Brevet FR2761831A1 — publié le 19981009

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES SURCHARGES ELECTRIQUES, AVEC DES TEMPS DE DECLENCHEMENT A FROID ET A CHAUD PREDETERMINES. L'invention concerne un dispositif de protection contre les surcharges électriques d'un système alimenté par l'intermédiaire d'un disjoncteur, dispositif comportant des moyens de mesure du courant d'alimentation du système, un déclencheur connecté aux moyens de mesure et comportant des moyens de traitement pour produire, après temporisation, un signal de déclenchement du disjoncteur si le courant dépasse un seuil de courant prédéterminé, les moyens de traitement comportant des moyens de détermination, avec une première constante de temps prédéterminée, pour déterminer une grandeur représentative de l'état thermique du système et des moyens de comparaison pour comparer ladite grandeur à un seuil de déclenchement prédéterminé de manière à réaliser une fonction de protection temps/courant prédéterminée. Les circuits de traitement des déclencheurs connus introduisent dans le calcul de la grandeur représentative de l'état thermique du système à protéger une constante de temps. Les modèles utilisés aujourd'hui conduisent à un abaissement du temps de déclenchement à chaud par rapport au temps de déclenchement à froid. Typiquement le rapport est de 4 entre les temps de déclenchement à froid et à chaud dans les disjoncteurs, ce qui est représentatif de la réalité physique correspondant à l'échauffement de câbles. Dans certaines applications, notamment pour la protection des moteurs, le rapport entre les courbes à froid et à chaud ne doit pas être trop important pour éviter le risque de déclenchement intempestif. Certains déclencheurs permettent de résoudre partiellement ce problème. Un premier dispositif illustré plus en détail à la figure 7, effectue deux traitements en parallèle, avec des constantes de temps différentes. Un tel dispositif nécessite une importante puissance de calcul et n'est de ce fait pas souhaitable. Le brevet US 5.418.677 décrit un dispositif dans lequel la grandeur thermique est limitée à une valeur maximum qui correspond à une fraction, par exemple 2/3, du seuil de déclenchement tant que le courant ne dépasse pas un certain seuil. Dans un tel dispositif, on peut constater que le rapport entre les temps de déclenchement à froid et à chaud est abaissé. L'invention a pour but un dispositif permettant d'adapter le rapport entre les temps de déclenchement à froid et à chaud à une application particulière. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les moyens de détermination comportent des moyens pour comparer ladite grandeur à un seuil et des moyens pour définir une seconde constante de temps, supérieure à la première, lorsque la grandeur dépasse ledit seuil. Selon un développement de l'invention, les moyens de détermination comportent des moyens de calcul de coefficients représentatifs desdites constantes de temps, lesdits coefficients étant utilisés par les moyens de détermination de la grandeur. Les moyens de calcul des coefficients prennent en compte le temps de déclenchement désiré à froid et un rapport prédéterminé entre les temps de déclenchement à froid et à chaud du déclencheur pour une valeur prédéterminée du courant. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description suivante de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente, de façon très schématique, un dispositif de protection selon l'art antérieur dans lequel l'invention peut être mise en oeuvre. Les figures 2 et 3 représentent plus en détail deux modes de réalisation d'un circuit de traitement d'un circuit de protection. Les figures 4 à 6 illustrent respectivement les variations du courant (fig. 4) et de la grandeur thermique (fig. 5) en fonction du temps et les courbes de déclenchement (fig. 6) des dispositifs connus. La figure 7 représente un autre mode de réalisation particulier d'un circuit de traitement d'un dispositif de protection selon l'art antérieur. Les figures 8 et 9 représentent respectivement les variations en fonction du temps de la grandeur thermique et les courbes de déclenchement du dispositif selon la figure 7. La figure 10 représente les variations en fonction du temps de la grandeur thermique d'un dispositif selon l'invention. La figure 11 représente un mode de réalisation particulier du circuit de traitement d'un dispositif selon l'invention. La figure 12 représente un mode particulier de réalisation d'un organigramme pouvant être mis en oeuvre dans un dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, le dispositif de protection comporte un déclencheur avec un circuit de traitement 1, à microprocesseur, recevant en entrée des signaux I représentatifs du ou des courants circulant dans le système à protéger. Celui-ci peut, par exemple, être constitué par un moteur 2. Des capteurs de courant 3 fournissent au déclencheur les signaux I représentatifs des courants. En cas de défaut, le circuit de traitement 1 fournit, éventuellement après une temporisation appropriée, des signaux Sd de déclenchement à un relais 4 qui provoque l'ouverture d'un disjoncteur 5 et l'interruption de l'alimentation du système à protéger. Le mode de réalisation particulier du circuit de traitement selon l'art antérieur illustré à la figure 2 comporte un filtre numérique 6 à réponse impulsionnelle infinie, ou filtre IIR. Les signaux de courant I sont appliqués à l'entrée d'un circuit d'échantillonnage 7 qui fournit en sortie des échantillons de courant ik. L'entrée du filtre IIR est connectée à la sortie du circuit d'échantillonnage 7 par l'intermédiaire d'un circuit 8 d'élévation au carré. Les signaux 0 de sortie du filtre IIR sont représentatifs de l'état thermique du système à protéger et sont appliqués à l'entrée d'un circuit 9 de comparaison à des seuils de déclenchement. Le circuit 9 comporte éventuellement des temporisations et fournit un signal de déclenchement Sd si la grandeur 0 est supérieure à un seuil prédéterminé pendant la durée de la temporisation correspondante. La figure 3 illustre un mode de réalisation préférentiel du circuit de traitement d'un déclencheur long retard auquel l'invention peut être appliquée. Le mode de réalisation particulier de la figure 3 a été décrit dans la demande de brevet français n 9616152 de la demanderesse, déposée le 23/12/1996, qui est incorporée par référence dans la présente demande. Il comporte un circuit 10 d'échantillonnage et d'élévation au carré recevant les signaux de courant I des capteurs de courant 3. Les carrés Ik des échantillons de courant sont appliqués à l'entrée d'un filtre numérique 1l à réponse impulsionnelle finie, ou filtre FIR. Les signaux de sortie du filtre FIR 1l sont représentatifs du carré Ieff2de la valeur efficace du courant mesuré. Un filtre numérique 12 à réponse impulsionnelle infinie, ou filtre IIR, est connecté en série avec le filtre FIR 11. Le filtre IIR 12 reçoit en entrée les signaux Ieff2et fournit en sortie une grandeur 01 représentative de l'état thermique du système à protéger. Cette grandeur 01 est comparée à un seuil de déclenchement long retard SLR1 par un comparateur 13 qui fournit un signal de déclenchement Sdl lorsque 01 est supérieur ou égal au seuil SLR. - Le fonctionnement, à chaud et à froid, des dispositifs connus est illustré aux figures 4 à 6. Sur ces figures le comportement à froid est illustré par un courant I nul jusqu'à un instant tl o le disjoncteur 5 est fermé. A la fermeture du disjoncteur, il y a surcharge, c'est à dire que le courant I dépasse un seuil de courant prédéterminé, par exemple égal à 1,125Ir, o Ir est le courant de réglage du déclencheur. Sur la figure 4, le courant de surcharge représenté est égal à 2Ir. La grandeur Of associée, représentative de l'état thermique à froid, est illustrée à la figure 5. Cette grandeur, nulle jusqu'à l'instant tl, tend vers 41r2, avec une constante de temps T. La grandeur0f atteint le seuil SLRI après un temps de déclenchement Td. Préférentiellement, le seuil SLR1 est égal à (1,125Ir)2. La courbe de déclenchement à froid correspondante, Cf, est illustrée à la figure 6. Cette courbe est du même type pour tous les dispositif décrits ci-dessus (figures 2, 3 et brevet US 5.418.677). Le comportement à chaud est illustré sur la figure 4 par un courant I =Ir entre les instants tO de fermeture du disjoncteur et tl d'apparition d'une surchage o le courant passe à 2Ir. Dans les dispositifs des figures 2 et 3, la grandeur 0cl, représentative de l'état thermique à chaud, est telle qu'illustrée à la figure 5. Elle augmente avec la même constante de temps T que la grandeur Of dans le fonctionnement à froid, jusqu'à Ir2 entre les instants tO et tl. Puis, à partir de l'instant tl, elle augmente de nouveau, avec la même constante de temps T et atteint le seuil de déclenchement SLR1 après un temps de déclenchement égal à Td/4. La courbe de déclenchement à chaud correspondante Ccl est illustrée à la figure 6. Le rapport de 4 entre les temps de déclenchement à froid et à chaud est trop élevé pour certaines applications, notamment pour la protection des moteurs. Dans le dispositif du brevet US 5.418.677, la grandeur 0c2, représentative de l'état thermique à chaud (fig. 5) est limitée à une valeur maximale tant qu'il n'y a pas surcharge. Dans un mode de réalisation préférentiel, cette limite est égale à 2/3 du seuil de déclenchement, soit 2SLRI/3. L'évolution de 0c2, représentée à la figure 5, montre que ceci conduit à une augmentation du temps de déclenchement à chaud par rapport à Oc 1. En effet, à l'instant tl, la grandeur 0c2 est inférieure à Ocl et met, en conséquence, avec la même constante du temps t, plus de temps pour atteindre le seuil SLRI à partir de l'instant tl d'apparition de la surcharge. Sur la figure 5, le temps de déclenchement à chaud associé à la grandeur 0c2 est de l'ordre de Td/2. Dans le mode de réalisation connu de la figure 7, deux circuits de calcul sont connectés en parallèle. Les signaux représentatifs du courant I sont simultanément appliqués à un circuit 14 de calcul d'une grandeur thermique 03, ayant une constante de temps T3, et à un circuit de calcul d'une grandeur thermique 04, ayant une constante de temps T4. Dans un mode de réalisation préférentiel T3 =4T4. La constante de temps 'T3 est, en pratique, du même ordre de grandeur que la constante de temps T précitée, représentative de la constante de temps d'échauffement du cuivre, de manière à ce que la grandeur thermique soit représentative de l'échauffement des câbles électriques du réseau. La constante de temps T4 est, quant à elle, représentative de la constante de temps d'échauffement du fer, plus représentative pour la protection moteur. Les signaux 03 et 04, de sortie des circuits 14 et 15 sont respectivement comparés par des comparateurs 16 et 17, à des seuils de déclenchement SLR3 et SLR4. Ceux-ci fournissent respectivement des signaux D1 et D2 à un circuit OU 18 lorsque l'un des seuils de déclenchement est dépassé. Un signal de déclenchement Sd est fourni par le circuit 18 lorsqu'il reçoit un signal D1 ou D2. Dans un mode de réalisation préférentiel, SLR3 = (1,125Ir)2 et SLR4 = (1, 4 Ir)2. Les figures 8 et 9 représentent respectivement les grandeurs 0f3 et 0f4 à froid et 0c3 et 0c4 à chaud de la première branche, 14 et 16, et de la seconde branche, 15 et 17, du circuit de la figure 7, ainsi que les courbes de déclenchement à froid Cf3 et Cf4 et à chaud Cc3 et Cc4. Il ressort de ces figures, que la première branche (14,16) conduit à des temps de déclenchement Td3 à froid et Td3/4 à chaud comparables à ceux représentés aux figures 5 et 6. Par contre, la seconde branche (15,17) conduit à des temps de déclenchement plus courts Td4 et Td4/2 avec un rapport maximum de 2 entre les courbes à froid et à chaud. Pour les valeurs les plus faibles du courant, c'est la première branche qui fixe le temps de déclenchement, tandis qu'ensuite c'est la seconde branche qui est la plus rapide. Ceci permet d'éviter des déclenchements intempestifs. Un tel dispositif présente l'inconvénient de nécessiter une puissance de calcul importante. L'invention permet d'obtenir des temps de déclenchement prédéterminés aussi bien à froid qu'à chaud, adaptés à une application prédéterminée, sans augmenter de façon substantielle la puissance de calcul nécessaire. Les variations de la grandeur thermique 05, en fonction du temps, d'un dispositif selon l'invention sont représentées à la figure 10. Sur cette figure on a représenté les variations à froid Of5 et à chaud 9c5, ainsi qu'une courbe à froid classique 0f du même type que sur la figure 5. Dans le mode de réalisation représenté, le temps de déclenchement à froid est Td, comme sur la figure 5, et le temps de déclenchement à chaud est Td/2. Pour cela les courbes 05 (t) comportent deux constantes de temps différentes successives. Tant que 05 est inférieur ou égal à un seuil prédéterminé S, inférieur au seuil de déclenchement SLRI, S=Ir2 sur la figure 10, la constante de temps est x5a, aussi bien pour les courbes à chaud (Oc5) qu'à froid (0f5). Puis, lorsque 05 dépasse ce seuil S, la constante de temps est augmentée à une valeur TSb supérieure à T5a. On diminue ainsi, la croissance de la grandeur 0c5 à chaud. Pour que le temps de déclenchement Td reste inchangé, les constantes de temps x5a et T5b sont choisies de manière à ce que: T5a comparateur 20, recevant en entrée les signaux 05 et le seuil S, contrôle le coefficient a. L'organigramme de la figure 12, illustre un autre mode de réalisation de l'invention, mis en oeuvre sous forme de logiciel dans un filtre IIR 12 d'un dispositif selon la figure 3. Dans ce mode de réalisation, après une première étape F1 pendant laquelle la valeur Oi-1 précédemment calculée de 05, est mise à zéro, une nouvelle valeur Oi de la grandeur 05 est calculée après chaque nouveau calcul au carré Ieff2 de la valeur efficace par le filtre FIR 11. Après lecture de Ieff2 (en F2), la valeur 0i-lest comparée au seuil S. Si 0i-1 chaud Tdc est également prédéterminé. On peut alors déduire de l'équation (2) les valeurs de T5a et x5b, et en conséquence les valeurs des coefficients cta a et at b. En effet: Ieff2 -S Tdc = Td / x = TSb 2 -L1(3) Ieff2 _ SLR1 Ieff2 Td - Td / x = T5a ( 2) (4) Ieff - S CLa =Te/ x5a (5) ab =Te/ x5b (6) Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, le temps de déclenchement prédéterminé Td est fixé pour I = 2Ir. En pratique on peut utiliser toute autre valeur du courant de surcharge et, classiquement, en protection moteur, on considère le temps de déclenchement Td à 7,2Ir correspondant au réglage de la temporisation de la fonction long retard du déclencheur. On obtient alors pour cLa et ab les valeurs suivantes, lorsque S = Ir2 et SLR1 = (1,125Ir)2 x (ax = (1).Te. n[ (7,2Ir)2 (7) Td (7,2Ir) - Ir et x (7,2Ir)2 - Ir2 cab =. Te tn (8) Td (7,2Ir)2 - (1,125ir)2 Dans un mode de réalisation préférentiel, en protection moteur, x est de l'ordre de 2, de préférence x=2,1 d'o - 1,9 x-I et: 1,9Te en( 7,22 et'a- -en( --) (9) Td 7,22 _ 1 2,1Te 7,22 - 1 et: ctb = - en( (10) Td 7,2 - 1, 125 Le choix des valeurs x et Td est fonction de l'application, et l'invention permet facilement de déterminer les coefficients cta et ab correspondant aux deux constantes de temps t5a et x5b, à partir de ces valeurs. Le circuit comporte des moyens de calcul de O a et t b à partir du réglage des valeurs Td et x. Sur la figure 11, les signaux d'entrée du filtre IIR19 sont les signaux Ieff de sortie du filtre FIRll. L'invention est également applicable à un circuit selon la figure 2 dans lequel les signaux d'entrée du filtre IIR6 sont les échantillons I de courant. La période Te d'échantillonnage prise en compte pour le calcul de e a et a b correspond en fait à la période d'application d'une nouvelle grandeur calculée (I ou Ieff2 selon le cas) à l'entrée du filtre IIR. ll REVENDICATIONS 1.- Dispositif de protection contre les surcharges électriques d'un système (2) alimenté par l'intermédiaire d'un disjoncteur (5), dispositif comportant des moyens (3) de mesure du courant (I) d'alimentation du système, un déclencheur connecté aux moyens de mesure et comportant des moyens de traitement (1) pour produire, après temporisation, un signal de déclenchement (Sd) du disjoncteur si le courant (I) dépasse un seuil de courant prédéterminé, les moyens de traitement (1) comportant des moyens de détermination (19), avec une première constante de temps prédéterminée (X5a), pour déterminer une grandeur (05) représentative de l'état thermique du système et des moyens de comparaison (13) pour comparer ladite grandeur (05) à un seuil de déclenchement (SLRl)prédéterminé de manière à réaliser une fonction de protection temps/courant prédéterminée, dispositif caractérisé en ce que les moyens de détermination (19), comportent des moyens (20, F3) pour comparer ladite grandeur (05) à un seuil (S) et des moyens (F4, F5) pour définir une seconde constante de temps (X5b), supérieure à la première (55a), lorsque la grandeur (05) dépasse ledit seuil (S). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détermination (19) comportent des moyens de calcul de coefficients (a a,Cab) représentatifs desdites constantes de temps (xSa, t5b), lesdits coefficients étant utilisés par les moyens de détermination de la grandeur (05). 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de calcul des coefficients (a a, a b)prennent en compte le temps de déclenchement désiré à froid (Tdf) et un rapport prédéterminé (x) entre les temps de déclenchement à froid et à chaud du déclencheur pour une valeur prédéterminée du courant. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système à protéger étant constitué par un moteur, le rapport (x) est de l'ordre de deux pour un courant de 7,2Ir, Ir étant le courant de réglage du déclencheur, le temps de déclenchement à froid correspondant au réglage de la temporisation de la fonction long retard du déclencheur.