérésis par lequel la tension de commande pulsée est conduite à la bobine de self (3) de sorte que le circuit électrique de commande est ouvert quand la valeur du courant mesurée Iréel est supérieure, en incluant l'hystérésis, à la valeur de courant de référence Ithéorique et inversement. 2. Dispositif de circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la bobine de self (3) est montée en série avec un organe pulseur (19) et en parallèle avec une diode de pas- sage libre (21) de sorte que l'organe pulseur (19) est fermé quand la valeur de mesure du courant Iréel est inférieure à la valeur de référence Ithéorique et en ce que l'organe pul- seur (19) est fermé quand la valeur de mesure du courant Iréel est supérieure à la valeur de référence Ithéorique, le courant de self s'écoulant alors par la diode de passage libre (21). 3. Dispositif de circuit selon la revendication 2, caracté- risé en ce que l'organe pulseur (19) est précédé, dans le circuit de courant de charge, d'un redresseur à deux voies (18) recevant une tension continue ou alternative. 4. Dispositif de circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le poste d'addition (11) se compose d'un amplificateur opérationnel (12) faisant office de soustracteur de sorte que l'adaptation, par le convertisseur (9), du signal de la vitesse d'induit mesurée et le renforcement de l'élément de transfert à action propor- tionnelle (13) sont compris dans le rapport des résistances (25, 27, 29, 31), la tension de référence Uv.Ref étant appli- quée à l'entrée positive et la tension mesurée du capteur de vitesse Uv.mes étant appliquée à l'entrée négative du sous- tracteur (23). 14 2724045 5. Dispositif de circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le poste d'addition (15) se compose d'un comparateur (16), en ce que l'hystérésis de l'organe pulseur (19) est réglée au moyen d'une résistance de réglage (33) disposée entre l'entrée positive et la sortie du comparateur (16), en ce que la tension de référence UI.théori que est appliquée à l'entrée positive et la tension Ui.théori- que de la résistance de mesure de courant (17) est appliquée à l'entrée négative et en ce que le signal de sortie Bas/Haut du comparateur (24) est délivré à l'interrupteur à semi-con- ducteur (20) placé en aval. 6. Dispositif de circuit selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'interrupteur à semi-conducteur (20) se compose d'un transistor MOS de puissance à effet de champ à canal P. 7. Dispositif de circuit selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'interrupteur à semi-conducteur (20) se compose d'un transistor MOS de puissance à effet de champ à canal N (39) commandé par une pompe de charge (37). 8. Dispositif de circuit selon la revendication 1, caractéri- sé en ce qu'il est prévu un micro-ordinateur dans lequel la boucle d'asservissement de régulation de vitesse et la boucle asservie de régulation de courant sont réalisées par des algorithmes.