Brevet FR2937787A1 — publié le 20100430

B07-1679FR MSA Société par actions simplifiée dite : ECE Système de commande d'un contacteur à ouverture ultra-rapide et procédé de commande associé Invention de : NANEIX Philippe Système de commande d'un contacteur à ouverture ultra-rapide et procédé de commande associé L'invention concerne le domaine de l'électrotechnique, et plus particulièrement le domaine de la commande de contacteurs. Les contacteurs électromécaniques sont employés pour établir ou interrompre le passage d'un courant. Généralement, la commande des contacteurs électromécaniques est électrique ou pneumatique. Dans le cas d'une commande électrique, le courant ou la tension de commande est bien inférieure au courant circulant à travers le contacteur et alimente des bobinages permettant d'actionner les parties mobiles du contacteur aussi appelés contacts de puissance. Ainsi, les contacteurs électromécaniques permettent de réaliser l'interface entre un circuit de puissance et un circuit de commande fonctionnant avec un courant ou une tension bien inférieure au courant ou à la tension du circuit de puissance. On protège ainsi le circuit de commande qui, sinon, pourrait être endommagé s'il était exposé aux courants circulant dans le circuit de puissance. Le but que se propose d'atteindre l'invention est de proposer un système de commande permettant une commutation particulièrement rapide d'un contacteur électromécanique entre la position fermée et la position ouverte. Un autre but de l'invention est de proposer un système de commande permettant de limiter les émissions électromagnétiques lors des phases de maintien du contacteur en position fermée. L'invention a donc pour objet un système de commande d'un contacteur comprenant au moins une bobine d'appel et au moins une bobine de maintien aptes à commander conjointement le contacteur, et des moyens d'alimentation desdites bobines. Le système de commande comporte en outre au moins un interrupteur commandé et au moins un régulateur à modulateur de largeur d'impulsion, le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion étant apte à réguler le courant circulant dans la bobine de maintien. Le système de commande peut comprendre : - un écréteur relié en parallèle d'une part avec les moyens d'alimentation et un premier interrupteur commandé, et d'autre part avec la bobine d'appel, une première diode et un interrupteur commandé d'appel, - la première diode et l'interrupteur commandé d'appel étant reliés en parallèle avec la bobine de maintien, un interrupteur commandé de maintien et un régulateur à modulateur de largeur d'impulsion, -le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion et l'interrupteur commandé de maintien étant reliés en parallèle à une deuxième diode et à un condensateur - le condensateur étant relié en parallèle avec une résistance de décharge. La première diode peut être orientée de sorte que son sens passant soit dirigé de la bobine d'appel vers l'interrupteur commandé d'appel. La deuxième diode peut être orientée de sorte que son sens passant soit dirigé de la bobine de maintien vers le condensateur. Le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion peut comprendre un moyen de calcul, un interrupteur commandé de maintien et une résistance, la résistance étant disposé en série avec l'interrupteur commandé de maintien, une connexion du régulateur étant formée par la borne libre de la résistance, l'autre connexion étant formée par la borne libre de l'interrupteur commandé de maintien, le moyen de calcul étant relié en entrée à chacune des bornes de la résistance et en sortie à l'interrupteur commandé de maintien, le moyen de calcul étant apte à déterminer un signal de commande de l'interrupteur commandé de maintien en fonction de la mesure de la tension aux bornes de la résistance. Selon un autre aspect de l'invention, on définit un procédé de commande d'un contacteur à bobine comprenant au moins une bobine d'appel et au moins une bobine de maintien aptes à commander conjointement le contacteur, et des moyens d'alimentation desdites bobines, au moins un interrupteur commandé et au moins un régulateur à modulateur de largeur d'impulsion. Le procédé de commande comprend des étapes au cours desquelles : on ferme le contacteur en générant un fort courant dans la bobine d'appel, on maintient le contacteur fermé en régulant le courant circulant dans les bobines d'appel de maintien afin d'obtenir un temps de réaction très court à une commande d'ouverture et des émissions électromagnétiques réduites, et on ouvre le contacteur en déchargeant les bobines dans la résistance de décharge. Par fermeture du contacteur, on entend une position du contacteur telle que le courant circule à travers les contacts de puissance dudit contacteur. De la même façon, par ouverture du contacteur, on entend une position du contacteur telle que le courant ne circule pas à travers les contacts dudit contacteur. Cette dénomination des états passant et non-passant est également reprise pour les interrupteurs commandés. Un contacteur à bobine peut comprendre un premier interrupteur commandé et un interrupteur commandé de maintien. On peut alors fermer le contacteur en commandant la fermeture du premier interrupteur commandé, et de l'interrupteur commandé de maintien. Le contacteur à bobine peut comprendre un interrupteur commandé d'appel. On peut alors ouvrir l'interrupteur commandé d'appel dés que le contacteur est fermé. On peut maintenir le contacteur fermé en régulant le courant circulant dans l'interrupteur commandé de maintien de sorte que la bobine de maintien génère un champ magnétique minimum mais suffisant pour maintenir le contacteur fermé. Le contacteur à bobine peut comprendre une résistance de décharge. On peut alors ouvrir le contacteur en ouvrant le premier interrupteur commandé et en déchargeant l'énergie des bobines dans la résistance de décharge. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre les principaux éléments d'un système de commande selon l'invention, - la figure 2 illustre le fonctionnement du système de commande lors de la fermeture du contacteur ; - la figure 3 illustre le fonctionnement du système de commande lors de la première phase de maintien du contacteur en position fermée ; - la figure 4 illustre le fonctionnement du système de commande lors de la deuxième phase de maintien du contacteur en position fermée ; -la figure 5 illustre le fonctionnement du système de commande lors de la phase d'ouverture du contacteur ; et - la figure 6 illustre un mode alternatif de réalisation et de fonctionnement. On a représenté un dispositif de commande d'un contacteur à ouverture rapide. L'invention ne concernant essentiellement que les moyens de commande du contacteur, sur cette figure, seuls les éléments essentiels du circuit de commande ont été repris. Le circuit de commande comprend une source d'alimentation 1 reliée en série à un premier interrupteur commandé 2 et à un écréteur 4. En parallèle sur l'écréteur 4 sont reliés une bobine d'appel 3 connectée en série à une première diode 14 et à un interrupteur commandé d'appel 15. En parallèle sur la branche du circuit constitué par la première diode 14 et par l'interrupteur commandé d'appel 15 est reliée une bobine de maintien 6 connectée en série à un régulateur à modulateur de largeur d'impulsion 8. En parallèle sur le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion 8 sont reliés une deuxième diode 7 connectée en série avec un condensateur 9. Une résistance de décharge 10 est reliée en parallèle sur le condensateur 9. Le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion 8 comprend une résistance 12 connectée en série à un interrupteur de maintien 13. Le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion 8 comprend en outre un moyen de calcul 11 relié en entrée aux bornes de la résistance 12. Le moyen de calcul 11 émet en sortie un signal de commande à destination de l'interrupteur commandé de maintien 13. Bien que non représenté sur la figure, le système de commande intègre une unité de commande permettant de commander le premier interrupteur commandé 2, l'interrupteur commandé d'appel 15 et le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion 8. L'unité de commande est par exemple couplée à une interface avec l'utilisateur, également non représentée, permettant à l'utilisateur, notamment, de choisir la position du contacteur, ouverte ou fermée, l'interface pouvant en outre permettre d'informer l'utilisateur sur la situation du système de commande ou du contacteur, par tous moyens d'affichage et d'information couramment employé dans les dispositifs d'affichage et d'information. Le système de commande est actionné différemment au cours de trois phases. Une première phase de fonctionnement correspond à la fermeture du contacteur. La figure 2 illustre cette phase. Pour faire basculer le contacteur en position fermée, une force magnétique importante doit être fournie par la bobine d'appel. On peut également actionner les bobines d'appel et de maintien simultanément pour assurer une transition vers le régime de maintien du contacteur en position fermée. Pour atteindre cet objectif, le premier interrupteur 2, l'interrupteur d'appel 15 et l'interrupteur de maintien 13 sont commandés en position fermée. Une deuxième phase, illustrée par la figure 3, correspond au maintien en position fermée du contacteur. Pour cela, le courant circulant dans la bobine de maintien est régulé par le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion 8. Le moyen de calcul 11 reçoit, en entrée, une valeur de la tension aux bornes de la résistance 12. La valeur de la résistance 12 et la résistance d'entrée du moyen de calcul 11 étant fixées lors de la conception du système de commande, le moyen de calcul 11 est apte à calculer le courant circulant dans la résistance. Le moyen de calcul 11 est capable de déterminer l'intensité minimale nécessaire pour maintenir le contacteur en position fermée d'après les caractéristiques techniques du contacteur, notamment l'inductance, le nombre de spires, la résistance de la bobine de maintien 6, la puissance de l'électroaimant formé avec le noyau, la distance entre la bobine et le contacteur, la rigidité du contacteur, la rigidité du ressort de rappel. Pour maintenir une telle intensité, des cycles de charge et décharge de la bobine de maintien sont effectués. Lors de la charge, l'interrupteur commandé d'appel 15 est ouvert alors que le premier interrupteur commandé 2 et l'interrupteur commandé de maintien 13 sont fermés, comme illustré sur la figure 3. Le courant d'alimentation de la bobine de maintien 6 augmente. Lors de la phase de décharge, illustrée par la figure 4, l'interrupteur commandé de maintien 13 est ouvert. Par ailleurs, l'interrupteur commandé d'appel 15 est maintenu ouvert alors que le premier interrupteur commandé 2 est fermé. Dans ce cas, l'énergie est stockée dans le condensateur 9. La bobine de maintien 6 perçoit à ses bornes une tension inférieure à la tension perçue lors de la première phase. Cette différence de potentiel génère une décharge de la bobine de maintien 6 dans le condensateur 9. Des que le courant déterminé par le moyen de calcul 11 chute en dessous d'une fraction prédéterminée du courant optimal, l'interrupteur de maintien est commandé en position fermée, et le système se retrouve dans une nouvelle phase de charge. Le fonctionnement est alors le même que celui décrit ci-avant. On notera cependant que le condensateur ayant été chargé lors de la phase précédente, il subit une décharge dans la résistance de décharge 10 du fait de l'isolement rendu possible par la présence de la deuxième diode 7. Ainsi, pour un condensateur 9 présentant une capacité habilement dimensionnée, l'alternance de phases de charge et de décharge peut se prolonger à loisir, le condensateur 9 étant intégralement déchargé au début de chaque nouvelle phase de décharge. L'échange d'énergie entre la bobine et le condensateur permet de prélever un courant non discontinu sur la source d'alimentation et de ce fait minimise les perturbations électromagnétiques. Enfin, lors de la phase d'ouverture du contacteur, le premier interrupteur commandé 2, l'interrupteur commandé d'appel 15 et l'interrupteur commandé de maintien 13 sont commandés en position ouverte. Comme illustré par la figure 5, l'énergie emmagasinée dans les bobine d'appel 3 et de maintien 6 est dissipée dans la résistance de décharge 10 et dans le condensateur 9. La durée de décharge, ou autrement dit, la durée d'ouverture du contacteur, peut être définie de la façon suivante. Tout d'abord, on définit une tension VL aux bornes de la bobine de maintien dans le cas d'un montage en parallèle ou des deux bobines 20 dans le cas d'un montage en série. La tension VL est donnée par la relation suivante : I =L reg =V ~ +V z At Dans laquelle : - L désigne l'inductance de la bobine - AT la durée d'ouverture du contacteur, - Ireg le courant régulé circulant dans la bobine avant l'ouverture du contacteur, - Idee le courant stocké dans la bobine à l'ouverture, - Vc la tension aux bornes du condensateur 9, et - Vz la tension aux bornes de l'écréteur 4. En d'autres termes : 25 30 1 At = L reg (2) Vc+VZ Si l'on applique cette équation (2) aux différentes phases illustrées par les figures 2 à 5, on obtient les durées suivantes : Phase de fermeture (figure 2) : At =L 1 min VZ Où Imiä désigne le courant minimal pour assurer la fermeture du contacteur Phase de maintien ù Phase de charge (figure 3) : Ot=Llxmn VZ Phase de maintienù Phase de décharge (figure 4) : 1 At =L reg VZ ù Va 1im Où Vaiim désigne la tension d'alimentation Phase d'ouverture (figure 5) : At =L 1 dec Vc +Vz I1 apparaît ainsi que la durée correspondant à la phase 20 d'ouverture est la durée la plus courte. Cette durée peut être réduite en diminuant la valeur du courant Idec, en diminuant la valeur de l'inductance L et en augmentant les tensions Vc et Vz. A titre de comparaison, la durée d'ouverture naturelle du contacteur peut être déterminée en maintenant le premier interrupteur 25 commandé en position fermée et en ouvrant les interrupteurs d'appel et de maintien alors que l'on se trouve dans la phase de fermeture du contacteur, c'est-à-dire avant la régulation du courant. On a ainsi : At = L Ide' Va lim Un mode de réalisation alternatif est représenté sur la figure 6. Selon ce mode de réalisation, une diode 6 est positionnée en parallèle sur les moyens d'alimentation 1. Le premier interrupteur commandé 2 et l'écréteur 4 sont alors connectés en parallèle avec la diode 6. La diode 6 a son sens passant orienté de l'écréteur 4 vers le premier interrupteur commandé 2. Ce mode de réalisation permet de conserver les phases de fermeture, de maintien et d'ouverture décrites précédemment et d'y ajouter une phase de secours. Cette phase de secours est mise en oeuvre lors d'une rupture d'alimentation et alors que le contacteur est déjà en position fermée. Dans une telle situation, il est souhaitable de maintenir le contacteur en position fermée pendant une durée aussi longue que possible, idéalement jusqu'au rétablissement de l'alimentation. Le premier interrupteur commandé 2 est maintenu en position fermée alors que l'interrupteur commandé d'appel 15 et de maintien 13 sont en position ouverte. L'énergie contenue dans les bobines d'appel 3 et de maintien 6 se décharge alors dans le condensateur 9 et la résistance 10. Cependant, la diode 16 court-circuitant l'écréteur 4, le circuit se comporte comme un circuit RLC amorti, ce qui permet de dissiper lentement l'énergie contenue dans le circuit, et donc de maintenir l'alimentation des bobines d'appel 3 et de maintien 6 pendant une durée supérieure à la durée de décharge du dispositif lors des phases d'ouverture, de maintien ou de fermeture en cas de rupture de l'alimentation. I1 est à noter que la rupture d'alimentation peut être accidentelle ou intentionnelle. Par exemple, un système de sécurité ou un détecteur peut être relié en série avec les moyens d'alimentation 1 et rompre le circuit lorsque divers critères sont satisfaits. Dans ce cas, une ouverture temporisée du contacteur peut être souhaitée pour respecter des délais de réaction, ou un ordre d'arrêt de différents mécanismes dépendants. Le système de commande de contacteur et le procédé de commande associé permettent de limiter les émissions électromagnétiques lors du maintien d'un contacteur en position fermée. De plus, le système de commande et le procédé permettent une ouverture particulièrement rapide du contacteur. REVENDICATIONS1. Système de commande d'un contacteur, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une bobine d'appel (3) et au moins une bobine de maintien (6) aptes à commander conjointement le contacteur, et des moyens d'alimentation (1) desdites bobines, et en ce qu'il comporte en outre au moins un interrupteur commandé et au moins un régulateur à modulateur de largeur d'impulsion (8), le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion (8) étant apte à réguler le courant circulant dans la bobine de maintien (6), et dans le circuit comprenant une deuxième diode (7), un condensateur (9) et une résistance de décharge (10). 2. Système de commande selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un écréteur (4) relié en parallèle d'une part sur les moyens d'alimentation (1) et sur un premier interrupteur commandé (2), et d'autre part sur la bobine d'appel (3), sur une première diode (14) et sur un interrupteur commandé d'appel (15), la première diode (14) et l'interrupteur commandé d'appel (15) étant reliés en parallèle sur la bobine de maintien (6), sur un interrupteur commandé de maintien (13) et sur un régulateur à modulateur de largeur d'impulsion (8), le régulateur à modulateur de largeur d'impulsion (8) et l'interrupteur commandé de maintien (13) étant reliés en parallèle sur une deuxième diode (7) et à un condensateur (9), le condensateur (9) étant relié en parallèle avec une résistance de décharge (10). 3. Système de commande selon la revendication 2, dans lequel la première diode (14) est orientée de sorte que son sens passant soit dirigé de la bobine d'appel (3) vers l'interrupteur commandé d'appel (15). 4. Système de commande selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel la deuxième diode (7) est orientée de sorte que son senspassant soit dirigé de la bobine de maintien (6) vers le condensateur (9). 5. Système de commande selon l'une des revendication 2 à 4, dans lequel le régulateur (8) à modulateur de largeur d'impulsion comprend un moyen de calcul (11), un interrupteur commandé de maintien (13) et une résistance (12), la résistance (12) étant disposée en série avec l'interrupteur commandé de maintien (13), une connexion du régulateur (8) étant formée par la borne libre de la résistance (12), l'autre connexion étant formée par la borne libre de l'interrupteur commandé de maintien (13), le moyen de calcul (11) étant relié en entrée à chacune des bornes de la résistance (12) et en sortie à l'interrupteur commandé de maintien (13), le moyen de calcul (11) étant apte à déterminer un signal de commande de l'interrupteur commandé de maintien (13) en fonction de la mesure de la tension aux bornes de la résistance (12). 6. Procédé de commande d'un contacteur à bobine comprenant au moins une bobine d'appel et au moins une bobine de maintien aptes à commander conjointement le contacteur, et des moyens d'alimentation desdites bobines, au moins un interrupteur commandé et au moins un régulateur à modulateur de largeur d'impulsion, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes au cours desquelles : on ferme le contacteur en générant un fort courant dans la bobine d'appel, on maintient le contacteur fermé en régulant le courant circulant dans les bobines d'appel et de maintien afin d'obtenir un temps de réaction très court à une commande d'ouverture et des émissions électromagnétiques réduites, et on ouvre le contacteur en déchargeant les bobines dans la résistance de décharge. 7. Procédé de commande selon la revendication 6, d'un contacteur à bobine comprenant un premier interrupteur commandé et un interrupteur commandé de maintien, dans lequel on ferme le contacteur en commandant la fermeture du premier interrupteur commandé, et de l'interrupteur commandé de maintien. 8. Procédé de commande selon la revendication 7, d'un contacteur à bobine comprenant un interrupteur commandé d'appel, dans lequel on ouvre l'interrupteur commandé d'appel dés que le contacteur est fermé. 9. Procédé de commande selon la revendication 8, dans lequel on maintient le contacteur fermé en régulant le courant circulant dans l'interrupteur commandé de maintien de sorte que la bobine de maintien génère un champ magnétique minimum mais suffisant pour maintenir le contacteur fermé. 10. Procédé de commande selon la revendication 9, d'un contacteur à bobine comprenant une résistance de décharge, dans lequel on ouvre le contacteur en ouvrant le premier interrupteur commandé et en déchargeant l'énergie des bobines dans la résistance de décharge.