Dispositif thermique de protection d'un appareil électrique. Cette invention est relative aux disposi tifs de protection thermiques destinés à ou vrir le circuit d'un appareil électrique, lors que sa température dépasse une limite donnée.
On peut considérer que tout appareil élec trique tel qu'une dynamo ou un transforma teur se compose d'un élément conducteur à travers lequel passe le courant, d'une masse ou élément magnétique entourant l'élément conducteur, et d'un corps isolant entre la masse et l'élément conducteur.
La masse de métal entourant les con ducteurs comprenant la carcasse en fer ou en lamelles sera désignée dans la suite de cette description comme étant le "bâti de la machine ".
La température qui peut être produite dans l'appareil est limitée à la température à laquelle peut résister le corps isolant sans se départir de ses propriétés isolantes. Cette température est appelée dans la suite " tem pérature critique \'.
La température critique dépend du déve loppement dans la machine d'un centre de chaleur dont la température dépasse cellé de toutes les autres parties de la machine. Il est bien connu que ce centre de chaleur peut se développer aussi bien dans les conducteurs que dans le bâti de la machine et que sa position peut se déplacer entre les conduc teurs et ce bâti lorsque les conditions de charge changent. C'est pourquoi un dispositif de protection thermique, pour pouvoir fonc tionner dans toutes les conditions, doit être sensible non seulement aux variations ther miques qui se produisent dans le bâti de la machine que l'on veut protéger, mais encore aux variations thermiques qui ont lieu dans les conducteurs.
Un tel dispositif doit égale ment être influencé par les changements in tervenant dans la température ambiante de la même manière que la machine que l'on veut protéger.
L'objet de la présente invention est un dispositif thermique de protection d'un appa reil électrique chauffé par le courant traver sant le circuit de cet appareil tenant compte de toutes ces conditions. Il est caractérisé par des éléments en relation thermique ayant des caractéristiques thermiques différentes et coopérant entre eux de manière à permettre d'obtenir une caractéristique thermique résul tante qui soit la même que celle de l'appa reil que l'on veut protéger dans le but d'ou vrir, dans n'importe quelles conditions de charge, le circuit lorsque la température at teint une limite critique dans une partie quelconque de cet appareil.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
Fig: 1 est un schéma; Fig. 2 représente graphiquement la ca ractéristique thermique du dispositif dans dif férentes conditions de réglage; Fig. 3 est un graphique de cette carac téristique thermique pour différents appareils électriques; Fig. 4, 5 et 6 sont des vues de détail en perspective.
Au cours de cette description, par ,ca ractéristique thermique" on entend aussi bien les caractéristiques de refroidissement que celles d'échauffement.
La fig. 1 représente schématiquement une forme d'exécution de l'objet de l'invention, dans laquelle le dispositif protecteur com prend. deux éléments 1 et 2 ayant respecti vement des masses d'accumulation de chaleur -@ et 4, des moyens de chauffage 5 et 6 de ces masses et des organes sensibles à la cha leur 7 et 8. Ces derniers sont en relation de conductibilité thermique avec les accumula teurs 3 et 4 respectivement et servent de moyens pour indiquer la température des deux éléments.
Les organes thermiques 7 et 8 sont en un métal thermostatique et ont de préférence la forme de lames bimétalliques fixées, à une de leurs extrémités, à l'accu- mulateur correspondant 3 ou 4. A leur autre extrémité, ces organes 7 et 8 portent des contacts respectivement 9 et 10, disposés de manière à entrer en contact lorsque les or ganes 7 et 8 fléchissent l'un vers l'autre.
Les moyens de chauffage 5 et 6 sont en sé rie et peuvent être connectés en série avec le circuit de l'appareil que l'on veut proté ger, ou connectés de manière à ne recevoir qu'une certaine partie du courant traversant ce circuit. L'accumulateur 3 de l'élément 1 est considérablement plus grand que l'accu mulateur 4 de l'élément 2, de sorte que le temps nécessaire pour le chauffer, à une tem pérature déterminée est beaucoup plus long que celui nécessaire pour chauffer l'accumu- lateur 4 à la même température.
Par suite, l'élément 1 devient actif au bout d'un temps assez long et l'élément 2_ au bout d'un temps beaucoup plus court.
Les caractéristiques thermiques pour l'élé ment 1 sont représentées par la courbe B de la fig. 2. Cette courbe représente le laps de temps nécessaire pour que cet élément du dispositif atteigne une température critique donnée de, par exemple, 90 C sous des char ges de valeur différente. Les caractéristiques thermiques de l'élément 2, dans les mêmes conditions, sont représentées par la courbe t1. Ces deux courbes<B>A</B> et B sont obtenues en donnant à chaque: masse d'accumulation de chaleur 3 et 4 un "volume d'accumulation thermique" donné.
Par " volume d'accumula tion thermique", on entend le rapport entre la masse multipliée par sa chaleur spécifique et la surface de radiation de cette masse.
E tant donnée cette définition, l'élément 1 aura un volume d'accumulation thermique beaucoup plus grand que l'élément 2, puis qu'il s'échauffe beaucoup plus lentement. Ces deux volumes d'accumulation thermique sont détermines à l'avance de manière que pour- les éléments 1 et 2 ce laps de temps soit respectivement plus long et plus court que pour l'appareil qu'il s'agit de protéger,
c'est- à-dire de manière que les caractéristiques thermiques de l'appareil soient données par une courbe intermédiaire entre les deux cour bes r1 et B. On peut atteindre la valeur des caractéristiques thermiques de tout appareil, dont la courbe de caractéristiques thermi ques est située entre les courbes a et B, en réglant le rapport des volumes d'accumula tion thermiques de l'élément 1 et de l'élé ment 2.
Ce réglage de l'effet résultant des éléments<B>I</B> et 2 peut également être obtenu en changeant le rapport des résistances des deux moyens de chauffage 5 et 6, c'est-à- dire en changeant le rapport des puissances des accumulateurs 3 et 4, de manière que le temps nécessaire pour que les contacts 9 et 10 viennent se toucher soit plus ou moins long, suivant que c'est l'effet de l'élément 1 ou 2 qui prédomine. Pour obtenir ce résul tat, la résistance de l'un ou l'autre des moyens de chauffage 5 et 6 (ou des deux) peut être changée.
Les courbes<I>C D</I> et .E (fig. 2) représen tent les caractéristiques thermiques résultan tes du dispositif lorsque la résistance des enroulements 5 et 6 est respectivement dans le rapport 30 à 1, 12à 1 et 5 à. 1. On voit ainsi qu'en donnant à ce rapport une valeur appropriée, la courbe des caractéristiques thermiques résultantes peut être obtenue dans n'importe quelle position entre les cour bes limites A et B.
Lorsque la surcharge est relativement faible, l'accumulateur 4 de l'élément 2 at teint sa température maxima dans un laps de temps relativement court, et par conduc- tion thermique le membre thermostatique 8 fléchit alors de manière à rapprocher son contact 10 du contact 9.
L'accumulateur 3 de l'élément 1, grâce à son plus grand vo lume d'accumulation thermique, emploie un temps considérablement plus long pour at teindre sa température maxima, en sorte que le membre thermostatique 7 fléchit beaucoup plus lentement pour rapprocher son contact 9 du contact 10 et finalement l'amener en contact avec ce dernier pour commander par exemple le circuit de déclanchenrent d'un commutateur commandant le circuit de l'ap pareil. Le laps de temps résultant nécessaire pour que les contacts 9 et 10 viennent en prise doit correspondre au laps de temps né cessaire pour que le centre de chaleur de l'appareil atteigne la température critique.
Dans ce cas d'une charge relativement faible, on voit donc que l'élément plus lent p ré 'domine pour déterminer le laps de temps résultant.
Pour de grandes surcharges, telles que celles provoquées par des court-circuits, la chaleur se développe si rapidement dans les conducteurs de la machine qu'une très faible partie de cette chaleur est conduite au bâti, ce qui fait que le centre de chaleur se produit toujours dans les conducteurs, d'où il s'ensuit qu'une ouverture très rapide du circuit est nécessaire.
Dans ce cas, l'accu mulateur 4 de l'élément plus rapide 2 s'échauffe de la même quantité que les con ducteurs, ce qui fait que le membre thermos- tatique 8 fléchit suffisamment pour amener son contact 10 en prise avec le contact 9 avant que ce dernier ait eu le temps de se déplacer d'une distance appréciable. Dans ce cas, c'est l'effet de l'élément 2 qui non seu lement prédomine, mais en fait fonctionne seul, indépendamment de l'élément 1.
Pour l'étalonnage, les éléments 1 et 2 du dispositif sont soumis à une température cri tique de 90 C et les membres thermostati- ques 7 et 8 sont disposés à un intervalle tel qu'à cette température leur contact vienne juste en prise. Ce réglage correspond à une machine à 50 , c'est-à-dire dont l'isold.tion peut résister à une élévation de température de 50 au-dessus d'une température ambiante de 40 C.
Si la machine que l'on veut pro téger est une machine à 40 correspond à une température critique de 80 , on réduit l'écartement des membres 7 et 8 par rapport au réglage précédent de manière qu'à cette température de 80 leur contact ait lieu. Lorsque la température ambiante diminue, il faut un laps de temps plus long pour que la machine puisse atteindre sa température cri tique, ce qui revient à dire qu'elle peut sup porter une charge plus grande avant que cette température critique ne soit atteinte. L'adaptation du dispositif aux variations de la température ambiante s'effectue automati quement.
En effet, au fur et à mesure que la température ambiante s'abaisse, les mem bres thermostatiques 7 et 8 s'écartent clans des directions contraires, de manière à aug menter proportionnellement l'écartement des contacts 9 et 10. Ainsi il faudra une charge d'autant plus grande et un laps de temps d'autant plus long pour que leurs contacts vien nent en prise, que l'écartement sera plus grand. La fig. 3 représente les courbes de ca ractéristiques thermiques de trois types dif férents d'appareils à protéger. La courbe F est celle d'un moteur d'induction; la courbe CT est celle d'un transformateur et la courbe H celle d'un convertisseur rotatif.
Il faut remarquer que les courbes F et C sont comprises entre les limites des cour bes A et B de fig. ?, c'est-à-dire qu'elles peuvent être atteintes en réglant convena blement l'action relative des éléments 1 et ?. La. courbe H, par contre correspond Ùr, des laps de temps plus longs que ceux de l'élé ment 1, ce qui fait que pour atteindre les caractéristiques thermiques de ce type de dy namo, on doit d'abord augmenter les laps de temps de l'élément 1, ce qui s'obtient en augmentant le volume d'accumulation ther mique de cet élément.
Cet accroissement du volume d'accumulation thermique peut être obtenu soit en isolant de la chaleur l'accu mulateur, ce qui revient à diminuer sa sur face de radiation, soit, - si un accroissement encore plus grand du volume d'accumulation thermique est nécessaire - en augmentant la, masse de l'accumulateur, soit encore eu employant un accumulateur de chaleur spé cifique plus haute.
Par l'obtention d'un vo lume d'accumulation thermique approprié, la courbe des caractéristiques thermiques pour l'élément 1 peut être établie de manière que des courbes telles que H soient comprises entre les courbes modifiées correspondantes A et L' <B><I>(fi-.</I></B> \?). Pour les machines, dont les caractéristiques thermiques sont représen tées par la courbe H,
il peut être également d('sirable d'élever la courbe<B>A</B> cri augmen- tant le volume d'accumulation thermique de l'élément'-". Dans le cas de convertisseur, la quantité de surcharge qui peut être suppor tée est souvent limitée par les difficultés de la commutation.
Dans ce cas, le dispositif de prot--ction thermique ire doit reproduire les caractéristiques thermiques de la machine que jusqu'au point où commencent les troubles <B>(le</B> la commutation, point à partir duquel toute surcharge cri excès doit faire fonction ner un dispositif auxiliaire qui ouvre instan- tanément le circuit.
Ce cas spécial est repré senté par la ligne pointillée L Air lieu d'obtenir le laps de temps résul tant voulu par un réglage mécanique de Fac tion des deux éléments 1 et ', c'est-à-dire en réglant le rapport des flexions des deux membres thermostatiques 7 et 8, on peut obtenir le même temps résultant par un ré glage thermique de l'action de ces éléments. Pour réaliser ce réglage thermique, l'élément 1 peut être maintenu comme représenté en fig. 1 et soir membre thermostatique 7 est utilisé comme élément secondaire ou à temps plus court du dispositif.
La masse de ce membre 7 correspond à la masse 4 de l'élément 2, tandis que sa résistance corres pond à celle des moyens de chauffage 6. Ainsi, cri connectant ce membre 7 de ma nière .qu'il soit lui-même traversé par le cou rant de chauffage, il fléchira proportionnelle ment à ce courant, et servira ainsi à la fois d'indicateur de température et de volume d'accumulation thermique.
Ainsi en propor tionnant convenablement la masse et la ré sistance du membre thermostatique 7, celui- ci cumulera les fonctions de la masse 4, de la bobine de chauffe G et de l'élément ther- mostatique 8 puisqu'il agira alors non seule ment par flexion pour indiquer la température de l'élément 1, mais encore par lui-même comme élément 2 du dispositif, élément qui est traversé par le même courant que la bo bine de chauffe 5 de l'élément 1.
C'est pour quoi les caractéristiques thermiques de l'élé ment 2 ont été combinées dans le membre thermostatique de l'élément 1. Cette forme d'exécution modifiée du dis positif avec les connexions des éléments de ce dernier dans le circuit de l'appareil qu'il s'agit de protéger, est représentée en pers pective par les fi-. 4 à 6. Dans ces figures, les éléments 11 et 12 correspondent aux élé ments 1 et de fig. 1, l'élément 11 ayant un laps de temps plus long et l'élément 12 un laps de temps plus court.
L'élément 11 comprend un accumulateur 13, un enroulement de chauffe 14 et un élément thermostatique bimétallique 15 sensible à la chaleur et relié thermiquement à la masse 13. L'élément 12 du dispositif comprend le membre thermo statique 15 qui est disposé de manière à être traversé par le même courant que l'enroule ment de chauffe 14. Par lui-même cet élé ment combine la masse, les moyens de chauf fage et les moyens sensibles à la chaleur de l'élément 2 du dispositif représenté fig. 1. De la sorte le membre thermostatique 15 est actionné proportionnellement à l'effet résul tant des deux éléments du dispositif en dé pendance thermique.
Ce membre fléchit, d'une part, d'une quan tité et dans un temps correspondant aux caractéristiques thermiques de l'élément 11, et, d'autre part, d'une quantité et dans un temps correspondant à ses propres caracté ristiques thermiques en tant qu'élément 12. Ce membre thermostatique coopère par son extrémité libre avec un contact fixe 16 de position réglable. La flexibilité du membre 15 permet que son extrémité libre vienne en prise avec le contact 16 de manière à ac tionner le circuit de déclenchement du com mutateur commandant le circuit de l'appareil. que l'on veut protéger.
L'extrémité libre du membre thermostatique 15 est déplacée d'une distance réglée à l'avance vers le contact 16 dans un laps de temps relativement court sous l'effet du chauffage direct ou des di verses caractéristiques thermiques du membre considéré comme l'élément 12 du dispositif, et est en même temps déplacé d'une dis tance donnée vers le contact 16 dans un temps relativement long, sous l'effet de la conduction thermique de la chaleur emma gasinée dans la masse 13 ou correspondant aux caractéristiques thermiques de l'élément 11. Le laps de temps résultant est de ce fait celui dû à la dépendance thermique et à la combinaison des éléments 11 et 12.
L'accumulateur 13 présente intérieurement un noyau creux, dans lequel est disposé l'en roulement de chauffe 14. Pour que le mem bre thermostatique 15 puisse être connecté en série avec l'enroulement de chauffe 14 d'une manière compacte, la masse d'accu- mulation de chaleur 18 est utilisée comme conducteur du courant de l'enroulement de chauffe 14 au membre thermostatique 15, cette masse n'ayant pas de résistance appré ciable et par conséquent aucun effet d'échauf fement appréciable.
Comme ce courant doit traverser le membre thermostatique 15 il est préférable de construire la masse 13 en deux moitiés semblables 17 et 18 juxtaposées, comme représenté, et séparées entre elles par une rondelle isolante 19 en asbeste. Le mem bre thermostatique 15 a la forme d'un V, dont les deux extrémités sont reliées chacune respectivement avec l'une des moitiés 17 et 18 de l'accumulateur 13, de part et d'autre de la rondelle 19. Afin d'obtenir le plus grand volume d'accumulation thermique sous la masse la plus réduite, on emploie pour la masse 13 un métal de grande chaleur spé. cifique tel que de l'aluminium ou un des al liages de ce métal.
Ce faisant non seulement on obtient une masse de petite dimension mais, en outre, une masse très légère. La fig. 5 représente les connexions élec triques des éléments du dispositif au circuit de l'appareil que l'on veut protéger 35. Ce dernier est relié par des conducteurs 20 et 21 à des conducteurs principaux 22 et 23 à travers un dispositif d'ouverture de circuit ou disjoncteur 24. Ce disjoncteur 24 est du type automatique. Il est ouvert par l'excitation d'un enroulement de déclenchement 25.
Lorsque les membres 15 et 16 viennent en contact, un circuit est fermé, d'un des côtés de la ligne par exemple, par le conducteur 20, le conducteur 32, l'enroulement 25, la borne 33, le contact 16, le membre thermo statique 15, la moitié 18 de la masse, la borne 26 et le conducteur 21 à l'autre côté de la ligne. Toute forme de disjoncteur, dâns lequel la disjonction est commandée auto matiquement par l'excitation d'un enroulement, tel qu'un relais de faible voltage, peut être employé.
Comme il- a déjà été décrit à propos des éléments de fig. 1 pour reproduire n'importe quelle caractéristique thermique entre cer- taines limites définies, il suffit de faire va rier l'une ou l'autre ou les deux résistances des enroulements de chauffe. Pour l'élément 11 cela peut facilement être obtenu en fai sant varier la résistance du moyen de chauf fage 14, tandis que pour l'élément 12 il est nécessaire que la variation apportée dans la résistance du membre thermostatique 15 ne fasse pas varier le volume d'accumulation thermique de ce membre.
C'est pourquoi, pour faire varier la résistance du membre 15, il est préférable de ne faire varier que la lar geur dudit membre, ce qui ne fait pas va rier d'une manière appréciable le rapport de sa masse à sa surface de radiation. Lorsque le rapport entre les éléments de chauffe ap proprié pour reproduire la courbe caractéris tique désirée a été obtenu, la capacité du dispositif peut être changée par un change ment dans la résistance combinée des deux éléments de chauffe, sans influencer ce rap port.
Pour connecter le dispositif de protection au circuit de la machine 35, on utilise les deux bornes 26 et 27. Le courant arrivant par le conducteur 21 traverse la borne 26 et, de là, passe dans l'enroulement 14. Comme l'autre extrémité de cet enroulement est con nectée électriquement à la moitié 17 de la masse 13, le courant, en sortant de cet en roulement, passe ensuite dans cette moitié 17, de là parcourt le membre thermostatique 15 et arrive dans l'autre moitié 18 de la masse 13.
Le membre thermostatique est connecté thermiquement et électriquement aux deux moitiés 17 et 18 de l'accumulateur. De la moitié 18 de la masse 13 le courant passe dans la borne 27 et retourne de là par le conducteur 20 à la machine 35. La bobine de chauffe 14 et le membre ther mostatique 15 sont ainsi connectés en série entre eux et également connectés en série avec le cir cuit de la machine 35, ce qui fait qu'ils sont soumis aux mêmes conditions de courant que cette dernière.
Pour de petites machines la bobine 14 et le membre 15 peuvent être di rectement connectés dans le circuit de la machine, tandis que pour des machines plus grandes il est préférable de les connecter dans ce circuit par l'intermédiaire d'un trans formateur ou d'une dérivation de courant, de manière que l'enroulement 14 et le membre 15 ne soient traversés que par une certaine partie du courant traversant la machine. Le contact fixe 16 est de position régla ble, de manière que la température critique, à laquelle le dispositif doit fonctionner, puisse être réglée pour s'adapter à différents types d'appareils.
Pour effectuer ce réglage (fig. 6) le contact 16 est vissé dans un sup port tubulaire 28 et peut être réglé en posi tion par rapport à ce support, au moyen d'un collier isolant 29. Un index 30, coopé rant avec un cadran 31, portant en degrés centigrades les valeurs de la température critique - qui, dans le cas particulier repré senté, varient entre 80 et 90 C - est fixé à la partie filetée du contact 16. Une borne 33, connectée électriquement à la plaque 31, sert de connexion pour la bobine 25. Ainsi le courant de déclanchement, après avoir traversé la borne 33, arrive au contact 16 par le cadran 31, le support 28 et la por tion filetée du contact 16.
A une tempéra ture critique de<B>900</B> C le contact est réglé et fixé en position, de manière à venir juste en prise avec le membre thermostatique 15, et la division 90 du cadran 31 est amenée à ce moment, exactement en regard de l'in dex 30. Si la température critique de la ma chine est de 80 pour protéger convenable ment cette dernière, le contact 16 est déplacé au moyen du collier 29 jusqu'à ce que l'in dex 30 vienne en regard de la division 80. Dans cette position du contact 16 le mem bre 15 a un plus petit chemin à parcourir pour venir en prise avec le contact 16, de manière à interrompre le courant à<B>80"</B> C.
Pour augmenter le rendement thermique et assurer mécaniquement la solidité et la protection de l'ensemble formé par les diffé rents organes du dispositif, cet ensemble est logé dans un carter cylindrique présentant un fond<B>86</B> et un couvercle non représenté. Ce couvercle est amovible et est maintenu en place au moyen de deux boulons 37 qui le traversent.
Ce carter sert également à maintenir uni formes les conditions de radiation en proté geant les éléments thermiques de la convec tion de l'air ambiant.