Brevet FR2776122A1 — publié le 19990917

COUPE-CIRCUIT DOMESTIQUE INTELLIGENT Les interrupteurs de circuit et coupe-circuits de la technique existante tels que ceux décrits dans le Brevet US 4 672 501 intitulé "Circuit Breaker and Protective Re- lay Unit" emploient des circuits numériques pour assurer une protection contre les surintensités, ainsi qu'une fonction de protection supplémentaire. Ce que l'on appelle les "unités de disjonction électroniques" à l'intérieur de ces coupe-circuits étaient jusqu'à présent limitées à des applications industrielles du fait des coûts additionnels associés aux composants des unités de disjonction électro- niques. Pour délivrer une entrée électronique aux inter- rupteurs de circuit à partir d'un équipement électrique associé, des transducteurs tels que des transformateurs de courant décrits dans le Brevet US 4 591 942, intitulé "Current Sensing Transformer Assembly", des dispositifs à effet Hall, comme décrit dans le Brevet US 5 615 075, in- titulé "AC/DC Current Sensor for a Circuit Breaker" et des dispositifs à magnétorésistances géantes comme décrit dans la demande de Brevet US N 09/006 794, intitulée "Circuit Interrupter Having Improved Current Sensing Apparatus" sont souvent nécessaires. De façon caractéristique, les transformateurs de cou- rant assurent habituellement deux fonctions à l'intérieur du circuit de l'unité de disjonction électronique. La pre- mière fonction consiste à délivrer une alimentation opéra- tionnelle aux circuits électroniques à l'intérieur de l'unité de disjonction, et la deuxième fonction consiste à délivrer des signaux électroniques représentatifs de la valeur du courant circulant à l'intérieur de chaque phase d'un système de distribution électrique multiphasé. Le Brevet US 5 583 732, intitulé "Modular Current Transformer for Electronic Circuit interrupters" décrit une approche récente à la combinaison des deux fonctions à l'intérieur d'une configuration modulaire unique pour économiser aussi bien les coûts en matériel que les coûts d'assemblage de fabrication. Un transformateur de courant séparé est né- cessaire à l'intérieur de chaque phase d'un circuit élec- trique multiphasé. Lorsqu'une protection contre les surintensités est as- surée dans des applications domestiques, des coupe-cir- cuits employant des unités de disjonction thermiques et magnétiques sont installés à l'intérieur de sous-stations domestiques pour protéger les circuits principaux et les circuits de branche connectés aux sousstations. Le Brevet US 4 513 268 intitulé "'Automated Q-Line Circuit Breaker" décrit un de ces coupe-circuits domestiques comprenant une unité de disjonction thermique et magnétique pour une pro- tection contre les surintensités. Le Brevet US 4 667 269 intitulé "Circuit Breaker Sup- port Saddle Having A Split Neutral Connector" et le Brevet US 4 646 198 intitulé "Molded Case Circuit Breaker Modular Support Assembly" décrivent des compartiments agencés pour renfermer un coupe-circuit principal avec une pluralité de coupe-circuits de branche électriquement connectés en sé- rie avec le coupe-circuit principal. Lorsque ces coupe-circuits thermiques et magnétiques sont employés dans ces sous-stations domestiques, l'utili- sation est limitée à la protection des circuits contre les surintensités. Une fonction de défaut de terre et de dé- faut d'amorçage doit être ajoutée aux coupe-circuits au moyen de modules de défaut de terre et de défaut d'amor- çage qui sont fixés au boîtier du coupe-circuit, au prix d'une augmentation supplémentaire du coût. Un de ces modu- les de défaut d'amorçage est décrit dans la demande de Brevet US N 09/006 796, intitulée "Arcing Fault Detection Module". Par conséquent, les tentatives d'incorporer ce que l'on appelle un coupe-circuit "intelligent", comportant une unité de disjonction électronique dans une sous- station domestique pour procurer des caractéristiques pro- tectrices additionnelles à la sous-station ne se sont pas révélées économiquement réalisables jusqu'à présent. La nécessité d'avoir un transformateur de courant pour assu- rer tout à la fois les fonctions de détection et d'alimen- tation opérationnelles pour l'unité de disjonction élec- tronique augmentent la taille du coupe-circuit ainsi que le coût global, car les transformateurs de courant sont habituellement renfermés à l'intérieur de l'enceinte du coupe-circuit, avec le mécanisme d'actionnement du coupe- circuit, les contacts et l'unité de disjonction. Il serait bénéfique de procurer un circuit séparé pour délivrer l'alimentation opérationnelle à l'unité de dis- jonction en combinaison avec des transducteurs électroni- ques de petite taille pour déterminer la valeur de cou- rant, du point de vue des contraintes de coût et de taille, avec des coupe-circuits bipolaires utilisés à l'intérieur des sous-stations domestiques. Un autre béné- fice est l'utilisation d'une fiche optionnelle sous la forme d'un circuit électronique amovible pour permettre à l'unité de disjonction d'assurer une protection contre les défauts de terre, les défauts d'amorçage ainsi que leur combinaison. Un but de l'invention est par conséquent de décrire un coupe-circuit intelligent peu coûteux comportant une unité de disjonction électronique comprenant un transducteur électronique à l'intérieur de chaque pôle d'un coupe- circuit bipolaire, et un circuit équivalent à l'intérieur d'au moins l'un des pôles pour délivrer l'alimentation opérationnelle à l'unité de disjonction. Un interrupteur de circuit du type comprenant une uni- té de disjonction électronique pour la détermination de surintensité comprend un circuit séparé pour alimenter l'unité de disjonction, avec un dispositif à effet Hall ou à magnétorésistances géantes afin de détecter la circula- tion de courant à l'intérieur du circuit protégé. Un dis- positif à effet Hall ou à magnétorésistances géantes sépa- ré est utilisé à l'intérieur de chaque pôle d'un circuit électrique bipolaire, tandis qu'un ou plusieurs circuits équivalents peuvent être employés efficacement pour déli- vrer une alimentation opérationnelle à l'unité de disjonc- tion et au dispositif à effet Hall ou au dispositif à ma- gnétorésistances géantes. Une fiche optionnelle amovible s'interconnecte électroniquement avec l'unité de disjonc- tion afin de permettre la protection contre les défauts de terre et les défauts d'amorçage. La figure 1 est une vue de face en perspective d'un coupe-circuit comprenant le détecteur à effet Hall ou à magnétorésistances géantes selon l'invention; les figures 2 et 3 sont des représentations schémati- ques des composants de l'unité de disjonction électronique à l'intérieur du coupe-circuit de la figure 1. Un coupe-circuit électronique 10 est montré en figure 1, celui-ci se composant d'un boîtier en matière plastique moulée 11 sur lequel est fixé un capot 12 en un matériau similaire. Le coupe-circuit comprend un capot intermé- diaire 13 du type décrit à l'intérieur du Brevet US 4 745 247 intitulé "Molded Case Circuit Breaker Accessory Enclo- sure" pour livrer accès à l'unité de disjonction électro- nique 19 contenue en dessous de celui-ci. Une paire de contacts séparables 14 aux extrémités d'une paire de porte-contacts 15, 16 sont mis dans les positions MARCHE et ARRET au moyen d'une manette d'actionnement externe 17 qui s'étend à travers une ouverture 18 dans le capot du coupe-circuit. Selon l'invention, une fiche de fonction électronique optionnelle 20 ayant une configuration simi- laire à celle décrite dans le Brevet US 4 649 455 intitulé "IRating Plug for Molded Case Circuit Breakersl" est insérée à l'intérieur du capot d'accessoires pour permettre la sé- lection entre la détermination de défaut d'amorçage, la détermination de défaut de terre, ou les deux. La con- nexion entre l'unité de disjonction 19 et la fiche de fonction optionnelle 20 est réalisée de la façon décrite dans le Brevet US 4 728 914, intitulé " Rating Plug Enclo- sure for Molded Case Circuit Breakers", le circuit de dé- tection de défaut de terre étant décrit dans le Brevet US 4 345 289 intitulé "Ground Fault Circuit Interrupting De- vice with Improved Thyristor Triggering", et le circuit de détection de défaut d'amorçage étant décrit dans la de- mande de Brevet US précédemment mentionnée N 09/006 796. Les connexions de ligne 9, disposées à une extrémité du boîtier 11, assurent une connexion à l'intérieur d'un cir- cuit de distribution électrique protégé, tandis que les connexions de charge 21 correspondantes disposées à l'ex- trémité opposée de celui-ci assurent une connexion avec les charges protégées disposées à l'intérieur du circuit. Un semi-conducteur de dispositif à effet Hall ou à magné- torésistance géante 23 est positionné à l'intérieur d'une cavité 22 sur chaque connexion de charge 21 pour détecter le transfert de courant à travers la connexion de charge et transférer les représentations de signal de celle-ci à l'unité de disjonction 19 sur une paire de conducteurs 24. Le dispositif à effet Hall, ci-après appelé "détecteur Hall" est un dispositif du type GH-600 - GH800 obtenu chez F.W. Bell, et est similaire à celui décrit dans la demande de Brevet US N 09/006 795 intitulée "Circuit Breaker with Ground Fault Detection Module", et est susceptible d'assu- rer une détection électronique, ainsi que de maintenir un isolement électrique entre les détecteurs Hall et les con- nexions de charge associées. Les connexions électriques entre les conducteurs de phase 25, 26 et le conducteur neutre 30 à l'intérieur d'un circuit domestique et l'unité de disjonction du coupe- circuit 19 sont à présent montrées dans les figures 2 et 3. Les contacts du coupe-circuit 14 sont connectés en sé- rie à l'intérieur des deux phases représentées par les conducteurs 25, 26, les détecteurs Hall 23A, B, comme mon- tré en figure 2, étant positionnés au voisinage des con- ducteurs de phase 25, 26 qui comprennent des circuit de branche 1 et 2 par rapport au conducteur neutre commun 30. L'alimentation opérationnelle des circuits électroniques de l'unité de disjonction 19 est délivrée au moyen d'un circuit d'alimentation 28 comprenant des diodes redresseu- ses Dl, D2 pour chaque phase, par l'intermédiaire de la ré- sistance de limitation de courant R9 et de la diode Zener de régulation de tension Zl, vers le conducteur d'alimenta- tion d'unité de disjonction 39, par l'intermédiaire de la borne C. Les exigences d'alimentation opérationnelles des détecteurs Hall ou à magnétorésistances géantes et des am- plificateurs opérationnels sont également satisfaites par une connexion à la borne C. La sortie des détecteurs Hall 23A, B est connectée par l'intermédiaire d'une paire de conducteurs 24A, 24B, et de résistances de limitation de courant R, à R4, aux entrées d'amplificateurs opérationnels 27, 29 pour amplifier les valeurs de courant détectées. Les amplificateurs sont connectés à la terre par l'inter- médiaire de résistances de terre R5, R6 et sont intercon- nectés entre leurs entrées et leurs sorties par l'intermé- diaire de résistances de rétroaction R7, Ra, comme indiqué. Les valeurs de courant sont combinées et redressées par l'intermédiaire des diodes D3, D4, et sont entrées dans le conducteur de signal d'unité de disjonction 38 par l'in- termédiaire de la connexion avec la borne B. La connexion entre le conducteur neutre de circuit optionnel 31 et le conducteur neutre d'unité de disjonction 42 est établie par l'intermédiaire d'une borne D, et la connexion entre le conducteur neutre de circuit optionnel 31 et l'entrée de signal optionnel de coupe-circuit 37 est établie par l'intermédiaire de la borne A. Lors du fonctionnement, le relais de disjonction 33, comprenant un enroulement 34 et un noyau 35, interagit avec les contacts du coupe-circuit 14 au moyen de la con- nexion de commande indiquée en 36. Lorsque le thyristor SRC est déclenché, l'alimentation opérationnelle est déli- vrée au relais par connexion avec le conducteur d'alimen- tation 39, permettant à la connexion de commande de relais de séparer les contacts et d'interrompre le courant du circuit sur commande. Lors de l'apparition d'un courant de court-circuit sur le conducteur de signal 38, le courant d'appel élevé rend passant la diode Zener connectée en sens inverse Z3 et permet au courant de circuler de la jonction des résistances de division de tension R33, R34 à la gâchette du thyristor SRC. Le condensateur de filtrage C. protège le thyristor SRC des effets de bruit parasites survenant sur le conducteur d'alimentation 39. Le fonc- tionnement d'un relais de disjonction pour séparer les contacts d'un coupe-circuit est décrit dans le Brevet US précédemment mentionné 4 672 501. Lors de l'apparition d'un défaut d'amorçage ou d'un défaut de terre, détecté dans la fiche de fonction option- nelle 20 (figure 1), un signal délivré en sortie du con- ducteur neutre 30 est entré sur l'entrée de signal option- nelle 37 par l'intermédiaire de la diode redresseuse D6, sur la base du transistor unijonction programmable Q1, et de la cathode de Q1 à la gâchette du thyristor SCR afin de déclencher le thyristor SCR et d'actionner le relais de disjonction afin de séparer les contacts 14 et d'interrom- pre le courant du circuit. L'apparition d'une condition de surintensité de courte durée est déterminée de la façon suivante. Le signal se produisant sur le conducteur de signal 38 est transféré par l'intermédiaire de la diode Zener Z2 et du diviseur de tension comprenant les résistances Rlo0, R11, et est connecté à l'anode de la diode D7 et à un côté du condensateur cali- bré pour une courte période C3 par l'intermédiaire du con- ducteur 41. Lorsque la tension aux bornes de C3 dépasse la tension de référence du transistor unijonction programma- ble Q1, le courant passe à travers D7 à l'anode de Q1, afin de déclencher le thyristor SCR, et excite le relais de disjonction 33 afin de séparer les contacts 14 de la façon décrite précédemment. L'apparition d'une condition de surintensité de longue durée est déterminée de la façon suivante. Le signal appa- raissant sur le conducteur de signal 38 apparaît sur l'anode de la diode Ds à la jonction des résistances de di- vision de tension R12, R13, de façon à rendre passant le transistor de commutation Q2 lorsque le courant dépasse une valeur prédéterminée, et à permettre la circulation de courant du conducteur d'alimentation 39 vers la diode à polarisation inverse D8 à la jonction des résistances de division de tension R14 à R17, et à transférer le courant à travers le transistor de commutation Q2, et à délivrer le signal au circuit de retard à longue période 43. La résis- tance R3s assure une compensation en température pour la jonction baseémetteur de Q2. L'agencement des transistors Q4, Q5 et Q6 et des résistances série R20 à R23, R25 à R29 com- munique une fonction de temps logarithmique à la circula- tion du courant, de façon à rendre passant le commutateur à transistor Q7 lorsqu'une valeur prédéterminée est dépas- sée. Le signal apparaissant à la jonction des résistances de division de tension R18, Rl9 rend passant le commutateur à transistor Q3, de façon à délivrer une tension de charge au condensateur de longue période C2 proportionnellement à la valeur logarithmique du signal de courant. Lorsque la tension de condensateur est dépassée, le courant opéra- tionnel est transféré par l'intermédiaire de la résistance de limitation de courant R24 et de la diode D9 à l'anode du transistor unijonction programmable Q1, de façon à mettre en service le relais de disjonction 33, de façon à inter- rompre le courant du circuit de la façon décrite précédem- ment. Pour protéger les composants du circuit des détériora- tions thermiques provoquées par les conditions de sur- chauffe ambiantes, une thermistance 40 est interconnectée entre l'alimentation et le conducteur neutre 42 en série avec une résistance R31, et est connectée au thyristor SCR par l'intermédiaire de la diode Dl0 de façon à déclencher le thyristor SCR lorsque la température ambiante dépasse une valeur prédéterminée. Le condensateur C4 protège la va- ristance des pointes de tension qui peuvent se produire entre les conducteurs d'alimentation et neutre lors de l'apparition de conditions de surintensité intenses à l'intérieur du circuit électrique associé. On pense que la petite taille des détecteurs à effet Hall ou à magnétorésistances géantes et l'utilisation de la connexion de circuit directe avec le circuit de dis- jonction électronique pour délivrer l'alimentation opéra- tionnelle au relais de disjonction permet à présent d'uti- liser des coupe-circuits peu coûteux comportant des cir- cuits électroniques intelligents à l'intérieur des appli- cations domestiques et autres, o l'on employait jusqu'à présent des coupe-circuits utilisant des unités de dis- jonction thermiques et magnétiques. REVENDICATIONS 1. Interrupteur de circuit (10) caractérisé en ce qu'il comprend: une paire de contacts séparables (14) agencés pour une connexion à l'intérieur d'un circuit électrique; une unité de disjonction électronique (19) comprenant des moyens pour séparer lesdits contacts (14) lors de l'apparition d'une condition de surintensité à l'intérieur dudit circuit électrique; un élément à effet Hall (23; 23A) connecté avec la- dite unité de disjonction électronique (19) et à proximité magnétique d'un conducteur électrique (25) configuré pour transporter un courant du circuit à l'intérieur d'une phase dudit circuit électrique, ledit élément à effet Hall (23; 23A) délivrant un signal de courant à ladite unité de disjonction (19), représentatif dudit courant du cir- cuit; un circuit d'alimentation (28) connecté audit élément à effet Hall ou à magnétorésistances géantes (23; 23A) et à ladite unité de disjonction (19) pour délivrer une ali- mentation opérationnelle à ladite unité de disjonction (19) et audit élément à effet Hall (23; 23A); et un circuit de conditionnement connecté audit élément à effet Hall ou à magnétorésistances géantes (23; 23A) pour recevoir un signal délivré en sortie dudit élément à effet Hall (23; 23A), représentatif dudit courant du circuit, et délivrer une entrée de signal à un microprocesseur. 2. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un amplificateur opé- rationnel (29) connecté entre ledit élément à effet Hall ou à magnétorésistances géantes (23; 23A) et ladite unité de disjonction (19), ledit amplificateur opérationnel (29) comportant une paire d'entrées et une sortie, ledit signal d'entrée venant dudit élément à effet Hall ou à magnétoré- sistances géantes (23; 23A) étant appliqué à l'une des- dites entrées, et ladite sortie étant connectée à ladite unité de disjonction (19). 3. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance de ré- troaction (R8) connectée entre l'une desdites entrées et ladite sortie. 4. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation (28) comprend une première diode redresseuse (DJ) reliant ledit circuit électrique et ladite unité de disjonction (19). 5. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit électrique comprend un circuit électrique multiphasé. 6. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un élément à effet Hall ou à magnétorésistances géantes additionnel (23B), ledit élément à effet Hall additionnel (23B) étant disposé en relation magnétique avec un conducteur électri- que additionnel (26) connecté à une phase additionnelle dudit circuit multiphasé. 7. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une deuxième diode redresseuse (D4), ladite deuxième diode (D4) étant connectée entre ledit amplificateur opérationnel (29) et ladite unité de disjonction (19). 8. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens à l'inté- rieur dudit interrupteur de circuit (10) pour la connexion électrique avec une carte de circuit de défaut de terre amovible (20). 9. Interrupteur de circuit (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens à l'inté- rieur dudit interrupteur de circuit (10) pour une con- nexion électrique avec une carte de circuit de défaut d'amorçage amovible (20). 10. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce que lesdits moyens pour séparer lesdits contacts (14) comprennent un thyristor (SCR) et un relais de disjonction (33; 34, 35), ledit thyristor (SCR) et ledit relais de disjonction (33; 34, 35) étant élec- triquement connectés en série. 11. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 10, caractérisé en ce que ladite carte de circuit de défaut de terre (20) est connectée audit thyristor (SCR) par l'intermédiaire d'une troisième diode (D6) pour commu- ter ledit thyristor (SCR) et un enroulement de disjonction (34) lors de l'apparition d'une condition de défaut de terre à l'intérieur dudit circuit électrique. 12. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que ladite carte de circuit de défaut d'amorçage (20) est connectée audit thyristor (SCR) par l'intermédiaire de ladite troisième diode (D6) pour commuter ledit thyristor (SCR) et ledit enroulement de disjonction (34) lors de l'apparition d'une condition de défaut d'amorçage à l'intérieur dudit circuit électrique. 13. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 12, caractérisé en ce que ladite unité de disjonction (19) comprend des moyens formant circuit de surintensité de longue durée pour commuter ledit thyristor (SCR) et le- dit enroulement de disjonction (34) lors de l'apparition d'une condition de surintensité de longue durée à l'inté- rieur dudit circuit électrique. 14. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 13, caractérisé en ce que ladite unité de disjonction (19) comprend des moyens formant circuit de surintensité de courte durée pour commuter ledit thyristor (SCR) et le- dit enroulement de disjonction (34) lors de l'apparition d'une condition de surintensité de courte durée à l'inté- rieur dudit circuit électrique. 15. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que lesdits moyens formant cir- cuit de surintensité de longue durée comprennent un cir- cuit à fonction de temps logarithmique (Q4, Q5, Q6; R20, R21, R22, R23; R2s, R26, R27, R28 t, R29) - 16. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que lesdits moyens formant cir- cuit de surintensité de longue durée comprennent un pre- mier condensateur (C2) ayant une valeur de tension de lon- gue durée prédéterminée. 17. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 15, caractérisé en ce que lesdits moyens formant cir- cuit de surintensité de courte durée comprennent un deuxième condensateur (C3) ayant une valeur de tension de courte durée prédéterminée. 18. Interrupteur de circuit (10) selon la revendica- tion 13, caractérisé en ce que ladite carte de défaut d'amorçage (20) comprend un circuit d'autocorrélation de détection de défaut d'amorçage.