Brevet FR3054369A1 — publié le 20180126

Contacteur électromagnétique doté de moyens de détection de la position ouverte ou fermée de commutateurs commandés La présente invention se rapporte à un contacteur électromagnétique et concerne plus particulièrement le contrôle de l'état ouvert ou fermé d'un tel contacteur. Un contacteur électromagnétique, ou relais de puissance, est un composant électronique qui assure la commutation d'une alimentation de puissance. Les niveaux de tension impliqués peuvent être par exemple de l'ordre de 115 volts en alternatif (VAC), de 230 volts VAC, ou encore par exemple de l'ordre de 540 volts en continu. Les niveaux de courant supportés par le contacteur peuvent être de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines d'ampères. Les contacteurs électromagnétiques sont généralement pilotés à distance à partir d'un signal de commande et comportent un ou plusieurs générateurs de champ électromagnétique équipés d'un noyau plongeur dont le déplacement commutateurs commandés. On pourra se référer aux figures 1 et 2 qui provoque la commutation de illustrent deux modes de réalisation d'un contacteur électromagnétique selon l'état de la technique. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le contacteur électromagnétique comporte deux générateurs de champ électromagnétique, formés respectivement par deux bobines L1 et L2 raccordées en parallèle entre une source d'alimentation à courant continu, ici de 28 volts DC et la masse. Les deux bobines sont connectées à la masse par l'intermédiaire de deux interrupteurs commandés constitués par deux transistors T1 et T2 dont les états ouvert et fermé sont commandés par une unité de commande UC en réponse à un signal de commande C reçu en entrée. Les deux bobines Ll et L2 assurent chacune le déplacement d'un noyau plongeur commun lié mécaniquement à des commutateurs 3054369 2 Cl, C2 et C3 raccordés sur trois phases A, B et C d'une ligne d'alimentation triphasée, ici à 115 volts VAC. L'une des bobines est destinée à assurer la commutation des commutateurs Cl, C2 et C3, l'autre bobine assurant quant à elle le maintien de l'état des 5 commutateurs Cl, C2 et C3. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le contacteur électromagnétique comporte une unique bobine L, associée à un noyau plongeur lié aux commutateurs Cl, C2 et C3 des trois phases A, B et C de la ligne d'alimentation. 10 La bobine L est raccordée entre une source de tension continue, ici à 28 volts, et la masse par l'intermédiaire d'un interrupteur commandé constitué par un transistor T et dont l'état ouvert ou fermé est piloté par une unité centrale UC recevant un signal de commande C. 15 Dans ce mode de réalisation, la bobine assure la commutation et le maintien de l'état des commutateurs selon le courant qui la traverse. Ce courant, piloté par modulation par largeur d'impulsions, est différent lors de la phase de commutation et celle de maintien. 20 Dans les deux modes de réalisation, le contacteur électromagnétique délivre une information relative à l'état ouvert ou fermé des commutateurs Cl, C2 et C3. Le contacteur comporte à cet égard deux contacts auxiliaires AUX NO et AUX NF délivrant respectivement des informations 25 d'ouverture et de fermeture des commutateurs. Ces contacts auxiliaires sont constitués par la sortie de deux lignes conductrices alimentées par un signal continu AUX COM. Lesdites lignes conductrices sont équipées chacune d'un commutateur auxiliaire C'l et C'2 dont l'état ouvert et fermé est commandé par le noyau plongeur lié aux 30 commutateurs Cl, C2 et C3 de sorte que les contacts auxiliaires AUX NO et AUX NF recopient le niveau de la tension d'entrée AUX COM lorsque les commutateurs Cl, C2 et C3 sont fermés. Les contacts auxiliaires permettent ainsi au contacteur électromagnétique de fournir une information d'état des commutateurs 3054369 3 et permettent de déterminer si ces commutateurs sont ouverts ou fermés conformément à la commande C. Les contacts auxiliaires permettent ainsi de détecter un dysfonctionnement de l'unité centrale ou un blocage des contacteurs 5 en position ouverte ou fermée. La détection de l'état du contacteur électromagnétique met toutefois en oeuvre un dispositif mécanique relativement complexe. Aussi, le but de l'invention est de pallier cet inconvénient et de permettre la détection de l'état ouvert ou fermé d'un contacteur 10 électromagnétique sans mettre en oeuvre de tels dispositifs mécaniques. L'invention a ainsi pour objet un contacteur électromagnétique, comprenant un ensemble de commutateurs commandés, au moins un générateur de champ électromagnétique, par exemple une bobine, associé à un noyau plongeur commandant l'état des commutateurs 15 commandés et une unité de commande de l'alimentation du générateur. Ce contacteur comporte des moyens de détection de la position du noyau plongeur pour détecter l'état des commutateurs commandés. Dans un mode de réalisation, les moyens de détection de la position du noyau plongeur comportent des moyens de calcul de la 20 valeur de l'impédance dudit générateur, notamment de l'inductance. Avantageusement, la valeur de ladite impédance est calculée à partir de la valeur de la tension d'alimentation dudit générateur pendant une durée prédéterminée et d'une valeur mesurée du courant circulant dans le générateur. 25 Dans un mode de réalisation, le contacteur électromagnétique comprend des moyens de mémorisation dans lesquels sont stockées des valeurs d'impédance, notamment des valeurs de la résistance du générateur, en fonction de la température du générateur, ladite valeur d'impédance du générateur étant extraite des moyens de mémorisation. 30 Selon une autre caractéristique du contacteur électromagnétique selon l'invention, les moyens de calculs comportent des moyens de comparaison de la valeur de l'inductance du générateur avec des valeurs d'inductance correspondant respectivement à un état ouvert et fermé du contacteur. 3054369 4 Dans un mode de réalisation, le contacteur comprend un seul générateur de champ électromagnétique. Dans un autre mode de réalisation, le contacteur électromagnétique comprend deux générateurs de champ 5 électromagnétique agissant sur un noyau plongeur commun et pilotés chacun par un interrupteur, un premier générateur assurant la fermeture du contacteur, et un deuxième générateur assurant le maintien de la fermeture du contacteur. L'invention a également pour objet, selon un second aspect, un 10 procédé de détermination de l'état ouvert ou fermé du contacteur électromagnétique tel que défini ci-dessus, dans lequel : - on alimente le contacteur pendant une durée prédéterminée avec une tension d'alimentation ; - on mesure le courant circulant dans le générateur; 15 - on calcule la valeur de l'impédance du générateur; et - on compare la valeur de l'impédance calculée avec un ensemble d'au moins une valeur de seuil de protection de l'état ouvert ou fermé du contacteur. Dans un mode de mise en oeuvre, la valeur de l'impédance est 20 calculée à partir d'une mesure du courant circulant dans le générateur. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, ledit contacteur ayant un seul générateur de champ électromagnétique, on superpose un courant de détection à un courant de maintien, on mesure le courant circulant dans le générateur, on retranche la valeur 25 du courant de maintien à la valeur du courant mesuré et l'on calcule la valeur de l'impédance. 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 30 annexés sur lesquels : - les figures 1 et 2, dont il a déjà été fait mention, illustrent la structure de deux modes de réalisation d'un contacteur électromagnétique selon l'état de la technique ; 3054369 5 - les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation d'un contacteur électromagnétique conforme à l'invention ; - les figures 5 et 6 illustrent l'évolution en fonction du temps du courant d'une inductance, lorsque le contacteur est ouvert et fermé, 5 respectivement ; - la figure 7 est une courbe à trois dimensions montrant l'évolution de la valeur d'une inductance d'un contacteur en fonction de la position du noyau plongeur et du courant traversant l'inductance ; et 10 - la figure 8 montre l'évolution en fonction de l'entrefer du noyau plongeur de la valeur d'une inductance. On se référa tout d'abord à la figure 3 qui illustre un premier exemple de réalisation d'un contacteur électromagnétique conforme à l' invention. 15 Ce mode de réalisation correspond à un agencement du contacteur ayant un unique générateur de champ électromagnétique associée à un noyau plongeur P lié mécaniquement aux trois commutateurs Cl, C2 et C3 d'une ligne d'alimentation en puissance. Comme on le voit, le générateur est ici constitué par une 20 bobine L associés au noyau plongeur P. Le contacteur comporte une unité centrale UC constituée par un microcontrôleur ou par un autre élément de logique programmable, un circuit 1 d'entrée DSI recevant un signal de commande CMD et un circuit 2 de sortie DSO comprenant des étages à collecteurs ouverts 25 servant à émuler les contacts auxiliaires. Le circuit de sortie délivre deux sorties DSO OL1 et DSO OL2, correspondant aux contacts auxiliaires normalement ouverts, et deux sorties DSO CL1 et DSO CL2, correspondant aux contacts auxiliaires normalement fermés des commutateurs électromagnétiques selon l'état de la technique, qui 30 fournissent une indication relative à l'ouverture et à la fermeture du contacteur ainsi qu'un signal DSO VALID représentatif de la validité des signaux de sortie DSO OL1, DSO CL2. Le contacteur comporte également un circuit d'alimentation comprenant deux entrées 28VDC et OVDC d'alimentation du 3054369 6 contacteur à 28 volts en courant continu. Ce circuit comprend un étage 3 de filtrage d'interférences électromagnétiques réalisé à partir de deux inductances et de deux condensateurs et alimenté en tension continue par l'intermédiaire d'une diode Dl et un convertisseur 4 5 continu-continu délivrant ici une tension continue à environ 5 volts pour l'alimentation des différents éléments constitutifs du contacteur, et notamment du microcontrôleur UC du contacteur. La bobine L est alimentée à partir de la sortie de l'étage 3 de filtrage sous le contrôle de deux interrupteurs commandés Ti et T2, 10 constitués par des transistors pilotés par le microcontrôleur. Le premier transistor Ti est piloté par un signal de commande PCOIL CMD, par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension 5, tandis que le deuxième interrupteur T2 est piloté par une sortie MCOIL CMD fournie par le microcontrôleur. Les deux signaux de 15 commande PCOIL CMD et MCOIL CMD sont élaborés en réponse à la réception d'un signal de commande CMD par le circuit d'entrée 1. Comme on le voit, le deuxième interrupteur T2 est raccordé à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R et le point milieu entre l'interrupteur T2 et la résistance R est raccordé à une entrée 20 MCOIL CURRENT du microcontrôleur pour fournir une mesure du courant I circulant à travers la bobine L. Le circuit du contacteur électromagnétique est complété par un oscillateur 6 assurant le cadencement du microcontrôleur. En outre, une diode de roue libre D2 est raccordée en parallèle 25 sur la bobine L et, en particulier, entre le point milieu entre le deuxième interrupteur T2 et l'inductance L, d'une part et le point milieu entre le premier interrupteur Ti et la sortie de l'étage de filtrage 3, afin d'éviter les surtensions susceptibles de détruire les transistors à l'ouverture. Enfin, une diode Zener D3 est branchée en 30 parallèle sur le premier interrupteur Ti pour améliorer la décharge lors de l'ouverture de l'interrupteur, en réalisant la décharge à une tension accrue. 3054369 7 Dans ce mode de réalisation, la commande de la fermeture des commutateurs Cl, C2 et C3 s'effectue sous la commande de la sortie PCOIL CMD qui pilote le premier interrupteur Ti. Le maintien à l'état fermé des commutateurs commandés Cl, 5 C2 et C3 est réalisé en commandant le deuxième interrupteur T2 par modulation par largeur d'impulsion à partir d'une mesure du courant I circulant dans la bobine L. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4, qui correspond à un agencement à deux bobines Ll et L2 qui provoquent le 10 déplacement d'un noyau plongeur P commun lié mécaniquement aux commutateurs Cl, C2 et C3 commandés, on voit que, comme dans le mode de réalisation de la figure 3, le contacteur comporte une unité centrale UC associée à son circuit d'entrée 1 et à son circuit de sortie 2, un circuit d'alimentation comprenant un étage 3 de filtrage 15 d'interférences électromagnétiques, un convertisseur 4 courant continu-courant continu assurant l' alimentation des éléments constitutifs du contacteur, et un oscillateur 6 pour le cadencement du microcontrôleur. Ces divers éléments sont identiques à ceux décrits 20 précédemment en référence à la figure 3 et ne seront donc pas détaillés. On reconnaît également les deux interrupteurs Ti et T2 assurant respectivement la commande de fermeture des commutateurs Cl, C2 et C3 et le maintien de l'état commandé de ces commutateurs. 25 Le premier interrupteur Ti est commandé par un signal PCOIL CMD délivré par le microcontrôleur tandis que le deuxième interrupteur T2 est piloté par une sortie HCOIL CMD du microcontrôleur. Comme dans le mode de réalisation décrit précédemment, une 30 diode D4 et D5 de roue libre est branchée en parallèle sur chaque bobine pour éviter l'apparition de surtension à l'ouverture des interrupteurs. Une diode Zener, non représentée, peut également être prévue pour faciliter la décharge des inductances lors de l'ouverture des interrupteurs. 3054369 8 Dans ce mode de réalisation, lorsqu'il convient de fermer la ligne d'alimentation, en réponse à un signal de commande CMD reçu en entrée du circuit d'entrée 1, les premiers et deuxièmes interrupteurs Ti et T2 sont fermés pour provoquer l'alimentation simultanée des 5 bobines Ll et L2 et le déplacement consécutif du noyau plongeur. L'état fermé des commutateurs Cl, C2 et C3 est maintenu par le maintien à la fermeture du deuxième interrupteur T2 et une alimentation maintenue de la deuxième bobine L2. Dans ce mode, l'interrupteur Ti est ouvert et l'alimentation de la bobine Ll est 10 interrompue. Comme dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 3, une mesure du courant I traversant la bobine de commande Ll est délivrée en entrée COIL CURRENT du microcontrôleur. Comme indiqué précédemment, dans le mode de réalisation des 15 figures 3 et 4, le microcontrôleur fournit une indication relative au verrouillage à l'état ouvert et au verrouillage à l'état fermé des commutateurs Cl, C2 et C3. Ces informations sont délivrées par des sorties « OPEN LOCK » et « CLOSED LOCK » au circuit de sortie DSO 2. Ces informations sont délivrées de manière redondante par les 20 sorties respectives DSO OL1 et DSO OL2, d'une part et DSO CL1 et DSO CL2, d'autre part, du circuit de sortie. En outre, le microcontrôleur et le circuit de sortie 2 fournissent une indication DSO VALID, traduisant la validité de l'information fournie sur les sorties OPEN LOCK et CLOSED LOCK. 25 Le microcontrôleur incorpore en effet des moyens, notamment en logiciel, de détection de la position du noyau plongeur pour détecter l'état des commutateurs commandés. Dans un mode de réalisation, ces moyens de détection comportent des moyens de calcul de la valeur de l'impédance du ou 30 des générateurs de champ électromagnétique. Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, il s'agit de moyens de calcul de la valeur de l'inductance des bobines L et Ll. En effet, l'inductance de la bobine de la commande est différente selon la position du noyau et, par conséquent, des 3054369 9 commutateurs commandés. Cette valeur peut varier de 30% à 40% selon la position du noyau qui actionne les commutateurs. Ainsi, le microcontrôleur est doté de moyens de comparaison qui assurent la comparaison de la valeur de l'inductance de la bobine 5 avec des valeurs de seuil de détection de l'ouverture et de la fermeture des commutateurs, afin de détecter l'état ouvert ou fermé des commutateurs. La valeur de l'inductance de la bobine L du mode de réalisation de la figure 3 ou celle de la bobine L1 du mode de réalisation de la 10 figure 4 est calculée à partir de la relation suivante : L= tx Rx I (1) ln 1 V dans laquelle : - V désigne la tension d'alimentation de la bobine ; - t désigne la durée d'alimentation de la bobine ; 15 - I désigne le courant traversant la bobine à l'issue de la durée t ; et - R désigne la résistance de la bobine. Ainsi, en alimentant la bobine avec une tension V pendant un temps t, et en mesurant le courant I traversant la bobine à l'issue du 20 temps t, la valeur de la bobine peut être calculée et comparée avec des valeurs de seuil pour détecter l'état ouvert ou fermé des commutateurs. Toutefois, la valeur de la résistance de la bobine varie en fonction de la température. Ainsi, le microcontrôleur incorpore, de préférence, stockée en mémoire, une table de valeurs de résistance, 25 préalablement mesurées en fonction de la température. La valeur de la résistance, utilisée pour le calcul de la valeur de l'inductance, est alors extraite de la table à partir d'une mesure de la température de la bobine. En se référant aux figures 5 et 6, qui illustrent l'évolution du 30 courant circulant dans une bobine en fonction du temps, respectivement pour un contacteur en position ouvert et en position fermée, on voit que la fermeture du commutateur s'accompagne d'une 3054369 10 modification de la pente du courant de la bobine. Cette pente est évaluable électroniquement et correspond à une augmentation de la valeur l'inductance d'au moins 50%. Ainsi, le microcontrôleur fournit une première information 5 « contacteur correctement ouvert » en provoquant l'alimentation de la bobine pendant une durée relativement faible, c'est-à-dire inférieure à la durée nécessaire pour provoquer la fermeture effective du contacteur, par exemple pendant une durée de 250 microsecondes et en évaluant la pente du courant en fonction du temps, qui traduit la valeur 10 de l'inductance. L'information correspondant à l'ouverture correcte du contacteur est fournie sur la sortie « OPEN LOCK ». En ce qui concerne la détection de l'état fermé, dans le mode de réalisation de la figure 3 qui correspond à un mode de réalisation à une seule inductance, dans lequel le verrouillage des commutateurs est 15 maintenu en appliquant un courant modulé par largeur d'impulsion à l'interrupteur T2, on mesure périodiquement la valeur de l'inductance en appliquant un courant supplémentaire dans la bobine. La valeur du courant de maintien est alors retranchée à la valeur du courant mesuré, ce qui correspond au paramètre I de la 20 relation (1), et la valeur de l'inductance est calculée à partir de ladite relation (1). Dans un mode de réalisation de la figure 4, dans lequel le contacteur comporte deux bobines L 1 et L2, respectivement de commande et de maintien, on calcule la valeur de l'inductance de la 25 bobine Ll qui sert à la commutation, qui n'est plus alimentée lors du maintien, en fermant momentanément l'interrupteur Ti, en mesurant le courant I et à la tension V à l'issue d'une durée prédéterminée. Par exemple, la durée t peut être égale à environ 250 microsecondes. Il est ainsi possible de fournir une information de type « contacteur 30 correctement fermé» sur la sortie « CLOSED LOCK » du microcontrôleur. Comme on le conçoit, l'invention qui vient d'être décrite, permet de déterminer la position du noyau plongeur d'une bobine commandant l'état ouvert ou fermé de commutateurs à partir de la 3054369 11 modification de l'inductance. Une telle modification est fonction de la position du noyau ou, en d'autres termes, de la valeur de l'entrefer du noyau, et du courant traversant ledit noyau. On voit en effet sur la figure 7 que la valeur de l'inductance 5 augmente en fonction de la valeur de l'entrefer e. La figure 8, qui illustre la variation de l'inductance en fonction de l'entrefer, confirme que lorsqu'il n'y a pas de courant dans la bobine, la valeur de l'inductance augmente très sensiblement lorsque l'entrefer du noyau diminue. Par contre, lorsqu'il y existe un courant ayant tendance à 10 saturer la bobine, la valeur de ladite bobine diminue très sensiblement lorsque l'entrefer du noyau diminue. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. En effet, dans les exemples de réalisation décrits en référence 15 aux figures 3 et 4, la détection de l'état ouvert ou fermé des commutateurs est réalisée à partir d'une mesure du courant circulant dans une bobine. Dans d'autres modes de réalisation, la détection de la position du noyau plongeur s'effectue en utilisant un condensateur ayant deux 20 armatures, l'une solidaire du noyau plongeur et l'autre fixe, en calculant la valeur du condensateur et en comparant la valeur calculée avec des valeurs de seuil de détection de l'ouverture et de la fermeture des commutateurs. Selon un autre mode de réalisation, on utilise une inductance 25 secondaire couplée magnétiquement au noyau et dont on calcule la valeur en fonction du déplacement du noyau. On peut également utiliser, en variante, un capteur à effet Hall, qui fournit directement une mesure de la position du noyau plongeur en mesurant les différences de champ magnétique induit par le noyau 30 plongeur ou encore un capteur optique détectant un rayon masqué ou non par une pièce solidaire du noyau plongeur. REVENDICATIONS1. Contacteur électromagnétique, comprenant un ensemble de commutateurs commandés (C1, C2, C3), au moins un générateur de champ électromagnétique (L ; L 1, L2), par exemple une bobine, associé à un noyau plongeur (P) commandant l'état des commutateurs commandés et une unité (UC) de commande de l'alimentation du générateur de champ électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection de la position du noyau plongeur pour détecter l'état des commutateurs commandés. 2. Contacteur électromagnétique selon la revendication 1, dans lequel les moyens de détection de la position du noyau plongeur comportent des moyens de calcul de la valeur de l'impédance dudit générateur, notamment de l'inductance. 3. Contacteur électromagnétique selon la revendication 2, dans lequel la valeur de ladite impédance est calculée à partir de la valeur d'une tension d'alimentation du générateur (L ; L 1, L2) pendant une durée prédéterminée et d'une valeur mesurée du courant circulant dans le générateur. 4. Contacteur électromagnétique selon la revendication 3, comprenant des moyens de mémorisation dans lesquels sont stockées des valeurs d'impédance, notamment des valeurs de la résistance du générateur, en fonction de la température du générateur, ladite valeur d'impédance du générateur étant extraite des moyens de mémorisation. 5. Contacteur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel les moyens de calcul comportent des moyens de comparaison de la valeur de l'inductance du générateur avec des valeurs d'inductance correspondant respectivement à un état ouvert et fermé du contacteur. 6. Contacteur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le contacteur comprend un seul générateur (L) de champ électromagnétique. 7. Contacteur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant deux générateurs (L1, L2) de champ 3054369 13 électromagnétique agissant sur un noyau plongeur commun et pilotés chacun par un interrupteur (Ti, T2), un premier générateur (L1) assurant la fermeture du contacteur, et un deuxième générateur (L2) assurant le maintien de la fermeture du contacteur. 5 8. Procédé de détermination de l'état ouvert ou fermé d'un contacteur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel : - on alimente le contacteur pendant une durée prédéterminée avec une tension d'alimentation ; 10 - on mesure le courant circulant dans le générateur (L, L1) ; - on calcule la valeur de l'impédance du générateur ; et - on compare la valeur de l'impédance calculée avec un ensemble d'au moins une valeur de seuil de détection de l'état ouvert ou fermé du contacteur. 15 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la valeur de l'impédance est calculée à partir d'une mesure d'un courant (I) circulant dans le générateur. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel ledit contacteur ayant un seul générateur de champ électromagnétique, on 20 superpose un courant de détection à un courant de maintien, on mesure le courant circulant dans le générateur, on retranche la valeur du courant de maintien à la valeur du courant mesuré et l'on calcule la valeur de l'impédance.