Brevet FR2901053A1 — publié le 20071116

Dispositif électronique de commande pour appareil électromagnétique La présente invention se rapporte à un dispositif électronique de commande pour la commande d'un appareil interrupteur électromagnétique monopolaire ou multipolaire, en particulier pour un appareil de type relais, contacteur ou contacteur-disjoncteur. Un tel dispositif peut être intégré directement dans un appareil interrupteur ou peut-être placé à l'extérieur d'un appareil interrupteur existant. Ces appareils interrupteurs utilisent habituellement un actionneur électromagnétique, comme un électroaimant, comportant une partie mobile qui peut se déplacer sous l'action d'un courant d'excitation circulant dans une bobine de commande. Suivant le type d'appareil, la bobine de commande peut appartenir ou non à la partie mobile de l'actionneur. La partie mobile de l'actionneur est mécaniquement liée à un ou plusieurs contacts mobiles par pôle. Le déplacement de cette partie mobile permet donc de plaquer ou de séparer ce ou ces contacts mobiles par rapport à des contacts fixes correspondants, pour fermer ou ouvrir un circuit électrique, appelé circuit électrique de puissance. Le courant d'excitation reçu par la bobine est généralement un signal de commande de type tout ou rien (0/1 ou ON/OFF), correspondant à un simple ordre de commande d'ouverture ou de fermeture des contacts du circuit de puissance. Cette solution simple et largement répandue ne permet cependant pas de faire varier et d'optimiser la force de déplacement appliquée à la partie mobile de l'actionneur lors de son déplacement. Les dimensions de l'actionneur doivent alors souvent être calculées sur la force de déplacement maximale nécessaire, ce qui entraîne une consommation élevée et/ou une taille importante de l'actionneur. Certains systèmes proposent déjà des moyens simples permettant de faire varier le courant d'excitation circulant dans la bobine entre deux valeurs, par exemple à l'aide d'une résistance commutable dans le circuit de commande bobine ou à l'aide d'une bobine comprenant deux enroulements de commande commutables en série ou en parallèle (voir document FR2807871) ou de deux bobines commutables. Cela permet notamment de différencier un courant d'excitation de fermeture important pour l'action de fermeture du circuit et un courant d'excitation de maintien plus faible pour le maintien de la partie mobile en position fermée. Cependant, ce type de système nécessite la présence de moyens de commutation dans le circuit de commande de la bobine et ne permet que des variations de courant très rudimentaires entre phase de fermeture et phase de maintien. Il existe aussi des systèmes qui fonctionnent en boucle fermée, notamment dans les documents FR2835061 ou W02005017933, dans lesquels on calcule ou on mesure la position de la partie mobile de l'actionneur pour faire varier la valeur du courant d'excitation envoyé dans la bobine. D'autres systèmes prévoient de mesurer le flux magnétique circulant dans la bobine pour permettre une régulation de ce flux magnétique (voir notamment EP0865660). Cependant, ces systèmes nécessitent des moyens pour mesurer en temps réel une grandeur déterminée (position, flux,...), ainsi que des moyens permettant d'effectuer une régulation du courant de commande de bobine à partir de cette mesure, ce qui peut entraîner des moyens électroniques importants et des coûts élevés. C'est pourquoi, l'invention a pour objectif de proposer un dispositif simple et économique de commande électronique fonctionnant en boucle ouverte pour un contrôle dynamique du mouvement de fermeture d'un actionneur électromagnétique. Avantageusement, ce dispositif simple ne nécessite aucun capteur ni prise d'informations sur l'appareil interrupteur, telle qu'un capteur de vitesse, de position, de déplacement, de flux magnétique, courant bobine ou autres. Il est donc également très facilement utilisable en association avec des appareils déjà existants de type relais, contacteur ou contacteur-disjoncteur. Un tel dispositif permettra d'améliorer sensiblement les performances et la durée de vie de ces nombreux appareils sans avoir besoin de les modifier. Il peut être utilisé avec différents types d'actionneurs électromagnétiques tels qu'un voice-coil à aimant permanent, ou un électroaimant réluctant polarisé ou non-polarisé. Pour cela, l'invention décrit un dispositif électronique de commande pour un appareil interrupteur, lequel comporte un actionneur électromagnétique doté d'une bobine de commande alimentée par un courant d'excitation pour fermer un circuit électrique de puissance. Selon l'invention, le dispositif de commande comprend une unité de mémorisation pour mémoriser au moins un profil de commande bobine, le profil de commande contenant une pluralité de valeurs représentatives du courant d'excitation en fonction du temps, et une unité de pilotage reliée à l'unité de mémorisation, recevant en entrée un ordre de fermeture externe et délivrant en sortie ledit courant d'excitation en suivant ledit profil de commande durant la fermeture du circuit de puissance. Selon une caractéristique, le dispositif est alimenté électriquement par l'ordre de fermeture externe, sans nécessiter d'autres sources d'alimentation. Selon une autre caractéristique, l'unité de mémorisation comporte une mémoire non volatile et mémorise plusieurs profils de commande. Le dispositif comprend des moyens de sélection reliés à l'unité de pilotage pour sélectionner un desdits profils de commande. Selon une autre caractéristique, le dispositif est intégré à l'intérieur de l'appareil interrupteur et l'ordre de fermeture externe est raccordé sur des bornes de commande bobine de l'appareil. Alternativement, le dispositif est placé à l'extérieur de l'appareil interrupteur et délivre le courant d'excitation sur des bornes de commande bobine de l'appareil. L'invention décrit aussi un appareil électrique interrupteur comprenant un actionneur électromagnétique doté d'une bobine de commande alimentée par un courant d'excitation pour fermer un circuit électrique de puissance, et intégrant un tel dispositif électronique de commande. 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 les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un exemple simplifié d'un mode de réalisation de l'invention avec un dispositif électronique de commande extérieur à un appareil interrupteur, la figure 2 détaille un exemple de structure interne du dispositif de commande, la figure 3 montre un deuxième exemple avec un dispositif électronique de commande intégré dans un appareil interrupteur. En référence au mode de réalisation de la figure 1, un appareil interrupteur multipolaire 10, de type relais, contacteur ou contacteur-disjoncteur, est destiné à commuter un circuit de puissance triphasé L1, L2, L3. L'appareil 10 comprend un actionneur électromagnétique comportant d'une partie fixe 11 et d'une partie mobile 12. La partie mobile 12 est mécaniquement liée à des contacts mobiles 18 du circuit de puissance qui coopèrent avec des contacts fixes (non représentés) pour commuter le circuit de puissance. Indifféremment, l'appareil 10 comprend un ou deux contacts mobiles 18 par phase. L'actionneur électromagnétique est également doté d'une bobine de commande 15. Lorsque la bobine 15 reçoit un courant d'excitation 26, elle entraîne le déplacement de la partie mobile 12 de façon à ce que les contacts mobiles 18 ferment le circuit électrique de puissance. Lorsque la bobine 15 ne reçoit plus de courant d'excitation 26, la partie mobile 12 revient alors en position initiale, grâce habituellement à des moyens de rappel (comme un ressort de rappel) non représentés sur les figures, et le circuit électrique de puissance s'ouvre. La figure 1 montre l'appareil 10 en position ouverte. La figure 1 montre également un dispositif électronique de commande 20 chargé de fournir à l'appareil 10 un courant d'excitation 26 à partir d'un ordre de fermeture externe 25. L'ordre de fermeture externe 25 provient par exemple d'une tension délivrée par une sortie d'un équipement d'automatisme. En référence à la figure 2, le dispositif de commande 20 comporte une unité de pilotage 21 reliée à une unité de mémorisation 22. L'unité de mémorisation 22 mémorise au moins un profil de commande de la bobine 15 de l'actionneur électromagnétique. Un profil de commande contient différentes valeurs variables représentatives du courant d'excitation en fonction du temps durant au moins la durée de la course de fermeture de la partie mobile 12. Un profil de commande peut par exemple se présenter sous la forme d'un tableau donnant un ensemble de n couples de valeurs V;,T;, pour des valeurs d'échantillonnage i allant de 0 à n. Pour la valeur d'échantillonnage i, Ti représente le temps écoulé depuis le top départ matérialisé par exemple par l'apparition d'un ordre de fermeture externe 25, et V; représente la valeur correspondante de la consigne du courant d'excitation 26 à fournir à la bobine à cet instant Ti. Cette valeur de consigne V; est exprimée par exemple en pourcentage de la valeur du courant d'excitation nominal Inom de la bobine. L'unité de pilotage 21 comporte également un module d'amplification de courant 23, réalisé par exemple par un servo-ampli, permettant d'amplifier le signal issu des valeurs V; et de générer avec précision le courant d'excitation 26 correspondant qui est envoyé dans la bobine 15 de l'actionneur électromagnétique. Grâce au profil de commande mémorisé, le dispositif de commande 20 est donc capable de faire varier la valeur du courant d'excitation 26 à chaque valeur d'échantillonnage i en suivant les différentes valeurs V; du profil de commande. On obtient ainsi une commande du courant d'excitation bobine qui est une courbe de la forme I = f(t). Un profil de commande contient des valeurs de consignes du courant de fermeture 26 durant la durée de la course de fermeture du circuit de puissance et aussi la(les) consigne(s) du courant de maintien 26 à fournir à la bobine 15 pour rester à l'état fermé durant la phase de maintien du circuit de puissance. Un profil de commande est déterminé pour un type d'actionneur électromagnétique donné. Par contre, pour tous les appareils ayant un actionneur électromagnétique possédant des caractéristiques mécaniques identiques, le profil de commande sera identique pour une même application de l'appareil interrupteur. Ce dispositif fournit donc un moyen simple de faire un contrôle dynamique du courant d'excitation envoyé à la bobine d'un actionneur électromagnétique pour un type d'actionneur donné, sans nécessiter de capteurs et/ou de moyens de régulation. La courbe du profil de commande pourra privilégier par exemple un courant d'excitation élevé au début du mouvement de fermeture pour accélérer le démarrage de la partie mobile de l'actionneur, puis un courant d'excitation plus faible en fin de fermeture pour ralentir la partie mobile de façon à éviter des rebonds éventuels de l'actionneur en position fermée et/ou diminuer le bruit au moment de la fermeture. D'autres profils de commande plus complexes sont évidemment mémorisables. Avantageusement, la création de profils de commande est déterminée au préalable grâce par exemple à l'utilisation de logiciels de simulation et de modélisation. En fonction des caractéristiques mécaniques de l'appareil interrupteur, on détermine un profil de vitesse de fermeture puis un profil d'accélération de la partie mobile. On obtient ensuite par simulation une courbe d'effort à appliquer par l'actionneur pour suivre ce profil d'accélération et donc ce profil de vitesse. En fonction des caractéristiques moteur de l'actionneur, les logiciels de modélisation et de simulation permettent ensuite d'obtenir le profil de courant d'excitation à injecter dans la bobine de l'actionneur en fonction du temps, pour obtenir l'effort souhaité. L'unité de mémorisation 22 comporte par exemple une mémoire non volatile, de type mémoire flash. L'unité de mémorisation 22 est évidemment capable de stocker plusieurs profils de commande différents, correspondants à différents types d'actionneurs électromagnétiques et/ou à différentes applications de l'appareil interrupteur. Dans ce cas, on peut prévoir des moyens de sélection chargés de fournir à l'unité de pilotage 21 une information 28, permettant à l'unité de pilotage 21 de sélectionner un profil parmi plusieurs profils de commande mémorisés pour délivrer un courant d'excitation 26 suivant le profil souhaité. Un même dispositif de commande 20 mémorisant plusieurs profils différents pourra alors facilement être employé plusieurs types d'appareils 10 et/ou d'applications grâce aux moyens de sélection. Différents moyens de sélection sont envisageables dans le cadre de l'invention : soit des moyens locaux simples de type interface Homme-Machine intégrés dans le dispositif de commande 20 (commutateurs, roues codeuses, afficheurs, etc...), soit des moyens déportés reliés à l'unité de pilotage 21 par divers moyens de communication (bus, réseaux, liaisons sans fil, etc...) pour fournir l'information de sélection 28 à l'unité de pilotage 21. Préférentiellement, le dispositif de commande 20 n'est électriquement alimenté que par l'ordre de fermeture externe 25. Dans un appareil interrupteur classique, l'ordre externe 25 fournit habituellement une tension et un courant suffisants pour commander directement la bobine 15. Le dispositif de commande 20 est conçu pour que cette tension et ce courant fournis soient adaptés pour alimenter les composants électroniques du dispositif 20 lorsque l'ordre 25 est présent, c'est-à-dire durant les phases de fermeture et de maintien à l'état fermé de l'appareil 10. Lorsque l'ordre 25 n'est pas présent, c'est-à-dire durant les phases d'ouverture et de maintien à l'état ouvert de l'appareil 10, le dispositif 20 n'est plus alimenté et ne délivre donc plus de courant d'excitation 26 à la bobine 15. L'actionneur revient alors en position ouverte grâce aux moyens de rappel. Ainsi, aucune source d'énergie supplémentaire n'est avantageusement requise pour alimenter l'électronique du dispositif 20, ce qui contribue à la simplicité de la solution. Alternativement, on pourrait cependant envisager une source d'alimentation électrique permanente pour le dispositif de commande 20 et une entrée supplémentaire fournissant l'ordre de fermeture de l'actionneur. Dès l'apparition d'un ordre de fermeture 25, l'unité de pilotage 21 est mise sous tension et initialise le top départ (T = 0). Elle sélectionne alors le profil de commande souhaité (si plusieurs profils sont mémorisés dans l'unité de mémorisation 22) et commence à dérouler ce profil pour chaque instant d'échantillonnage Ti en délivrant en sortie le courant d'excitation 26 déterminé à l'aide de la valeur correspondante V; contenue dans le profil de commande. Avantageusement, durant le déroulement du profil de commande, l'unité de pilotage 21 peut fournir une valeur du courant d'excitation 26 qui peut être supérieure à la valeur du courant d'excitation nominal Inom de la bobine (correspondant par exemple à une valeur V; supérieure à 100% de la valeur de Inom). Pour cela, l'amplificateur de courant 23 comporte un dispositif auxiliaire capable de délivrer temporairement ce surplus de courant. Un tel dispositif auxiliaire peut par exemple prévoir un condensateur auxiliaire et deux mini interrupteurs ou un module électronique de hacheur-élévateur de courant. De même, dans le cas d'un actionneur de type voice-coil ou d'un électroaimant réluctant polarisé, la valeur du courant d'excitation 26 peut temporairement avoir un signe inverse (correspondant à une valeur V; négative). Ces fonctionnalités permettent d'accentuer les accélérations et les décélérations de l'actionneur et donc d'offrir beaucoup plus de souplesse et de précision dans la commande de l'actionneur. La figure 1 montre un dispositif de commande 20 qui est placé à l'extérieur d'un appareil interrupteur 10 classique. D'habitude, un tel appareil 10 reçoit un ordre de commande bobine qui est raccordé sur les bornes de commande bobine 14 de l'appareil. Désormais, cet ordre de commande bobine correspond à l'ordre de fermeture externe 25 et est raccordé directement en entrée du dispositif de commande 20. La sortie du dispositif de commande 20 fournit le courant d'excitation 26 qui est raccordé sur les bornes de commande bobine 14. Ainsi, si le profil de commande de l'actionneur de l'appareil 10 est connu, on peut facilement placer un dispositif de commande 20 pour piloter l'actionneur de tout appareil 10 existant sans aucune modification de celui-ci. Alternativement, la figure 3 montre un dispositif de commande 20 qui est intégré à l'intérieur d'un appareil interrupteur 10'. L'ordre de commande bobine est alors assimilé à l'ordre de fermeture externe 25 et est directement câblé sur les bornes de commande 14 de l'appareil. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer 5 d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Dispositif électronique de commande pour un appareil interrupteur (10), lequel comporte un actionneur électromagnétique doté d'une bobine de commande (15) alimentée par un courant d'excitation (26) pour fermer un circuit électrique de puissance, caractérisé en ce que le dispositif de commande (20) comprend : - une unité de mémorisation (22) pour mémoriser au moins un profil de commande bobine, le profil de commande contenant une pluralité de valeurs représentatives du courant d'excitation en fonction du temps, - une unité de pilotage (21) reliée à l'unité de mémorisation (22), recevant en entrée un ordre de fermeture externe (25) et délivrant en sortie ledit courant d'excitation (26) en suivant ledit profil de commande durant la fermeture du circuit de puissance. 2. Dispositif électronique de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (20) est alimenté électriquement par l'ordre de fermeture externe (25). 3. Dispositif électronique de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de mémorisation (22) comporte une mémoire non volatile. 4. Dispositif électronique de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de mémorisation (22) mémorise plusieurs profils de commande et le dispositif (20) comprend des moyens de sélection reliés à l'unité de pilotage (21) pour sélectionner un desdits profils de commande. 5. Dispositif électronique de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en fonction du profil de commande, l'unité de pilotage (21) est capable de délivrer temporairement un courant d'excitation (26) d'une valeur supérieure à la valeur du courant nominal de la bobine (15). 6. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de pilotage (21) comporte un module d'amplification de courant (23) permettant de délivrer le courant d'excitation (26). 7. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profil de commande contient une pluralité de valeurs représentatives du courant d'excitation en fonction du temps, durant la course de fermeture du circuit de puissance et durant la phase de maintien du circuit de puissance à l'état fermé. 8. Dispositif électronique de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (20) est intégré à l'intérieur de l'appareil interrupteur (10) et l'ordre de fermeture externe (25) est raccordé sur des bornes (14) de commande bobine de l'appareil (10). 9. Dispositif électronique de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (20) est placé à l'extérieur de l'appareil interrupteur (10) et délivre le courant d'excitation (26) sur des bornes (14) de commande bobine de l'appareil. 10. Appareil électrique interrupteur (10) comprenant un actionneur électromagnétique doté d'une bobine de commande (15) alimentée par un courant d'excitation (26) pour fermer un circuit électrique de puissance, caractérisé en ce que l'appareil (10) comporte un dispositif électronique de commande (20) selon l'une des revendications 1 à 8.