Brevet FR2835061A1 — publié le 20030725

La présente invention se rapporte à un procédé de détermination de la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe d'un électroaimant, dans un appareil interrupteur électromagnétique de puissance doté d'un ou plusieurs pôles de puissance, en particulier dans un contacteur ou un contacteur-disjoncteur. L'invention concerne également un appareil interrupteur capable de mettre en oeuvre un tel procédé. Un appareil interrupteur comprend un électroaimant de commande pour ouvrir et fermer des contacts appartenant à un ou plusieurs pôles de puissance. Cet électroaimant comporte généralement une culasse fixe et une armature qui est mobile par rapport à la culasse fixe, formant ainsi un circuit magnétique déformable présentant un entrefer variable. La position fermée correspond habituellement au minimum de l'entrefer existant entre l'armature mobile et la culasse fixe et la position ouverte correspond au maximum de l'entrefer. L'électroaimant possède également une bobine d'excitation électromagnétique dans laquelle peut circuler un courant d'excitation qui crée alors un champ magnétique entraînant un déplacement de l'armature mobile. Il serait particulièrement intéressant de connaître de manière simple et en temps réel la position relative de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe durant les mouvements d'ouverture et de fermeture. En effet, plusieurs applications pourraient utiliser cette information. On pourrait par exemple ajuster au mieux le courant bobine en fonction de cette position, pour optimiser ce courant. On pourrait aussi surveiller dans le temps l'évolution de l'usure des contacts d'un appareil interrupteur et ainsi estimer leur durée de vie résiduelle. Le document FR9603028 décrit déjà une méthode de mesure de la position d'un noyau mobile d'un électroaimant à partir de la mesure de la tension et du courant circulant dans la bobine d'excitation de cet électroaimant. Cependant, dans cette méthode, on fait l'hypothèse que l'inductance du circuit magnétique est constante lorsque le circuit magnétique est en position ouverte et en position fermée, c'est-à-dire que l'on fait notamment l'hypothèse que le circuit magnétique est saturé en position fermée. Or, dans beaucoup d'appareils interrupteurs de type contacteur ou contacteurdisjoncteur, le circuit magnétique n'est pas complètement saturé en position fermée, de façon à garder une force d'attraction importante, ce qui fait que l'inductance en position fermée n'est pas constante mais varie largement en fonction du courant circulant dans la bobine d'excitation. C'est pourquoi, une telle méthode n'est alors pas adaptée. L'invention a donc pour but de proposer un procédé de détermination de la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe de l'électroaimant ne présentant pas les inconvénients cités. Ce procédé doit être simple pour pouvoir s'implanter facilement dans des appareils interrupteurs de petite taille et doit pouvoir s'adapter à différents types d'électroaimants. Pour cela, dans un appareil interrupteur comprenant un électroaimant de commande muni d'une armature mobile, d'une culasse fixe et d'une bobine d'excitation, on calcule l'inductance du circuit magnétique de l'électroaimant, à partir d'une mesure de la tension et du courant circulant dans la bobine d'excitation. L'invention se caractérise par le fait que l'on détermine ensuite la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe, à partir d'une courbe de surface donnant l'entrefer E de l'électroaimant en fonction de l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et du courant 1 circulant dans la bobine. Selon une caractéristique, la courbe de surface est mémorisée dans des moyens de mémorisation de l'appareil interrupteur sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de valeurs de l'entrefer E de l'électroaimant, de l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et du courant 1 circulant dans la bobine. Selon une autre caractéristique, la courbe de surface est également mémorisée dans des moyens de mémorisation de l'appareil interrupteur sous forme d'une ou plusieurs équations calculant l'entrefer E de l'électroaimant en fonction de l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et du courant 1 circulant dans la bobine. L'invention décrit également un appareil interrupteur pour la mise en oeuvre du procédé, comprenant un électroaimant de commande muni d'une armature mobile, d'une culasse fixe et d'une bobine d'excitation. Il se caractérise par le fait qu'il comporte une unité de traitement capable de recevoir un signal représentatif de la tension U aux bornes de la bobine d'excitation, de recevoir un signal représentatif du courant 1 circulant dans la bobine d'excitation, de calculer l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et de déterminer la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe à partir d'une courbe de surface donnant l'entrefer E de l'électroaimant en fonction de l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et du courant 1 circulant dans la bobine. L'appareil interrupteur comporte des moyens de mémorisation, reliés à l'unité de traitement, qui mémorisent la courbe de surface sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de valeurs de l'entrefer E de l'électroaimant, de l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et du courant 1 circulant dans la bobine. Les moyens de mémorisation peuvent aussi mémoriser la courbe de surface sous forme d'une ou plusieurs équations calculant l'entrefer E de l'électroaimant en fonction de l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et du courant 1 circulant dans la bobine. Ainsi, l'unité de traitement est alors capable d'asservir le courant 1 circulant dans la bobine d'excitation à partir de la position calculée de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe. De même, l'unité de traitement est capable de déterminer une information relative à l'usure des contacts à partir de la position calculée de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par la figure 1 annexée qui montre une courbe de surface représentant l'entrefer d'un électroaimant en fonction de l'inductance de la bobine de l'électroaimant et du courant circulant dans la bobine de l'électroaimant. Dans le mode de réalisation présenté, un appareil interrupteur de type contacteur ou contacteur-disjoncteur permet de commuter une charge électrique à commander, tel qu'un moteur électrique. II possède de façon connue un ou plusieurs pôles de puissance ayant chacun un ou plusieurs contacts fixes coopérant avec un ou plusieurs contacts mobiles pour effectuer cette commutation. Un électroaimant de commande permet d'ouvrir et de fermer les contacts des différents pôles de puissance. La position fermée signifie que les contacts mobiles sont plaqués sur les contacts fixes et la position ouverte signifie que les contacts mobiles sont séparés des contacts fixes. L'électroaimant comporte un circuit magnétique déformable constitué d'une culasse fixe et d'une armature mobile qui coopère mécaniquement avec les contacts mobiles. La position fermée correspond au minimum de la valeur de l'entrefer E qui existe entre l'armature mobile et la culasse fixe et la position ouverte correspond au maximum de l'entrefer E. L'électroaimant comprend une bobine d'excitation électromagnétique dans laquelle peut circuler un courant d'excitation qui crée alors un champ magnétique entraînant le mouvement de fermeture de l'armature mobile. La bobine est alimentée soit en courant continu, soit en courant alternatif. Selon une première variante, l'électroaimant est monostable et le mouvement inverse d'ouverture de l'armature mobile est alors engendré par un système de rappel, tel qu'un ressort de rappel par exemple. Selon une seconde variante, l'électroaimant est bistable et le mouvement d'ouverture de l'armature mobile est alors engendré par le passage dans la bobine d'un courant d'excitation inverse. L'appareil interrupteur comporte une unité de traitement ainsi que des moyens de mémorisation internes reliés à l'unité de traitement. Cette unité de traitement est par exemple du type microcontrôleur ou microprocesseur et peut être implantée dans un circuit intégré, par exemple de type ASIC, monté sur un circuit imprimé à l'intérieur de l'appareil interrupteur. Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de traitement est un processeur dédié au traitement du signal, tel qu'un processeur DSP. Une fréquence d'échantillonnage du processeur de l'ordre de 20 KHz donne des résultats satisfaisants dans le cadre de cette invention. Les moyens de mémorisation sont constitués par exemple d'une mémoire non-volatile de type EEPROM et sont avantageusement implantés dans le même circuit intégré que l'unité de traitement, permettant ainsi d'optimiser les dimensions du circuit imprimé. L'appareil interrupteur dispose également de moyens classiques de mesure de la tension U aux bornes de la bobine de l'électroaimant et de mesure de l'intensité du courant d'excitation 1 circulant dans la bobine. Ces moyens de mesure génèrent des signaux représentatifs respectivement de la tension U et du courant 1 qui sont reçus par l'unité de traitement, après numérisation et échantillonnage. A partir de ces valeurs mesurées de la tension U et du courant t, l'unité de traitement de l'appareil interrupteur est capable de calculer à tout instant l'inductance H de la bobine de l'électroaimant, grâce à l'équation différentielle suivante : dans laquelle R représente la résistance électrique totale du circuit d'excitation de la bobine, incluant la résistance interne de la bobine et la résistance de mesure de la tension bobine. Dans cette équation, les pertes du champ magnétique dans l'électroaimant sont négligées. Par ailleurs, l'inductance H dépend également des caractéristiques intrinsèques du circuit magnétique de l'électroaimant ainsi que de l'entrefer E variable existant entre l'armature mobile et la culasse fixe. Ces caractéristiques englobent notamment des paramètres géométriques (forme, calibre, architecture de l'électroaimant) et des paramètres magnétiques (matériau (x) utilisé (s) dans l'électroaimant). Donc, pour un type d'électroaimant donné possédant des caractéristiques déterminées, on peut considérer que l'inductance H est fonction de l'entrefer E. D'autre part, comme le circuit magnétique d'un appareil interrupteur de type contacteur ou contacteur-disjoncteur n'est pas complètement saturé en position fermée, l'inductance H varie également largement en fonction du courant 1 circulant dans la bobine d'excitation. Cependant, cette variation est difficilement déterminable par un calcul simple car dépend des caractéristiques géométriques et magnétiques de l'électroaimant. C'est pourquoi, selon l'invention, le calcul de l'entrefer E est réalisé à partir d'une courbe de surface en trois dimensions donnant l'entrefer E en fonction de l'inductance H de la bobine et du courant 1 circulant dans la bobine, cette courbe de surface étant élaborée au préalable pour un type d'électroaimant donné. Un exemple d'une telle courbe de surface 10 est représenté en figure 1 pour un appareil interrupteur de type contacteur. Dans l'exemple de la figure 1, le courant 1 est exprimé en ampères, l'inductance H est exprimée en henrys et l'entrefer E est exprimé en millimètres, entre une valeur maximale d'environ six millimètres dans cet exemple, correspondant à la position ouverte, et une valeur minimale nulle, correspondant à la position fermée. On constate effectivement sur cette courbe de surface 10 que, quand l'électroaimant est en position fermée, il y a une influence importante de la saturation du matériau puisque l'inductance H varie sensiblement en fonction du courant 1 circulant dans la bobine. Par contre, en position ouverte, l'inductance est quasiment constante en fonction du courant 1 dans la bobine. Selon une première variante, la courbe de surface 10 est mémorisée dans les moyens de mémorisation internes de l'appareil interrupteur sous la forme d'un tableau de données comportant une pluralité de points, chaque point étant déterminé par une valeur du courant 1 et une valeur de l'inductance H auxquelles correspond une valeur représentant l'entrefer E de l'électroaimant. Ce tableau de données est utilisé par l'unité de traitement comme un abaque, c'est-à-dire que, après avoir reçu les signaux représentatifs du courant 1 et de la tension U, puis calculé l'inductance H au moyen de l'équation indiquée précédemment, l'unité de traitement détermine, pour chaque couple de valeurs de l'inductance H et du courant), une valeur correspondante de l'entrefer E mémorisée dans le tableau de données. Une fois l'entrefer E connu, l'unité de traitement peut instantanément en déduire la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe. Dans l'exemple de la figure 1, le courant 1 est mémorisé avec un pas de 0,005 ampères (sur une plage allant de 0 et 0,4 ampères environ) et l'inductance H est mémorisée avec un pas de 0,1 henrys (sur une plage allant de 1 et 7 henrys environ), on obtient alors une cartographie proche de 5000 points. En considérant une taille respective de un octet pour les trois valeurs numériques associées à chaque point, la taille globale d'un tableau de données est alors de l'ordre de 15 Koctets, donnant une précision satisfaisante pour le calcul de l'entrefer E, de l'ordre de 0,1 millimètres. Un tableau de données d'une telle taille est facilement implantable dans un circuit intégré de type ASIC par exemple, ce qui confère une très grande simplicité pour mettre en oeuvre) le procédé décrit dans l'invention. Néanmoins, il est évident que si les moyens de mémorisation sont capables de stocker un tableau plus important de données, on pourra augmenter le nombre de points et donc donner une précision meilleure dans la détermination de l'entrefer E. Cependant, le traitement d'un tableau de données important peut parfois être consommateur de temps pour l'unité de traitement, ce qui pourrait pénaliser ainsi les performances de l'appareil interrupteur. C'est pourquoi, selon une seconde variante plus analytique, la courbe de surface 10 est mémorisée dans les moyens de mémorisation internes de l'appareil interrupteur sous la forme d'une ou plusieurs équations de surface calculant l'entrefer E de l'électroaimant en fonction de l'inductance H de la bobine de l'électroaimant et du courant 1 circulant dans la bobine. Il est possible que plusieurs équations de surface soient nécessaires pour couvrir complètement la courbe de surface 10, chaque équation n'étant alors valide que sur une zone délimitée de la courbe de surface 10. Enfin on peut envisager de combiner les deux variantes de la façon suivante : l'unité de traitement utilise d'abord un tableau de données de petite taille pour déterminer une valeur approchée de l'entrefer E, correspondant à une zone délimitée de la courbe de surface 10, puis à l'intérieur de cette zone, l'unité de traitement affine le résultat obtenu en utilisant une équation de surface valide sur cette zone, comme par exemple une équation d'interpolation. Les valeurs permettant de constituer la courbe de surface 10 dépendent des caractéristiques intrinsèques de l'électroaimant et doivent donc être déterminées au préalable pour chaque type d'électroaimant. Ainsi, la courbe de surface 10 est stockée dans les moyens de mémorisation une seule fois, préférentiellement lors de la fabrication de l'appareil interrupteur. Sur la figure 1, est schématisée une courbe 20 qui donne un exemple simplifié de trajet de la course de fermeture de l'armature mobile d'un électroaimant sur une courbe de surface 10 correspondant à cet électroaimant. Dans cet exemple, en partant de la position ouverte, on constate d'abord une augmentation du courant 1 circulant dans la bobine sans modification de l'entrefer E. Cette zone correspond à une phase d'emmagasinage d'un nombre d'ampères-tours suffisant dans la bobine pour pouvoir faire décoller l'armature mobile. Une fois le mouvement de fermeture amorcé, l'entrefer E va diminuer engendrant ainsi une augmentation de l'inductance H de la bobine. Cette augmentation de l'inductance H va alors entraîner une diminution du courant 1. A l'approche de la position fermée, l'inductance H cesse d'augmenter et le courant 1 dans la bobine recommence à croître. Une courbe de même type, non représentée sur la figure 1, peut être obtenue pour le mouvement d'ouverture en particulier dans le cas de l'utilisation d'un électroaimant de type bistable. Une première application du procédé décrit dans l'invention consiste à effectuer le pilotage de l'électroaimant à partir de la connaissance de la position de l'armature mobile. Selon l'invention, l'unité de traitement est capable d'asservir l'intensité du courant circulant dans la bobine d'excitation à partir de la position calculée de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe. Pour cela, l'appareil interrupteur dispose de moyens de commande, pilotés par l'unité de traitement, qui sont capables de faire varier l'intensité du courant circulant dans la bobine d'excitation. Cet asservissement permet notamment d'augmenter l'intensité du courant 1 dans une zone correspondant à l'impact des contacts mobiles sur les contacts fixes des pôles de l'appareil interrupteur. Cet asservissement est d'autant plus intéressant que l'électroaimant est bistable puisqu'il est alors possible de piloter l'électroaimant durant les mouvements de fermeture et d'ouverture. Une autre application consiste à utiliser le procédé décrit en association avec une mesure du courant principal circulant dans un ou plusieurs pôles de l'appareil interrupteur, de façon à déterminer une information relative à l'usure des contacts de pôles. En effet, si l'on connaît l'instant d'impact de fermeture des pôles, correspondant à l'apparition d'un courant principal dans un ou plusieurs pôles, l'unité de traitement pourra alors facilement mémoriser à cet instant quelle est la position de l'armature mobile de l'électroaimant. En étudiant la dérive dans le temps de cette position d'impact des pôles, l'unité de traitement pourra évaluer l'usure des contacts de pôles, sous la forme d'une durée de vie résiduelle des contacts ou d'une information de fin de vie des contacts. La capacité à pouvoir déterminer l'usure réelle des contacts afin d'en déduire une durée de vie résiduelle apporte donc un atout appréciable dans le cas d'un appareil interrupteur réalisant un nombre important de manoeuvres de commutation puisqu'il permet d'alerter l'utilisateur au moment voulu et ainsi de prévenir des pannes ou des défauts susceptibles de survenir dans une installation d'automatisme. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la position d'une armature mobile par rapport à une culasse fixe, dans un appareil interrupteur qui comprend un électroaimant de commande muni d'une bobine d'excitation et d'un circuit magnétique comportant ladite culasse fixe et ladite armature qui est mobile entre une position fermée et une position ouverte, procédé dans lequel on calcule l'inductance (H) de la bobine d'excitation de l'électroaimant, à partir d'une mesure de la tension (U) et du courant (1) circulant dans la bobine d'excitation, caractérisé par le fait qu'on détermine la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe, à partir d'une courbe de surface (10) donnant l'entrefer (E) de l'électroaimant en fonction de l'inductance (H) de la bobine de l'électroaimant et du courant (1) circulant dans la bobine. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la courbe de surface (10) est mémorisée dans des moyens de mémorisation de l'appareil interrupteur sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de valeurs de l'entrefer (E) de l'électroaimant, de l'inductance (H) de la bobine de l'électroaimant et du courant (1) circulant dans la bobine. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la courbe de surface (10) est mémorisée dans des moyens de mémorisation de l'appareil interrupteur sous forme d'une ou plusieurs équations calculant l'entrefer (E) de l'électroaimant en fonction de l'inductance (H) de la bobine de l'électroaimant et du courant (1) circulant dans la bobine. 4. Appareil interrupteur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un électroaimant de commande muni d'une armature mobile, d'une culasse fixe et d'une bobine d'excitation, caractérisé par le fait qu'il comporte une unité de traitement capable de recevoir un signal représentatif de la tension (U) aux bornes de la bobine d'excitation, de recevoir un signal représentatif du courant (1) circulant dans la bobine d'excitation, de calculer l'inductance (H) de la bobine de l'électroaimant et de déterminer la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe à partir d'une courbe de surface (10) donnant l'entrefer (E) de l'électroaimant en fonction de l'inductance (H) de la bobine de l'électroaimant et du courant (1) circulant dans la bobine. 5. Appareil interrupteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de mémorisation, reliés à l'unité de traitement, qui mémorisent la courbe de surface (10) sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de valeurs de l'entrefer (E) de l'électroaimant, de l'inductance (H) de la bobine de l'électroaimant et du courant (1) circulant dans la bobine. 6. Appareil interrupteur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de mémorisation, reliés à l'unité de traitement, qui mémorisent la courbe de surface (10) sous forme d'une ou plusieurs équations calculant l'entrefer (E) de l'électroaimant en fonction de l'inductance (H) de la bobine de l'électroaimant et du courant (1) circulant dans la bobine. 7. Appareil interrupteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que les moyens de mémorisation sont constitués d'une mémoire non volatile de type EEPROM. 8. Appareil interrupteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la courbe de surface (10) est propre à un type d'électroaimant de commande donné et est mémorisée dans les moyens de mémorisation lors de la fabrication de l'appareil interrupteur. 9. Appareil interrupteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'unité de traitement et les moyens de mémorisation sont implantés dans un circuit intégré de l'appareil interrupteur. 10. Appareil interrupteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'unité de traitement est capable d'asservir le courant (1) circulant dans la bobine d'excitation à partir de la position calculée de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe. 11. Appareil interrupteur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'appareil interrupteur comporte des moyens de commande qui sont pilotés par l'unité de traitement pour délivrer le courant (1) circulant dans la bobine d'excitation. 12. Appareil interrupteur selon la revendication 5 ou 6, comportant au moins un pôle de puissance muni de contacts fixes et mobiles, caractérisé par le fait que l'unité de traitement est capable de déterminer une information relative à l'usure des contacts à partir de la position calculée de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe.