Brevet FR2798526A1 — publié le 20010316

DECLENCHEUR ELECTRONIQUE AVEC DES MOYENS DE CORRECTION D'OFFSET L'invention concerne un déclencheur électronique comportant des moyens analogiques de mesure de signaux électriques, des moyens de conversion analogique-numérique ayant une entrée connectée aux moyens analogiques de mesure, des moyens de traitement numérique connectés aux moyens de conversion et réalisant des fonctions de protection, et des moyens de correction d'offset. De nombreux dispositifs de correction d'offset sont connus, notamment dans la mesure de signaux électriques alternatifs. Dans le brevet US 5.060.166, par exemple, le circuit de traitement numérique d'un dispositif de mesure utilise des couples d'échantillons décalés de 90 pour réaliser, en numérique, une correction d'offset. Ce type de correction est complexe dans la mesure où elle nécessite de lier la période d'échantillonnage à la fréquence du signal à mesurer et la mise en mémoire de quatre valeurs d'échantillons successifs. Dans d'autres dispositifs connus, chaque échantillon de mesure est associé à une mesure d'offset, par mise à zéro périodique, à la fréquence d'échantillonnage, de l'entrée de la voie de mesure analogique, en amont du convertisseur analogique-numérique . Le circuit de traitement soustrait, pour chaque échantillon, la valeur de l'offset mesuré à la valeur de l'échantillon. Ce type de correction ralentit la conversion car le convertisseur analogique/numérique doit, pour chaque échantillon, convertir à la fois l'échantillon et la valeur d'offset associée. L'invention a pour but de réaliser une correction d'offset plus particulièrement adaptée à son utilisation dans un déclencheur électronique et ne présentant pas les inconvénients des dispositifs de correction connus. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les moyens de correction d'offset comportent des moyens de filtrage numérique de type passe-haut , dans les moyens de traitement numérique en sortie des moyens de conversion, et des moyens d'initialisation des moyens de filtrage numérique assurant, pendant une phase d'initialisation, la mise à la masse de l'entrée des moyens de conversion, la mise en mémoire du signal de sortie des moyens de conversion et la mise à zéro de la valeur correspondante de sortie des moyens de filtrage numérique. Selon un développement de l'invention les moyens de filtrage numérique effectuent, pour chaque échantillon Ei fourni par les moyens de conversion, le calcul d'une valeur Si de sortie, selon l'équation Si = Si-, - a Si-, + Ei- Ei_1 dans laquelle i correspond au rang de l'échantillon considéré, a est une constante, fonction de la période d'échantillonnage des signaux à mesurer et de la fréquence de coupure des moyens de filtrage numérique, Sp=0 et Ep est la valeur du signal de sortie des moyens de conversion obtenue lors de l'initialisation. Le déclencheur peut comporter une pluralité de voies de mesure analogiques dont les sorties sont connectées à un multiplexeur, connecté à des moyens de conversion communs à toutes les voies de mesure, les moyens de traitement numérique commandant le multiplexeur pour mettre à zéro l'entrée des moyens de conversion pendant la phase d'initialisation. 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, sous forme de schéma-bloc, un déclencheur électronique selon l'invention, en phase d'initialisation. La figure 2 illustre, en fonction du temps, les formes d'onde du signal d'entrée E du circuit de traitement numérique d'un déclencheur selon la figure 1, du signal Sf de sortie d'un filtre passe-haut du circuit de traitement numérique et du signal S de sortie d'un tel filtre après initialisation conformément à l'invention. La figure 3 représente, en fonction de la fréquence F des signaux mesurés, le logarithme InG de la fonction de transfert du filtre numérique passe-haut. La figure 4 représente un mode particulier de réalisation d'un organigramme pouvant être utilisé dans un circuit de traitement numérique selon l'invention. La figure 5 illustre plus en détail les courbes E et S de la figure 2 à la mise en route du déclencheur. Le déclencheur électronique selon la figure 1 est destiné à la protection d'un réseau électrique triphasé avec neutre. Un transformateur de courant est associé à chaque conducteur, de phase et de neutre, du réseau. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 1 les transformateurs de courant 1 sont constitués par des tores de Rogowski fournissant des signaux représentatifs de la dérivée du courant à mesurer. Sur la figure 1, quatre voies de mesure analogiques sont représentées, chacune comportant un circuit intégrateur de type RC en parallèle sur l'enroulement secondaire du transformateur de courant correspondant . Une des extrémités de chaque enroulement secondaire est connectée à la masse.Les sorties des m vvv@v intégrateurs sont connectées à des entrées correspondantes d'un multiplexeur 2 destiné à connecter sélectivement la sortie de l'une des voies analogiques à l'entrée d'un circuit 3 de conversion analogique-numérique. La sortie du circuit 3 de conversion analogique-numérique est connectée à une entrée d'un circuit 4 de traitement numérique qui réalise diverses fonctions de protection, par exemple de type long retard ou court-retard et provoque, par l'intermédiaire d'un relais 5, l'ouverture des contacts 6 d'un disjoncteur en cas de surcharge et/ou de court-circuit. Le circuit de traitement numérique 4 contrôle également le multiplexeur 2. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, le circuit 3 de conversion analogique numérique comporte, en série, un amplificateur 7 et un convertisseur analogique-numérique 8.I1 fournit au circuit 4 de traitement numérique un signal E d'entrée représentatif du courant mesuré I (figure 2) sous la forme d'échantillons numériques Ei successifs. Le circuit 4 de traitement numérique assure la fonction d'un filtre passe-haut, dont la fonction de transfert est représentée à la figure 3, avec une fréquence de coupure Fc. La fréquence de coupure Fc doit être supérieure à la fréquence de variation de l'offset, qui est très faible, de l'ordre du mHz, et très inférieure à la fréquence (50 ou 60Hz) des signaux à mesurer. En pratique la fréquence de coupure est comprise entre 1 et 15Hz, de préférence de l'ordre de 4Hz. La fonction de filtrage numérique est réalisée conformément à l'équation Si = Si-1 - a Si-1 + Ei- Ei-1 (1) dans laquelle i, positif ou nul, est le rang de l'échantillon considéré, Ei un échantillon d'entrée fourni par le circuit 3 de conversion analogique-numérique, Si un échantillon de sortie du filtre passe-haut, et a une constante, fonction de la période d'échantillonnage des signaux à mesurer et de la fréquence (Fc) de coupure du filtre numérique. Dans un mode de réalisation préférentiel la constante a est donnée par a = 1 - e -T Pr avec T = période d'échantillonnage et T = 1 / (2 Tc FC) Les valeurs de T et T sont telles que le rapport T/T est très petit par rapport à 1 et que e T/T ;#:; 1 _ T/T. Une approximation de a peut en conséquence être donnée par a ;k# T/T. Le signal Sf de sortie du filtre ainsi obtenu est représenté à la figure 2. Il ressort clairement de cette figure que, lors de la mise en route du déclencheur, il faut un certain temps pour que l'offset soit supprimé. Le temps (plus de 5 périodes sur la figure 2) est fonction dé 1â vâleür de l'offset et augmente avec celle-ci. Or, plus les capteurs de courant, constitués sur la figure 1 par les transformateurs de courant 1, couvrent une gamme de courant large, plus l'offset augmente. Il est donc souhaitable de prendre des mesures pour supprimer ce délai de correction à la mise en route. Selon l'invention, le délai de correction est supprimé par une initialisation du filtre numérique à la mise en route du déclencheur. La phase d'initialisation comporte la mise à zéro de l'entrée du circuit 3 de conversion numérique-analogique. Comme représenté à la figure 1, ceci est réalisé par le multiplexeur 2, sous le contrôle du circuit 4 de traitement numérique. Le multiplexeur 2 comporte 4 entrées, 2a, 2b,2c et 2d, respectivement reliées à la sortie d'un intégrateur d'une des 4 voies de mesure analogique, et une entrée additionnelle 2e connectée à la masse. Il comporte une seule sortie 2f connectée à l'entrée du circuit 3 de conversion analogique-numérique. Sous le contrôle du circuit 4 de traitement numérique une des entrées peut être connectée temporairement à la sortie 2f. Pendant la phase d'initialisation l'entrée 2e est connectée à la sortie 2f par l'intermédiaire d'un interrupteur A comme représenté à la figure 1. Puis, classiquement, les entrées 2a à 2d sont successivement et cycliquement connectées à la sortie 2f, de manière à fournir au circuit 4 des mesures successives d'échantillons des courants à mesurer sur les 4 voies de mesure. Selon le mode particulier de réalisation d'un organigramme représente à la figure 4, le circuit 4 de traitement numérique commence la phase d'initialisation par une étape F1 dans laquelle le rang i de l'échantillon et la valeur So de l'échantillon de sortie sont mis à 0. Puis, dans une étape F2, l'interrupteur A est fermé, connectant la sortie 2f du multiplexeur 2 à son entrée 2e, c'est-à-dire mettant à la masse l'entrée du circuit 3 de conversion analogique-numérique. L'échantillon d'entrée converti Eo est lu et mis en mémoire pendant une étape F3, cette valeur correspondant à la valeur de l'offset pris en compte par la phase d'initialisation. Après ouverture de l'interrupteur A (étape F4), le rang i est incrémenté (i =1) dans une étape F5, puis le circuit 4 de traitement numérique, ayant terminé la phase d'initialisation, passe à une phase de traitement des échantillons Ei suivants. Les étapes F6 à F10 de la figure 4 correspondant à la phase de traitement des échantillons successifs d'une voie numérique. Le traitement des autres voies se fait de manière analogue, en parallèle. Un échantillon d'entrée Ei est lu et mis en mémoire (étape F6). Puis l'échantillon de sortie correspondant Si est calculé conformément à l'équation (1), dans une étape F7. Les fonctions de protection sont ensuite assurées (étapes F8) de manière classique, conduisant à une alarme et/ou un déclenchement en cas de surcharge ou de court-circuit. Puis (étape F9), les valeurs courantes des échantillons d'entrée et de sortie (Ei et Si) sont mises en mémoire dans des emplacements mémoire correspondant aux échantillons précédents Ei-1-Ei Si -1=Si Le rang i est ensuite incrémenté : i = i + 1 (étape F10). Puis, le circuit 4 de traitement numérique se reboucle sur l'étape F6 de lecture de l'échantillon suivant. Cette initialisation du filtre numérique permet une correction quasi-immédiate de l'offset, dès la mise en route du déclencheur, comme illustré par la courbe S de la figure 2. Comme représenté à la figure 5, pour un courant I à mesurer présentant un offset, à l'initialisation, l'entrée du circuit 3 étant mise à la masse, la valeur de l'échantillon Fo correspond à l'offset. La mise à zéro de la valeur correspondante So de l'échantillon de sortie provoque le décalage immédiat de la courbe S par rapport à la courbe E. Ensuite, lors de la mesure du premier échantillon E1, la valeur S1 calculée conformément à l'équation (1) est donnée par SI =So-ocSo+El-Eo=El-Eo=x La courbe S suit donc exactement la courbe E entre les échantillon So et S1, avec correction de l'offset. Le temps de réponse du filtre est donc très rapide après la phase d'initialisation. Les échantillons Si suivants, qui tiennent systématiquement compte des échantillons précédents d'entrée (Ei-1) et de sortie (Si-,) permettent automatiquement une compensation des variations ultérieures lentes, de l'offset. Ce traitement numérique de la correction d'offset est simple et très peu coûteuse par rapport à une correction de type analogique. De plus, grâce à l'initialisation du filtre numérique, le temps de réponse du filtre est très rapide après la phase d' initialisation. Dans le mode particulier de réalisation représenté à la figure 1, 4 voies de mesure sont connectées à un seul circuit 3 de conversion par l'intermédiaire d'un multiplexeur 2. L'initialisation de la correction d'offset est réalisée une seule fois, les mêmes valeurs initiales Eo et So=0 étant utilisées pour les 4 voies de mesure, la valeur Eo correspondant à la mise à la masse de la sortie 2f du multiplexeur 2. Or, en pratique, toutes les voies de mesure n'ont pas forcément le même offset, notamment en raison de la présence éventuelle de diodes de protection en amont du multiplexeur. Il est possible à l'initialisation, de faire une mesure indépendante de l'offset pour chaque voie en mettant à la masse non pas la sortie 2f du multiplexeur, mais l'entrée de la chaîne analogique correspondante. Cependant, ceci nécessite une commande non seulement du multiplexeur mais également d'interrupteurs disposés en amont de celui-ci dans chaque voie de mesure. De plus, la réalisation de 4 mesures d'offset distinctes à la mise en route du déclencheur prend du temps, réduisant d'autant l'avantage lié à l'initialisation du filtre numérique. La correction d'offset décrite ci-dessus s'applique de la même manière à la mesure de courants et de tensions. REVENDICATIONS 1.- Déclencheur électronique comportant des moyens (1,R,C) analogiques de mesure de signaux électriques, des moyens (3) de conversion analogique-numérique ayant une entrée (2f) connectée aux moyens analogiques de mesure, des moyens (4) de traitement numérique connectés aux moyens de conversion (3) et réalisant des fonctions de protection, et des moyens de correction d'offset, déclencheur caractérisé en ce que les moyens de correction d'offset comportent des moyens de filtrage numérique de type passe- haut , dans les moyens (4) de traitement numérique en sortie des moyens de conversion (3), et des moyens d'initialisation des moyens de filtrage numérique assurant, pendant une phase d'initialisation (F1-F4), la mise à la masse de l'entrée (2f) des moyens de conversion (3), la mise en mémoire du signal de sortie (Eo) des moyens de conversion et la mise à zéro de la valeur (SD) correspondante de sortie des moyens de filtrage numérique. 2.- Déclencheur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtrage numérique effectuent, pour chaque échantillon Ei fourni par les moyens de conversion (3), le calcul d'une valeur Si de sortie, selon l'équation Si = Si-, - a Si-, + Ei- Ei_1 dans laquelle i correspond au rang de l'échantillon considéré, a est une constante, fonction de la période d'échantillonnage (T) des signaux à mesurer et de la fréquence de coupure (Fc ) des moyens de filtrage numérique, So=0 et Eo est la valeur du signal de sortie des moyens de conversion (3) obtenue lors de l'initialisation. 3.- Déclencheur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de voies de mesure analogiques dont les sorties (2a,2b,2c,2d) sont connectées à un multiplexeur(2), connecté à des moyens de conversion (3) communs à toutes les voies de mesure, les moyens de traitement numérique (4) commandant le multiplexeur (2) pour mettre à zéro l'entrée (2f) des moyens de conversion (3) pendant la phase d'initialisation.