FR2637744A1 - Disjoncteur numerique avec parametres de declenchement pour moteur electrique - Google Patents

Disjoncteur numerique avec parametres de declenchement pour moteur electrique Download PDF

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Abstract

Un disjoncteur numérique 15 comprend un microprocesseur 27 programmé pour une protection personnalisée contre les surcharges des systèmes industriels d'alimentation électrique contenant une multitude de moteurs électriques ainsi que des relais de protection des moteurs. Une liaison de communication permet aux points de réglage pour surcharge d'être établis sélectivement dans la mémoire du microprocesseur à partir d'un endroit situé à distance. Les paramètres personnalisés de déclenchement du moteur pour surcharge sont alors obtenus au moyen d'un algorithme d'interpolation logarithmique résidant dans la mémoire du microprocesseur. Application à la protection des circuits électriques contenant des moteurs.

Description

_ i.-
La présente invention concerne un disjoncteur numéri-
que avec des paramètres de déclenchement d'un moteur él[ctri-
que. La protection des circuits industriels d'alimentation est généralement assurée par des dispositifs d'interruption thermiques, magnétiques, électromécaniques et électroniques qui sont spécialisés de manière à répondre à une fonction inverse entre temps et surcharge. Un retard de grande durée avant l'interruption des circuits se produit dans le cas d'une faible valeur du courant de surcharge, alors que ce retard est d'une durée limitée pour un valeur élevée du courant de surcharge. Lors de l'apparition d'un courant de court-circuit, il y a lieu d'interrompre instantanément le circuit.
Les ensembles de déclenchement thermiques et magnéti-
ques qu'on emploie dans les disjoncteurs se rapprochent assez fidèlement d'une relation temps-surcharge qui varie avec la puissance 1 du temps et avec la puissance 2 du courant (I t), alors que les disques à induction magnétique employés dans les relais électromécaniques, par exemple, suivent une relation polynomiale entre le courant et le temps qui se rapproche moins de la relation I2t. On trouvera une bonne
description du fonctionnement d'un relais électromécanique
dans un article intitulé "Digital Inverse Time Overcurrent Relay Using Counters" de Ramamoorty, paru dans le ECI -2-
Journal, EL, 1980 (Relais numérique à fonction inverse temps-
surcharge utilisant des compteurs).
Les paramètres de déclenchement temps-surcharge pour des dispositifs électroniques d'interruption des circuits du type dit "analogique" utilisent la caractéristique de retard d'un composant électronique tel qu'un condensateur pour déterminer les retards de grande durée et de durée limitée avant l'interruption des circuits. Le brevet des Etats-Unis
d'Amérique n 4 266 259 décrit un tel disjoncteur analogique.
Les paramètres de déclenchement temps-surcharge pour des disjoncteurs électroniques du type dit "numérique" sont stockés dans une mémoire électronique et employés dans un microprocesseur pour fournir l'interruption de grande durée et de durée limitée. On trouvera un exemple d'un disjocnteur numérique dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 672 501. Lorsqu'on utilise un disjoncteur électronique comme interrupteur principal d'un circuit dans des systèmes de distribution d'énergie employant des disques à induction magnétique dans les circuits de branchement, il faut en général un moyen de coordination pour que le disque à induction magnétique le plus proche du défaut interrompe le circuit de branchement avant que le disjoncteur électronique
réponde pour couper le circuit principal.
La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n? 256 337 décrit des algorithmes d'interpolation logarithmique et
linéraire utilisés pour personnaliser une courbe du déclen-
chement en fonction du temps afin de permettre une coordina-
tion avec des dispositifs non électroniques d'interruption des circuits. On incorpore ici ladite demande à titre de référence.
Les disjoncteurs électroniques de ce type qui compor-
tent des courbes de déclenchement en fonction du temps
personnalisées dans le but de protéger des systèmes indus-
triels de distribution de l'énergie ne trouvent qu'une 3- application limitée dans les systèmes renfermant de gros moteurs électriques. Par exemple, il faut un courant de démarrage élevé lors de la phase de départ du moteur électrique, lequel apparaît pour le disjoncteur électrique comme un défaut de courte durée. Le disjoncteur électronique commence sa temporisation pour un défaut de durée limitée et, dans certains cas, peut interrompre le circuit avant que le
courant du moteur ne tombe à une faible valeur constante.
On peut choisir les relais thermiques de surcharge et les relais magnétiques de la technique antérieure ainsi que des fusibles à éléments doubles pour assurer une protection convenable d'un moteur sans interruption du circuit lors des courants élevés initiaux se produisant pendant le démarrage
d'un moteur.
On trouve dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 275 445 une première tentative pour employer un disjoncteur électronique ayant une caractéristique du déclenchement en fonction du temps semblable à celle d'un disque à induction magnétique. On incorpore ici à titre de référence le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 509 088 dans lequel on décrit des disjoncteurs électroniques présentant tant une protection contre les surcharges qu'une fonction de protection par relais. La présente invention est un perfectionnement des disjoncteurs électroniques et des relais magnétiques en fournissant une courbe temps-déclenchement plus spécialement
adaptée à des circuits comportant des moteurs électriques.
Selon la présente invention, une courbe temps-déclen-
chement est personnalisée pour emploi dans des disjoncteurs numériques assurant la protection de moteurs électriques. Six points d'une courbe idéalisée temps-surcharge pour le moteur sont l'objet d'une interpolation logarithmique ou linéaire au moyen d'un algorithme d'interpolation afin d'obtenir une courbe continue plus spécialement adaptée à la protection
d'un moteur électrique.
La suite de la description se réfère aux figureS
annexées qui représentent respectivement: figure 1, un graphique des courbes du déclenchement en fonction du temps pour un disque à induction magnétique, un relais thermique et un disjoncteur électronique selon la technique antérieure; figure 2, un graphique de la courbe du déclenchement en fonction du temps qui compare la courbe personnalisée de la protection d'un moteur selon la présente invention à une courbe idéalisée du déclenchement en fonction du temps pour un moteur; figure 3, un schéma d'un disjoncteur électronique
employant la courbe personnalisée du déclenchement en fonc-
tion du temps d'un moteur électrique qu'on a décrite en figure 2; et figure 4, un organigramme de l'application de la courbe personnalisée du déclenchement en fonction du temps pou: -a protection d'un moteur (courbe de la figure 2) dans
le disjoncteur de la figure 3.
Avant de procéder à la description de la courbe -
personnalisée du déclenchement en fonction du temps pour un moteur électrique selon la présente invention, il est utile de comparer les courbes de déclenchement en fonction du temps pour un relais thermique 10 en cas de surcharge et un disque
11 à induction magnétique à celle d'un disjoncteur électro-
nique classique 12. On remarquera que le relais thermique fournit un retard de longue durée dans le cas des faibles surcharges, alors que le disque à induction magnétique fournit un retard de longue durée pour des surcharges élevées. Un disjoncteur électronique fournit un retard à durée plus limitée dans le cas des faibles surcharges que le relais thermique tout en donnant un retard à durée plus limitée que le relais électrique ou le relais magnétique pour
des surcharges élevées.
La courbe 13 des performances d'un moteur au démarrage - 5 - et en fonctionnement pour un moteur au rendement élevé et la courbe 14 personnalisée de protection d'un moteur décrites en figure 2 sont toutes deux exprimées comme une fonction du temps de multiples du courant nominal. La surcharge dite "de grande durée" est établie à dix secondes pour les multiples correspondant du courant, alors que la surcharge de "durée
limitée" l'est à 0,1 seconde pour les multiples correspon-
dants du courant nominal indiqué du moteur. Un seuil de captage de grande durée, indiqué en 15, est établi à un facteur de 1,1 fois le courant nominal du moteur alors qu'un déclenchement instantané se produit au-delà de 10 fois ce courant nominal. Les points 1-8 indiqués comprennent chacun des points fixes adaptés à une caractéristique optimum de fonctionnement sur la base de la courbe 13 des performances du moteur électrique On choisit les points de la manière suivante les points 1-4 définissent le profil de la surcharge à grande durée qui est une amélioration de celui
recommandé par le constructeur avant qu'il y ait surchauffe.
LTes points 4-7 définissent le profil permettant une accéléra-
tion dans un temps intermédiaire o le courant de démarrage du moteur augmente jusqu'à ce qu'il y ait eu aimantation du moteur. Les points 7 et 8 définissent le profil d'une surcharge pour court-circuit avec le point de réglage pour interruption instantanée en 16. Le point 1 définit le courant de fonctionnement à l'état constant pour le moteur qui établit la valeur nominale du courant du moteur. Les points 1 et 2 établissent une surcharge minimum d'environ 1800 secondes pour toutes les surcharges jusqu'au point 2, lequel correspond à 1,2 fois le courant nominal du moteur. Le point 3 est un point intermédiaire de la courbe personnalisée de déclenchement 14 et varie avec le facteur de service des caractéristiques spécifiques du moteur. Ce point détermine la forme de la courbe dans la zone de surcharge. Le point 4 est choisi à environ 2 fois le courant nominal du moteur et peut varier entre 1,6 et 3,0 fois le courant nominal en fonction - 6 - de la durée attendue de la surcharge. Les points 5 et 6 fournissent un temps de suppression fixe, de faible valeur, pour un glissement élevé, près des conditions proches du calage du moteur. Cela est similaire à la zone de captage à durée limitée des disjoncteurs électroniques classiques et est déterminé par le pire des courants de démarrage lors du départ du moteur. Les points 7 et 8 établissent la limite de
temps inférieure pour la courbe personnalisée de décleeche-
ment du moteur pour une protection lors d'un court-circuit légèrement audessus du courant de démarrage maximum du moteur. Le principal avantage de la courbe personnalisée de déclenchement est situé dans la zone défini par les points 2 à 7. La diminution brutale du temps de déclenchement entre 1,2x et 3x se trouve bien dans la courbe thermique 10 de la figure 1 pour un relais classique de moteur. Si elle est établie plus bas, la courbe thermique coupera le profil permettant l'accélération du moteur défini entre les points 4-7 comme on l'a décrit antérieurement. La possibilité de reconstruire à l'avenant la courbe 14 permet une protection optimale contre les surcharges en marche, un courant pour une accélération totale et une protection à durée limitée au-delà
du courant d'accélération.
On obtient les parties de la courbe spécialisée entre
les points fixes 1-8 en appliquant l'algorithme d'interpola-
tion logarithmique suivant aux points fixes: Tx = T(i-t) + (T(i) - T(i-1) t * 0,9954 * loglO(1+10*I2-I(i-l)2)/I(i)2-I(i-1)2)) dans lequel Tx est le temps de déclenchement interpolé Ix est le courant de défaut T(i-1) est le temps de déclenchement à I(i-1); I(i-1) est le courant du point fixe le plus proche au-dessous du courant de défaut; T(i) est le temps de déclenchement à I(i) T(i) est le courant du point fixe le plus proche audessus du courant de défaut; 0,9954 est une constante d'échelle (1/1lg1O(11)). En figure 3 on a décrit un disjoncteur numérique 15 pour la mise en oeuvre de la courbe personnalisée 14 (figure 2) de protection du moteur. Le disjoncteur est semblable à celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 672 501 mentionné'ci-dessus, dans lequel le courant du IO du circuit circulant dans un conducteur 16 d'un circuit de distribution d'énergie triphasé est échantillonné au moyen d'un transformateur de courant 17 ayant un enroulement primaire 18 monté en série avec un conducteur d'alimentation et un noyau 19. Bien qu'on n'ait représenté qu'un seul conducteur d'alimentation et un transformateur de courant, on
emploie un conducteur d'alimentation ainsi qu'un transforma-
teur de courant séparés pour chaque phase du système de distribution triphasé. L'enroulement secondaire 20 est relié au disjoncteur numérique 15 au moyen d'un connecteur de raccordement 21. Un signal de tension correspondant Vx est développé entre les bornes d'une résistance de charge RB proportionnellement au courant du secondaire. Le signal de tension est dirigé par un conducteur 22 jusqu'à un circuit 23 de traitement du signal et jusqu'à un circuit d'alimentation
24 fournissant de l'énergie aux autres composants du circuit.
Une source auxiliaire d'alimentation VEXT alimente le circuit d'alimentation par un conducteur 25. Le signal de tension est transmis à un microprocesseur 27 par un bus de données 26 de manière à déterminer l'apparition d'une surcharge. Les points fixe (1-8) pris sur la courbe personnalisée 14 pour la protection du moteur sont stockés dans une mémoire morte programmable effaçable électriquement 29 qui est reliée au
circuit 27 du processeur par un bus de données 28.
Les instructions destinées au processeur sont entrées à partir d'un programmeur extérieur 38 qui est relié -8- temporairement au processeur au moyen d'un bus de données 37,
d'un connecteur de raccordement 36 et d'un bus de données 33.
Lors du dépassement d'un courant prédéterminé pendant une durée calculée, un signal de déclenchement sort du processeur pour être appliquée à un tampon 31 par un conducteur 30 et du tampon au disjoncteur 35 par un conducteur 34. Le tampon est
alimenté par connexion avec l'alimentation 24 par l'intermé-
diaire d'un conducteur 32. Le programmeur 38 contient un
microprocesseur séparé de celui renfermé dans le microproces-
seur 27 et est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 672 501 mentionné ci-dessus. Lors de la réception d'un cas de surcharge sur le bus de données26, le processeur calcule le temps de déclenchement correspondant en lisant les points fixes stockés dans la mémoire 29 et stocke ces points dans la mémoire non rémanente que contient le processeur. Le processeur procède alors à l'interpolation de
la vitesse d'intégration qui correspond au temps de déclen-
chement désiré en conformité avec la courbe 14 de protection du moteur. Le processeur fournit au disjoncteur le signal de
sortie de déclenchement après expiration du temps de déclen-
chement calculé Le programmeur 38 peut comporter une liaison de communication numérique par le bus de données 37 comme faisant partie du disjoncteur numérique monté en usine, ou peut être un dispositif pouvant fonctionner à distance, tel que celui décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis
d'Amérique n0 232 035, le cas échéant.
On comprendra bien le fonctionnement du disjoncteur en se reportant maintenant à l'organigramme de la figure 4 et au disjoncteur numérique 15 représenté en figure 3. Le courant XO du circuit est détecté continuellement (39) comme étant Ix
et est entré dans le processeur 27 par le bus de données 26.
Le signal de courant est comparé (40) à une valeur de seuil Ir afin de déterminer l'apparition d'une surcharge. Lors de l'apparition d'une surcharge (41), le processeur lit (42) les points fixes stockés dans la mémoire et calcule (43) ' la valeur logarithmique du signal de courant Ix. L'algorithme - 9--
d'interpolation est appliqué (44) et le temps de déclenche-
ment Tt calculé (45). A l'expiration du temps de déclenche-
ment calculé, un signal de déclenchement (46) est appliqué au disjoncteur 35 par l'intermédiaire du tampon 31 et des conducteurs 30, 34 pour interrompre le circuit. On vient de décrire une courbe personnalisée pour la protection des moteurs dans le cas d'un disjoncteur numérique utilisé avec des moteurs électriques directement ou en coordination avec des circuits en aval ou des circuits de
branchement employant des relais thermiques et magnétiques.
Il y a accès au microprocesseur contenu dans le disjoncteur numérique par un programmeur afin d'introduire des points de réglage fixes dans le microprocesseur et stocker les points de réglage dans une mémoire morte programmable effaçable
électriquement.
- 10 -

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Disjoncteur numérique (15) pour la protection d'un moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen (17) de détection du courant du circuit r un circuit (23) de traitement du signal afin de transformer le courant du circuit en un signal correspondant de tension un processeur de signal (27) connecté au circuit de traitement du signal pour comparer le signal de tension correspondant à des paramètres de déclenchement calculés et pour interrompre le courant du circuit lorsque le signal de tension correspondant dépasse les paramètres de déclenchement calculés, et un moyen de mémoire (29) relié au processeur de signal, ce moyen de mémoire contenant des points de données sur le temps et le courant prédéterminés qui correspondent à un profil de protection du moteur électrique et un moyen d'a- 2rithme pour procéder à l'interpolation entre les points de ânonnées prédéterminés et fournir les paramètres de
déclenchement calculés.
2. Disjoncteur numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le processeur de signal est un microprocesseur (27) 3 Disjoncteur numérique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de programmeur (38) pour entrer les points de données sur le temps et le courant
dans le microprocesseur.
4. Disioncteur numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'algorithme comprend un
algorithme d'interpolation linéaire ou logarithmique.
Disjoncteur numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de mémoire comprend une
mémoire effaçable électriquement (29).
6 Procédé de protection de moteurs électriques dans un système de distribution d'énergie électrique, caractérisé
- 11 -
en ce qu'il comprend les étapes consistant à
monter un disjoncteur (15) comportant un microproces-
seur (27) et une mémoire associée (29) dans un système de distribution d'énergie électrique contenant au moins un moteur électrique ayant une capacité de surcharge et un profil de courant d'accélération; entrer une multitude de paramètres concernant le courant et le temps de protection du moteur dans la mémoire à partir d'un programmeur extérieur; déterminer le courant du circuit tranversant le moteur
électrique-
comparer le courant du circuit aux paramètres concer-
nant le temps et le courant; appliquer un algorithme d'interpolation aux paramètres stockés pour obtenir une courbe continue du.déclenchement en fonction du temps à fonctionnement en sécurité pour le moteur électrique, et interrompre le courant du circuit lorsque celui-ci dépasse une valeur prédéterminée pendant une durée dépassant
le temps de fonctionnement en sécurité.
7. Disjoncteur numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'algorithme d'interpolation comprend
une interpolation linéaire ou une interpolation logarithmi-
que. 8. Disjoncteur numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le programmeur extérieur (38) est connecté temporairement au microprocesseur (27) pour entrer les paramètres concernant le temps et le courant et est
ensuite débranché.
9 Disjoncteur numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres concernant le temps et le courant du moteur sont obtenus à partir de relais
thermique et magnétique de protection du moteur.
10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en
ce que la courbe du temps de déclenchement pour fonctionne-
- 12 -
ment en sécurité est déterminée par la capacité du moteur en
matière de surcharge.
11. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en
ce que la courbe du temps de déclenchement pour fonctionne-
ment en sécurité est déterminée par le profil du courant
d'accélération du moteur.
12. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à enlever le programmeur extérieur (38) apres entrée dans la mémoire des paramètres de
temps et de courant pour la protection du moteur.
13. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la mémoire est une mémoire effaçable électriquement (29).
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