FR2951013A1

FR2951013A1 - METHOD AND DEVICE FOR SWITCHING AN ELECTROMAGNETIC RELAY

Info

Publication number: FR2951013A1
Application number: FR0956993A
Authority: FR
Inventors: Axel Grimault; Jean-Philippe Querard; Thierry Giorgetti; Yves Bony
Original assignee: Atlantic Industrie SAS
Current assignee: Atlantic Industrie SAS
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-04-08
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: EP2312598A1; FR2951013B1

Abstract

Un procédé de commutation d'un relais électromagnétique destiné à alimenter une charge de puissance comporte une suite d'étapes (10-18) d'alimentation et une suite d'étapes (20-25) de déconnexion. Des corrections temporelles sont effectuées pour l'alimentation et pour la déconnexion : l'instant de commande est corrigé par rapport au passage par zéro de l'alimentation et le temps de présence de l'arc électrique d'ouverture et mesuré pour permettre la correction et minimiser l'effet de l'arc électrique d'ouverture. Un dispositif correspondant asservit en permanence le fonctionnement du relais électromagnétique à son usure et à son environnementA method of switching an electromagnetic relay for powering a power load includes a sequence of power steps (10-18) and a sequence of disconnection steps (20-25). Time corrections are made for the supply and for the disconnection: the control time is corrected with respect to the zero crossing of the power supply and the time of presence of the opening electric arc and measured to allow the correction and minimize the effect of the opening electric arc. A corresponding device continuously enslaves the operation of the electromagnetic relay to its wear and its environment

Description

L'invention est relative à un procédé de commutation d'un relais électromagnétique destiné à alimenter une charge, notamment un corps de chauffe. L'invention est également relative à un dispositif de commutation d'un relais électromagnétique destiné à alimenter une charge, notamment un corps de chauffe. Les procédés de commutation de puissance utilisent actuellement soit un relais, soit un triac, soit une association en parallèle d'un triac et d'un relais. La solution technique la moins onéreuse est l'utilisation d'un relais électromagnétique. Cependant la durée de vie des relais électromagnétiques est relativement réduite en raison 10 de l'usure des contacts lors de commutations répétées. Un premier but de l'invention est de proposer un nouveau procédé de commutation de puissance fiable et sans dissipation thermique notable. Un deuxième but de l'invention est de fournir un nouveau procédé de commutation permettant d'obtenir un million de commutations, sans usure possible du relais 15 électromagnétique. Un troisième but de l'invention est de fournir un nouveau dispositif de commutation de puissance d'un relais électromagnétique, économique à fabriquer et facile à utiliser. L'invention a pour objet un procédé de commutation d'un relais électromagnétique, destiné à alimenter une charge de puissance, notamment un corps de chauffe, comportant une 20 première suite d'étapes d'alimentation de la charge de puissance et une deuxième suite d'étapes de déconnexion de la charge de puissance, dans lequel : • la première suite d'étapes d'alimentation comporte une étape de détection du passage par zéro de la tension d'alimentation et une étape de correction temporelle de l'instant de commande d'alimentation, 25 ^ la deuxième suite d'étapes de déconnexion comporte une étape de mesure du temps de présence de l'arc électrique d'ouverture du relais électromagnétique et une étape de correction temporelle de l'instant de commande de déconnexion, de manière à asservir en permanence le fonctionnement du relais électromagnétique à son 30 usure et à son environnement. Selon d'autres caractéristiques alternatives de l'invention : 5 10 15 • la première suite d'étapes d'alimentation comporte une étape de déclenchement d'un chronomètre ou d'une horloge, et une étape d'écoulement d'une première durée prédéterminée, • la deuxième suite d'étapes de déconnexion comporte une étape de déclenchement d'un chronomètre ou d'une horloge, et une étape d'écoulement d'une deuxième durée prédéterminée, • la première suite d'étapes d'alimentation comporte une étape d'émission d'un ordre d'alimentation, • la deuxième suite d'étapes de déconnexion comporte une étape d'émission d'un ordre de déconnexion, • la première suite d'étapes d'alimentation comporte une étape de comparaison d'une durée chronométrée représentative de l'instant d'alimentation à une ou plusieurs demi-périodes de la tension alternative d'alimentation, • la deuxième suite d'étapes de déconnexion comporte une étape de correction de l'instant de commande de déconnexion par soustraction de la durée mesurée du temps de présence de l'arc électrique d'ouverture. L'invention a également pour objet un dispositif de commutation d'un relais électromagnétique destiné à alimenter une charge de puissance, notamment un corps de 20 chauffe, comportant des moyens de mesure du temps de présence de l'arc électrique d'ouverture du relais électromagnétique, des moyens de correction temporelle de l'instant d'ouverture du relais électromagnétique, des moyens de détection du passage par zéro de l'alimentation et des moyens de correction temporelle de l'instant de commande au zéro, de manière à asservir en permanence le fonctionnement du relais 25 électromagnétique à son usure et à son environnement. Selon d'autres caractéristiques alternatives de l'invention : • le dispositif comporte un circuit électronique avec un microcontrôleur muni d'une horloge interne, • le dispositif comporte un bloc de détection de passage par zéro de la tension 30 d'alimentation, un bloc de détection d'arc électrique d'ouverture, un bloc d'ordre de commande de commutation et un bloc de commutation. The invention relates to a method of switching an electromagnetic relay for supplying a load, in particular a heating body. The invention also relates to a switching device of an electromagnetic relay for supplying a load, in particular a heating body. Power switching methods currently use either a relay, a triac, or a parallel association of a triac and a relay. The least expensive technical solution is the use of an electromagnetic relay. However, the service life of the electromagnetic relays is relatively reduced because of the wear of the contacts during repeated switching. A first object of the invention is to provide a new reliable power switching method and without significant heat dissipation. A second object of the invention is to provide a new switching method which makes it possible to obtain one million switching operations, without any possible wear of the electromagnetic relay. A third object of the invention is to provide a new power switching device of an electromagnetic relay, economical to manufacture and easy to use. The subject of the invention is a method of switching an electromagnetic relay intended to supply a power load, in particular a heating element, comprising a first sequence of power supply steps and a second sequence of steps. steps of disconnecting the power load, wherein: the first sequence of supply steps comprises a step of detecting the zero crossing of the supply voltage and a time correction step of the instant of the second sequence of disconnection steps comprises a step of measuring the time of presence of the electromagnetic opening arc of the electromagnetic relay and a step of time correction of the disconnection control instant, in order to permanently enslave the operation of the electromagnetic relay to its wear and its environment. According to other alternative features of the invention: the first sequence of feeding steps comprises a step of triggering a stopwatch or a clock, and a first-stage flow step; predetermined, • the second sequence of disconnection steps comprises a step of triggering a stopwatch or a clock, and a flow step of a second predetermined duration, • the first sequence of feeding steps comprises a step of issuing a supply order, • the second sequence of disconnection steps comprises a step of issuing a disconnection order, • the first sequence of supply steps comprises a comparison step of a timed duration representative of the supply instant at one or more half-periods of the AC supply voltage, • the second series of disconnection steps comprises a step of correction of the instant of disconnection control by subtracting the measured duration of the presence time of the opening electric arc. The invention also relates to a switching device of an electromagnetic relay for supplying a power load, in particular a heating body, comprising means for measuring the time of presence of the relay's electric arc. electromagnetic means, means for temporally correcting the instant of opening of the electromagnetic relay, means for detecting the zero crossing of the supply and means for temporally correcting the moment of control at zero, so as to enslave in Permanently the operation of the electromagnetic relay to its wear and its environment. According to other alternative features of the invention: the device comprises an electronic circuit with a microcontroller provided with an internal clock; the device comprises a block for detecting the zero crossing of the supply voltage, a block an opening arcing detection circuit, a switching control command block and a switching block.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement un organigramme d'un procédé selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement un circuit électronique d'un dispositif selon 5 l'invention. En référence à la figure 1, un procédé selon l'invention débute par une étape 1 d'initialisation définissant l'état désiré pour le relais électromagnétique destiné à alimenter une charge de puissance non représentée. Si le relais électromagnétique doit alimenter la charge de puissance, le procédé s'oriente 10 vers une première suite d'étapes 10 à 18. Si le relais électromagnétique doit déconnecter la charge de puissance et empêcher son alimentation, le procédé s'oriente vers une deuxième suite d'étapes 20 à 25. A l'étape 10, on effectue une détection d'un zéro de tension sur l'alimentation du secteur. A l'étape 11, on déclenche un chronomètre à partir d'un zéro de tension détecté sur 15 l'alimentation du secteur. A l'étape 12, on attend l'écoulement d'une durée de temps prédéterminée après le déclenchement du chronomètre effectué à l'étape 11. A l'étape 13, on déclenche un ordre de commutation, en commandant par exemple un transistor de commande du relais électromagnétique. 20 A l'étape 14, on arrête le chronomètre lorsque la mesure de la tension à la borne du relais électromagnétique indique une tension continue faible correspondant à l'état commuté. A l'étape 15, on compare le temps relevé par le chronomètre à une période ou une demi-période du courant d'alimentation pour décider si l'instant de la commutation a été effectué à un zéro de la tension secteur, ou avec un décalage. 25 Si le temps relevé par le chronomètre correspond à une demi-période ou un multiple d'une demi-période d'alimentation, on considère que la commutation d'alimentation est effectuée au zéro de la tension secteur et on reboucle la première suite d'étapes à l'étape 10. Si la commutation est effectuée avec un décalage comme on le constate à l'étape 17, on corrige à l'étape 18 la durée d'attente prédéterminée de l'étape 12, de manière que la 30 commutation d'alimentation suivante se fasse à un zéro de la tension secteur d'alimentation, et on reboucle le procédé à l'étape 10. The invention will be better understood from the following description given by way of nonlimiting example with reference to the accompanying drawings in which: Figure 1 schematically shows a flowchart of a method according to the invention. FIG. 2 diagrammatically represents an electronic circuit of a device according to the invention. Referring to Figure 1, a method according to the invention starts with an initialization step 1 defining the desired state for the electromagnetic relay for supplying a power load not shown. If the electromagnetic relay is to supply the power load, the process proceeds to a first sequence of steps 10 to 18. If the electromagnetic relay is to disconnect the power load and prevent its power supply, the process proceeds towards a second sequence of steps 20 to 25. In step 10, a zero voltage detection is performed on the power supply sector. In step 11, a timer is triggered from a voltage zero detected on the mains power supply. In step 12, the flow of a predetermined duration of time is expected after the start of the stopwatch performed in step 11. In step 13, a switching command is triggered, for example by controlling a control of the electromagnetic relay. In step 14, the stopwatch is stopped when the measurement of the voltage at the electromagnetic relay terminal indicates a low DC voltage corresponding to the switched state. In step 15, the time recorded by the stopwatch is compared with a period or a half-period of the supply current to decide whether the instant of the switching has been performed at a zero of the mains voltage, or with a offset. If the time recorded by the stopwatch corresponds to half a period or a multiple of half a feed period, it is considered that the supply switching is performed at the zero of the mains voltage and the first sequence is restarted. If the switching is performed with an offset as seen in step 17, the predetermined waiting time of step 12 is corrected in step 18 so that next power switching is at a zero of the mains supply voltage, and the process is looped back to step 10.

Si on a déterminé à l'étape 1 que l'état désiré du relais électromagnétique était l'état de déconnexion, on débute si nécessaire la deuxième suite d'étapes commençant à l'étape 20. A l'étape 20, on recherche un zéro de tension d'alimentation du secteur. A l'étape 21, on déclenche un chronomètre. If it was determined in step 1 that the desired state of the electromagnetic relay was the disconnected state, the second sequence of steps starting at step 20 is started if necessary. zero mains supply voltage. In step 21, a stopwatch is triggered.

A l'étape 22, on attend une deuxième durée de temps prédéterminée. A l'étape 23, on déclenche un ordre de décommutation en agissant par exemple sur un transistor de commande du relais électromagnétique. A l'étape 24, on mesure la durée de temps correspondant à la présence d'une tension supérieure à un seuil prédéterminé de tension représentatif d'une étincelle aux bornes du 10 relais électromagnétique. A l'étape 25, on corrige la deuxième durée de temps prédéterminée de l'étape 22, en tenant compte de la durée du temps d'étincelle mesurée à l'étape 24, de manière que la prochaine décommutation s'effectue avec une durée d'étincelle réduite. Une durée d'étincelle réduite correspond notamment à une absence de perception 15 d'étincelle à l'oeil nu. On boucle ensuite la deuxième suite d'étapes d'ouverture du relais électromagnétique en revenant à l'étape 20. En raison du fait que les deux suites d'étapes du procédé selon l'invention fonctionnent en boucle permanente, l'invention permet ainsi d'asservir en permanence le fonctionnement du 20 relais électromagnétique à son usure et à son environnement. Des essais ont montré qu'un relais électromagnétique géré à l'aide d'un procédé selon l'invention présente une longévité importante et un fonctionnement sans incident sur plus d'un million de cycles de commutation. Sur la figure 2, un dispositif selon l'invention se présente sous forme d'un circuit 25 électronique comportant un bloc A d'alimentation, un bloc C de commutation, un bloc Do de détection de zéro de tension, un bloc DE de durée d'étincelle, un bloc Oc d'ordre de commande, et un bloc EXT de communication extérieure. Le bloc A d'alimentation est un bloc d'alimentation de type connu destiné à fournir deux tensions de référence Vs, et VDD. 30 Le connecteur JI reçoit la tension du secteur monophasé, par exemple une tension alternative de 230 V. In step 22, a second predetermined duration of time is expected. In step 23, a decommutation command is initiated by acting for example on a control transistor of the electromagnetic relay. In step 24, the time duration corresponding to the presence of a voltage greater than a predetermined voltage threshold representative of a spark across the electromagnetic relay is measured. In step 25, the second predetermined duration of time of step 22 is corrected, taking into account the duration of the spark time measured in step 24, so that the next disconnection takes place with a duration reduced spark. A reduced spark duration corresponds in particular to an absence of perception of sparkle with the naked eye. The second sequence of steps of opening the electromagnetic relay is then looped back to step 20. Due to the fact that the two sequences of steps of the method according to the invention operate in a permanent loop, the invention thus allows to permanently enslave the operation of the electromagnetic relay to its wear and its environment. Tests have shown that an electromagnetic relay managed using a method according to the invention has a long life and trouble-free operation over more than one million switching cycles. In FIG. 2, a device according to the invention is in the form of an electronic circuit comprising a supply block A, a switching block C, a zero voltage detection block C, a block DE of duration spark, a control command block Oc, and an external communication EXT. The supply block A is a known type of power supply intended to provide two reference voltages Vs, and VDD. The connector JI receives the voltage of the single-phase sector, for example an AC voltage of 230 V.

Les deux bornes de la diode Zener D7 fixent les potentiels Vss et VDD, tandis que la capacité C4 assure le découplage entre les tensions Vss et VDD appliquées au microcontrôleur MC. Le bloc C de commande du relais comporte un transistor Q1, dont la tension collecteur-émetteur est suffisamment élevée pour permettre une commutation et une décommutation du relais R, sans obligation de limite de tension. La commande du relais R s'effectue par l'envoi d'une commande de niveau logique bas à la base du transistor QI. Le bloc Do de détection du zéro de la tension du secteur est relié directement à la phase de l'alimentation du secteur pour recevoir un potentiel divisé par un pont diviseur et écrêté par une diode Zener Do, de manière que l'alternance négative soit saturée à une tension inverse de diode Zener Do relativement faible. Cette tension faible reste dans les limites du microcontrôleur MC. Une impédance Ro peut être rajoutée en partie en parallèle pour lisser les parasites, si nécessaire. The two terminals of the Zener diode D7 set the potentials Vss and VDD, while the capacitor C4 decouples the voltages Vss and VDD applied to the microcontroller MC. The relay control block C comprises a transistor Q1, the collector-emitter voltage of which is high enough to allow switching and disconnection of the relay R, with no voltage limit requirement. The control of the relay R is effected by sending a low logic level command to the base of the transistor QI. The sector voltage zero detection block C is connected directly to the power supply phase of the sector to receive a potential divided by a divider bridge and clipped by a Zener diode, so that the negative half-cycle is saturated. at a reverse Zener diode voltage Do relatively low. This low voltage remains within the limits of the MC microcontroller. An impedance Ro can be added partly in parallel to smooth the parasites, if necessary.

Le bloc DE de détection d'étincelle comporte également un pont diviseur de tension et une diode Zener Dm limitant la tension d'étincelle à une valeur compatible avec le fonctionnement du microcontrôleur MC. Le bloc Oc d'ordre de commande comporte un bouton poussoir SW1, dont les broches sont reliées deux à deux entre elles : les broches 1 et 2 sont reliées entre elles, ainsi que les 20 broches 3 et 4. L'ordre de commande de commutation peut être donné par tout autre moyen qu'un bouton poussoir SW1, par exemple par un signal généré par un thermostat, ou tout autre moyen de programmation manuel ou automatique. Dans ce cas, la commande extérieure peut relier les bornes du plot J3 et assurer ainsi 25 automatiquement la fermeture du relais correspondant. Le bloc EXT de communication extérieure est un bloc optionnel qui n'est pas indispensable pour le fonctionnement de l'invention. Le bloc EXT comporte un optocoupleur pour isoler le circuit électronique des signaux de lecture. 30 La lecture des signaux peut se faire par le plot J4 qui peut être relié au port série d'un microordinateur. The spark detection DE block also comprises a voltage divider bridge and a Zener diode Dm limiting the spark voltage to a value compatible with the operation of the microcontroller MC. The control command block Oc comprises a pushbutton SW1, the pins of which are connected in pairs: pins 1 and 2 are connected together, as well as pins 3 and 4. The control order of FIG. switching can be given by any means other than a push button SW1, for example by a signal generated by a thermostat, or any other manual or automatic programming means. In this case, the external control can connect the terminals of the pad J3 and thus automatically ensure the closing of the corresponding relay. The EXT external communication block is an optional block which is not essential for the operation of the invention. The EXT block includes an optocoupler to isolate the electronic circuit of the read signals. The signals can be read by the pad J4 which can be connected to the serial port of a microcomputer.

La communication extérieure peut être effectuée en envoyant des signaux élaborés selon un protocole de communication pouvant être choisi par l'utilisateur. Les signaux peuvent servir à l'enregistrement du nombre de cycles de commutation, à l'enregistrement de données permettant la maintenance à distance, ou à tout autre moyen de 5 gestion du microcontrôleur MC. L'invention décrite en référence à un mode de réalisation particulier n'y est nullement limitée, et, couvre au contraire toute variante d'exécution et toute forme de réalisation dans le cadre et l'esprit de l'invention. L'essentiel est de repérer les étapes de détection du passage par zéro de l'alimentation et de 10 déclencher des horloges appropriées pour permettre une correction du temps de présence de l'arc électrique d'ouverture du relais électromagnétique et du temps de fermeture du relais électromagnétique, de manière à limiter l'usure des contacts du relais électromagnétique, en asservissant ainsi en permanence le fonctionnement du relais électromagnétique à son usure et à son environnement. The external communication can be carried out by sending elaborated signals according to a communication protocol that can be chosen by the user. The signals can be used for recording the number of switching cycles, for recording data for remote maintenance, or for any other management means of the microcontroller MC. The invention described with reference to a particular embodiment is not limited thereto, and, on the contrary, covers any variant embodiment and any embodiment within the scope and spirit of the invention. The essential thing is to identify the steps of detection of the zero crossing of the power supply and to trigger appropriate clocks to allow a correction of the time of presence of the electric arc of opening of the electromagnetic relay and the closing time of the electromagnetic relay, so as to limit the wear of the contacts of the electromagnetic relay, thus permanently controlling the operation of the electromagnetic relay with its wear and its environment.

Claims

Revendications1. A method of switching an electromagnetic relay, for supplying a power load, in particular a heating element, comprising a first sequence (10-18) of steps for supplying the power load and a second sequence (20- 25) steps of disconnecting the power load in which: • the first sequence (10-18) of supply steps comprises a step (10) for detecting the zero crossing of the supply voltage and a step (18) of time correction of the power control instant, the second sequence (20-25) of disconnection steps comprises a step (24) of measuring the presence time of the electric arc of opening of the electromagnetic relay and a step (25) of temporal correction of the disconnection control instant, so as to permanently enslave the operation of the electromagnetic relay to wear and its environment.

2. Method according to claim 1, characterized in that the first sequence (10-18) of feeding steps comprises a step (11) for triggering a stopwatch or a clock and a step (12). of flow of a first predetermined duration.

3. Method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the second sequence (20-25) of disconnection steps comprises a step (21) of triggering a stopwatch or a clock and a step (22) flow of a second predetermined duration.

4. Method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the first sequence (10-18) of supply steps comprises a step (13) for transmitting a feed order.

5. Method according to claim 1 or claim 3, characterized in that the second sequence (20-25) of disconnection steps comprises a step (23) for transmitting a disconnection order.

6. Method according to claim 1, claim 2 or claim 4, characterized in that the first sequence (10-18) of supply steps comprises a step (15) of comparison of a representative timed duration of the moment of feeding at one or more half-periods of the AC supply voltage.

7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the second sequence (20-25) of disconnection steps comprises a step (25) for correcting the subtraction disconnection control instant. the measured duration of the time of presence of the opening electric arc.

8. Switching device of an electromagnetic relay for supplying a power load, in particular a heating element, comprising means for measuring the time of presence of the electromagnetic opening arc of the electromagnetic relay, time correction means the instant of opening of the electromagnetic relay, means for detecting the zero crossing of the supply and time correction means of the control instant at zero, so as to permanently control the operation of the electromagnetic relay to its wear and its environment.

9. Device according to claim 8, characterized in that the device comprises an electronic circuit with a microcontroller (MC) provided with an internal clock.

10. Device according to claim 8 or claim 9, characterized in that the device comprises a block (Do) for zero crossing detection of the supply voltage, a block (DE) for detecting the electric arc. an opening, a block (O) of a switching control command and a block (C) of switching.