Brevet FR2802019A1 — publié le 20010608

L'invention concerne un relais de protection thermique destiné à protéger un appareil électrique, comportant des moyens de mesure d'un courant absorbé par l'appareil, des moyens de détermination d'une valeur représentative de l'image thermique de l'appareil en fonction de la valeur du courant mesuré, d'une valeur antérieure de l'image thermique et d'au moins une constante de temps prédéterminée, des moyens de détermination d'au moins un seuil de protection, des moyens de comparaison de la valeur représentative de l'image thermique avec le seuil de protection et des moyens de production d'un signal d'alarme et/ou de déclenchement lorsque la valeur représentative de l'image thermique excède le seuil de protection. Un tel relais 1 peut être utilisé pour la protection d'un moteur 2 (figure 1), d'un transformateur, d'une ligne électrique ou d'un banc de condensateurs. Comme représenté à la figure 1, des capteurs de courant 3 fournissent au relais 1 des signaux représentatifs du courant absorbé par le moteur 2. Le relais 1 calcule, à partir des courants mesurés, une valeur représentative de l'image thermique du moteur 2, c'est à dire représentative de l'échauffement du moteur. En cas d'échauffement trop important, dû par exemple à une surcharge et dépassant respectivement un seuil d'alarme Esa ou de déclenchement Esd, le relais 1 fournit un signal d'alarme ou de déclenchement. Le signal de déclenchement provoque l'ouverture de contacts 4 et l'interruption de l'alimentation du moteur 2. De manière classique, une valeur Ek de l'image thermique est calculée, à un instant t, selon l'équation: Ieq Ek = Ek-l + (eq t t -- -Ek-..-î- (1) dans laquelle: Ek- 1 est la valeur antérieure de l'image thermique, calculée à l'instant (t-At). 2 2802019 Ieq est un courant équivalent, représentatif du courant absorbé par le moteur et déterminé à partir des courants mesurés. Ib est le courant de base de l'appareil. c'est à dire le courant absorbé par l'appareil en fonctionnement nominal. T est la constante de temps de l'appareil à protéger. Classiquement, la constante de temps T peut prendre deux valeurs distinctes, une constante de temps d'échauffement Tl lorsque le moteur est en marche et une constante de temps de refroidissement T2, fournie par le fabricant, lorsque le moteur est à l'arrêt. De manière connue, le courant équivalent Ieq est calculé à partir des courants mesurés selon l'équation: 22 2 (2) leq 2=1i +KIinv2 (2) dans laquelle: I est le plus grand des courants efficaces (RMS) mesurés circulant dans des conducteurs de phase alimentant l'appareil inv est le courant inverse mesuré K est un coefficient réglable. Comme représenté à la figure 2 on peut ainsi définir des courbes de déclenchement temps/courant du relais à froid Cfl et à chaud Ccl (en pointillés). La courbe de déclenchement à froid Cfl définit le temps de déclenchement du relais de protection à partir d'un échauffement nul, conformément à l'équation Ieq 2 t = log tb) (3) (ieq 2 [b -Esd b dans laquelle Esd est le seuil de déclenchement. La courbe de déclenchement à chaud Cc 1 définit le temps de déclenchement de la protection à partir d'un échauffement nominal E=l, conformément à l'équation: Ileq _1 t l=og r b) (4) ieq 12 - r Je _ -Esd Pour un courant prédéterminé, supérieur à un courant maximal en régime établi, le temps de déclenchement à partir d'un état froid du moteur à protéger est supérieur à celui obtenu à partir d'un état chaud du moteur. A titre d'exemple, sur la figure 2. pour un courant Ieq/Ib=2, le temps de déclenchement du relais est de 665s à froid (point Ai) et de 70s à chaud (point A2). Les fabricants fournissent généralement des courbes de tenue thermique expérimentales de l'appareil, à chaud et à froid. Sur la figure 2, les courbes à chaud Cclin et à froid Cflm du moteur (en traits pleins) sont décalées vers le haut par rapport aux courbes associées Ccl et Cfl du relais. La protection du moteur correspondant est donc correctement assurée par le relais. Cependant, il arrive que les courbes de tenue thermique à chaud et à froid du moteur (Cc2m et Cf2m) soient beaucoup plus rapprochées que celles du relais (Cc2 et Cf2), comme représenté à la figure 3. Dans l'exemple représenté à la figure 3, pour un courant Ieq/Ib=2, le temps de tenue thermique à chaud du relais est de 250s (point A3), comme précédemment inférieur au temps de tenue thermique correspondant du moteur. Cependant, le temps de déclenchement à froid du relais est de 620s (point A4), supérieur au temps de tenue thermique à froid (point A5) du moteur. Le moteur n'est donc pas protégé correctement lorsqu'il subit une surcharge à partir d'un état froid, bien que le déclenchement à partir d'un état chaud reste assuré dans le temps nécessaire. En abaissant la constante de temps d'échauffement -ldu relais on peut décaler les deux courbes de déclenchement du relais vers le bas. Les nouvelles courbes à chaud Cc3 et à froid Cf3 ainsi obtenues sont alors toutes les deux situées au-dessous des courbes associées du moteur (Cc2m et Cf2m). Le nouveau temps de tenue thermique à froid (point A6) est alors inférieur au temps de tenue thermique à froid du moteur (point A5). Il en va de même du temps de tenue thermique à chaud (points A7 et A3). Cependant, l'abaissement de la courbe de déclenchement à chaud du relais peut poser des problèmes au démarrage. En effet, la courbe de déclenchement à chaud Cc3 du relais peut, comme représenté à la figure 3, croiser la courbe de démarrage du moteur. Sur la figure 3, deux courbes de démarrage Cdl et Cd2 sont représentées. Chacune de ces courbes représente la valeur du courant, en fonction du temps, au démarrage du moteur, respectivement pour un démarrage sous tension nominale Un (Cdl) et pour un démarrage sous une tension de 0,9Un (Cd2). La courbe de déclenchement à chaud Cc3 coupe la courbe de démarrage Cdl au point A8 et la courbe de démarrage Cd2 au point A9. Ainsi, en cas de démarrage à chaud, la valeur du courant est telle qu'elle provoque immédiatement un déclenchement, empêchant ainsi tout démarrage à chaud. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre en toutes circonstances une bonne protection thermique de l'appareil. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait qu'une image thermique initiale non nulle est prise en compte pour la détermination de l'image thermique, la valeur de l'image thermique initiale étant déterminée à partir de courbes de tenue thermique expérimentales de l'appareil. Selon un développement de l'invention, le seuil de protection étant un seuil de déclenchement, le temps de déclenchement à froid t du relais est donné par l'équation: (0 e)- E 0 t _ = log (5) le"q - Esd dans laquelle: T est la constante de temps du relais Ib est le courant de base de l'appareil Ieq est un courant équivalent représentatif du courant mesuré Eso est l'image thermique initiale Esd est le seuil de déclenchement L'image thermique initiale Eso0 est de préférence déterminée selon l'équation: =(r2 tr (r2_ 6 Es0 = Ir -e K. -1 Esd (6) dans laquelle: Ib est le courant de base de l'appareil Ir est un courant de réglage prédéterminé tr est un temps de déclenchement à froid désiré associé au courant de réglage Ir. T1 est une constante de temps d'échauffement, déterminée à partir d'une courbe de tenue thermique à chaud expérimentale de l'appareil. Le relais peut, de plus, comporter des moyens de mesure de la température ambiante et des moyens de correction de la valeur représentative de l'image thermique en fonction de la température ambiante mesurée. Selon un autre développement de l'invention, dans le cas d'un moteur, les constantes de temps, le seuil d'alarme et/ou de déclenchement et l'image thermique initiale constituant un jeu de paramètres du relais, le relais comporte des moyens de comparaison du courant mesuré et d'un seuil de courant représentatif d'un état bloqué du rotor du moteur et des moyens de sélection d'un premier jeu de paramètres lorsque le courant mesuré est inférieur au seuil de courant et d'un second jeu de paramètres lorsque le courant mesuré est supérieur au seuil de courant. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente, de façon très schématique, un relais de protection thermique d'un moteur selon l'art antérieur, dans lequel l'invention peut être mise en oeuvre. Les figures 2 et 3 représentent les courbes de tenue thermique temps/courant d'un moteur et d'un relais selon l'art antérieur, la figure 3 représentant en outre les courbes de démarrage du moteur. La figure 4 représente les courbes de démarrage d'un moteur ainsi que les courbes de tenue thermique du moteur et d'un relais selon l'invention. La figure 5 représente les variations, en fonctions du temps, de l'image thermique E en cas de surcharge, respectivement selon l'art antérieur et selon l'invention. Les figures 6 et 7 représentent un mode de réalisation particulier d'un organigramme pouvant être mis en oeuvre dans un relais selon l'invention. La figure 8 représente les courbes de tenue thermique d'un moteur, en fonctionnement normal et rotor bloqué, ainsi que les courbes de démarrage du moteur. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 4, les courbes de tenue thermique Cf2m et Cc2m du moteur, ainsi que les courbes de démarrage Cdl et Cd2 du moteur sont identiques à celles de la figure 3. La courbe de déclenchement à chaud du relais Cc2 qui ne coupe pas les courbes de démarrage Cdl et Cd2 du moteur, reste également inchangée. Par contre, la courbe de déclenchement à froid du relais Cf est modifiée, de manière à passer en dessous de la courbe Cf2m de tenue thermique à froid du moteur. A titre d'exemple, pour eq/Ib=2, le point A3 est inchangé et le point Ao10 de la courbe à froid Cf du relais est au- dessous du point A5 de la courbe à froid Cf2m du moteur. Ce résultat est obtenu par la prise en compte, lors du calcul de la valeur E représentative de l'image thermique, d'une image thermique initiale non nulle Eso. L'équation (3) donnant le temps de déclenchement à froid du relais est modifiée et remplacée par l'équation (5). Si Es0=0, on retrouve l'équation (3) classique de la courbe de déclenchement à froid. Par contre, si EsO=l on retrouve l'équation (4) classique de la courbe de déclenchement à chaud. La valeur de l'image thermique initiale Es0 est déterminée à partir de courbes de tenue thermique expérimentales de l'appareil. Cette valeur est comprise entre 0 et 1. A titre d'exemple, en se basant sur les courbes des figures 3 et 4, la valeur de l'image thermique initiale Es0 peut être déterminée de la manière suivante. La constante de temps de refroidissement Tr2 du moteur étant connue, on dispose, en outre, de courbes expérimentales à chaud Cc2m et à froid Cf2m du moteur et du courant maximal Imax en régime établi. A titre d'exemple, si Imax/lIb=l,1 on règle en conséquence le seuil de déclenchement Esd tel que Esd=(Imax/Ib)2 soit Esd=l,2. Un seuil d'alarme Esa peut être fixé à 0,9 par exemple. Pour déterminer la constante de temps d'échauffement T1 du relais on peut utiliser l'équation (4) correspondant à la courbe à chaud Cc2 du relais, dans laquelle le courant équivalent Ieq est remplacé par un courant de réglage Ir prédéterminé. On obtient ainsi une valeur tc/Tl, dans laquelle tc est le temps de déclenchement à chaud désiré associé au courant de réglage Ir. En pratique, on utilise de préférence des tables contenant les valeurs numériques de la courbe à chaud du relais. A titre d'exemple, pour Esd=1,2 et Ir/Ib=2 on obtient tc/T =0,069. Dans le mode de représentation de la figure 4, pour que le déclenchement ait lieu au point A3 pour lequel Ir/Ib=2 et tc=250s, compatible avec la tenue thermique à chaud du moteur (courbe Cc2m), on peut alors régler la constante de temps T1l à 29 minutes, correspondant à la courbe Cc2 de la figure 4. En utilisant l'équation (3) avec T=T1=29 minutes, Ieq/Ib=Ir/Ib=2 et Esd=l, 2, ou des tables correspondant à la courbe à froid Cf2 du relais, on obtient le temps de déclenchement à froid tf correspondant: tf/T'=0,3567, soit pour T1=29 min, tf=620s, correspondant au point A4 de la courbe Cf2 de la figure 3. Dans ce cas particulier, le point A4 est situé au-dessus du point A5 correspondant de la courbe à froid expérimentale Cf2m du moteur, ce qui ne permet pas une protection correcte du moteur. Pour cela, on modifie la courbe à froid du relais, en introduisant une image thermique initiale Es0 telle que le temps de déclenchement à froid tr désiré associé au courant de réglage Ir soit inférieur au temps de déclenchement associé au point A5 de la courbe à froid Cf2m du moteur. A titre d'exemple tr=500s, correspondant à un point Ao10 situé au-dessous du point A5 pour Ir/Ib=2 (fig. 4). Le calcul de Eso est effectué à partir de l'équation (6), qui se déduit de l'équation (5) dans laquelle t=--tr, T=rT, et Ieq=Ir. Dans l'exemple précité, avec tr=0Ss, IrIb=2, I1=29 minutes et Esd=1,2, on obtient Eso=0, 27. La courbe à froid Cf2 du relais (fig. 3) est ainsi déplacée vers le bas pour donner la courbe à froid Cf (fig. 4) compatible avec la tenue thermique du moteur, tandis que la courbe à chaud Cc2 du relais, elle même compatible avec la tenue thermique du moteur n'est pas modifiée. Sur la figure 5 sont représentées les variations de l'image thermique E en fonction du temps, conformément à l'équation (1) en cas de surcharge de l'appareil, le moteur 2 par exemple. Il est à noter qu'en cas de fonctionnement normal de l'appareil, sans surcharge, l'image thermique est limitée à sa valeur nominale 1. Dans un relais selon l'art antérieur, les variations de l'image thermique sont représentées par les courbes cl, partant de 1, si la mise en route de l'appareil se fait à chaud et c2 partant de 0 si la mise en route de l'appareil se fait à froid. Les temps de déclenchement correspondants, respectivement à chaud et à froid, sont indiqués en t1 et t2. L'introduction de l'image thermique initiale Eso modifie la courbe obtenue à partir d'un état froid, qui devient la courbe c3. Le temps de déclenchement à froid devient alors le temps t3, inférieur au temps t2, tandis que le temps de déclenchement à chaud, t1 n'est pas modifié. Le relais de protection 1 est de préférence un relais à microprocesseur dans lequel l'invention peut être mise en oeuvre au moyen d'un organigramme tel que décrit ci-dessous en référence aux figures 6 et 7. Dans une première étape F1 d'initialisation, l'indice k est mis à 1 et la valeur antérieure de l'image thermique Ek 1 prend la valeur Es0, la valeur Es0 ayant préalablement été déterminée comme indiqué ci-dessus à partir des courbes de déclenchement expérimentales de l'appareil. Puis, dans une étape F2, les courants I et Iinv sont mesurés. Le courant équivalent Ieq est ensuite calculé (étape F3) conformément à l'équation (2). Dans le cas d'un moteur, le courant équivalent est ensuite comparé à un seuil de courant Is représentatif d'un état bloqué du rotor du moteur. Si le courant équivalent Ieq n'est pas supérieur à Is (sortie NON de F4), le relais sélectionne (étape F5) un premier jeu de paramètres T1 T2 seuils d'alarme Esa et de déclenchement Esd, et image thermique initiale Eso, déterminés de la manière indiquée ci dessus pour tenir compte des courbes à froid Cf2m et à chaud Cc2m du moteur. Si le courant équivalent Ieq est supérieur à Is (sortie OUI de F4), le rotor du moteur est considéré par le relais comme étant bloqué et le relais sélectionne (étape F6) un second jeu de paramètres. En effet, lorsque le rotor d'un moteur est bloqué, son comportement thermique est très différent de celui qu'il a sous charge nominale. Dans ces conditions, le moteur peut être endommagé par une surchauffe soit du rotor soit du stator. Pour des moteurs de grande puissance, c'est souvent le rotor qui constitue le facteur limitant. Les paramètres choisis pour le fonctionnement normal du moteur (premier jeu de paramètres) ne sont plus valables. Parfois, le fabricant fournit des courbes à froid Cf3m et à chaud Cc3m (figure 8) du moteur lorsque le rotor est bloqué. Chaque courbe est formée, pour différentes tensions au démarrage du moteur, respectivement Un, 0,8Un et 0,65n sur la figure 8. L'évolution correspondante du 1l courant au démarrage est représentée à la figure 8 par les courbes de démarrage Cdl à Un, Cd3 à 0,8Un et Cd4 à 0,65Un. Un second jeu de paramètres peut être déterminé, de manière analogue au premier jeu, en prenant en compte les courbes Cc3m et Cf3m. On obtient ainsi de secondes valeurs des différents paramètres (T l, T2, Esa, Esd et Es0) qui sont pris en compte à l'étape F6 dans l'organigramme de la figure 6. La valeur du courant de seuil Is est de préférence égale à 80% du courant de démarrage. Après les étapes F5 ou F6, le relais passe à une étape F7 dans laquelle le courant équivalent Ieq est comparé à un autre seuil de courant, très faible, par exemple 0,lIb. Si le courant équivalent est supérieur ou égal à cet autre seuil de courant (sortie OUI de F7), le moteur est considéré comme étant en marche et, dans une étape F8, la constante d'échauffement T1 précédemment sélectionnée est affectée à la constante de temps T. Par contre, si le courant équivalent Ieq est inférieur à cet autre seuil de courant (sortie NON de F7), il est considéré comme nul et le moteur est considéré comme étant à l'arrêt. La constante de temps de refroidissement T2 est alors utilisée (étape F9) comme contante de temps T. Une nouvelle valeur Ek de l'image thermique est ensuite calculée, dans une étape F10, conformément à l'équation (1). Ensuite, dans une étape F11 (Fig. 7), la valeur de Ek est remplacée par la plus grande des valeurs Ek et Es0. Ainsi la valeur Ek ne peut jamais être inférieure à l'image thermique initiale Eso, même après une longue période d'arrêt du moteur. Dans un mode de réalisation préférentiel, une correction de l'image thermique est ensuite réalisée en fonction de la température ambiante (étapes F12 à F14). Pour cela, le relais comporte une sonde de mesure de température, fournissant (étape F12) une valeur 0a représentative de la température ambiante. La température maximale Omax des conducteurs de l'appareil à protéger étant connu, un facteur de correction fcor est calculé (étape F13) tel que: fr = Omax -40 C fcor - Mx-0C(7) Omax -On et fcor >1 Le facteur de correction est ensuite appliqué à la valeur de l'image thermique Ek pour fournir (étape F14) une image thermique corrigée Ec telle que: Ec=Ek.fcor. Les étapes F12 à F14 correspondent ainsi à une correction de la valeur de l'image thermique en fonction de la température ambiante. A titre d'exemple, la température maximale 0max peut être de 160 C. Si la température ambiante Oa est de 50 C, le facteur de correction fcor=120/11 10, supérieur à 1. Le facteur de correction augmente ainsi la valeur de l'image thermique lorsque la température ambiante excède une limite de température prédéterminée, 40 C dans l'exemple décrit, sans la modifier tant que la température ambiante reste inférieure à cette limite de température. La valeur de l'image thermique corrigée Ec est ensuite comparée au seuil d'alarme Esa (étape F15). Si Ec est supérieure au seuil d'alarme Esa (sortie OUI de l'étape F15), une alarme est déclenchée (étape F16), puis Ec est comparée au seuil de déclenchement Esd (étape F17). Si le seuil de déclenchement est dépassé (sortie OUI de F17), un signal de déclenchement est produit, provoquant l'interruption de l'alimentation de l'appareil. Lorsque les seuils d'alarme ou de déclenchement ne sont pas dépassés (sortie NON de F15 ou de F17), ainsi qu'après l'étape F18 de déclenchement, le relais passe à une étape F19, dans laquelle l'indice k est incrémenté (k=k+1), avant de revenir à l'étape F2 pour le calcul d'une nouvelle valeur de l'image thermique tenant compte de la valeur Ek_ 1 calculée précédemment qui est gardée en mémoire. REVENDICATIONS 1. Relais de protection thermique (1) destiné à protéger un appareil électrique (2) comportant des moyens (3) de mesure d'un courant absorbé par l'appareil, des moyens de détermination d'une valeur (Ek) représentative de l'image thermique de l'appareil en fonction de la valeur (Ieq) du courant mesuré, d'une valeur antérieure (EkI)de l'image thermique et d'au moins une constante de temps (Tl, 1'T2) prédéterminée, des moyens (F5, F6) de détermination d'au moins un seuil de protection (Esa, Esd), des moyens (F15, F17) de comparaison de la valeur (Ek) représentative de l'image thermique avec le seuil de protection et des moyens (F16, F18) de production d'un signal d'alarme et/ou de déclenchement lorsque la valeur représentative de l'image thermique excède le seuil de protection, relais caractérisé en ce qu'une image thermique initiale non nulle (Eso0) est prise en compte pour la détermination de l'image thermique, la valeur de l'image thermique initiale étant déterminée à partir de courbes de tenue thermique expérimentales (Cf2m, Cc2m; Cf3m, Cc3m) de l'appareil. 2. Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de protection étant un seuil de déclenchement, le temps de déclenchement à froid t du relais est donné par l'équation: t log = góIeq 2 [-- - Esd dans laquelle: T est la constante de temps du relais Ib est le courant de base de l'appareil Ieq est un courant équivalent représentatif du courant mesuré Eso0 est l'image thermique initiale Esd est le seuil de déclenchement 3. Relais selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'image thermique initiale EsO est déterminée selon l'équation: 2 tr F Eso = Ir - e t.[IIrl - Es] Ib LYb) dans laquelle: b est le courant de base de l'appareil Ir est un courant de réglage prédéterminé tr est un temps de déclenchement à froid désiré associé au courant de réglage Ir. Tl est une constante de temps d'échauffement, déterminée à partir d'une courbe de tenue thermique à chaud expérimentale de l'appareil. 4. Relais selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (F12) de mesure de la température ambiante (0a)et des moyens (F13, F14) de correction de la valeur (Ek) représentative de l'image thermique en fonction de la température ambiante mesurée. 5. Relais selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, l'appareil étant constitué par un moteur et les constantes de temps (t,1 t2), le seuil d'alarme (Esa) et/ou de déclenchement (Esd) et l'image thermique initiale (Eso0) constituant un jeu de paramètres du relais, le relais comporte des moyens (F4) de comparaison du courant mesuré (Ieq) et d'un seuil de courant (Is) représentatif d'un état bloqué du rotor du moteur et des moyens (F5, F6) de sélection d'un premier jeu de paramètres lorsque le courant mesuré (leq) est inférieur au seuil de courant (Is) et d'un second jeu de paramètres lorsque le courant mesuré (Ieq) est supérieur au seuil de courant (Is).