Brevet FR2725557A1 — publié le 19960412

"Dispositif électronique de commutation-dis jonction" L'invention concerne un dispositif de commutation-disjonction destiné à protéger le câblage des équipements électriques ou électroniques alimentés par un réseau électrique basse tension continue, et un module de commutation-disjonction comportant au moins deux tels dispositifs. On connaît des systèmes de commutationdisjonction pour la protection de câblages d'équipement électroniques alimentés par un réseau électrique basse tension continue comportant une voie de commutationdis jonction pour la distribution du réseau qui est relié à une charge par l'intermédiaire d'un étage de commutation-disjonction. Cet étage de commutationdisjonction, comporte, de façon connue, un commutateur de conception électromécanique. L'utilisation d'un commutateur électromécanique implique cependant une commande et un réarmement du commutateur de type mécanique et donc une intervention manuelle. De ce fait, le disjoncteur doit être placé de manière accessible. D'autre part, l'utilisation combinée de la commutation et de la disjonction se fait uniquement pour des appareils de fort calibre, et même dans ce cas, seule la protection d'une voie de commutationdisjonction est envisageable. Du fait de l'utilisation d'une disjonction électromécanique, les compte-rendus d'état de la voie de commutation-disjonction sont extrêmement simples et d'une exploitation difficile. En outre, les appareils actuels ne répondent pas à des courbes de disjonction permettant de couvrir en toute sécurité un large domaine d'utilisation. La disjonction immédiate sur court-circuit est souvent traitée de manière différente d'un produit à l'autre. Enfin, sur les systèmes connus, il n'est pas prévu de protection thermique garante de la durée de vie du système dans un environnement sévère. Les inconvénients liés au système de commutation-disjonction existant sont donc d'ordre divers et fonction des concepts et technologiques utilisés - en conception électromécanique, la nature des contacts et des contraintes qu'ils subissent conduisent aux problèmes d'usure, de création d'arc électrique, d'oxydation, de vibration, etc. La contrainte est liée à la commande et au réarmement du disjoncteur qui doit s'effectuer en manuel et amène l'utilisateur à privilégier l'accès à l'équipement avec les risques de mauvaise manipulation que cela peut entraîner. D'autre part, les éléments qui renseignent sur l'état du système restent trop basiques et visuels, il ne peut en aucun cas être exploité par un système évolué. Enfin, les produits électromécaniques sont très sensibles aux contraintes mécaniques (chocs, accélérations). - dans un environnement thermique sévère ou à la suite d'une éventuelle anomalie de fonctionnement, il n'est pas prévu de protection interne du dispositif, - si l'adéquation entre les courbes de disjonction associée à un dispositif et le type de charge à protéger n'est pas assurée, le système n'assure pas sa fonctionnalité notamment lorsqu'il s'agit de garantir un temps de disjonction sur courtcircuit, - le comportement propre à certains types de charge (courant d'appel sur charges capacitives ou rupture de continuité du courant dans une charge inductive) peut solliciter anormalement les organes de puissance de l'appareil de commutation. I1 est alors appréciable d'utiliser un disjoncteur qui soit capable dans certaines limites connues d'assurer la protection du commutateur, - dans le cas où la fonction de commutation n'est pas traitée en tant que telle par le système, l'utilisateur doit lui associer un autre appareil pour lequel il doit réaliser la mise en place et le câblage afin d'assurer la fonction complémentaire, ce qui entraîne une mise en oeuvre et un coût supplémentaires, - si on utilise un contact auxiliaire de relais pour juger de l'état de fonctionnement du système, on court le risque d'oxydation du contact si on n'a pas prévu d'y faire passer un courant suffisant.Ce courant de polarisation passe dans une résistance de charge qui, par l'échauffement qu'elle induit, aggrave le problème thermique au niveau du système, - pour une puissance globale et un encombrement donné il n'est pas possible de protéger deux lignes ou équipements de manière indépendante, - l'électronique de commande et de contrôle étant tributaire d'une source d'alimentation auxiliaire, l'utilisateur est obligé de prévoir de câbler un équipement adéquat, L'invention vise à pallier les inconvénients précédemment cités. Elle a pour objet un dispositif de commutationdis jonction électronique permettant le contrôle en temps réel de sa température interne , et ainsi l'optimisation de ses performances, son auto-protection et la protection de la charge à laquelle il est relié. Elle a également pour objet un dispositif de commutation-disjonction adaptable, en terme de disjonction, en fonction des différents besoins de l'utilisateur, permettant un bon rapport encombrementpuissance et donnant une solution de câblage optimisée et réduite. A cet effet, l'invention propose un dispositif de commutation-disjonction destiné à protéger le câblage des équipements électriques ou électroniques alimentés par un réseau électrique basse tension continue, et comportant une voie de commutationdisjonction pour la distribution du réseau qui est reliée à une charge par l'intermédiaire d'un étage de commutation-disjonction qui comporte un organe de commutation de type électronique commandé par un étage de commande On obtient ainsi un dispositif de commutationdis jonction électronique permettant la commande et le réarmement du disjoncteur de façon automatique et à distance par l'intermédiaire de l'étage de commande. L'invention concerne également un module de commutation-disjonction qui comporte deux dispositifs de commutation-disjonction tels que décrits précédemment fonctionnant indépendamment l'un de l'autre et possédant une alimentation commune. Les autres caractéristiques de l'invention résulteront de la description qui suivra en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un synoptique d'un module de commutation-disjonction comportant deux dispositifs de commutation-disjonction selon l'invention, - la figure 2 est un schéma-bloc d'un dispositif de commutation-disjonction selon l'invention, - la figure 3 est un schéma-bloc d'une interface d'entrée du dispositif de commutationdisjonction selon l'invention, et - la figure 4 est un exemple de courbe de protection du disjoncteur du dispositif de commutationdisjonction selon l'invention pour laquelle le temps de disjonction est en abscisse et le taux de charge en courant en ordonnée. Les circuits électroniques contenus dans le dispositif de commutation-disjonction sont connus ou à la portée de l'homme du métier. Ils sont donc représentés sur les figures de manière schématique et ne seront pas décrits en détail. Un dispositif de commutation-disjonction selon l'invention est destiné à protéger le câblage des équipements électriques ou électroniques alimentés par un réseau électrique basse tension continue. Ce dispositif est indépendant et peut être intégré à l'intérieur d'un boîtier de jonction ou de distribution d' énergie électrique. Selon la figure 1, ce dispositif de commutation-disjonction 1 comporte une voie de commutation-disjonction 3 alimentée par l'intermédiaire d'une alimentation 4, et montée entre le réseau et une charge 2 qui doit être alimentée tout en étant protégée. La voie de commutation-disjonction 3 comporte un étage de commutation-disjonction 5 qui commande l'établissement de la liaison entre la charge 2 et le réseau et qui comprend à cet effet un organe de commutation 6 et un étage de commande 7 de l'organe de commutation (6 et 7 selon la figure 2). Selon l'invention, l'organe de commutation 6 est de type électronique. C'est notamment un transistor en silicium du type MOSFET. La commande de l'organe de commutation 6 s'effectue, par l'intermédiaire de l'étage de commutation 7 en fonction de différents critères de protection, à savoir: - la sur-intensité : le courant circulant dans la charge est trop important et risque de provoquer la destruction de la charge 2, - la surchauffe : le niveau de température dans la voie de commutation-disjonction 3 est trop important et risque de détruire l'organe de commutation 6 ou d'affecter les performances du dispositif 1 et ainsi d'endommager la charge 2. L'étage de commande 7 peut également recevoir des informations de commande, notamment par l'intermédiaire dune ligne de télécommande 8 à laquelle a accès un utilisateur. L'étage de commande 7 peut également transmettre à l'utilisateur des informations concernant l'état de la voie de commutation-disjonction 3, et notamment l'état de l'organe de commutation 6, par l'intermédiaire d'une ligne principale de compte-rendu d'état 9. Selon l'invention, l'étage de commande 7 est ainsi constitué de manière à effectuer la commande et le réarmement de l'organe de commutation 6 par l'intermédiaire d'une seule et même ligne de télécommande 8. Selon un premier mode de réalisation, le système de commutation-disjonction 1 est destiné à protéger la charge 2 contre des surintensités. A cet effet, la voie de commutation-disjonction 3 comporte un dispositif de détection de surintensité 10 branché entre la charge 2 et l'organe de commutation 6 et destiné à envoyer directement à l'étage de commande 7 un ordre de disjonction en cas de surintensité au niveau de la charge 2. A cet effet, le dispositif de détection de surintensité 10 comporte une unité de mesure 11 du courant traversant la charge 2, unité de mesure 11 destinée à détecter une sur-intensité au niveau de la charge 2. Le dispositif de détection de surintensité 10 comporte en outre, reliée à l'unité de mesure 11, une unité de gestion des temps 12 destinée à fournir à l'étage de commande 7 un ordre de disjonction compatible avec un gabarit prédéterminé de manière à obtenir un temps de réponse adéquat (figure 4). L'unité de gestion des temps 12 fournit l'ordre de disjonction à l'étage de commande 7 après que l'unité de mesure 11 ait détecté une sur-intensité. De manière à détecter rapidement les intensités qui peuvent entraîner la destruction de la charge à protéger, la mesure du courant dans la charge 2 est effectuée en permanence et en temps réel. Suivant un deuxième mode de réalisation, le système de commutation-disjonction 1 est destiné à protéger la voie de commutation-disjonction 1 contre des surchauffes éventuelles. A cet effet, la voie de commutation-disjonction comporte en outre, un dispositif de détection de température 13 destiné à détecter le dépassement d'au moins un seuil de température prédéterminé de la voie de commutation-disjonction 3 et relié d'une part à l'étage de commande 7 et d'autre part à une première ligne de compte-rendu d'état 9a. Selon l'invention, la détection de température peut s'effectuer en deux temps Dans un premier temps, le dispositif de détection de température 13 est destiné à détecter le dépassement d'un premier seuil de température prédéterminée de la voie de commutation-disjonction 3, dit seuil bas, et à fournir un signal d'alarme thermique représentatif du dépassement de ce premier seuil de température, à l'utilisateur par l'intermédiaire de la première ligne de compte-rendu d'état 9a. Dans un deuxième temps, le dispositif de détection de température 13 est destiné à détecter ensuite le dépassement d'un deuxième seuil de température prédéterminée de la voie de commutationdisjonction 3, dit seuil haut, ce deuxième seuil étant supérieur au premier seuil. A la suite de la détection de ce dépassement du deuxième seuil, le dispositif de détection de température 13 fournit à l'étage de commande 7 un ordre de disjonction. On considère en effet que le premier seuil prédéterminé correspond à un niveau de température qui ne risque pas d'endommager la voie de commutationdisjonction 3 et notamment l'organe de commutation 6 mais qui devient critique. Le deuxième seuil prédéterminé correspond à un niveau de température qui risque lui d'endommager la voie de commutation-disjonction 3 ou d'altérer ses performances et ainsi d'endommager l'organe de commutation 6. Dans ce cas, la disjonction doit être effectuée le plus rapidement possible. Dans le cas du dépassement du deuxième seuil de température provoquant la disjonction immédiate, il est alors nécessaire de décrire un cycle de réarmement, par l'intermédiaire de la ligne de télécommande 8, pour réalimenter la charge par le réseau à condition que la température soit passée à nouveau en dessous de ce deuxième seuil. Pour effectuer cette détection de température en deux temps le dispositif de détection de température 13 comporte - une unité de mesure 13a de la température de la voie de commutation-disjonction 3; - une unité de détection de seuil bas 13b destinée à détecter le dépassement du seuil bas de température prédéterminé de la voie de commutationdisjonction 3, et - une unité de détection de seuil haut 13c destinée à détecter le dépassement du seuil haut de température prédéterminé de la voie de commutationdisjonction 3, supérieur au seuil bas, les unités de détection de seuil bas 13b et de seuil haut 13c étant reliées en parallèle à l'unité de mesure 13a et étant destinées à fournir respectivement un signal d'alarme thermique à la ligne de compte-rendu d'état 9a et/ou un ordre de disjonction à l'étage de commande 7. Pour les deux modes de réalisation précédemment décrits, la voie de commutation-disjonction 3 peut comprendre en outre - une interface d'entrée 14 reliée en amont à l'étage de commutation-disjonction 5, et notamment à l'étage de commande 7, et destinee à transmettre à ce dernier un signal de télécommande appliqué à l'entrée de l'interface notamment par un utilisateur. Cette interface d'entrée est donc placée sur la ligne de télécommande 8. - une interface de sortie 15 destinée à regrouper les informations de compte-rendu d'état fournies par l'étage de commande 7, d'une part, et par le dispositif de détection de température 13, d'autre part. Selon l'invention, interface d'entrée 14 comporte une unité anti-rebond 16 à l'entrée de laquelle l'utilisateur applique le signal de télécommande par l'intermédiaire de la ligne de télécommande 8. Cette unité anti-rebond 16 est destinée à analyser la nature du signal appliqué de manière à garantir la prise en compte d'un signal effectif de commande. L'interface d'entrée 14 peut comporter, en outre, reliée à la sortie de l'unité anti-rebond 16, une unité d'initialisation 17 qui est destiné à initialiser l'ensemble des signaux d'alimentation du dispositif de commutation-disjonction 1 lors de sa mise en service. Enfin, l'interface d'entrée 14 peut comprendre une unité de mémorisation 18 reliée en aval à l'unité d'initialisation 17 et destinée à mémoriser le dernier état dans lequel se trouve la voie de commutationdis jonction 3 notamment dans le cas où la ligne de télécommande 8 se trouve "en l'air". Comme précédemment décrit, l'interface de sortie 15 est reliée, d'une part à l'étage de commande 7 par l'intermédiaire d'une deuxième ligne de compterendu d'état 9b et d'autre part au dispositif de détection de température 13 par l'intermédiaire de la première ligne de compte-rendu d'état 9a. Cette interface de sortie 15 permet ainsi de regrouper les informations de compte-rendu d'état fournies par l'étage de commande 7 et par le dispositif de détection de température 13 et de transmettre vers l'extérieur, par l'intermédiaire de la ligne principale de compte-rendu d'état 9, un signal de compte-rendu d'état de la voie de commutation-disjonction 3. Les signaux de comptes rendus d'état sont notamment du type - la charge 2 est alimentée suite à une action sur la ligne de télécommande 8 - la charge 2 n'est pas alimentée car l'organe de commutation 6 est ouvert suite à une disjonction thermique ou par sur-intensité ; - la charge 2 n'est pas alimentée suite à une action sur la ligne de télécommande 8 ; - présence d'une alarme thermique. Ce signal de compte-rendu d'état comporte donc le signal d'alarme thermique transmis par l'unité de détection de seuil bas 13a et un signal d'état de l'organe de commutation 6 fourni par l'étage de commande 7. Enfin, la voie de commutation-disjonction 3 comporte en outre une interface 19 branchée entre l'étage de commande 7 et d'une part l'unité de détection de seuil haut 13c et d'autre part l'unité de gestion des temps 12, cette interface 19 étant destinée à gérer la transmission à l'étage de commande 7 des ordres de disjonction fournis par l'unité de gestion des temps 12 d'une part et l'unité de détection de seuil haut 13c d'autre part. Cette interface peut être notamment une fonction OU. L'invention concerne également un module de commutation-disjonction 20 qui comporte deux dispositifs de commutation-disjonction 1 tels que décrits précédemment qui fonctionnent indépendamment l'un de l'autre et qui possèdent une alimentation 4 commune. Cette indépendance permet au module de commutation-disjonction 20 de protéger deux charges différentes. Pour plus de clarté, on va décrire maintenant brièvement le mode de fonctionnement du dispositif de commutation-disjonction 1: Au départ, on considère que la charge 2 est normalement alimentée par le réseau, l'organe de commutation 6 du dispositif de commutation-disjonction 1 est donc fermé. Dans un premier temps, l'unité de mesure 11 du dispositif de détection de sur-intensité 10 détecte un niveau de courant de charge correspondant à une surintensité susceptible d'endommager la charge 2. L'unité de gestion des temps 12 fournit alors dans un temps de réponse adéquate un ordre de disjonction à l'étage de commande 7. La disjonction est alors active et la charge 2 n'est plus alimentée par le réseau grâce à l'ouverture de l'organe de commutation 6. I1 est alors nécessaire de décrire un cycle de réarmement pour réalimenter la charge 2 par le réseau à condition que le niveau de courant de charge soit telle qu'aucun risque de sur-intensité ne puisse se produire. Après le cycle de réarmement, la charge 2 est à nouveau alimentée normalement par le réseau. Dans un deuxième temps, le dispositif de détection de température 13 détecte une élévation de température au niveau de la voie de commutationdis jonction 3 dépassant le seuil bas de température prédéterminé. Dans ce cas, l'unité de détection de seuil bas 13b transmet à l'utilisateur, par l'intermédiaire de l'interface de sortie 15, sur la ligne de compte-rendu d'état 9a, un signal de compterendu d'état représentatif d'une alarme thermique c'est-à-dire du fait que la température interne de la voie de commutation-disjonction 3 est passée au-dessus du seuil bas prédéterminé. Par cette ligne de compte-rendu d'état 9b l'utilisateur est informé de la présence d'une alarme thermique. Deux solutions peuvent se présenter a) l'utilisateur décide d'envoyer un signal d'ouverture de l'organe de commutation 6 sur la ligne de télécommande 8. La charge n'est plus alimentée en attendant que le niveau de température interne de la voie de commutation-disjonction repasse en-dessous du seuil bas de température prédéterminé. Dès que c'est le cas, l'utilisateur peut à nouveau valider la commutation du réseau sur la charge 2 et la charge est à nouveau normalement alimentée. b) Aucun signal n'est appliqué sur la ligne de télécommande 8. Soit la température interne de la voie de commutation-disjonction 3 redescend à nouveau endessous du seuil bas de température prédéterminé et la charge 2 reste normalement alimentée par le réseau, soit la température interne de la voie de commutationdis jonction 3 continue à augmenter et passe au-dessus du seuil haut de température prédéterminée. Dans ce cas, le dispositif de détection de température 13 envoie à l'étage de commande 7 un ordre de disjonction. La disjonction est alors immédiatement active. La charge 2 n'est plus alimentée. I1 faut alors décrire également un cycle de réarmement pour réalimenter la charge par le réseau à condition que la température interne de la voie de commutation-disjonction soit passée en-dessous du seuil haut prédéterminé. La charge est alors à nouveau alimentée et reliée au réseau. Bien que seuls certains modes de réalisation de l'invention aient été décrits, on peut envisager d'autres possibilités ne sortant pas du cadre de l'invention notamment des dispositifs prévoyant d'autres critères de protection. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commutation-disjonction (1) destiné à protéger le câblage des équipements électriques ou électroniques alimentés par un réseau électrique basse tension continue, et comportant une voie de commutation-disjonction (3) pour la distribution du réseau qui est reliée à une charge (2) par l'intermédiaire d'un étage de commutationdisjonction (5), caractérisé par le fait que l'étage de commutation-disjonction (5) comprend un organe de commutation (6) de type électronique commandé par un étage de commande (7). 2. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'organe de commutation (6) est un transistor en silicium de type MOSFET. 3. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par le fait que l'étage de commande (7) est constitué de manière à effectuer la commande et le réarmement de l'organe de commutation (6) par l'intermédiaire d'une seule et même ligne de télécommande (8). 4. Dispositif de commutation-disjonction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que la voie de commutation (3) comporte un dispositif de détection de sur-intensité (10) branché entre la charge (2) et l'organe de commutation (6) et destiné à envoyer à l'étage de commande (7) un ordre de disjonction en cas de sur-intensité au niveau de la charge (2). 5. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le dispositif de détection de sur-intensité (10) comporte - une unité de mesure (11) du courant circulant dans la charge (2) destinée à détecter une surintensité au niveau de la charge (2), et - relié à l'unité de mesure, une unité de gestion des temps (12) destinée à fournir à l'étage de commande (7), un ordre de disjonction compatible avec un gabarit prédéterminé de manière à obtenir un temps de réponse adéquat. 6. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 5 caractérisé par le fait que la mesure du courant de charge par l'unité de mesure (11) est effectuée en permanence et en temps réel. 7. Dispositif de commutation-disjonction selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que la voie de commutation (3) comporte en outre une interface d'entrée (14) reliée en amont à l'étage de commutation-disjonction (5) et destinée à transmettre à ce dernier un signal de télécommande appliqué à l'entrée de l'interface. 8. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 7 caractérisé par le fait que l'interface d'entrée (14) comporte - une unité "anti-rebond" (16) à l'entrée de laquelle est appliquée le signal de télécommande par l'intermédiaire de la ligne de télécommande (8) et qui est destinée à analyser la nature du signal appliqué de manière à garantir la prise en compte d'un signal effectif de commande. 9. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 8 caractérisé par le fait que l'interface d'entrée (14) comporte en outre une unité d'initialisation (17) qui est reliée à la sortie de l'unité anti-rebond (16) et qui est destinée à initialiser l'ensemble des signaux d'alimentation du dispositif à sa mise en service. 10. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 9 caractérisé par le fait que l'interface d'entrée (14) comporte en outre une unité de mémorisation (18) reliée en aval à l'unité d'initialisation (17) et destinée à mémoriser le dernier état dans lequel se trouve la voie de commutation-disjonction (3). 11. Dispositif de commutation-disjonction selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée par le fait que la voie de commutation-disjonction (3) comporte en outre un dispositif de détection de température (13) destiné à détecter le dépassement d'au moins un seuil de température prédéterminé de la voie de commutation-disjonction (3) et relié dune part à l'étage de commande (7) et d'autre part à une première ligne de compte-rendu d'état (9a). 12. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 11 caractérisé par le fait que le dispositif de détection de température (13) comporte: - une unité de mesure de température (13a) de la voie de commutation-disjonction (3); - une unité de détection de seuil bas (13b) destinée à- détecter le dépassement d'un seuil bas de température prédéterminé de la voie de commutationdisjonction (3), et - une unité de détection de seuil haut (13c) destinée à détecter le dépassement d'un seuil haut de température prédéterminé de la voie de commutationdisjonction (3), supérieur au seuil bas, les unités de détection de seuil bas (13b) et de seuil haut (13c) étant reliées en parallèle à l'unité de mesure (13a) et étant destinées à fournir respectivement un signal d'alarme thermique à la première ligne de compte-rendu d'état (9a) et/ou un ordre de disjonction à l'étage de commande (7). 13. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 11 ou 12 caractérisé par le fait que la voie de commutation (3) comporte en outre une interface de sortie (15), qui est reliée d'une part à l'étage de commande (7), par l'intermédiaire d'une deuxième ligne de compte-rendu d'état (9b), et d'autre part à l'unité de détection de seuil bas (13b), par l'intermédiaire de la première ligne de compte-rendu d'état (9a), et qui est destinée à transmettre vers l'extérieur un signal de compte-rendu d'état de la voie de commutation-disjonction (3). 14. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 13 caractérisé par le fait que le signal de compte-rendu d'état comporte le signal d'alarme thermique transmis par l'unité de détection de seuil bas (13b) et un signal d'état de l'organe de commutation (6) fourni par l'étage de commande (7). 15. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 12, 13 ou 14 caractérisé par le fait que la voie de commutation-disjonction (3) comporte en outre une interface (19) branchée entre l'étage de commande (7) et d'une part l'unité de détection de seuil haut (13c) et d'autre part l'unité de gestion des temps (12), cette interface (19) étant destinée à gérer la transmission à l'étage de commande (7) des ordres de disjonction fournis par l'unité de gestion des temps (12) d'une part et l'unité de détection de seuil haut (13c) d'autre part. 16. Dispositif de commutation-disjonction selon la revendication 15 caractérisé par le fait que l'interface (19) est une fonction OU. 17. Module de commutation-disjonction (20) caractérisé par le fait qu'il comporte deux dispositifs de commutation-disjonction (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 qui fonctionnent indépendamment l'un de l'autre et qui possèdent une alimentation (4) commune.