FR2702082A1 - Appareil de commutation électromagnétique comprenant un système électronique interne de détection d'ouverture et de fermeture des contacts. - Google Patents
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Abstract
Cet appareil comprend un électro-aimant (22) comportant une bobine (23) et une armature (24) mobile par rapport à la bobine lors de l'application d'un courant d'excitation à la bobine, l'électro-aimant et l'armature définissant un circuit magnétique comportant un entrefer variable; un dispositif de détection (72) pouvant fonctionner de manière à surveiller au moins un courant dans la bobine et/ou une tension appliquée à cette bobine; et un circuit de commande (30) couplé au dispositif de détection, ce circuit de commande pouvant fonctionner de manière à détecter une variation dans ledit courant et/ou ladite tension appliquée à la bobine, cette variation ayant lieu en fonction d'une variation dans l'inductance du circuit magnétique par suite d'une augmentation et d'une réduction de l'entrefer. Applications: entre autres démarreurs de moteurs.
Description
APPAREIL DE COMMUTATION ELECTROMAGNETIOUE COMPRENANT
UN SYSTEME ELECTRONIOUE INTERNE DE DETECTION D'OUVERTURE
ET DE FERMETURE DES CONTACTS
La présente invention concerne le domaine des contacteurs électriques pour les démarreurs de moteurs et autres dispositifs similaires et elle a trait, en particulier, à un appareil de commutation comprenant un dispositif électronique qui détecte l'état ouvert ou l'état fermé du contacteur en surveillant l'inductance de la bobine du contacteur, cette inductance changeant en
fonction de l'entrefer entre l'armature et l'aimant.
Les contacteurs électromagnétiques comportant un ou plusieurs ensembles de contacts qui sont ouverts ou fermés par la tension appliquée à une bobine sont utiles pour diverses fonctions de commutation et de commande Un contacteur comporte, habituellement, un circuit magnétique qui comprend un aimant fixe et un aimant mobile ou armature, un entrefer étant présent entre ces derniers lorsque le contacteur est ouvert Une bobine électromagnétique peut être excitée sur commande de manière à interagir avec une source de tension qui peut être branchée aux bornes des contacts principaux du contacteur pour accélérer électromagnétiquement le déplacement de l'armature vers l'aimant fixe, en réduisant ainsi l'entrefer. L'armature supporte un ensemble de contacts de pontage pouvant être actionnés pour relier électriquement les contacts fixes, montés dans le bottier du contacteur, lorsque le circuit magnétique est excité et que l'armature est déplacée La charge et la source de tension sont habituellement reliées aux contacts fixes et se trouvent reliées mutuellement lorsque les contacts de pontage
viennent porter contre les contacts fixes.
A mesure qu'est accéléré le déplacement de l'armature vers l'aimant, deux forces de ressort s'opposent à ce déplacement La première force de ressort est due à un ressort de dégagement brusque que l'on utilise ultérieurement pour dégager les contacts par déplacement de l'armature dans la direction opposée lorsque le courant électrique cesse d'être appliqué à la bobine Ceci se produit lorsque les contacts s'ouvrent L'autre force de ressort est due à un ressort de contact qui commence à être comprimé lorsque les contacts de pontage viennent porter contre les contacts fixes et pendant que l'armature continue de se déplacer vers l'aimant fixe à mesure que
l'entrefer se réduit jusqu'à ce qu'il disparaisse.
Contrairement à un simple disjoncteur qui ouvre ces contacts dans des conditions de surintensité et qui doit être remis en position initiale manuellement, un contacteur peut être conçu pour ouvrir et fermer les contacts de diverses façons, parfois de façon répétée, par exemple pour mettre en marche, arrêter, laisser tourner librement sur sa lancée ou inverser la marche d'un moteur On peut combiner des contacteurs avec divers moyens de protection de surcharge et, dans ce cas, le contacteur est appelé, de façon typique, un dispositif de commande de moteur Il est possible d'utiliser des agencements de commutation à contacteurs monophasés et multiphasés et on peut obtenir une grande faculté de commutation de courant. Il existe de nombreuses possibilités en ce qui concerne des applications spécifiques de contacteurs Avec un moteur bidirectionnel, par exemple, on peut coupler deux contacteurs au circuit du moteur, l'un servant à établir des contacts pour une rotation en marche avant et l'autre pour une rotation en marche arrière D'autres possibilités comprennent une modification des connexions aboutissant à un moteur pour le faire démarrer ou pour l'arrêter par étapes successives, une connexion du moteur en autotransformateur, une commutation entre une connexion en étoile et en triangle, etc Pour une opération de commande ou de coordination d'un ou plusieurs contacteurs couplés à un appareil de commande, ou pour un moyen de commutation actionné manuellement, il est souvent souhaitable de fournir un signal qui indique l'état actuel du contacteur, c'est-à-dire l'état ouvert ou fermé des contacts On peut utiliser ce signal à l'aide des circuits de commande servant à effectuer une commutation entre des états de commande respectifs Il serait possible d'utiliser la
tension commutée pour obtenir une telle indication d'état.
Toutefois, ceci n'est pas souhaitable pour plusieurs raisons La tension est très bruyante en raison des variations de courant provoquées par le rebondissement des contacts et par la nature typiquement inductive de la charge Il peut être nécessaire de déterminer l'état des contacts avant qu'une tension soit disponible à l'endroit des contacts, par exemple avant d'actionner un moyen de
commutation couplé de façon plus proximale au secteur.
D'autre part, le couplage de la tension présente aux contacts avec un dispositif de détection extérieur nécessite des parties supplémentaires Pour toutes ces raisons, il serait souhaitable de disposer d'une forme
différente de dispositif de verrouillage.
En dehors des signaux qui peuvent être appliqués à des circuits de commande extérieurs pour commander le fonctionnement d'un système comprenant un contacteur électromagnétique, des circuits de commande internes pour des contacteurs sont connus et utilisés à diverses fins Le brevet U S 4 893 102 fait connaître un appareil contacteur comprenant un dispositif de commande à microprocesseur pouvant fonctionner de manière à modifier le courant appliqué à la bobine du contacteur pendant une course de fermeture afin d'accélérer le mouvement de l'armature avec une puissance élevée pendant la phase initiale de la fermeture, puis de laisser se déplacer l'armature sur sa lancée et finalement de maintenir les contacts avec une puissance réduite Cette disposition réduit le choc mécanique, le rebondissement des contacts et autres effets nuisibles de l'accélération du déplacement de l'armature avec une puissance égale sur toute sa course La puissance appliquée à la bobine est modifiée par une technique de chrono-déclenchement dans laquelle un triac est déclenché
avec un retard de plus en plus grand pendant les demi-
périodes de courant alternatif afin d'appliquer
progressivement moins de courant à la bobine.
Dans le brevet U S précité 4 893 102, un objectif est de commander la vitesse de l'armature en réduisant le courant d'excitation de bobine à un niveau de maintien après l'application d'une accélération juste suffisante pour que l'armature achève sa course La vitesse de l'armature diminue ainsi jusqu'à être nulle juste après que l'entrefer a atteint une valeur nulle, c'est-à-dire a été supprimé, et le courant restant d'excitation de la bobine maintient les contacts fermés Toutefois, il est difficile d'établir cette relation avec exactitude ou bien, une fois que cette relation est établie, d'avoir la certitude qu'elle ne changera pas dans le temps Il serait souhaitable, dans un dispositif de commande selon le brevet U.S 4 893 102 précité de détecter le moment o l'entrefer atteint une valeur nulle Ceci économiserait de l'énergie en fournissant une contre-réaction au dispositif de commande en ce qui concerne le degré particulier d'accélération qui est nécessaire pour surmonter uniquement la force du ressort de dégagement brusque et la force de
ressort des contacts.
Le brevet U S 4 819 118 fait aussi connaître un dispositif de commande à microprocesseur pour un système de contacteurs Deux contacteurs dont chacun comporte son propre dispositif de commande et qui sont conçus pour appliquer le courant à un moteur à inversion de marche pour une rotation dans des directions opposées Les deux dispositifs de commande communiquent l'un avec l'autre et l'un et/ou l'autre peut provoquer le déclenchement des deux contacteurs dans le cas d'une surcharge thermique du moteur On surveille le courant fourni à la charge à partir de chacun des deux contacteurs en utilisant des convertisseurs analogiques-numériques Le microprocesseur des dispositifs de commande respectifs échantillonne la sortie du convertisseur analogique-numérique et fournit une estimation de la chaleur accumulée par le moteur pendant son fonctionnement en sens inversé De cette manière, le courant appliqué par l'intermédiaire des deux contacteurs est utilisé pour déterminer le chauffage se produisant dans la charge et non pas uniquement le courant appliqué par
l'intermédiaire du contacteur qui est actif.
La présente invention a pour objet de détecter l'état ouvert/fermé d'un contacteur électromagnétique en surveillant la variation de l'inductance du circuit de bobine qui apparaît en fonction de la présence d'un entrefer, ou de l'absence d'un entrefer, entre l'armature
et la bobine du circuit magnétique.
La présente invention a encore pour objet d'obtenir que l'appareil de détection de niveau de courant et de tension d'un contacteur électromagnétique commandé par un microprocesseur recueille suffisamment d'informations pour détecter la variation de l'inductance du circuit magnétique. La présente invention a encore pour objet d'améliorer le fonctionnement d'un dispositif de commande à microprocesseur qui applique le courant à une bobine de contacteur pendant des demi-périodes partielles chrono déclenchées en détectant la variation de l'angle de phase de la commutation qui a lieu entre les états ouvert et
fermé du contacteur.
L'appareil de commutation électromagnétique selon l'invention comprend donc un électro-aimant comportant une bobine et une armature mobile par rapport à la bobine lors de l'application d'un courant d'excitation à la bobine, l'électro-aimant et l'armature définissant un circuit magnétique comportant un entrefer variable; un dispositif de détection pouvant fonctionner de manière à surveiller au moins un courant dans la bobine et/ou une tension appliquée à cette bobine; et un circuit de commande couplé au dispositif de détection, ce circuit de commande pouvant fonctionner de manière à détecter une variation dans ledit courant et/ou ladite tension appliquée à la bobine, cette variation ayant lieu en fonction d'une variation dans l'inductance du circuit magnétique par suite d'une
augmentation et d'une réduction de l'entrefer.
Selon une caractéristique de l'appareil de commutation électromagnétique selon l'invention, l'entrefer se trouve réduit pratiquement à une valeur nulle dans une position rappelée de l'armature, le dispositif comprenant en outre un moyen pour appliquer un signal de tension variable à la bobine, et le moyen de détection comprenant un détecteur de courant de bobine couplé au circuit de commande dans une boucle de rétroaction pour commander le signal de tension afin d'obtenir un courant d'excitation prédéterminé dans la bobine, le circuit de commande pouvant fonctionner de manière à détecter une variation dans le signal de tension variable nécessaire pour maintenir le
courant d'excitation prédéterminé.
Selon une autre caractéristique, le circuit de commande peut fonctionner de façon répétée de manière à commuter une tension aux bornes de l'électro-aimant pour obtenir une largeur d'impulsion variable afin de maintenir le courant d'excitation prédéterminé, ledit circuit de commande comprenant un dispositif de chrono-déclenchement pouvant fonctionner de manière à mémoriser ladite largeur d'impulsion variable pour au moins une période antérieure et un moyen comparateur pouvant fonctionner de manière à comparer ladite largeur d'impulsion variable pour au moins une période ultérieure, le circuit de commande pouvant fonctionner de manière à déterminer l'absence et la présence de l'entrefer à partir d'un signal de sortie du
moyen comparateur.
Selon une autre caractéristique encore le circuit de commande peut fonctionner de manière à appliquer et à cesser d'appliquer un signal de tension de courant alternatif à la bobine pendant des parties de demi-périodes de ce signal, les parties des demi-périodes définissant la
largeur d'impulsion variable.
Selon encore une autre caractéristique, le circuit de commande comprend un microprocesseur comprenant un dispositif de chronométrage, le microprocesseur étant couplé à une mémoire pour mémoriser numériquement un angle de phase entre le début des demi- périodes et un point d'application et de cessation d'application du signal de
tension à la bobine.
Selon une autre caractéristique, l'appareil comprend, en outre, un premier contact et un second contact montés par rapport à l'électro- aimant et à l'armature, respectivement lesdits premier et second contacts portant l'un contre l'autre pour établir une continuité dans un circuit électrique sensiblement avec la disparition de l'entrefer. Selon une autre caractéristique encore, le signal de tension en courant alternatif est obtenu au moins partiellement à partir du circuit électrique, de telle sorte que la charge du circuit électrique se traduit par des variations dans le niveau du signal de tension en courant alternatif, le microprocesseur pouvant fonctionner de manière à régulariser l'angle de phase entre le début de la demi-période et le point d'application de cessation d'application de la tension pour rendre compte des
variations ayant lieu dans ledit niveau.
Selon une autre caractéristique encore, l'appareil comprend, en outre, au moins un ressort exerçant une force sollicitant dans la position rappelée l'armature pour ouvrir l'entrefer et séparer les premier et second contacts, le microprocesseur pouvant fonctionner de manière à modifier le courant d'excitation prédéterminé appliqué à la bobine afin d'exercer différents degrés de force sur l'armature pendant au moins deux activités comprenant une accélération du déplacement de l'armature en direction de la bobine, le déplacement de l'armature sur sa lancée, le maintien de l'armature à l'encontre d'une force d'au moins un ressort et la libération de l'armature pour permettre
audit ressort de déplacer l'armature.
Selon une autre caractéristique encore, le microprocesseur peut fonctionner pendant au moins une desdites activités pour commuter le signal de tension en courant alternatif afin d'obtenir un niveau d'essai du courant d'excitation, en mesurant de cette manière
l'inductance du circuit magnétique.
Selon une autre caractéristique encore, le microprocesseur peut fonctionner de manière à mesurer ladite inductance au moins pendant le déplacement de l'armature sur sa lancée en direction d'une position dans laquelle les premier et second contacts portent l'un contre l'autre, et la libération suivante de l'armature en vue de
son déplacement par ledit ressort.
Enfin, selon une autre caractéristique, le niveau d'essai est sensiblement égal à un courant d'excitation suffisant pour maintenir l'armature à l'encontre de la
force dudit ressort lorsque l'entrefer est fermé.
On atteint ces objets ainsi que d'autres objets dans un contacteur électrique comportant des premier et second contacts montés de façon mobile de manière à porter l'un contre l'autre pour créer une continuité dans un
circuit électrique, cela par l'intermédiaire d'un électro-
aimant et d'une armature définissant un circuit magnétique comportant un entrefer qui est fermé dans une première position du contacteur, normalement lorsque les contacts portent l'un contre l'autre, et qui est ouvert dans une seconde position du contacteur Un dispositif de commande
applique une tension alternative à la bobine de l'électro-
aimant pendant une partie chronométrée de chaque demi-
période de la tension alternative et détecte dans une boucle de rétroaction le niveau du courant circulant dans la bobine Le dispositif de commande règle le temps d'application de la tension pour obtenir un courant moyen prédéterminé selon les besoins afin d'accélérer le déplacement de l'armature ou sa course sur sa lancée pendant une opération de fermeture afin de maintenir l'armature en place quand elle est fermée, etc Pour détecter si oui ou non le contacteur est au moment présent ouvert ou fermé, le dispositif de commande surveille et mémorise l'angle de phase entre le point de croisement à zéro antérieur de la tension et le moment o la tension est appliquée Quand l'inductance du circuit magnétique comprenant l'électro-aimant et l'armature varie rapidement en raison d'une ouverture ou d'une fermeture de l'entrefer entre cet électro-aimant et cette armature, le dispositif de commande détecte une variation correspondante de l'angle de phase Le dispositif de commande est, de préférence, un microprocesseur programmé de manière à normaliser l'angle
de phase sur une plage de tensions d'excitation de bobine.
Les microprocesseurs d'un grand nombre de tels contacteurs peuvent communiquer afin d'effectuer des opérations coordonnées. Le microprocesseur peut tester l'inductance du circuit magnétique comprenant la bobine et l'armature pendant un état connu du contacteur Par exemple, après l'amorçage d'une opération de fermeture par application d'impulsions de tension larges à la bobine, le microprocesseur peut émettre un train d'impulsions de test plus brèves, par exemple ayant une largeur suffisante pour maintenir l'armature une fois que les contacts sont fermés, en surveillant et en mémorisant l'angle de phase au moment o la tension doit être appliquée pour maintenir un niveau de courant de maintien Lorsque l'entrefer se ferme, l'inductance et l'angle de phase varient, le microprocesseur émettant alors un signal approprié indiquant un état fermé ou bien branche son sous-programme
de commande eu égard au changement d'état.
De façon similaire, pendant une opération d'ouverture, le microprocesseur cesse d'appliquer la tension à l'électro-aimant pendant un temps suffisant pour permettre au ressort de dégagement brusque et au ressort de contacts d'exercer une force qui accélère l'ouverture de l'armature, puis émet une série d'impulsions, en maintenant de nouveau un niveau de courant donné dans l'électro-aimant il et en surveillant la variation de l'angle de phase de commutation de tension qui indique l'ouverture de l'entrefer et une chute dans l'inductance du circuit magnétique La même opération peut également détecter une ouverture soudaine (c'est-à-dire une ouverture due à un choc mécanique ou à un autre événement analogue) pendant
une opération en cours d'ouverture et de maintien.
La présente invention facilite une opération coordonnée d'un grand nombre de contacteurs comportant chacun un microprocesseur de commande local pouvant fonctionner pour détecter l'état du contacteur local et étant couplés chacun en communication de données avec un ou plusieurs des autres Un exemple est une opération coordonnée d'inversion de marche d'un moteur dans un agencement de contacteurs comportant un premier contacteur destiné à faire fonctionner le moteur en mode marche avant
et un second contacteur destiné à un mode marche arrière.
L'invention peut être appliquée facilement à un contacteur du type comportant un microprocesseur ou un dispositif de commande similaire pour faire varier le niveau du courant dans la bobine électromagnétique afin d'effectuer des opérations de fermeture douces dans lesquelles le niveau de l'énergie appliquée pour exercer une traction sur l'armature est réduite à la quantité nécessaire pour surmonter la force du ressort de détente et la force de
ressort des contacts.
Ces objets ainsi que d'autres objets et aspects de
l'invention apparaîtront à la lecture de la description
donnée ci-après de certains modes de réalisation préférés pour lesquels on se référera aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel montrant un contacteur électrique et un système de commande selon la présente invention; la figure 2 est un schéma de principe montrant un circuit d'excitation de bobine pour activer le contacteur; la figure 3 est un graphique représentant une tension de bobine de contacteur en fonction du temps, ce graphique montrant la variation des conditions de tension entre une condition de contacteur fermé (trait plein) et une condition de contacteur ouvert (traits interrompus) sous la commande du dispositif de commande à microprocesseur; et la figure 4 est un graphique représentant le courant de bobine de contacteur correspondant à la figure 3. La présente invention comprend un dispositif tout électronique, qui détecte la position fermée ou la position ouverte d'un contacteur en utilisant la variation d'inductance du circuit de bobine Ce dispositif remplace, fonctionnellement, un dispositif électrique extérieur pour fournir des informations de rétroaction en ce qui concerne l'état fermé ou ouvert du contacteur Toutefois, un matériel supplémentaire informatique n'est pas nécessaire car la variation qui se manifeste dans l'inductance du circuit de bobine est détectée par une variation dans la chronologie ou chrono-déclenchement (c'est-à-dire l'angle de phase) qui apparaît dans la commutation d'un circuit de
commande de courant commandé par rétroaction.
Les conditions mises par ce dispositif électronique comprennent la vérification de la fermeture, la vérification de l'ouverture, la vérification d'ouverture soudaine et l'état pour une opération de commande séquentielle et d'inversion de contacteur Ces informations peuvent être fournies, à partir du contacteur, à un système de commande de contacteur ou de démarreur de moteur comprenant un grand nombre de modules de contacteurs, par exemple sur des liaisons de communication de données depuis le microprocesseur ou entre les microprocesseurs de dispositifs de commande de contacteur individuels tels que les liaisons de communication microf il ou IMPACC qui sont disponibles dans certains, circuits de commande de contacteur Le compte rendu d'état peut ainsi devenir un paramètre qui facilite les fonctions de commande séquentielles de démarreur, comme par exemple les fonctions d'autotransformateur, de commutation étoile-triangle et
autres fonctions de commutation.
Sur la figure 1, on a représenté sous une forme synoptique un système modulaire de commande de contacteur électrique, par exemple destiné à être utilisé pour commander l'application d'une énergie électrique à un
moteur à partir d'une ligne d'énergie électrique triphasée.
La figure 2 montre un mode de réalisation préféré des circuits de détection de courant et d'excitation de bobine du système de commande de contacteur Un contacteur pour marche avant et un contacteur pour marche arrière peuvent être prévus et être couplés à des moyens de communication de données en vue d'une opération de coordination Une seule phase et un seul contacteur sont représentés sur le dessin. Le contacteur 20 porte un électro-aimant 22 comprenant une bobine 23 pouvant agir lorsqu'elle est excitée par un courant de commande afin d'appliquer une force magnétique à une armature 24 qui, de façon caractéristique, comprend un aimant permanent Un premier contact électrique 25 est fixé dans le boîtier du contacteur et un second contact électrique 26 peut être mu par déplacement de l'armature 24 de manière à venir porter contre le contact fixe 25 Un dispositif 30 de commande de contacteur commande par commutation l'application du courant à la bobine 23 pour effectuer l'établissement ou la suppression de la continuité entre les contacts 25, 26, de façon caractéristique pour appliquer ou cesser d'appliquer le courant alternatif à un circuit de charge 32 Un ressort de dégagement brusque 33 est prévu pour pousser l'armature 24 dans une position ouverte, c'est-à-dire pour résister à la force magnétique qui est exercée sur l'armature par la bobine 23 quand celle-ci est excitée Par conséquent, lorsque le courant cesse d'être fourni à la bobine 23, les contacts 25, 26 se séparent et lorsque le courant est fourni, les contacts portent l'un contre l'autre En plus du ressort de dégagement brusque 33, au moins un des contacts 25, 26 est monté de façon élastique sur un ressort de contact destiné à presser les contacts l'un contre l'autre lorsque l'armature 24 est complètement rappelée vers la bobine 23 et l'entrefer 34 du circuit magnétique
qui comprend la bobine 23 et l'armature 24 devient nul.
Le contacteur peut brancher un moteur 42 à la ligne d'alimentation 44 ou l'en débrancher et peut être actionné conjointement avec un circuit supplémentaire pour effectuer une succession d'opérations de fermeture et d'ouverture de contacts suivant les besoins pour mettre en marche ou pour arrêter le moteur 42, le laisser tourner librement, inverser sa marche, etc Les transformateurs de courant 46 détectant le courant de charge peuvent être couplés aux conducteurs 48 menant à la charge pour remplir une fonction de protection contre les surcharges en utilisant le contacteur 20 et le dispositif de commande 30 de ce
dernier.
Le courant destiné à actionner le contacteur 20 et le dispositif de commande 30 peut être séparé de la ligne d'alimentation commutée ou être obtenu à partir de deux des phases de la ligne d'alimentation 44 sur le côté source du contacteur Une source de courant continu est nécessaire pour faire fonctionner la bobine 23 et le dispositif de commande 30 et un transformateur 52, un redresseur 54 et un filtre 46 sont prévus pour obtenir ce courant continu Le dispositif de commande 30 du contacteur comprend, de préférence, un microprocesseur 62, par exemple comme décrit dans les brevets U S 4 893 102 et/ou 4 819 118 cités ici à titre de référence En plus des simples fonctions logiques, le microprocesseur 62 et la mémoire 63 permettent une commande plus complexe du contacteur, comme par exemple le calcul de la moyenne dans le temps de la charge de courant, une estimation indirecte des conditions de température, une communication par l'intermédiaire d'entrée et de sortie externes 64, 65 de données entre plusieurs contacteurs
fonctionnant conjointement, ainsi que d'autres fonctions.
Des informations relatives au courant, à la tension et au temps sont fournies au microprocesseur 62 Un convertisseur analogique-numérique 66 est couplé à un transformateur 68 de détection de courant de bobine pour
échantillonner le niveau instantané du courant de bobine.
Un détecteur 72 de points de croisement à zéro de la tension fournit une impulsion au microprocesseur 62 aux points 80 de croisement à zéro de la tension de l'alimentation en courant alternatif au circuit de commande d'excitation de bobine (voir figure 3) à des fins de référence temporelle vis-à-vis du début d'un cycle ou d'un demi-cycle de courant alternatif Des impulsions provenant d'un oscillateur d'horloge 92 fournissant le signal d'horloge du microprocesseur peuvent être appliquées à un compteur 94 dont les sorties sont couplées au microprocesseur 62 en vue de l'obtention d'une information relative au temps écoulé, ou bien le microprocesseur peut déterminer les informations relatives au temps à l'aide d'une fonction programmée, par exemple en comptant le nombre de périodes par l'intermédiaire d'une boucle de
contrôle d'état programmé.
Dans un mode classique de fonctionnement, le microprocesseur 62 règle le temps durant lequel, au cours de chaque demi-période de tension, la bobine 23 de contacteur est excitée, de manière à commander ainsi le courant de la bobine de contacteur suivant les besoins relatifs à l'opération particulière Quand une opération de fermeture est amorcée, le microprocesseur 62 déclenche l'application du courant à la bobine 23 de façon relativement précoce au cours de chaque période de tension, parexemple en utilisant un triac ou un élément de commutation similaire 124 L'application précoce du courant pendant les périodes successives est telle qu'une proportion de l'énergie totale relativement plus grande que celle qui serait disponible à partir de chaque demi-période complète est appliquée pour accélérer le déplacement de l'armature 24 en direction de la position fermée à mesure
que le courant est intégré sur le restant de chaque demi-
période Le déplacement de l'armature 24 est accéléré suffisamment tôt au cours de l'opération de fermeture pour amener cette armature à une vitesse prédéterminée qui est suffisante pour surmonter la résistance du ressort de détente brusque 33 et du ressort 128 de contacts quand l'armature 24 vient porter contre ces ressorts
ultérieurement au cours de l'opération de fermeture.
Pendant l'application de la tension à la bobine 23 sur une partie de chaque demi-période, le microprocesseur 62 lit de façon répétée le niveau du courant dans la bobine par l'intermédiaire de la bobine 68 de détection de courant de bobine De préférence, le courant de bobine est lu en un point prédéterminé au cours de chaque demi-période mais il serait également possible d'échantillonner le courant en plusieurs points Le microprocesseur augmente ou diminue le retard entre un point 80 de croisement à zéro et le point de fermeture de contact ou d'application de courant, pour augmenter ou diminuer le niveau du courant de la bobine 23 dans une boucle de commande de rétroaction Les niveaux particuliers de courant qui sont nécessaires pour les opérations respectives peuvent être stockés dans une mémoire 63 ou bien calculés sur la base d'autres paramètres
détectés.
Après que le déplacement de l'armature 23 a été accéléré jusqu'à la vitesse requise pendant une opération de fermeture, le niveau du courant est réduit par application du courant à la bobine en un point situé plus tard au cours de chaque demi-période Pendant cette partie intermédiaire de l'opération de fermeture, la bobine 23 maintient pratiquement inchangée la vitesse de l'armature (c'est-à-dire la vitesse de l'armature sur sa lancée) Bien qu'il serait possible de réduire le courant de la bobine jusqu'à une valeur nulle, conformément à la présente invention le courant est réduit uniquement à un niveau d'essai qui permet au microprocesseur 62 d'enregistrer l'angle de phase au point d'application de tension en vue
d'une comparaison ultérieure.
Lorsque le contacteur se ferme, le microprocesseur applique un courant seulement suffisant pour maintenir le contacteur fermé L'énergie appliquée est fonction du courant dans la bobine, lequel est commandé par l'action du microprocesseur pour maintenir cette énergie de maintien suffisante Etant donné que la fermeture des contacts supprime l'entrefer entre l'armature et l'électro-aimant, l'inductance du circuit de la bobine augmente lors de la fermeture et une plus grande quantité d'énergie électromagnétique est emmagasinée dans le circuit de la bobine Il en résulte qu'un temps de fermeture plus court maintient le même niveau de courant au moment o le courant
est échantillonné.
La quantité d'énergie requise pour maintenir l'armature à l'encontre de la force des ressorts 33, 128 ne change pas L'énergie appliquée est fonction du courant et de l'inductance du circuit de la bobine Quand l'inductance augmente par suite de la suppression de l'entrefer, le microprocesseur (qui maintient encore le niveau de courant prédéterminé) réagit en retardant le point de fermeture des contacts ou d'application de tension, c'est-à-dire en augmentant l'angle de phase, au cours de la demi-période de tension. Cette opération est représentée graphiquement sur les figures 3 et 4 qui permettent de comparer la cadence de commutation de courant lorsque le contacteur 20 se ferme (trait plein) et s'ouvre (traits interrompus) Le microprocesseur ou autre circuit de commande est conçu pour surveiller la variation de l'angle de phase lors de la commutation et pour émettre un signal représentant l'état fermé du contacteur lorsque l'angle de phase de la commutation de courant (c'est-à-dire le retard par rapport au point de croisement à zéro antérieur de la tension) augmente. La variation de l'inductance peut également être utilisée pour vérifier l'ouverture Pendant les fonctions d'ouverture normale (c'est-à-dire une ouverture commandée) ainsi que lors d'une ouverture et d'une fermeture rapides (intempestives ou non commandées), la variation de l'inductance indique une ouverture de l'entrefer et une perte imminente ou complétée de continuité électrique entre
les contacts 25, 26.
Pendant une ouverture commandée, le courant de maintien cesse d'être appliqué à la bobine 23 Un court intervalle de temps s'écoule après la suppression du courant de maintien jusqu'à ce que l'entrefer 34 s'ouvre par suite de l'action du ressort 128 de contacts et du ressort de dégagement brusque 33 soulevant l'armature 24 en l'éloignant de l'électro-aimant et en ouvrant les contacts , 26 Le microprocesseur 62 peut déterminer le point auquel le contacteur s'ouvre en maintenant un courant d'essai minimal dans la bobine et en surveillant la variation de l'angle de phase (maintenant une réduction du retard à partir du point de croisement à zéro) qui se produit lorsque l'entrefer 34 s'ouvre et l'inductance du
circuit de bobine chute.
Une ouverture rapide est détectée par une variation de l'angle de phase qui a lieu pendant que le microprocesseur 62 continue à appliquer un courant de maintien à la bobine Le niveau du courant de maintien est normalement juste suffisant pour maintenir l'armature lorsque l'entrefer est supprimé, et il est souhaitable de n'appliquer que tout juste l'énergie nécessaire Dans le cas d'un choc mécanique, ou autre événement analogue, qui ébranle l'armature 24 et ouvre l'entrefer 34, il peut arriver que le courant de maintien ne soit pas suffisant pour rétablir la position fermée du contacteur Toutefois, conformément à la présente invention, le microprocesseur 62 peut détecter facilement une ouverture rapide et augmenter le courant de commande de bobine pour repositionner l'armature ou réagir de toute autre manière à cet état (par exemple en envoyant un signal à un système de commande plus
important ou à un autre contacteur).
L'inductance particulière et l'amplitude de la variation de l'inductance due à l'ouverture/fermeture de l'entrefer dépendent de la structure particulière du circuit de bobine de contacteur A titre d'exemple, le contacteur modèle F 34 de Westinghouse Electric Corporation a une inductance de 50 m H à l'état d'ouverture aimant/armature et une inductance de 80 m H à l'état de fermeture aimant/armature On voit que cette variation de l'inductance produit une différence que l'on peut facilement discerner dans l'angle de phase de commutation quand on commande un niveau de courant de bobine prédéterminé dans la commande de rétroaction On peut donc utiliser l'angle de phase pour déterminer la position de
l'armature d'une manière sûre.
La figure 2 représente un circuit 150 de commande d'excitation de bobine de contacteur du type utilisé pour commander des dispositifs contacteur99 de Westinghouse Le micro-processeur 62 (Ul) fournit à sa sortie un niveau élevé, par l'intermédiaire de la résistance 152 (R 26) qui débloque un transistor de commutation FET 154 (Q 4) par l'intermédiaire d'un circuit de commutation comprenant un isolateur optique 156 (U 2), qui est polarisé par une résistance R 15 et une diode Zener CR 5 La sortie de l'isolateur optique 154 est couplée à l'interrupteur FET par l'intermédiaire d'un transistor de commutation NPN 158 (Q 3) L'émetteur du transistor 158 est couplé à l'entrée de grille du FET 154 et est polarisé par des résistances 164 (R 14, R 16, R 18) De cette manière, le courant est appliqué de façon à circuler à travers la bobine 23 de contacteur par l'intermédiaire des diodes CR 10-CR 13 Le circuit forme un redresseur double alternance dans lequel la tension est appliquée au moment de l'apparition du signal provenant du
microprocesseur 62.
Le niveau du courant de la bobine est échantillonné et est renvoyé au microprocesseur 62 par l'intermédiaire de la résistance 167 (R 7) Pour obtenir une régulation du courant de bobine, le microprocesseur 62 échantillonne le courant de bobine, tel que représenté par la tension aux bornes de la résistance 167, par l'intermédiaire du convertisseur A à D 66 comme sur la figure 1 Le microprocesseur échantillonne le niveau du courant au même angle de phase, c'est-à-dire au même instant, 170 au cours de chaque demi- période par rapport au point de croisement à zéro antérieur 80 de la tension, dans un procédé
d'échantillonnage de courant du type "point sur onde".
Comme représenté sur les figures 3 et 4, le point 170 d'échantillonnage peut correspondre au point 80 de croisement à zéro de la tension d'alimentation Il n'est pas nécessaire que la forme et l'amplitude exactes du courant de bobine avant et après le point instantané de mesure soient échantillonnées par le microprocesseur, mais la forme et l'amplitude subissent l'influence de l'inductance et il peut être concevable d'échantillonner le courant à divers angles de phase et d'utiliser la forme de l'onde de courant comme indication de la variation de l'inductance se produisant lors de l'ouverture ou de la
fermeture de l'entrefer 34.
La figure 3 montre la variation de tension commutée en fonction du temps La demi-période située la plus à gauche représente en traits mixtes la tension d'alimentation disponible Lors de l'accélération du déplacement de l'armature, le microprocesseur applique la tension plus tôt au cours de la demi-période, par exemple avant la crête de tension La tension se maintient jusqu'au prochain point 80 de croisement à zéro, comme représenté par les hachures sous la forme d'onde Pour maintenir l'armature, c'est-à-dire pour tester l'inductance du circuit magnétique, le microprocesseur applique la tension plus près du point 80 de croisement à zéro, comme représenté également par des hachures La partie restante de la figure 3, ainsi que la figure 4, montrent l'effet de la variation de l'inductance du circuit magnétique entre la situation "contacteur fermé" (traits pleins) et la situation "contacteur ouvert" (traits interrompus) à mesure que le microprocesseur commande le courant de bobine en réglant le point de fermeture de contact ou d'application de tension pour maintenir un niveau de courant constant à
l'instant 170 o le courant est échantillonné.
Quand le contacteur est ouvert, le microprocesseur 62 doit, pour maintenir un courant donné à l'instant o est effectuée la mesure instantanée, maintenir un temps 140 d'application de tension plus long que lorsque le contacteur est fermé Le temps de fermeture ou d'application de tension accru est nécessaire car, avec une inductance plus faible dans l'état ouvert, une quantité plus faible d'énergie est emmagasinée dans le circuit de la bobine Le microprocesseur augmente le temps d'application de la tension en utilisant une temporisation touvert plus courte que la temporisation tfermé quand le contacteur est fermé. Une vérification de la fermeture est effectuée par application périodique d'impulsions de maintien quand le contacteur est ouvert, ces impulsions pouvant représenter, par exemple, un dixième du courant de fermeture nécessaire, afin de tester le retard d'angle de phase du circuit de la bobine quand il est ouvert Ce retard d'angle de phase peut être évalué par comptage d'impulsions d'horloge à partir du point antérieur 80 de croisement à zéro à l'aide d'un compteur binaire 94 tel que celui représenté sur la figure 1, ou par l'intermédiaire d'une opération programmée du
microprocesseur, par exemple en réponse à une interruption.
Le résultat d'au moins une de ces mesures de l'angle de phase en état ouvert dans les conditions de courant de maintien est emmagasiné, ou de façon préférable, la moyenne
des résultats d'un certain nombre de mesures est calculée.
Quand une opération de fermeture commence, le déplacement de l'armature 24 est accéléré pendant une certaine période comme on l'a décrit ci- dessus Ensuite, des courants de niveau de maintien sont de nouveau appliqués à la bobine 23 et le retard d'angle de phase est comparé avec les données qui ont été obtenues quand le contacteur 20 était ouvert L'angle de phase diffère notablement des données stockées quand le contacteur se ferme, en fournissant ainsi une indication de l'achèvement
de la fermeture.
Le retard d'angle de phase maintenu par le microprocesseur 62 doit différer en fonction de la tension également, étant donné que l'objectif est de maintenir le niveau prédéterminé de courant Si un décalage apparaît dans la tension alternative appliquée au circuit de commande de bobine, par exemple en raison d'une charge introduite par un moteur couplé par l'intermédiaire du contacteur à la même ligne d'alimentation en courant alternatif, le retard d'angle de phase peut être rapporté à la tension détectée par le microprocesseur 62 en utilisant une approximation linéaire Comme représenté par les comptes binaires (hexadécimal) donnés à titre d'exemple sur le tableau 1, la différence dans le retard de l'angle de phase entre les états "contacteur ouvert" et "contacteur
fermé" apparaissent facilement.
TABLEAU 1
Retards d'angle de phase: Vérification de la fermeture
TENSION FERME OUVERT
251 219
248 1 F 2
226 l E 9
211 1 C 2
l EC 198
1 CO 16 F
1 A 2 150
On peut utiliser une opération similaire pour une vérification d'ouverture La tension et le retard d'angle de phase sont enregistrés pendant que le contacteur est fermé et le courant de maintien est appliqué (c'est-à-dire avant que ne commence une opération d'ouverture) Lorsque l'ouverture commence, le courant de bobine cesse complètement d'être appliqué et le microprocesseur peut échantillonner le courant de bobine pour s'assurer qu'il est bien nul avant de continuer Dans une variante, le courant de commande de bobine peut être réduit à un niveau insuffisant pour surmonter la pression du ressort Lorsque la pression du ressort de contacteur et du ressort de détente entre en jeu, une série d'impulsions de test est de nouveau appliquée, par exemple au niveau de maintien, et la tension et l'angle de phase sont comparés avec des données enregistrées pendant le maintien (c'est-à-dire avant que la force d'ouverture des ressorts soit appliquée sans opposition à l'armature) Quand l'entrefer 34 s'ouvre par suite de l'action des ressorts 33, 128 contraignant l'armature 24 à s'ouvrir, les retards d'angle de phase deviennent plus courts et le signal d'état approprié est engendré par le microprocesseur Le tableau 2 montre à titre d'exemple les angles de phase obtenus pendant une
vérification d'ouverture.
TABLEAU 2
Retards d'angle de phase: Vérification de l'ouverture Cette technique indique également les cas d'ouverture soudaine Bien que n'étant pas fréquente, une ouverture soudaine peut se produire dans le cas d'un choc
mécanique important ou d'un courant de défaut important.
Dans ce cas, il est bon d'obtenir une indication d'état de la condition ouverte/fermée du contacteur afin que le système de commande puisse, dans son ensemble, réagir de façon appropriée, tandis qu'un manque d'une telle information peut se traduire par le fait que les circuits du contacteur prennent des états anormaux L'ouverture soudaine est détectée par maintien d'un enregistrement continu du retard de l'angle de phase et de la tension par une comparaison de l'angle de phase et de la tension
TENSION FERME OUVERT
251 21 A
246 1 F 5
221 1 E 8
211 ici
1 E 8194
1 BA 162 |
18 B 132
137 F 4 __
108 AA
pendant chaque demi-période avec les données enregistrées.
Une ouverture soudaine se traduit par une diminution brusque de l'angle de phase non-accompagnée par une chute correspondante de tension et peut être identifiée par le microprocesseur qui, alors, émet à sa sortie un signal d'état approprié Il peut être bon de demander une détection d'ouverture soudaine sur deux ou plus de deux demi-périodes avant d'émettre le signal d'état afin de réduire le risque d'une opération erronée par suite d'un
bruit de ligne.
L'invention n'exige pas l'adjonction d'un matériel d'informatique à un circuit de contacteur car les informations nécessaires pour vérifier la fermeture et l'ouverture peuvent être obtenues à l'aide d'un moyen de détection de tension et de courant et de la capacité de chronodéclenchement du circuit de contacteur et du microprocesseur qui y est inclus Le dispositif de commande réagit cependant d'une façon très directe à l'état physique
du contacteur tel que fourni par l'existence ou la non-
existence d'un entrefer entre l'armature et l'électro-
aimant Un dispositif électronique complet est formé qui permet une vérification de fermeture, une vérification d'ouverture et la détection d'une ouverture soudaine Aucun dispositif de synchronisation électrique extérieur n'est nécessaire pour fournir les indications d'état, grâce à quoi les contacteurs peuvent être actionnés, coordonnés, et inclus dans des systèmes de commande plus vastes qui
s'appuient sur les signaux de vérification d'état.
Il est bien entendu que la description qui précède
n'est donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent
y être apportées dans le cadre de la présente invention.
Claims (9)
1 Appareil de commutation électromagnétique caractérisé en ce qu'il comprend un électro-aimant ( 22) comportant une bobine ( 23) et une armature ( 24) mobile par rapport à la bobine lors de l'application d'un courant d'excitation à la bobine, l'électro-aimant et l'armature définissant un circuit magnétique comportant un entrefer variable ( 34); un dispositif de détection ( 72) pouvant fonctionner de manière à surveiller au moins un courant dans la bobine et/ou une tension appliquée à cette bobine; et un circuit de commande ( 30) couplé au dispositif de détection, ce circuit de commande pouvant fonctionner de manière à détecter une variation dans ledit courant et/ou ladite tension appliquée à la bobine, cette-variation ayant lieu en fonction d'une variation dans l'inductance du circuit magnétique par suite d'une augmentation et d'une
réduction de l'entrefer ( 34).
2 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer ( 34) se trouve réduit pratiquement à une valeur nulle dans une position rappelée de l'armature ( 23), le dispositif comprenant en outre un moyen pour appliquer un signal de tension variable à la bobine, et le moyen de détection comprenant un détecteur ( 68) de courant de bobine couplé au circuit de commande dans une boucle de rétroaction pour commander le signal de tension afin d'obtenir un courant d'excitation prédéterminé dans la bobine, le circuit de commande pouvant fonctionner de manière à détecter une variation dans le signal de tension variable nécessaire
pour maintenir le courant d'excitation prédéterminé.
3 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de commande ( 30) peut fonctionner de façon répétée de manière à commuter une tension aux bornes de l'électroaimant ( 22) pour obtenir une largeur d'impulsion variable afin de maintenir le courant d'excitation prédéterminé, ledit circuit de commande comprenant un dispositif de chronométrage ouf bscillateur d'horloge ( 92) pouvant fonctionner de manière à mémoriser ladite largeur d'impulsion variable pour au moins une période antérieure et un moyen comparateur pouvant fonctionner de manière à comparer ladite largeur d'impulsion variable pour au moins une période ultérieure, le circuit de commande pouvant fonctionner de manière à déterminer l'absence et la présence de l'entrefer à partir
d'un signal de sortie du moyen comparateur.
4 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de commande peut fonctionner de manière à appliquer et à cesser d'appliquer un signal de tension de courant alternatif à la bobine pendant des parties de demi-périodes de ce signal, les parties des demi-périodes définissant la
largeur d'impulsion variable.
5 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un microprocesseur ( 62) comprenant un dispositif de chronométrage ( 92), le microprocesseur étant couplé à une mémoire pour mémoriser numériquement un angle de phase entre le début des demi-périodes et un point d'application et de cessation d'application du signal de
tension à la bobine.
6 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un premier contact ( 25) et un second contact ( 26) montés par rapport à l'électro-aimant et à l'armature, respectivement, lesdits premier et second contacts portant l'un contre l'autre pour établir une continuité dans un circuit électrique sensiblement avec la disparition de
l'entrefer.
7 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le signal de tension en courant alternatif est obtenu au moins partiellement à partir du circuit électrique, de telle sorte que la charge du circuit électrique se traduit par des variations dans le niveau du signal de tension en courant alternatif, le microprocesseur ( 62) pouvant fonctionner de manière à régulariser l'angle de phase entre le début de la demi-période et le point d'application de cessation d'application de la tension pour rendre compte
des variations ayant lieu dans ledit niveau.
8 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, au moins un ressort ( 128) exerçant une force sollicitant dans la position rappelée l'armature pour ouvrir l'entrefer et séparer les premier et second ( 25, 26) contacts, le microprocesseur pouvant fonctionner de manière à modifier le courant d'excitation prédéterminé appliqué à la bobine afin d'exercer différents degrés de force sur l'armature pendant au moins deux activités comprenant une accélération du déplacement de l'armature en direction de la bobine, le déplacement de l'armature sur sa lancée, le maintien de l'armature à l'encontre d'une force d'au moins un ressort et la libération de l'armature pour permettre
audit ressort de déplacer l'armature.
9 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 8, dans lequel le microprocesseur peut fonctionner pendant au moins une desdites activités pour commuter le signal de tension en courant alternatif afin d'obtenir un niveau d'essai du courant d'excitation, en mesurant de cette manière l'inductance du circuit magnétique. Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le microprocesseur peut fonctionner de manière à mesurer ladite inductance au moins pendant le déplacement de l'armature sur sa lancée en direction d'une position dans laquelle les premier et second contacts portent l'un contre l'autre, et la libération suivante de l'armature en vue de son déplacement par ledit ressort. 11 Appareil de commutation électromagnétique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le niveau d'essai est sensiblement égal à un courant d'excitation suffisant pour maintenir l'armature à l'encontre de la
force dudit ressort lorsque l'entrefer est fermé.
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