FR2803956A1

FR2803956A1 - Supply of actuating winding on power contactor, uses control of DC -DC converter connected between DC supply and coil to regulate current in coil

Info

Publication number: FR2803956A1
Application number: FR0000418A
Authority: FR
Inventors: Alain Vezinet
Original assignee: Systemes Et Conversion Ind D E
Current assignee: Systemes Et Conversion Ind D E
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2001-07-20
Anticipated expiration: 2006-01-13
Also published as: FR2803956B3

Abstract

The contactor supply has a DC-DC converter (1) between the DC supply (2) and the contactor coil (30). The converter is controlled (9) in response to the difference between the current drawn by the coil and the current required either for closing or for holding. The set current level is delivered (5) as a sequence of actuating and holding current.

Description

" Dispositif et procédé pour alimenter une bobine de commande d'un contacteur électrique, notamment d'un contacteur de puissance" DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif pour alimenter une bobine de commande d'un contacteur électrique, notamment un contacteur de puissance. Elle vise également un procédé mis en #uvre dans ce dispositif. "Device and method for supplying a control coil of an electrical contactor, in particular of a power contactor" DESCRIPTION The present invention relates to a device for supplying a control coil of an electrical contactor, in particular a power contactor. It also relates to a process implemented in this device.

Les contacteurs de puissance comportent généralement une bobine agencée pour générer un champ électromagnétique et commander ainsi le déplacement d'un équipage mobile portant une pièce mécanique de contact électrique. Ces contacteurs de puissance sont conçus pour fermer et ouvrir des circuits électriques dans lesquels des courants de forte intensité peuvent circuler. Power contactors generally include a coil arranged to generate an electromagnetic field and thus control the movement of a mobile assembly carrying a mechanical electrical contact part. These power contactors are designed to close and open electrical circuits in which high currents can flow.

On distingue dans le fonctionnement de ces contacteurs de puissance deux situations caractéristiques correspondant respectivement au régime transitoire d'installation du courant dans la bobine et au régime permanent d'alimentation de la bobine. Pendant le régime transitoire dont la durée doit être minimisée pour réaliser un contacteur de puissance performant, un courant d'appel de forte intensité est injecté dans la bobine. A l'inverse, au cours du régime permanent correspondant par exemple au maintien de la pièce de contact électrique en position fermée, dont la durée est généralement très grande devant la durée du régime transitoire, le courant qu'il est nécessaire d'injecter dans la bobine pour réaliser ce maintien est typiquement très petit par rapport au courant d'appel. There are two characteristic situations in the operation of these power contactors corresponding respectively to the transient regime of installation of the current in the coil and to the permanent regime of supply of the coil. During the transient regime, the duration of which must be minimized in order to produce an efficient power contactor, a high current inrush current is injected into the coil. Conversely, during the steady state corresponding for example to the maintenance of the electrical contact piece in the closed position, the duration of which is generally very great compared to the duration of the transient state, the current which it is necessary to inject into the coil to achieve this holding is typically very small compared to the inrush current.

Jusqu'à présent, pour générer à la fois un courant d'appel élevé pendant un temps très court et un courant de maintien faible pendant de larges plages de temps, on utilisait un dispositif d'alimentation connecté à une sourde de tension continue et comprenant, en série avec cette source de tension continue, un interrupteur et une résistance de forte valeur et, en parallèle sur la bobine de commande à alimenter, un condensateur ayant pour fonction de délivrer le courant d'appel. En régime établi, le courant de maintien est déterminé à la fois par le niveau de tension continue et la résistance de la self- inductance et de la bobine de commande. Hitherto, to generate both a high inrush current for a very short time and a low holding current for wide periods of time, a power device has been used connected to a DC voltage deaf and comprising , in series with this DC voltage source, a switch and a resistor of high value and, in parallel on the control coil to be supplied, a capacitor whose function is to deliver the inrush current. In steady state, the holding current is determined both by the DC voltage level and the resistance of the self-inductance and the control coil.

Ce dispositif d'alimentation, bien que largement répandu et ayant prouvé sa fiabilité, présente cependant l'inconvénient de rendre l'alimentation électrique de la bobine fortement dépendante des fluctuations de la source de tension continue, ce qui peut notamment conduire à un échauffement excessif de la bobine en cas de surtension prolongée avec pour conséquence un risque de défaillance du contacteur de puissance. Par ailleurs, il existe une grande variété de contacteurs de puissance ayant des performances différentes et notamment des pouvoirs de coupure variée. Pour chaque type de contacteur de puissance, il est nécessaire de prévoir un dimensionnement spécifique du dispositif d'alimentation, ce qui induit une gestion particulièrement complexe et donc coûteuse des parcs de dispositifs d'alimentation. This supply device, although widely used and having proven its reliability, however has the drawback of making the electrical supply to the coil highly dependent on fluctuations in the DC voltage source, which can in particular lead to excessive heating. of the coil in the event of prolonged overvoltage with the consequence of a risk of failure of the power contactor. Furthermore, there is a wide variety of power contactors having different performances and in particular varied breaking capacities. For each type of power contactor, it is necessary to provide a specific dimensioning of the supply device, which induces a particularly complex and therefore costly management of the supply device fleets.

Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un nouveau concept de dispositif d'alimentation d'une bobine de commande d'un contacteur de puissance, qui puisse prendre en compte des fluctuations de la tension d'alimentation tout en procurant une alimentation stable de la bobine de commande et en assurant un niveau de fiabilité au moins équivalent sinon supérieur à celui observé avec les dispositifs actuels. The object of the invention is to remedy this drawback by proposing a new concept of device for feeding a control coil of a power contactor, which can take account of fluctuations in the supply voltage while providing a stable power supply to the control coil and ensuring a level of reliability at least equivalent if not higher than that observed with current devices.

On atteint les objectifs précités avec un dispositif pour alimenter une bobine de commande d'un contacteur électrique, notamment d'un contacteur de puissance, à partir d'une source de tension continue, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de conversion continu-continu disposés entre la source de tension continue et ladite bobine, des moyens pour commander lesdits moyens de conversion continu-continu, et des moyens pour générer une information sur le courant injecté dans ladite bobine. The above objectives are achieved with a device for supplying a control coil of an electrical contactor, in particular of a power contactor, from a DC voltage source, characterized in that it comprises means for continuous conversion. -continuous disposed between the DC voltage source and said coil, means for controlling said DC-DC conversion means, and means for generating information on the current injected into said coil.

Les moyens de commande sont agencés pour commander, en réponse à un ordre d'alimentation, les moyens de conversion continu-continu de sorte que le courant injecté dans la bobine est asservi à une consigne programmée de courant comportant une séquence d'injection d'un courant d'appel et une séquence d'injection d'un courant de maintien. The control means are arranged to control, in response to a supply order, the DC-DC conversion means so that the current injected into the coil is controlled by a programmed current setpoint comprising an injection sequence of an inrush current and an injection current injection sequence.

Grâce à l'asservissement du courant injecté, on obtient ainsi dans la bobine de commande des conditions optimales de fonctionnement. Thanks to the control of the injected current, optimal operating conditions are thus obtained in the control coil.

Les moyens de conversion continu-continu comprennent de préférence un convertisseur indirect, communément appelé convertisseur Fly-Back. Cette solution technique est particulièrement intéressante dans la mesure où elle procure un haut niveau de tolérance aux variations de la tension d'entrée, un rendement particulièrement élevé et un bon compromis entre le dimensionnement du circuit magnétique du convertisseur Fly-Back conditionné par la puissance instantanée à délivrer dans la séquence de courant d'appel et le dimensionnement des enroulements dudit convertisseur qui est conditionné par l'échauffement dans la séquence de courant de maintien. En outre, un convertisseur Fly-back autorise une grande excursion, d'un rapport de dix par exemple, aussi bien de la puissance d'entrée que de la puissance de sortie, ceci permet une tension aux bornes de la bobine indépendante de la tension d'entrée dudit dispositif. La gestion des parcs de dispositifs d'alimentation pour des contacteurs de puissance différents est ainsi simplifiée. The continuous-continuous conversion means preferably comprise an indirect converter, commonly called a fly-back converter. This technical solution is particularly interesting insofar as it provides a high level of tolerance to variations in the input voltage, a particularly high efficiency and a good compromise between the dimensioning of the magnetic circuit of the Fly-Back converter conditioned by the instantaneous power. to be delivered in the inrush current sequence and the dimensioning of the windings of said converter which is conditioned by the heating in the holding current sequence. In addition, a Fly-back converter allows a large excursion, of a ratio of ten for example, both of the input power and the output power, this allows a voltage across the coil independent of the voltage input of said device. The management of the supply device fleets for different power contactors is thus simplified.

Les moyens de commande comprennent avantageusement des moyens pour comparer l'information de courant à la consigne programmée de courant, et des moyens de modulation de largeur d'impulsion recevant en entrée un signal de comparaison délivré par lesdits moyens de comparaison et générant en sortie un signal de commande de moyens de commutation commandés au sein du convertisseur Fly-Back. Les techniques classiques de modulation de largeur d'impulsion (PWM : Pulse Width Modulation) peuvent alors être mises en #uvre. Ces moyens de commande peuvent en outre être programmés pour commander le convertisseur Fly-Back en mode de correction de facteur de puissance. The control means advantageously comprise means for comparing the current information with the programmed current setpoint, and pulse width modulation means receiving as input a comparison signal delivered by said comparison means and generating at output a command signal of switching means controlled within the Fly-Back converter. The classical techniques of Pulse Width Modulation (PWM) can then be implemented. These control means can also be programmed to control the Fly-Back converter in power factor correction mode.

Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour alimenter une bobine de commande d'un contacteur électrique, notamment d'un contacteur de puissance, à partir d'une source de tension continue, mis en #uvre dans le dispositif selon l'invention, ce procédé comprenant une conversion de la tension délivrée par la source de tension continue en une tension variable d'alimentation de ladite bobine. According to another aspect of the invention, a method is proposed for supplying a control coil of an electrical contactor, in particular of a power contactor, from a DC voltage source, implemented in the device according to the invention, this method comprising a conversion of the voltage delivered by the DC voltage source into a variable supply voltage of said coil.

Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en outre une génération d'une information sur le courant instantané injecté dans ladite bobine, et une commande de la conversion continu-continu de sorte que le courant injecté dans la bobine est asservi à une consigne programmée de courant comportant une séquence d'injection d'un courant d'appel et une séquence d'injection d'un courant de maintien. This method is characterized in that it further comprises a generation of information on the instantaneous current injected into said coil, and a control of the DC-DC conversion so that the current injected into the coil is controlled by a setpoint. programmed current comprising an injection current injection sequence and an injection current injection sequence.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'alimentation selon l'invention ; et - la figure 2 est un chronogramme des signaux principaux et états observés dans le fonctionnement du dispositif d'alimentation selon l'invention. Other features and advantages of the invention will appear in the description below. In the accompanying drawings given by way of nonlimiting examples: - Figure 1 is a block diagram of an exemplary embodiment of a supply device according to the invention; and - Figure 2 is a timing diagram of the main signals and states observed in the operation of the supply device according to the invention.

On va maintenant décrire, en référence aux figures précitées, un exemple de réalisation d'un dispositif d'alimentation d'une bobine de commande d'un contacteur électrique, en même temps que son fonctionnement. We will now describe, with reference to the aforementioned figures, an embodiment of a device for feeding a control coil of an electrical contactor, at the same time as its operation.

Le dispositif d'alimentation 1 selon l'invention est inséré entre une source de tension continue 2 et une bobine 30 d'un contacteur électrique de puissance 3 comportant une pièce mobile de contact 31 entre deux pôles reliés à un circuit de puissance CP dans lequel circule un courant I qui peut être de forte intensité. The power supply device 1 according to the invention is inserted between a DC voltage source 2 and a coil 30 of an electrical power contactor 3 comprising a movable contact piece 31 between two poles connected to a power circuit CP in which there is a current I which can be of high intensity.

Le niveau de tension continue en entrée du dispositif d'alimentation 1 peut être variable, par exemple dans une plage de 16 à 150 Volts, tandis que la tension nominale aux bornes de la bobine 30 est par exemple égale à 24 Volts. The DC voltage level at the input of the supply device 1 can be variable, for example in a range from 16 to 150 Volts, while the nominal voltage across the terminals of the coil 30 is for example equal to 24 Volts.

Le dispositif d'alimentation 1 comprend un convertisseur Fly-Back 10, un équipement de mesure du courant i injecté dans la bobine 30 tel qu'un shunt 8, et une unité de commande 9. The supply device 1 comprises a Fly-Back converter 10, a device for measuring the current i injected into the coil 30 such as a shunt 8, and a control unit 9.

Le convertisseur Fly-Back 10 comprend, selon une structure désormais classique, un transistor de puissance 13, un transformateur 11 comportant un circuit magnétique 110 et deux enroulements 111, 112 respectivement primaire et secondaire, une diode de puissance 12 en série avec l'enroulement secondaire 112 et un condensateur 7 en parallèle sur la sortie du convertisseur. L'unité de commande 9 reçoit en entrée, d'une part, un signal représentatif du courant injecté i et, d'autre part un ordre C de commande du contacteur électrique délivré par une unité de consigne 5, et délivre en retour un signal de commande G appliqué sur un circuit 6 de commande de la grille du transistor de puissance 13. The Fly-Back converter 10 comprises, according to a now conventional structure, a power transistor 13, a transformer 11 comprising a magnetic circuit 110 and two windings 111, 112 respectively primary and secondary, a power diode 12 in series with the winding secondary 112 and a capacitor 7 in parallel on the output of the converter. The control unit 9 receives as input, on the one hand, a signal representative of the injected current i and, on the other hand, a command C for controlling the electrical contactor issued by a setpoint unit 5, and delivers in return a signal control G applied to a control circuit 6 of the gate of the power transistor 13.

L'unité de commande 9 est conçue pour réaliser les fonctions suivantes . The control unit 9 is designed to perform the following functions.

- comparaison du courant instantané i mesuré et d'une consigne de courant programmée comprenant, en référence à la figure 2 a), une première séquence A courant d'appel d'intensité élevée nécessaire au déplacement de la pièce de contact pendant une première durée prédéterminée, et une seconde séquence de courant de maintien d'intensité très inférieure à celle du courant d'appel et suffisante pour assurer le maintien de la pièce de contact ; - commande en modulation de largeur d'impulsions du transistor de puissance 13, avec fonction de correction du facteur de puissance (PFC). - comparison of the instantaneous current i measured and of a programmed current setpoint comprising, with reference to FIG. 2 a), a first sequence A high intensity inrush current necessary for moving the contact piece for a first duration predetermined, and a second sequence of holding current of intensity much lower than that of the inrush current and sufficient to ensure the maintenance of the contact piece; - control in pulse width modulation of the power transistor 13, with power factor correction (PFC) function.

Cette unité de commande peut être conçue par exemple à base de circuits intégrés et inclure, en fonction de la complexité de la commande recherchée, un circuit spécialisé de type MLI/PWM et/ou un micrcontrôleur et/ou un circuit de type PFC (Power Factor Corrector). La consigne de courant programmée peut être stockée dans une mémoire morte ou dans tout autre moyen de stockage approprié. This control unit can be designed for example based on integrated circuits and include, as a function of the complexity of the control sought, a specialized circuit of the PWM / PWM type and / or a microcontroller and / or a circuit of the PFC type (Power Factor Corrector). The programmed current setpoint can be stored in a ROM or in any other suitable storage means.

On peut aussi prévoir des versions compactes et économiques de dispositifs d'alimentation intégrant selon des techniques classiques de fabrication l'ensemble des fonctions de puissance et de commande sur un même support. It is also possible to provide compact and economical versions of supply devices integrating, according to conventional manufacturing techniques, all of the power and control functions on the same support.

On va maintenant décrire, plus particulièrement en référence à la figure 2, les séquences caractéristiques d'appel et de maintien exécutées lors d'une commande d'un contacteur électrique avec le dispositif d'alimentation selon l'invention. We will now describe, more particularly with reference to FIG. 2, the characteristic calling and holding sequences executed when an electrical contactor is controlled with the supply device according to the invention.

En l'absence de consigne de commande C, l'unité de commande 9 délivre un signal G de commande de transistor au niveau bas et le convertisseur Fly-Back 10 est alors inactif, interdisant toute alimentation de la bobine de commande 30. In the absence of a control setpoint C, the control unit 9 delivers a signal G for controlling the transistor at the low level and the Fly-Back converter 10 is then inactive, preventing any supply of the control coil 30.

A l'apparition d'un signal de consigne de commande correspondant par exemple au passage du contacteur électrique 3 de l'état ouvert dans l'état fermé , l'unité de commande 9 initie une séquence A de courant d'appel IA pendant une durée prédéterminée tA, les deux paramètres d'intensité d'appel IA et de durée tA étant préalablement choisis de façon à obtenir une commutation électromécanique du contacteur électrique 3 dans des conditions optimales. On the appearance of a command setpoint signal corresponding for example to the passage of the electrical contactor 3 from the open state to the closed state, the control unit 9 initiates a sequence A of inrush current IA during a predetermined duration tA, the two parameters of call intensity IA and duration tA being chosen beforehand so as to obtain an electromechanical switching of the electrical contactor 3 under optimal conditions.

Au cours de cette séquence de courant d'appel, le convertisseur Fly-Back 10 est commandé avec des temps de conduction suffisamment grands pour assurer un asservissement du courant injecté i à une consigne de courant élevé IA. Le signal de commande G peut alors présenter alors un rapport cyclique variable voisin de 0,5. A l'issue de la durée prédéterminée tA, l'unité de commande 9 bascule alors dans la séquence M de courant de maintien au cours de laquelle le courant i injecté dans la bobine 30 est asservi à une consigne de courant de maintien IM qui peut être de 5 à 10 fois inférieure à la consigne de courant d'appel IA. During this inrush current sequence, the Fly-Back converter 10 is controlled with sufficiently long conduction times to ensure a control of the injected current i to a high current setpoint IA. The control signal G can then have a variable duty cycle close to 0.5. At the end of the predetermined duration tA, the control unit 9 then switches to the holding current sequence M during which the current i injected into the coil 30 is slaved to a holding current setpoint IM which can be 5 to 10 times lower than the IA inrush current setpoint.

Au cours de cette séquence de courant de maintien, le convertisseur Fly-Back 10 est commandé avec des temps de conduction très inférieurs à ceux observés dans la séquence de courant d'appel de sorte que le courant injecté dans la bobine 30 est asservi sur la consigne de maintien IM. During this holding current sequence, the Fly-Back converter 10 is controlled with conduction times much lower than those observed in the inrush current sequence so that the current injected into the coil 30 is controlled by the IM holding setpoint.

Lors d'une séquence de commande, le contact électrique dans le circuit de puissance CP est définitivement établi avec un temps de retard par rapport à l'émission du signal d'ordre de contact qui est en général inférieur à la durée de la séquence de courant d'appel, tandis qu'il est définitivement rompu après un temps de retard par rapport au front descendant du signal d'ordre de contact. Ces temps de retard dépendent des caractéristiques électromécaniques intrinsèques du contacteur électrique alimenté mais sont aussi fonction des paramètres de la consigne de courant programmée. Le dispositif d'alimentation selon l'invention procure un réglage aisé des courants respectifs d'appel et de maintien et des durées respectives d'appel et de maintien. During a control sequence, the electrical contact in the power circuit CP is definitively established with a delay time relative to the emission of the contact command signal which is generally less than the duration of the sequence of inrush current, while it is definitively broken after a time delay relative to the falling edge of the contact order signal. These delay times depend on the intrinsic electromechanical characteristics of the electric contactor supplied but are also a function of the parameters of the programmed current setpoint. The supply device according to the invention provides easy adjustment of the respective call and hold currents and the respective call and hold times.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described and numerous modifications can be made to these examples without departing from the scope of the invention.

Claims

1. Device for supplying a control coil of an electrical contactor, in particular of a power contactor, from a DC voltage source, characterized in that it comprises DC-DC conversion means arranged between the DC voltage source and said coil, means for controlling said DC-DC conversion means, and means for generating information on the current injected into said coil, and in that the control means are arranged to control, in response to a supply order, the DC-DC conversion means so that the current injected into the coil is controlled by a programmed current setpoint comprising an injection current injection sequence and an injection sequence a holding current.

2. Feeding device according to claim 1, characterized in that the continuous-continuous conversion means comprise a Fly-Back converter.

3. Supply device according to claim 2, characterized in that the control means comprise means for comparing the current information with the programmed current setpoint, and pulse width modulation means receiving as input comparison signal delivered by said comparison means and generating as an output a command signal of switching means controlled within the Fly-Back converter.

4. Feeding device according to one of claims 2 or 3, characterized in that the control means are further arranged to control the Fly-Back converter in power factor corrector.

5. Method for supplying a control coil of an electrical contactor, in particular of a power contactor, from a DC voltage source, implemented in the device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a conversion of the voltage delivered by the DC voltage source into a variable supply voltage of said coil, a generation of information on the instantaneous current injected into said coil, and a command of the conversion continuous-continuous so that the current injected into the coil is controlled by a programmed current setpoint comprising a sequence for injecting a surge current and a sequence for injecting a holding current.

6. Method according to claim 5, characterized in that the DC-DC converter is of the Fly-Back type.

7. Method according to one of claims 5 or 6, characterized in that the control of the continuous-continuous conversion comprises a comparison of the instantaneous current information and the programmed current setpoint, and a width modulation of pulses for generating a control signal of controlled switching means used in the DC-DC conversion.

8. Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the control includes a power factor correction.