Brevet FR2948812A1 — publié le 20110204

-1- Dispositif actif de lecture de contact sec sous haute tension La présente invention se rapporte à un dispositif actif à dissipation réduite comportant un premier circuit électrique connectant en série aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, un contacteur d'actionnement et au moins une résistance. Un tel dispositif est pour la présente invention appliqué à un dispositif de lecture de l'état d'un contact sec sous haute tension. Un contact sec est un dispositif mécanique permettant de fermer un circuit électrique. Son insensibilité aux variations de tension et aux différentes perturbations affectant les circuits électriques les ont popularisé dans le monde industriel et dans le monde de l'électronique embarquée. Ils sont couramment exploités pour transmettre une information binaire via des dispositifs électromécaniques comme les boutons poussoirs, les sorties de relais, les interrupteurs, les bilames, etc. Ils sont réalisés de manière connue à partir de surfaces métalliques conductrices qui sont mises en contact (position fermée) ou non (position ouverte). Ces surfaces métalliques peuvent s'oxyder et présenter un contact dégradé ou inexistant en position fermée lorsque la couche d'oxyde est suffisamment épaisse pour être isolante. Pour éviter ce défaut, il est nécessaire d'appliquer, lors de la fermeture du contact, une tension aux bornes du contact capable de provoquer le claquage de la couche d'oxyde et de faire passer, lorsque le contact est fermé, un courant électrique suffisant (en général un minimum de 5 mA à 20 mA suivant la tension) pour maintenir une température de contact apte à empêcher la condensation et donc l'oxydation des surfaces en contact. L'état de l'art enseigne d'utiliser une résistance dans le dispositif de détection du contact sec servant à maintenir ce courant minimum lorsque le contact sec est fermé. En cas de fortes tensions - comme dans le ferroviaire ou la distribution d'énergie, par exemple - la puissance dissipée dans la résistance peut devenir importante et nécessiter des moyens d'évacuation thermique conséquents quand il y a concentration de ce type de dispositif, comme dans le cas d'automates ou de calculateurs. Des solutions ont été avancées pour pallier ce problème. Le brevet français FR2782184, déposé le 4 août 1998, propose un dispositif à échauffement réduit et à récupération d'énergie électrique, pour éviter la dissipation thermique et plutôt -2- que de dégrader l'énergie, la transférer vers un second étage chargé de restituer l'énergie à l'alimentation du dispositif de détection. Un tel dispositif comporte plusieurs transformateurs, transistor de hachage et diode qui augmentent d'autant le coût du dispositif. Dans le brevet français FR2831893 déposé le 7 novembre 2001 par la société LEROY Automatique Industrielle, le courant dans le contact sec est indépendant du circuit de mesure car maintenu à l'aide d'une alimentation secondaire continue dont la faible tension réduit fortement la dissipation thermique du dispositif. La présente invention se propose d'en améliorer les principes pour apporter d'autres avantages, notamment en termes de fiabilité, d'immunité électromagnétique et d'isolement électrique. D'une manière générale, elle consiste à remplacer l'alimentation secondaire continue par une alimentation alternative isolée par un transformateur et de détecter le changement d'état du contact sec par le déphasage entre intensité et tension sur le primaire de ce transformateur. Plus précisément, l'invention consiste en un dispositif actif à dissipation réduite comportant : - un premier circuit électrique connectant en série aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, un contacteur d'actionnement et au moins une résistance, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en outre : D au moins un deuxième circuit électrique connectant au moins un condensateur aux bornes d'au moins un desdits deux enroulements primaire et secondaire dudit transformateur, D un troisième circuit électrique raccordant à une fraction dudit enroulement primaire du transformateur, au moins un moyen d'alimentation alternative, D des moyens de mesure du déphasage entre la tension alternative et le courant dudit troisième circuit électrique, D des moyens de comparaison dudit déphasage, à deux plages prédéterminées de déphasage définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement. -3 Dans la présente invention, la résistance du premier circuit électrique représente par exemple la résistance de câblage dudit contacteur d'actionnement dans les installations industrielles, et le ou les condensateurs du ou des deuxièmes circuits électriques, ont pour rôle d'accorder ledit transformateur afin que ce dernier soit résonant pour transmettre de façon optimale l'énergie apportée par lesdits moyens d'alimentation. Le raccordement desdits moyens d'alimentation alternative à une fraction du primaire dudit transformateur a pour fonction de réduire l'amortissement de la résonance dudit transformateur, amortissement dû à la faible impédance desdits moyens d'alimentation alternative. Pour une fréquence donnée desdits moyens d'alimentation alternative, le déphasage entre la tension et le courant générés par lesdits moyens d'alimentation alternative passe d'une valeur quasi nulle lorsque ledit contacteur est ouvert à une valeur significative lorsque ledit contacteur est fermé. La mesure de ce déphasage par lesdits moyens de mesure et sa comparaison à des seuils appropriés donnent une image binaire de la position dudit contacteur. À l'instar du brevet FR2831893, le dispositif selon la présente invention est actif, c'est-à-dire qu'il fournit l'énergie nécessaire à l'obtention du courant de maintien dans ledit contacteur lorsque celui-ci est fermé. La tension aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur chargé est alors faible et la puissance thermique dissipée fortement réduite. Lorsque le contacteur d'actionnement est ouvert, le transformateur, étant à vide, fournit une tension suffisante pour provoquer le claquage de la couche d'oxyde aux bornes dudit contacteur d'actionnement. Le dispositif selon l'invention permet de mesurer l'état dudit contacteur d'actionnement quel que soit le potentiel auquel peut être raccordée l'une de ses bornes. Du fait de la présence du transformateur, les moyens de mesure sur le troisième circuit et les moyens d'alimentation sont isolés par rapport au dit contacteur d'actionnement, supprimant le recours aux protections et aux dispositifs d'isolement, autorisant ainsi des isolements très élevés. Selon une caractéristique avantageuse, le dispositif selon l'invention comprend un premier et un deuxième dits condensateurs, respectivement connectés sur les enroulements secondaire et primaire dudit transformateur, avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant, définissant ainsi respectivement un deuxième circuit connectant ledit premier condensateur aux -4- bornes dudit enroulement secondaire, et un quatrième circuit connectant ledit deuxième condensateur aux bornes dudit enroulement primaire. Selon une alternative à la caractéristique précédente, le dispositif selon l'invention comprend un condensateur unique connecté sur l'enroulement secondaire dudit transformateur, avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant et à condition que le circuit magnétique dudit transformateur soit sans entrefer, définissant ainsi un deuxième circuit unique connectant ledit condensateur unique aux bornes dudit enroulement secondaire. Selon une alternative à la caractéristique précédente, le dispositif selon l'invention comprend un condensateur unique connecté sur l'enroulement primaire dudit transformateur, avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant, définissant ainsi un deuxième circuit unique connectant ledit condensateur unique aux bornes dudit enroulement primaire. Selon une caractéristique avantageuse, ladite fraction du primaire dudit transformateur est comprise entre 10 et 35 % de la totalité de l'enroulement primaire dudit transformateur. Selon une caractéristique avantageuse, le courant dudit troisième circuit électrique est mesuré par un shunt de mesure placé en série dans ledit troisième circuit électrique. Selon une caractéristique avantageuse, ladite tension alternative du troisième circuit est mesurée aux bornes desdits moyens d'alimentation alternative. Selon une caractéristique avantageuse, lesdits moyens de mesure du déphasage entre la tension alternative et le courant dudit troisième circuit électrique, et lesdits moyens de comparaison dudit déphasage, à deux plages prédéterminées de déphasage définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement, comprennent un moyen d'oscilloscope à deux voies. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'un dispositif actif à dissipation réduite selon l'invention, accompagnée de dessins annexés, exemples donnés à titre illustratif non limitatif. La figure 1 représente un schéma électrique de l'art antérieur d'un dispositif permettant d'éviter l'oxydation des contacteurs. La figure 2 représente un schéma électrique de l'art antérieur correspondant à un dispositif actif à dissipation selon le brevet français FR2831893. -5 La figure 3 représente un exemple de mode de réalisation d'un dispositif actif à dissipation réduite et à fort isolement utilisant, selon la présente invention, un générateur de signal sinusoïdal comme moyen d'alimentation alternative. Sur la figure 1, le dispositif représenté s'applique notamment à un circuit d'interface d'entrée logique 6 d'automate ou de calculateur industriel (non représenté). La batterie 2 alimente l'entrée logique 6 de l'automate via un contacteur 1 et des résistances 4 et 5 constituant le pont de mesure du signal d'entrée. Une résistance 3 placée en dérivation après le contacteur permet d'assurer le passage dans ce dernier d'un courant égal à la tension de la batterie 2 divisée par la valeur de la résistance 3. Dans la branche du circuit comportant les résistances 4 et 5, le courant qui les traverse est petit devant le courant traversant la résistance 3 et ne suffirait pas à empêcher les contacts du contacteur de s'oxyder. La résistance 3 permet, par le choix de sa valeur appropriée, d'ajuster le courant nécessaire sous la tension de la batterie 2. Ce montage est répété autant de fois qu'il y a d'entrées d'information dans le dispositif électronique. Sur la figure 2, Le dispositif actif à dissipation réduite s'applique à un circuit 18 d'interface de l'entrée logique 14 d'un automate ou d'un calculateur industriel (non représenté). La batterie 11 alimente l'entrée logique 14 via un contacteur 10 et des résistances 12 et 13 constituent le pont de mesure du signal d'entrée et calibré de façon que le courant qui y passe soit faible. Le circuit de maintien 19 est connecté aux bornes du contacteur 10 et comprend une batterie 17 et une résistance 15 calibrée de façon que le courant qui y circule soit suffisant pour empêcher les contacts du contacteur 10 de s'oxyder. En choisissant une tension de batterie 17 dix fois inférieure à celle de la batterie 11, la dissipation thermique du dispositif est divisée par dix. Une diode 16 isole les batteries 11 et 17 lorsque le contacteur 10 est ouvert. Lorsque, pour des raisons de coût, la batterie 17 est mutualisée dans les circuits de plusieurs entrées, celles-ci cessent d'être isolées et une différence de tension entre les différentes batteries 11 peut amener une perturbation du dispositif. Sur la figure 3, l'exemple de mode de réalisation représenté du dispositif selon la présente invention se propose d'utiliser un principe similaire à celui qui est illustré sur la figure 2, mais en rendant le dispositif totalement indépendant de la tension éventuellement présente aux bornes du contacteur 21. Un premier 33 circuit électrique met en série le contacteur 21, la résistance 22 (représentant par exemple la résistance dudit premier circuit électrique dans les installations industrielles) et l'enroulement secondaire 36 d'un transformateur 24. -6 Un premier condensateur 23 est avantageusement connecté en parallèle aux bornes de l'enroulement secondaire 36 du transformateur 24 formant ainsi avantageusement un deuxième 34 circuit électrique. Un quatrième 38 circuit électrique est avantageusement constitué par l'enroulement primaire 35 du transformateur 24 et un deuxième condensateur 25. Les condensateurs 23 et 25, formant ainsi respectivement avec les enroulements secondaire 36 et primaire 35 du transformateur 24 les deuxième 34 et quatrième 38 circuits électriques, comme représenté sur la figure 3, ont pour fonction d'accorder le transformateur 24 selon un mode résonant. Un troisième 37 circuit électrique met en série aux bornes 28 et 29 d'une fraction de l'enroulement primaire 35 du transformateur 24, avantageusement une résistance d'un shunt de mesure 26, et un moyen d'alimentation alternative constitué pour l'exemple d'un générateur de fréquence sinusoïdale 27. Cette fraction de l'enroulement primaire 35 du transformateur 24, prise pour l'exemple entre l'extrémité 29 et un point intermédiaire 28 du bobinage de cet enroulement primaire du transformateur 24, est calculée de façon à réduire au maximum l'amortissement dû à la faible impédance du générateur de fréquence sinusoïdale 27. Les moyens de mesure 31, 32 du déphasage entre la tension alternative et le courant du troisième 37 circuit électrique, sont par exemple constitués d'un oscilloscope disposant avantageusement de deux voies : - une première voie 31 mesurant la tension aux bornes 28 et 30 du générateur de fréquence 27, et - une deuxième voie 32 mesurant la tension aux bornes 29 et 30 du shunt de mesure 26. Le générateur de fréquence 27 étant sous tension, on constate alors, par exemple simplement visuellement, que le déphasage entre les deux voies de l'oscilloscope est quasi nul lorsque le contacteur 21 est en position ouverte, et a une valeur significative lorsque le contacteur 21 est en position fermée. Cette valeur fournit, par comparaison avec des seuils prédéterminés, l'image binaire de la position du contacteur 21. Electroniquement, les deux tensions mesurées 31 et 32 sont vues, par exemple via des comparateurs, comme des pulses logiques décalées temporellement. Le comptage de ce décalage temporel, par exemple à l'aide d'un timer, et sa comparaison à des seuils déterminés donnent l'image binaire de la position du contacteur 21. -7- En utilisant pour exemple un transformateur à couplage serré de 28 spires au primaire et de 28 spires au secondaire de surface moyenne de 1 cm^ et couplées par deux ferrites en E sans entrefer, la fraction du primaire du transformateur étant de 25 %, on obtient, lorsque le contacteur est ouvert, sur le premier circuit électrique une tension de claquage supérieure à 20 V et un déphasage nul et, lorsque le contacteur est fermé, un courant de maintien de l'ordre de 40 mA sous 0,4 V et un déphasage de 20 0, satisfaisant en cela les contraintes exigées dans le ferroviaire et dissipant 16 mW quelque soit la tension à laquelle est raccordé le contacteur.10 REVENDICATIONS1. Dispositif actif à dissipation réduite comportant : - un premier (33) circuit électrique connectant en série aux bornes d'un enroulement secondaire (36) d'un transformateur (24) comportant un enroulement primaire (35) et un enroulement secondaire (36), un contacteur d'actionnement (21) et au moins une résistance (22), caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en outre : D un deuxième (34) circuit électrique connectant au moins un condensateur (23, 25) aux bornes d'au moins un desdits deux enroulements primaire (35) et secondaire (36) dudit transformateur (24), D un troisième (37) circuit électrique raccordant à une fraction dudit enroulement primaire (35) du transformateur (24), au moins un moyen d'alimentation alternative (27), D des moyens de mesure (31, 32) du déphasage entre la tension alternative et le courant dudit troisième (37) circuit électrique, D des moyens de comparaison dudit déphasage, à deux plages prédéterminées de déphasage définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier (23) et un deuxième (25) dits condensateurs, respectivement connectés sur les enroulements secondaire (36) et primaire (35) dudit transformateur (24), avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant, définissant ainsi respectivement un deuxième (34) circuit connectant ledit premier condensateur (23) aux bornes dudit enroulement secondaire (36), et un quatrième (38) circuit connectant ledit deuxième condensateur (25) aux bornes dudit enroulement primaire (35). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur (23) unique connecté sur l'enroulement secondaire (36) dudit transformateur (24), avec des valeurs telles que ledit transformateur (24) soit résonant et à condition que le circuit magnétique dudit transformateur (24) soit -9 sans entrefer, définissant ainsi un deuxième (34) circuit unique connectant ledit condensateur unique (23) aux bornes dudit enroulement secondaire (36). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que qu'il comprend un condensateur (25) unique connecté sur l'enroulement primaire (35) dudit transformateur (24), avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant, définissant ainsi un deuxième (34) circuit unique connectant ledit condensateur unique (25) aux bornes dudit enroulement primaire (35). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite fraction du primaire dudit transformateur est comprise entre 10 et 35 % de la totalité de l'enroulement primaire (35) dudit transformateur (24). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le courant dudit troisième (37) circuit électrique est mesuré par un shunt de mesure (26) placé en série dans ledit troisième circuit électrique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite tension alternative du troisième (37) circuit est mesurée aux bornes desdits moyens d'alimentation alternative (27). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (31, 32) du déphasage entre la tension alternative et le courant dudit troisième (37) circuit électrique, et lesdits moyens de comparaison dudit déphasage à deux plages prédéterminées de déphasage définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement (21), comprennent un moyen d'oscilloscope à deux voies.