Brevet FR2777384A1 — publié le 19991015

La présente invention concerne un dispositif de contrôle d'une électrovanne pulsée pour circuit de fluide, notamment gazeux. L'invention s'applique plus particulièrement aux électrovannes pulsées utilisées dans les appareils domestiques à gaz tels que les appareils de cuisson et de chauffage à gaz, pour réguler le débit de gaz amené aux brûleurs et ainsi contrôler la puissance de chauffe. On appelle ici électrovanne pulsée, un dispositif comportant un électro-aimant parcouru par un courant appellé ici courant de bobine, le courant permettant d'entraîner le déplacement d'un noyau et commandant ainsi l'ouverture ou la fermeture de la vanne; le mode pulsé étant le mode de fonctionnement dans lequel la vanne est soit ouverte, soit fermée (pas de positions intermédiaires), I'ouverture de la vanne se faisant périodiquement, en fonction d'une tension électrique de commande qui assure le pilotage de l'électrovanne. La tension de commande est rectangulaire, de rapport cyclique (rapport entre la durée d'une impulsion et la période du cycle) variable et de fréquence donnée. Le débit du fluide, notamment du gaz, en sortie de vanne est proportionnel au rapport d'ouverture, rapport entre le temps d'ouverture de la vanne par période du cycle d'ouverture et ladite période, et donc à la valeur du rapport cyclique de la tension de commande. Un exemple de réalisation d'une telle électrovanne est décrite dans le brevet EP 790 449 A2. Ces électrovannes fonctionnent à des cadences relativement élevées, typiquement de 20 à 50 Hz. En outre, les variations de débit du fluide demandées peuvent être importantes; c'est le cas par exemple dans les applications domestiques tels que les appareils de cuisson à gaz o les variations de débits peuvent être d'un facteur 30, par exemple. Dans ce cas, les valeurs du rapport cyclique du signal de commande présentent aussi de fortes variations. Il est donc nécessaire, pour avoir une bonne maîtrise du rapport d'ouverture de la vanne, c'est à dire un rapport d'ouverture qui reste proportionnel au rapport cyclique de la tension de commande, que le courant de bobine présente une réponse à la tension de commande reproductible, d'une électrovanne à l'autre et en fonction du temps. Or l'électrovanne se comporte comme un circuit électrique présentant en série une inductance (celle de la bobine de l'électro-aimant) et une résistance, la résistance de pertes du circuit. Il présente une constante de temps électrique égale au rapport de la valeur de la résistance et de celle de l'inductance. La force qui s'exerce sur le noyau dépend du courant de bobine. Or l'évolution de ce courant en régime stationnaire comme en régime transitoire dépend des valeurs d'inductance et/ou de résistance. Ainsi, la réponse du courant de bobine à la tension de commande et donc le rapport d'ouverture de la vanne peuvent varier d'une électrovanne à l'autre en fonction des tolérances sur les composants spécifiées par le constructeur. D'autre part, l'évolution du courant de bobine en fonction du temps est sensible aux paramètres extérieurs, notamment la température, qui peuvent modifier les caractéristiques électriques, en particulier la valeur de la résistance de pertes. C'est tout particulièrement le cas dans les appareils de cuisson à gaz dans lesquels il peut y avoir de fortes variations de température. Une facon de contrôler le courant de bobine consisterait à asservir le courant sur la tension de commande au moyen d'une chaîne d'asservissement. Dans ce cas, on observe un bon contrôle de la valeur du courant en régime stationnaire, mais la constante de temps électrique de l'électrovanne et donc l'évolution temporelle du courant de bobine en régime transitoire restent dépendantes des fluctuations des composants. Une façon assez naturelle de réduire cette dépendance consiste alors à diminuer fortement le rapport entre la constante de temps de l'électrovanne et la période d'un cycle. Ainsi, même s'il y a des fluctuations sur la constante de temps, la proportionnalité sera sensiblement maintenue entre le rapport d'ouverture de la vanne et le rapport cyclique de la tension de commande. Cependant, les caractéristiques électriques de l'électrovanne, ainsi que leurs tolérances et leurs variations avec les paramètres extérieurs sont des données constructeur figées que l'on ne peut modifier. D'autre part, en particulier dans les applications domestiques, on est obligé de maintenir une fréquence de la tension de commande assez élevée et donc une période courte pour éviter les battements de flamme, c'est à dire les extinctions de la flamme dues à des coupures momentanées du gaz. Pour garantir une bonne maîtrise du rapport d'ouverture de la vanne en fonction de la tension de commande, la présente invention propose, contrairement à la solution préalablement envisagée, d'asservir le courant de bobine non pas directement sur la tension de commande rectangulaire mais sur une tension dite tension de consigne, de telle sorte que le courant de bobine devienne indépendant des caractéristiques électriques de l'électrovanne, même en régime transitoire. Pour ce faire, la tension de consigne est obtenue au moyen d'un circuit électrique dont la constante de temps est supérieure à celle de l'électrovanne, par exemple un circuit comportant une résistance en série et une capacité en dérivation, les valeurs de ces composants devant être choisis en fonction des caractéristiques électriques de l'électrovanne. Ainsi, I'invention propose un dispositif de contrôle d'une électrovanne pulsée pour circuit de fluide, I'électrovanne comportant un électroaimant parcouru par un courant de bobine, ledit courant entraînant l'ouverture ou la fermeture de la vanne, l'électrovanne étant caractérisée par une constante de temps électrique dont la valeur maximale est déterminée en fonction des variations maximales des caractéristiques électriques de ladite électrovanne. Le dispositif, recevant une tension électrique de commande, rectangulaire, sensiblement périodique, de rapport cyclique variable, permettant le contrôle de l'électrovanne en mode pulsé, est caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique de transformation de la tension de commande en une tension de consigne, ledit circuit présentant une constante de temps supérieure ou égale à la constante de temps maximale de l'électrovanne, et une chaîne d'asservissement du courant de bobine à la tension de consigne, rendant le courant de bobine et donc le rapport d'ouverture de la vanne sensiblement indépendants des caractéristiques électriques de l'électrovanne. Ainsi, le rapport d'ouverture de la vanne, et donc le débit du fluide, deviennent quasiment insensibles à d'éventuelles variations des caractéristiques électriques de l'électrovanne. Les tolérances sur le dispositif global se réduisent à celles du circuit de transformation du signal de commande en signal de consigne, tolérances que l'on peut parfaitement contrôler. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées qui représentent: - figure l a, un schéma d'une électrovanne pulsée selon l'art antérieur, - figure 1 b, un diagramme de fonctionnement d'un dispositif selon le figure l a, - figure 2a, un exemple de dispositif selon l'invention, - figure 2b, un diagramme de fonctionnement d'un dispositif selon le figure 2a. La figure la représente de façon très schématique une électrovanne pulsée selon l'art antérieur, utilisée pour un circuit de gaz, par exemple dans un appareil de cuisson domestique. L'électrovanne EV comporte un électro- aimant EA contenant une bobine qui, parcouru par un courant de bobine ib permet d'attirer un noyau N, ce qui entraîne l'ouverture de la vanne V du circuit de gaz. Lorsque le courant de bobine diminue, le noyau est libéré grâce à l'action d'un ressort (non représenté), ce qui entraîne la fermeture de la vanne. L'électrovanne est schématisée électriquement par la bobine, d'inductance L, en série avec une résistance Rp de valeur rp, correspondant à la résistance de pertes de l'électrovanne. L'électrovanne est pulsée, c'est- à-dire qu'elle fonctionne en tout ou rien, alternant de façon périodique les positions ouverte et fermée. Le débit de gaz dans le circuit est proportionnel au temps d'ouverture de la vanne par période d'ouverture. L'électrovanne est commandée par une tension de commande Ucd, par exemple délivré par un microcontroleur, rectangulaire, de rapport cyclique variable et de fréquence donnée. Un exemple de tension de commande est représenté sur la figure 1lb pour une période Tp donnée et un rapport cyclique donné. On souhaite que le temps d'ouverture de la vanne par période d'ouverture soit proportionnel au rapport cyclique de la tension de commande. Or l'électrovanne se comportant comme un circuit électrique r, L en série soumis à une tension de commande rectangulaire, le courant de bobine ib, lorsque la tension de commande passe de 0 à une valeur maximale Umax, croît avec une constante de temps rp/L vers une valeur stationnaire Umax/rp. Lorsque la tension de commande passe de Umax à 0, le courant ib décroît avec la même constante de temps. Les caractéristiques électriques rp et L de l'électrovanne sont des données constructeur que l'on ne peut contrôler. Or, ces caractéristiques peuvent varier avec certaines tolérances d'une électrovanne à l'autre. Pour une même tension de commande, les réponses de deux électrovannes peuvent être différentes et le débit de gaz, donc la puissance de chauffe pour une commande donnée varier d'un appareil à l'autre. D'autre part, les caractéristiques électriques de l'électrovanne peuvent varier avec certains paramètres extérieurs. En particulier, la valeur de la résistance de pertes Rp est particulièrement sensible aux variations de température qui peuvent être conséquentes dans un appareil de cuisson. Sur la figure lb sont représentées, pour deux valeurs de température T1 et T2, l'évolution du courant de bobine en fonction du temps, respectivement, ib(T1), en pointillé sur la figure et ib(T2) en trait plein. Les valeurs stationnaires des courants de bobine, comme les valeurs des constantes de temps varient entraînant des écarts conséquents sur les rapport d'ouverture de la vanne pris pour les deux températures Tl et T2. Ces écarts sont schématisés sur la figure 1 b en représentant respectivement en pointillé et en trait plein la position ouverte ou non de la vanne en fonction du temps. D'une façon générale, pour une électrovanne donnée, on peut définir une constante de temps maximale de l'électrovanne qui tienne compte à la fois des tolérances sur les caractéristiques électriques indiquées par le fournisseur et des variations de ces caractéristiques en fonction de l'environnement. L'invention propose, pour remédier au manque de fiabilité de la réponse de l'électrovanne à la tension de commande, un dispositif de contrôle comportant un circuit électrique de transformation de la tension de commande en une tension de consigne Usg, ce circuit présentant une constante de temps supérieure ou égale à la constante de temps maximale de l'électrovanne et une chaîne d'asservissement du courant de bobine à la tension de consigne. Ainsi, on impose au circuit r,L schématisant l'électrovanne une constante de temps supérieure à sa constante de temps intrinsèque et le courant dans la bobine n'évolue plus librement; il ne dépend donc plus des variations des valeurs rp de la résistance de pertes ou L de l'inductance. Un exemple de dispositif de contrôle de l'électrovanne selon l'invention est schématisé sur la figure 2a. Un circuit électrique CT transforme la tension de commande Ucd en tension de consigne Usg. L'asservissement du courant de bobine ib sur la tension de consigne se fait de manière classique. Par exemple, un comparateur 21 fait la différence entre la tension de consigne Usg et une tension de contrôle Uc prise aux bornes d'une résistance de shunt 23, telle que la tension de contrôle soit proportionnelle au courant de bobine. La différence de tension E en sortie du comparateur est alors amplifiée au moyen d'un amplificateur 22. Le gain G de l'amplificateur est positif, la tension amplifiée Ua délivrée en sortie de l'amplificateur étant alors du même signe que la différence de tension s. La tension Ua est appliquée aux bornes de l'électrovanne, faisant ainsi évoluer le courant de bobine ib dans le sens qui tend à annuler la différence de tension c en sortie du comparateur 21. Comme la constante de temps du circuit de transformation CT est supérieure ou égale à la constante de temps maximale de l'électrovanne, le courant ib suit la tension de consigne, à la constante de proportionnalité liée à la résistance de shunt près. Par exemple, si l'on considère un lot d'électrovannes utilisées dans des appareils domestiques de cuisson au gaz, la constante de temps du circuit CT peut être choisie avec une marge sur la constante de temps maximale moyenne des électrovannes pour que toutes présentent une réponse identique à un signal de commande donné. Les variations sur le fonctionnement du système global comprenant l'électrovanne et le dispositif de contrôle sont alors données par le circuit de transformation CT qui est parfaitement maîtrisé. Les composants électriques dont il est formé peuvent être sélectionnés pour présenter des tolérances et des variations avec l'environnement compatibles avec l'erreur admissible sur I'évolution temporelle du courant de bobine. Le circuit de transformation peut également être éloigné des zones dans lesquelles les variations des paramètres extérieurs, comme la température, sont les plus importantes. Comme cela est représenté sur la figure 2a, le circuit de transformation CT peut par exemple comporter une résistance 24 en série et une capacité 25 en dérivation, la tension de commande Ucd étant appliquée à l'entrée du circuit de transformation à la résistance 24 et la tension de consigne USg étant prise aux bornes de la capacité 25. La figure 2b montre un exemple de fonctionnement dans un tel dispositif. Dans ce cas, la tension de consigne Usg (en pointillé sur la figure) présente par rapport à la tension de commande Ucd (en trait plein) une constante de temps égale au produit des valeurs de la résistance 24 et de la capacité 25. La tension Usg est donc périodique avec une période identique à celle du signal de commande (Tp) et le courant de bobine ibass asservi sur la tension de consigne est proportionnel à celle-ci. Sur la figure 2b sont représentées les évolutions du courant de bobine lorsque celui- ci est asservi sur la tension de consigne (ibass, en trait plein) et si celui-ci était asservi directement sur la tension de commande (ib, en pointillé). Dans ce dernier cas, la constante de temps est plus courte, mais comme cela a été expliqué, elle peut varier car elle dépend des caractéristiques électriques de l'électrovanne. Dans le premier cas, la lo constante de temps est plus grande mais parfaitement maîtrisée. Ainsi, après avoir ajusté la valeur du rapport de proportionnalité entre la tension de contrôle Uc et le courant de bobine, peut-on contrôler le temps d'ouverture de la vanne par période d'ouverture en fonction du rapport cyclique de la tension de commande, comme cela est représenté sur la figure 2b. D'autres circuits de transformation sont envisageables. En particulier, la forme du signal de consigne peut être quelconque du moment que les constantes de temps soient supérieures à celle de l'électrovanne afin que le système global ayant été dimensionné pour régler le rapport d'ouverture de la vanne, celui-ci reste sensiblement proportionnel au rapport cyclique de la tension de commande, quelles que soient les variations des caractéristiques électriques de l'électrovanne. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de contrôle d'une électrovanne pulsée (EV) pour circuit de fluide, I'électrovanne comportant un électro-aimant (EA) parcouru par un courant de bobine (ib), ledit courant entraînant l'ouverture ou la fermeture de la vanne (V) de l'électrovanne, l'électrovanne étant caractérisée par une constante de temps électrique dont la valeur maximale est déterminée en fonction des variations maximales des caractéristiques électriques de ladite électrovanne, le dispositif, recevant une tension électrique de commande (Ucd), rectangulaire, sensiblement périodique, de rapport cyclique variable, permettant le contrôle de l'électrovanne en mode pulsé, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique de transformation (CT) de la tension de commande (Ucd) en une tension de consigne (Usg), ledit circuit présentant une constante de temps supérieure ou égale à la constante de temps maximale de l'électrovanne, et une chaîne d'asservissement du courant de bobine (ib) à la tension de consigne (Usg), rendant le courant de bobine et donc le rapport d'ouverture de la vanne sensiblement indépendants des caractéristiques électriques de l'électrovanne. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de transformation (CT) comporte une résistance (24) en série et une capacité (25) en dérivation, la tension de commande (Ucd) étant appliquée à l'entrée du circuit de transformation à ladite résistance et la tension de consigne (Usg) étant prise aux bornes de la capacité, les composants étant choisis selon leurs caractéristiques électriques afin que la constante de temps minimale du circuit de transformation soit supérieure ou égale à la constante de temps maximale de l'électrovanne. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chaîne d'asservissement comporte un comparateur (21) permettant de faire la différence (E) entre la tension de consigne (Usg) et une tension de contrôle (Uc) prise aux bornes d'une résistance de shunt (23), telle que la tension de contrôle soit proportionnelle au courant de bobine (lb), et un amplificateur (22), recevant du comparateur la différence des tensions et délivrant une tension amplifiée (Ua) de même signe que celle de la différence de tension en sortie du comparateur, la tension amplifiée étant appliquée aux bornes de l'électrovanne, faisant évoluer le courant de bobine dans le sens qui tend à annuler la différence de tension en sortie du comparateur.