Brevet FR2765357A1 — publié le 19981231

DISPOSITIF DE COMMANDE DE GESTION AUTOMATIQUE DE DEUX UNITES ELECTRIQUES ET APPLICATION A UN CHAUFFE-EAU DOUBLE PUISSANCE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne de manière générale les appareils utilisant deux unités de consommation d'électricité ayant des conditions de fonctionnement différentes en fonction de paramètres extérieurs. Elle concerne en particulier les chauffe-eau double puissance, c'est-à-dire mettant en oeuvre deux éléments chauffants dans un ballon d'eau chaude. Ce type de chauffe-eau est utilisé dans de très nombreux locaux industriels et domestiques, comme les appartements des particuliers. La particularité de fonctionnement de ces chauffe-eau est d'utiliser les plages horaires à tarif réduit de consommation d'électricité pour chauffer la totalité de l'eau du ballon, en vue de réduire le coût d'utilisation du chauffe-eau en consommation d'électricité. Art antérieur et problème posé En référence à la figure 1, le chauffe-eau double puissance traditionnel 1 utilise deux éléments chauffants qui sont généralement une résistance électrique inférieure 2 placée dans la partie inférieure d'un ballon d'eau chaude 8 et accompagnée d'un premier thermostat 31, et une résistance électrique supérieure 3 placée dans la partie supérieure de ce même ballon d'eau chaude 8 et accompagnée d'un deuxième thermostat 32. Ces résistances électriques 2 et 3 sont alimentées en électricité chacune par une ligne d'alimentation respectivement 5 et 6. Chaque ligne possède un disjoncteur 10 placé dans le tableau électrique de l'abonné. Le ballon 8 se complète par une canalisation d'arrivée d'eau 6 débouchant dans la partie inférieure du ballon 8 et une canalisation de prise d'eau chaude 7 débouchant dans la partie supérieure de ce ballon 8. La résistance inférieure 2 est alimentée pendant la plage d'heures à tarif réduit de consommation électrique, c'est-à-dire pendant la nuit et chauffe donc la totalité de l'eau contenue dans le ballon 8 pendant cette période. Or, pendant la plage d'heures à tarif élevé de consommation, à savoir la journée, la masse d'eau chaude contenue initialement dans le ballon 8 refroidit petit à petit au fur et à mesure de la consommation. L'utilisateur peut donc éprouver le besoin d'utiliser la résistance supérieure 3 pour chauffer la masse d'eau contenue dans la partie supérieure du ballon 8, o se trouve l'entrée de la canalisation de prise d'eau chaude 7. Dans ce cas, il actionne un commutateur 9 pour commander l'alimentation de la résistance supérieure 3. De plus, la consommation d'eau pendant la journée peut s'avérer être importante et le volume du ballon 8 sera donc complété par l'arrivée d'eau froide, au moyen de la canalisation d'arrivée froide 6. De ce fait, la température globale de la masse d'eau contenue dans le ballon 8 ne sera probablement plus suffisante pour satisfaire l'utilisateur et ce dernier éprouvera donc également le besoin de chauffer partiellement cette masse en utilisant la résistance supérieure 3, au moyen du commutateur 9 pour chauffer l'eau se trouvant dans la partie supérieure du ballon 8. Un inconvénient majeur est que dans ce type de chauffe-eau et de l'installation qui lui est attenante, il est en général très difficile d'installer une deuxième ligne électrique pour alimenter le chauffe- eau. Ceci représente donc un handicap pour le développement commercial de ce type de produit. Le but de la présente invention vise à remédier à cet inconvénient. De plus, il n'y a aucune communication ni interaction entre les deux unités qui sont indépendantes l'une de l'autre. Ceci a pour conséquence que les deux éléments résistifs chauffants peuvent fonctionner en même temps et ainsi provoquer une consommation importante d'électricité. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est donc un dispositif de commande et de gestion automatique de puissance d'un appareil électrique qui utilise deux unités distinctes de consommation de courant électrique à partir d'une source d'alimentation, la première étant utilisable que dans une plage de temps déterminé. Il comprend: - des moyens de commande pour commander le fonctionnement de la première ou de la deuxième unité de consommation dans la plage de temps déterminé, et celui de la deuxième unité de consommation en dehors de cette plage de temps déterminé définie par un signal de plage de temps, en fonction de signaux de demande d'utilisation établis en mesurant une grandeur électrique identifiée et caractéristique des besoins automatiques de fonctionnement des deux unités et par signal de besoin d'utilisation fourni pour un contacteur utilisable par un utilisateur en fonction de ces besoins propres, et - une seule ligne d'alimentation électrique pour alimenter les deux unités et étant commandée par les moyens de commande. Dans la réalisation principale de l'invention, les moyens de commande comprennent: - un circuit de commande placé n'importe o, connecté à une source d'alimentation électrique et recevant le premier signal de mesure de la grandeur électrique par la ligne d'alimentation et le deuxième signal par le signal de besoin d'utilisation, et - des organes de commande placés d'une part sur l'appareil et recevant la ligne d'alimentation et d'autre part, sur cette même ligne d'alimentation. Dans l'application du dispositif selon l'invention à un chauffe-eau, la grandeur électrique identifiée du premier signal étant une résistance électrique, le circuit de commande comprend: - un circuit de mesure d'intensité pour mesurer une intensité sur le conducteur de phase de la ligne électrique d'alimentation; - un circuit de mesure de résistance du chauffe- eau pour mesurer la résistance de ce chauffe- eau en fonctionnant; - un circuit logique de commande du chauffe-eau recevant les valeurs mesurées de l'intensité et de la résistance et recevant un signal de plage de temps déterminé et le signal de besoin d'utilisation donné par le commutateur pour effectuer la mesure de la résistance du chauffe-eau et commander les organes de commande en fonction des mesures. Dans le cadre de l'utilisation d'un tel circuit de commande, les organes de commande comprennent: - un premier contacteur placé sur le conducteur de phase de la ligne d'alimentation; et dans un boîtier de commande placé sur le chauffe-eau: - un contacteur de premier thermostat pour commander la première unité qui est un élément chauffant; - un contacteur de deuxième thermostat pour commander la deuxième unité qui est également un élément chauffant; - un deuxième contacteur pour alimenter le premier élément chauffant; et - un relais alimenté par le deuxième contacteur de deuxième thermostat pour inhiber le premier élément chauffant quand le deuxième thermostat est demandeur. Dans une réalisation préférentielle du circuit de commande, on utilise un troisième contacteur placé à l'entrée du circuit de mesure de résistance pour connecter ou non celui-ci à la ligne d'alimentation et faire la mesure de résistance en injectant un courant lorsque le premier contact est ouvert. Dans ce cas, le circuit de commande se complète avantageusement par un circuit de temporisation pour éviter que le premier contacteur et le troisième contacteur ne soient alimentés simultanément en régime transitoire. Dans le but de détecter d'éventuelles pannes du chauffe-eau, le circuit de commande peut être équipé d'un circuit de détection de pannes connecté à la ligne d'alimentation pour détecter les passages de courant vers la première unité du dispositif et éventuellement couper l'alimentation de celui-ci. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux perçues à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation, accompagné des figures représentant respectivement: - figure 1, déjà décrite, un schéma d'un chauffe- eau équipé du dispositif selon l'art antérieur, - figure 2, un schéma d'un chauffe-eau équipé du dispositif selon l'invention, - figure 3, un schéma du dispositif selon l'invention dans sa réalisation principale, et figure 4, un schéma du dispositif selon l'invention dans une variante. Description détaillée de deux modes de réalisation de l'invention En référence à la figure 2, le dispositif de commande selon l'invention est toujours utilisé pour commander un chauffe-eau 1. En comparant avec la figure 1, il est facile de constater la différence entre ces deux figures, c'est-à-dire la présence d'une seule -7 ligne d'alimentation 12 pour le chauffe-eau 1. En effet, ce dernier possède le même ballon d'eau chaude 8 que celui représenté à la figure 1. Seuls les organes de commande ont changé. On constate la présence d'une seule ligne d'alimentation 12 d'un circuit de commande 13, placé n'importe o sur la ligne d'alimentation 12 et un boîtier de commande 11 placé près du chauffe-eau et recevant la ligne d'alimentation 12. Ce boîtier de commande 11 comprend une partie des organes de commande du chauffe-eau, le circuit de commande 13 comprenant les autres organes de commande. Sur cette figure 2, ce boîtier de commande 11 a été placé dans la partie inférieure du chauffe-eau 1, en regard de la résistance inférieure 2. Ceci n'est qu'un exemple de réalisation, le boîtier de commande 11 pouvant être placé n'importe o sur le chauffe-eau 1. Une ligne secondaire de commande 14 permet d'alimenter la résistance supérieure 3, le boîtier de commande alimentant directement la résistance inférieure 2. Le boîtier de commande 11 est mieux détaillé sur la figure 3. En effet, on a représenté ses principaux composants et les principales liaisons. L'alimentation secondaire 14 de la figure 2 a disparu pour que le schéma de ce circuit de commande 11 soit représenté de manière agrandie, et non pas à l'échelle du chauffe-eau 1 et notamment de son ballon 8. L'unique ligne d'alimentation 12 de la figure 2 est représentée par ces trois conducteurs qui sont un conducteur de phase 12P, un conducteur de neutre 12N et un conducteur de terre 12T. Les organes qui commandent l'alimentation électrique des deux éléments chauffants 2 et 3, par l'intermédiaire de deux borniers, l'un supérieur 30, l'autre inférieur 29, sont les suivants. Un premier contacteur 19 est placé sur la ligne d'alimentation, et en particulier sur le conducteur de phase 12P. Il est représenté ici faisant partie du circuit de commande 13 mais pourrait être placé autre part. L'alimentation des deux éléments chauffants 2 et 3 par ce conducteur de phase 12P se fait par deux dérivations de l'alimentation par le conducteur de phase 12P de l'élément chauffant supérieur 3 sur lequel se trouvent respectivement deux contacteurs de thermostats 16 et 17. Sur la dérivation du contacteur de premier thermostat 16 se trouve également un relais 18. Ce dernier commande l'ouverture et la fermeture d'un deuxième contacteur 15 placé sur une troisième dérivation connectée à l'élément chauffant inférieur 2 par l'intermédiaire du bornier 29. Ainsi, lorsque le premier thermostat 31 est demandeur de chaleur, c'est- à-dire que si le contacteur de premier thermostat 16 est fermé sur le schéma de la figure 3, le relais 18 peut être alimenté, à condition toutefois que le deuxième thermostat 32 ne soit pas demandeur de chaleur, c'est-à-dire qu'il ne court-circuite pas ce relais 18 en étant fermé. En d'autres termes, lorsque le contacteur de deuxième thermostat 17 relatif à l'élément chauffant supérieur 3 est fermé, c'est-à-dire que l'élément chauffant supérieur 3 fonctionne, le relais 18 garde ouvert le deuxième contacteur 15 placé sur une dérivation du conducteur de phase 12P alimentant l'élément chauffant inférieur 2. Ainsi, le fonctionnement de l'élément chauffant supérieur 3 est prioritaire sur le fonctionnement de l'élément chauffant inférieur 2, à la demande du deuxième thermostat 32 relatif à l'élément chauffant supérieur 3. Si le premier thermostat 31 est demandeur et que le deuxième thermostat 32 ne l'est pas, c'est-à-dire si le contacteur de premier thermostat 16 est fermé et le contacteur de deuxième thermostat 17 est ouvert, le relais 18 ferme le deuxième contacteur 15 alimentant ainsi l'élément chauffant inférieur 2. Le circuit de commande 13 comprend un boîtier d'alimentation électrique 21 relié à la ligne d'alimentation, et plus précisément aux conducteurs de phase 12P et de neutre 12N. Il comprend également un circuit logique de commande 22 recevant des signaux de sortie, à la fois d'un circuit de mesure d'intensité 23 et d'un circuit de mesure de résistance 24 du chauffe- eau. Le circuit de mesure d'intensité 23 est placé en shunt sur une partie du conducteur de phase 12P pour mesurer l'intensité du courant envoyé et consommé par le chauffe-eau. Le circuit de mesure de résistance 24 mesure donc la résistance de fonctionnement du chauffe- eau aux bornes des conducteurs de phase 12P et de neutre 12N. En effet, il faut prendre en considération le fait que le premier contacteur 19 placé sur le conducteur de phase 12P est systématiquement ouvert pendant une plage de temps déterminé qui correspond aux heures à tarif élevé de consommation d'électricité. Il est alors impossible de connaître la résistance de fonctionnement éventuel du chauffe-eau sans envoyer de courant aux bornes de celui-ci. C'est le but du circuit de mesure de résistance 24 qui, par l'intermédiaire d'un troisième contacteur 26, injecte un courant de faible intensité dans le chauffe-eau pour mesurer sa résistance. Lorsque le premier contacteur 19 est fermé, c'est-à-dire pendant les heures à tarif réduit de consommation d'électricité, le circuit de mesure d'intensité 23 fait son office pour mesurer la résistance du chauffe-eau. Pour permettre la commande de ce premier contacteur 19 en fonction des plages horaires, le circuit logique de commande 22 reçoit un signal H caractéristique de ces plages horaires. Il reçoit également un signal U issu d'un commutateur non représenté et actionné par l'utilisateur réclamant ou non une augmentation de la température de l'eau par rapport à la température obtenue habituellement. Ce signal un signal dit de confort. Un circuit de temporisation 25 complète le circuit logique de commande 22 pour éviter que le premier contacteur 19 et le troisième contacteur 26 soient alimentés simultanément en régime transitoire, ce qui mettrait en défaut le fonctionnement de l'ensemble. On se propose maintenant d'expliciter le fonctionnement de ce dispositif. Le boîtier de commande 11 est donc conçu de manière à ce que le contacteur de premier thermostat 16 ne puisse alimenter l'élément chauffant inférieur 2 que si le contacteur de deuxième thermostat 17 est ouvert, c'est-à-dire non demandeur. Le chauffage de l'élément chauffant supérieur 3 est donc prioritaire sur le chauffage de l'élément inférieur 2. On ne peut jamais avoir ces deux éléments chauffants 2 et 3 en fonctionnement en même temps. il Pendant les plages de consommation d'heures à tarif élevé, l'entrée du circuit logique de commande 22 recevant le signal H est activée. Lorsque l'entrée recevant le signal U de l'utilisateur est activée par un contact sur le commutateur, le circuit logique de commande 22 doit détecter une demande du deuxième thermostat 32 associé à l'élément chauffant supérieur 3 pour autoriser le chauffage. Si ce deuxième thermostat est en demande, le chauffe-eau est alimenté, le premier contacteur 19 étant fermé. Si ce deuxième thermostat 32 n'est pas en demande, le chauffe-eau n'est pas alimenté car le circuit logique de commande 22 ouvre le premier contacteur 19. Pendant les plages de consommation d'heures à tarif réduit, le chauffeeau est alimenté en permanence car le circuit logique de commande 22 garde fermé le premier contacteur 19. En cas de demandes simultanées des deux thermostats 31 et 32, l'élément chauffant supérieur 3 est alimenté en priorité, comme expliqué précédemment. L'élément chauffant inférieur n'est alimenté que lorsque l'élément chauffant supérieur ne l'est plus. Un exemple de mesure de résistance du chauffe-eau va être explicité dans les lignes suivantes. La mesure de résistance a lieu lorsque le premier contacteur 19 est ouvert et s'effectue en injectant un faible courant continu, le deuxième contacteur 15 étant fermé. Si le premier thermostat 31 est seul demandeur, le circuit logique de commande mesure une résistance par exemple supérieure à 4 kQ. Si les deux thermostats 31 et 32 ne sont pas demandeurs, le circuit logique de commande mesure donc une résistance infinie. Si le deuxième thermostat 32 est demandeur, avec ou sans le premier thermostat 31 demandeur, le circuit logique de commande 22 mesure une résistance du chauffe-eau de l'ordre de Q, soit la résistance de l'élément chauffant supérieur 3 seul. Le circuit logique de commande décide donc alors le passage à la mesure de courant en fermant le premier contacteur 19 et en ouvrant le deuxième contacteur 15. La mesure de courant injecté dans le chauffe-eau a donc lieu à l'aide du circuit de mesure de courant 23 connecté sur une portion du conducteur de phase 12P. Lorsque le deuxième thermostat 32 est demandeur, l'intensité mesurée est de l'ordre de 16 A. Si l'intensité mesurée descend en dessous de 10 A, cela signifie que seul le premier thermostat 31 est demandeur et le circuit logique de commande 22 coupe l'alimentation en ouvrant le premier contacteur 19. Il referme ensuite le deuxième contacteur 15 pour procéder à une éventuelle future phase de mesure de résistance. Les avantages d'un tel dispositif de commande et de gestion automatique de puissance sont: - la limitation de la puissance appelée sur le réseau de distribution d'électricité, - l'utilisation d'une seule ligne d'alimentation de l'appareil, et - l'optimisation du confort fourni. Concernant ce dernier point, il s'avère très intéressant d'utiliser un circuit permettant de détecter une panne ou un disfonctionnement du chauffe- eau. La figure 4 montre le même dispositif décrit par la figure 3 complétée d'un circuit de ce type. En effet, un circuit de détection de panne 27 est incorporé au circuit de commande 13. Plus exactement, il reçoit la sortie du circuit de mesure d'intensité 23, et les signaux H relatifs aux plages horaires et U de desiderata de l'utilisateur. Ce circuit 27 est un circuit de type sommateur. En effet, si seul l'élément chauffant inférieur 2 ne fonctionne plus ou est en panne, et en cas de faible puisage de l'utilisateur, ce dernier risque de ne pas détecter rapidement le disfonctionnement du chauffe- eau. Ceci s'explique que, dans ce cas, le ballon d'eau chaude sera chauffé uniquement à la demande de l'utilisateur en utilisant l'élément chauffant supérieur 3. Ce circuit de détection de panne 27 compte donc les passages en heures à tarif réduit. Au bout d'un nombre déterminé N, par exemple 3 (ce qui correspondrait à 3 nuits), dans une telle éventualité, le circuit 27 émet un signal d'arrêt total du chauffe- eau au circuit logique de commande 22. Une réinitialisation du circuit logique de commande est possible par coupure générale de l'énergie électrique. Ceci permet de reprendre le chauffage, en heures à tarif élevé ou en heures à tarif réduit, au moyen de l'élément chauffant supérieur, en attendant que l'ensemble du chauffe-eau soit réparé. Ce circuit de détection de panne 27 prévoit également de couper systématiquement le fonctionnement de l'élément chauffant inférieur 2 lorsque l'élément chauffant supérieur 3 ne fonctionne plus. Dans ce cas, le ballon d'eau chaude refroidit et l'utilisateur s'aperçoit de son non- fonctionnement au bout de quelques heures. Une lampe témoin peut avantageusement compléter ce circuit de détection de panne 27. Dans le dispositif de commande et de gestion automatique de puissance décrit, c'est-à-dire appliqué à un chauffe-eau, la grandeur électrique identifiée et mesurée est la résistance du chauffe-eau et de son dispositif chauffant, les éléments chauffants étant les unités de consommation. On pourrait très bien imaginer mesurer des impédances ou des capacités d'autres appareils, par exemple des moteurs, pompes à chaleur, etc. Ce dispositif peut donc avoir une application industrielle importante. L'application préférentielle de ce dispositif est bien sûr celle aux chauffe-eau double puissance. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande et de gestion automatique de puissance d'un appareil électrique, qui utilise deux unités distinctes de consommation de courant électrique à partir d'une source d'alimentation, la première unité de consommation (2) étant utilisable seulement dans une plage de temps déterminé définie par un signal de plage de temps (H), le dispositif comprenant: - des moyens de commande pour commander le fonctionnement de la première (2) ou de la deuxième unité de consommation (3) dans la plage de temps déterminé, et celui de la deuxième unité de consommation (3) en dehors de cette plage de temps déterminé définie par un signal de plage de temps (H), en fonction d'un signal de demande d'utilisation établi en mesurant une grandeur électrique identifiée et caractéristique des besoins automatiques de fonctionnement des deux unités de consommation (2 et 3) et d'un signal de besoin d'utilisation (U) provenant d'un contacteur utilisable par un utilisateur en fonction de ces besoins propres, et - une seule ligne d'alimentation électrique (12N, 12P, 12T) pour alimenter les deux unités (2 et 3) et étant commandée par les moyens de commande. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent: - un circuit de commande (13) placé n'importe o, connecté à une source d'alimentation électrique et recevant un premier signal de mesure de la grandeur électrique identifiée par la ligne d'alimentation (12N, 12P), et le deuxième signal qui est le signal de besoin d'utilisation (U), et - des organes de commande (11, 19), certains étant placés sur l'appareil à commander et recevant la ligne d'alimentation (12N, 12P, 12T) et d'autres étant placés sur un conducteur de phase (12P) de la ligne d'alimentation. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, l'appareil commandé étant un chauffe-eau, la grandeur électrique identifiée étant une résistance électrique, caractérisé en ce que le circuit de commande (13) comprend: - un circuit de mesure d'intensité (23) pour mesurer l'intensité sur le conducteur de phase (12P) de la ligne d'alimentation, - un circuit de mesure de résistance (24) pour mesurer la résistance du chauffe-eau et placé sur la ligne d'alimentation (12P, 12N), et - un circuit logique de commande (22) recevant les valeurs mesurées des circuits de mesure d'intensité (23) et de mesure de résistance (24), recevant le signal de plage de temps (H) et le signal de besoin d'utilisation (U) donné par un commutateur pour effectuer la mesure de la résistance du chauffe-eau et commander les organes de commande (19, 11) en fonction de mesures. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les organes de commande comprennent: - un premier contacteur (19) placé sur le conducteur de phase (12P) de la ligne d'alimentation, et dans un boîtier de commande (11) placé sur le chauffe-eau: - un contacteur de premier thermostat (16) relatif à la première unité de consommation (2) qui est un élément chauffant inférieur, - un contacteur de deuxième thermostat (17) relatif à et commandant la deuxième unité de consommation (3) qui est un élément chauffant supérieur, - un deuxième contacteur (15) pour alimenter l'élément chauffant inférieur (2), et - un relais (18) pour inhiber l'élément chauffant supérieur (2) quand le contacteur de deuxième thermostat (17) est demandeur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le circuit de commande (13) possède un troisième contacteur (26) placé à l'entrée du circuit de mesure de résistance (24) pour connecter ou non celui-ci à la ligne d'alimentation (12P, 12N) et faire la mesure de résistance du chauffe-eau en injectant un courant électrique lorsque le premier contacteur (19) est ouvert. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les circuits de commande (13) possèdent un circuit de temporisation (25) pour éviter que le premier contacteur (19) et le troisième contacteur (26) ne soient alimentés simultanément en régime transitoire. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de commande (13) possède un circuit de détection de panne (27) connecté au circuit de mesure de résistance (23) pour détecter les passages de courant et couper le fonctionnement total de ce dernier quand l'une des deux unités (2, 3) ne fonctionne plus.