OA11374A - Prepaid energy control device including a monostable relay. - Google Patents
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Description
011374011374
DISPOSITIF DE CONTROLE D’ENERGIE A PREPAIEMENT COMPORTANT UNRELAIS DE TYPE MONOSTABLE L'invention concerne un dispositif de contrôle d'énergie à prépaiement comportant un 5 ensemble électronique de traitement connecté à des conducteurs d'un réseau électrique,calculant la quantité d'énergie consommée et commandant l'ouverture du contact d’un relaislorsque la quantité d’énergie consommée atteint une valeur prédéterminée prépayée.The invention relates to a pre-paid energy control device comprising an electronic processing unit connected to conductors of an electrical network, calculating the amount of energy consumed. and controlling the opening of the contact of a relay when the amount of energy consumed reaches a predetermined prepaid value.
Ce type de dispositif doit être conçu de manière à éviter au maximum les possibilités de 10 fraude. L'invention a pour but un dispositif de contrôle d'énergie à prépaiement dont lasûreté de fonctionnement est améliorée par rapport à celle des dispositifs antérieurs.This type of device must be designed in such a way as to avoid as much as possible the possibilities of fraud. The object of the invention is a prepaid energy control device whose operating reliability is improved compared to that of the prior devices.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le relais est un relais du type monostable àcontact normalement ouvert, l'ensemble de traitement comportant une unité centrale 15 produisant des signaux binaires de commande de fermeture du relais de fréquencesupérieure ou égale à une fréquence prédéterminée, une interface de conversionfréquence/tension étant connectée entre l'unité centrale et le relais.According to the invention, this object is achieved by the fact that the relay is a relay of the monostable contact type normally open, the processing unit comprising a central unit 15 producing binary control signals for closing the relay of frequencies greater than or equal to a predetermined frequency, a frequency / voltage conversion interface being connected between the central unit and the relay.
Ceci permet une première amélioration du niveau de sûreté du dispositif par rapport aux 20 dispositifs antérieurs, notamment aux dispositifs à relais bistable.This allows a first improvement of the level of safety of the device compared to prior devices, including devices with bistable relay.
Selon un développement de l'invention, la sûreté est encore améliorée par l’utilisation d'uncouple de matériaux de contact robuste pour le contact du relais et par l'utilisation d'uncircuit magnétique de compensation destiné à augmenter la pression entre des éléments de 25 contact fixe et mobile du contact lorsque le courant traversant le contact est élevé. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivrede modes particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentésaux dessins annexés sur lesquels : 30According to a development of the invention, the safety is further improved by the use of a couple of robust contact materials for the contact of the relay and by the use of a compensation magnetic circuit for increasing the pressure between elements of 25 fixed contact and movable contact when the current through the contact is high. Other advantages and features will emerge more clearly from the following description of particular embodiments of the invention, given by way of nonlimiting examples, and represented in the accompanying drawings, in which:
La figure 1 illustre, sous forme de schéma-bloc, un dispositif selon l'invention.FIG. 1 illustrates, in block diagram form, a device according to the invention.
La figure 2 représente un mode particulier de réalisation du circuit de traitement dudispositif selon la figure 1. 35FIG. 2 represents a particular embodiment of the processing circuit of the device according to FIG. 1.
La figure 3 représente un mode particulier de réalisation de l’interface du circuit selon lafigure 2. 2 011374FIG. 3 represents a particular embodiment of the interface of the circuit according to FIG. 2.
T ίΛΟ figures 4a à 4c représentent les formes d'onde des signaux en divers emplacements de l'interface selon la figure 3.FIGS. 4a to 4c show the waveforms of the signals at various locations of the interface according to FIG. 3.
La figure 5 représente un mode particulier de réalisation du relais d'un dispositif selon lafigure 1.FIG. 5 represents a particular embodiment of the relay of a device according to FIG.
Les figures 6 et 7 représentent deux variantes de réalisation d'un circuit magnétique decompensation du relais selon la figure 5. 10 Le dispositif 1 de contrôle d'énergie à prépaiement représenté à la figure 1 est connecté pardeux bornes de raccordement 2 et 3 à un conducteur de phase P d'un réseau électrique. Ilest également connecté par deux bornes de raccordement 4 et 5 à un conducteur de neutre Ndu réseau. 15 Un shunt électrique de mesure 6 est connecté en série avec un contact 7 d'un relais entre lesbornes de raccordement 2 et 3. Le contact 7 est commandé par un électroaimant, ou bobine8 du relais.Un ensemble électronique de traitement 9 est connecté aux bornes 2 et 4, demanière à recevoir des signaux représentatifs de la tension U entre les conducteurs de phaseP et de neutre N. Il est également connecté à deux bornes de mesure 10 et 11 du shunt. La 20 tension présente entre les bornes de mesure 10 et 11 est représentative du courant I circulantdans le conducteur de phase P.FIGS. 6 and 7 show two alternative embodiments of a magnetic decompensation circuit of the relay according to FIG. 5. The prepaid energy control device 1 shown in FIG. 1 is connected by two connection terminals 2 and 3 to a phase conductor P of an electrical network. It is also connected by two connection terminals 4 and 5 to a neutral conductor N of the network. An electrical measuring shunt 6 is connected in series with a contact 7 of a relay between the connection terminals 2 and 3. The contact 7 is controlled by an electromagnet, or coil8 of the relay. An electronic processing unit 9 is connected to the terminals 2 and 4, in order to receive signals representative of the voltage U between the phase P and neutral N conductors. It is also connected to two measurement terminals 10 and 11 of the shunt. The voltage present between the measuring terminals 10 and 11 is representative of the current I flowing in the phase conductor P.
La tension U est également appliquée à des entrées d'un circuit d'alimentation 12 qui fournitau dispositif 1 des tensions d'alimentation Vccl et Vcc2 appropriées sur des bornes25 d'alimentation. L'ensemble électronique de traitement 9 comporte un circuit de traitement 13, de préférenceà microprocesseur, alimenté par les tensions d'alimentation Vccl et Vcc2 et recevant lessignaux U et I. Le circuit de traitement 13 calcule, de manière classique, la quantité30 d'énergie consommée par un utilisateur connecté au réseau. Il est de plus connecté à un lecteur de carte 14, de type classique. Une carte électronique 15 peut être introduite dansune fente d'entrée du lecteur de carte. Dans un mode de réalisation préférentiel la carteélectronique 15 est une carte à puce à mémoire, de type jetable, dans laquelle est mémoriséle montant d'un crédit d'énergie prédéterminé, par exemple 100 kWh. Le montant de ce35 crédit est lu par le lecteur de carte après introduction de la carte 15 dans la fente. Le circuitde traitement 13 provoque, par l'intermédiaire de la bobine 8, l’ouverture du contact 7 etl'interruption de la fourniture d'énergie à l'utilisateur lorsque la totalité du crédit d’énergiea été consommée. 3 011374The voltage U is also applied to inputs of a supply circuit 12 which supplies the device 1 with appropriate supply voltages Vcc1 and Vcc2 on power supply terminals. The electronic processing unit 9 comprises a processing circuit 13, preferably a microprocessor, powered by the supply voltages Vcc1 and Vcc2 and receiving the signals U and I. The processing circuit 13 calculates, in a conventional manner, the quantity 30 of energy consumed by a user connected to the network. It is also connected to a card reader 14, of conventional type. An electronic card can be inserted into an input slot of the card reader. In a preferred embodiment, the electronic card 15 is a memory chip card, of disposable type, in which is stored the amount of a predetermined energy credit, for example 100 kWh. The amount of this credit is read by the card reader after introduction of card 15 into the slot. The processing circuit 13 causes, via the coil 8, the opening of the contact 7 and the interruption of the supply of energy to the user when the entire energy credit has been consumed. 3 011374
Dans les dispositifs antérieurs, le relais est constitué par un relais de type bistable. Un telrelais comporte une bobine qui n'est alimentée que lorsqu'un changement d'état del'interrupteur est souhaité, c'est-à-dire soit pour passer d'un état fermé à un état ouvert ou 5 inversement. Un tel relais a une consommation réduite. Cependant, en cas de défaillance del'ensemble électronique de traitement 9 qui le contrôle ou en cas de défaillance de la bobinedu relais, le contact 7 du relais peut rester dans n'importe laquelle des ses deux positionsstables. Ceci peut faciliter les fraudes, si l'on arrive à bloquer le contact en position defermeture. 10In the previous devices, the relay is constituted by a bistable type relay. Such a relay comprises a coil which is energized only when a change of state of the switch is desired, that is to say either to go from a closed state to an open state or vice versa. Such a relay has a reduced consumption. However, in the event of failure of the electronic processing unit 9 which controls it or in case of failure of the relay coil, contact 7 of the relay can remain in any of its two positions. This can facilitate frauds, if one manages to block the contact in position reclosing. 10
Selon l'invention, le relais est un relais de type monostable avec un contact normalementouvert, c'est-à-dire contrôlant la fermeture du contact 7 lorsque la bobine 8 est alimentée etson ouverture lorsqu'elle n'est pas alimentée. Ainsi, en cas de défaillance de l'ensembleélectronique de traitement 9 ou de la bobine 8 du relais, que cette défaillance soit due à une 15 panne, à une tentative de fraude ou à toute autre cause, par défaut, le contact 7 est ouvert etreste ouvert tant qu'un fonctionnement correct du dispositif 1 n'a pas été rétabli.According to the invention, the relay is a monostable type relay with a normally open contact, that is to say controlling the closure of the contact 7 when the coil 8 is energized and its opening when it is not powered. Thus, in case of failure of the electronic processing unit 9 or the relay coil 8, whether this failure is due to a breakdown, an attempt at fraud or any other cause, by default, the contact 7 is open. and remains open until proper operation of device 1 has been restored.
La bobine 8 du relais est connectée en série avec un interrupteur électronique aux bornes dela tension d'alimentation. En fonctionnement normal, tant que le crédit d'énergie n'est pas 20 nul, le circuit de traitement commande la conduction de l'interrupteur électronique et, enconséquence, l'alimentation de la bobine 8 du relais.The coil 8 of the relay is connected in series with an electronic switch across the supply voltage. In normal operation, as long as the energy credit is not zero, the processing circuit controls the conduction of the electronic switch and, consequently, the supply of the coil 8 of the relay.
Le niveau de sécurité est accru par l'utilisation d'une commande en fréquence. Commereprésenté à la figure 2, le circuit de traitement 13 comporte un circuit de mesure d'énergie 25 16, recevant les signaux de tension U et de courant I. De manière classique, le circuit de mesure d'énergie fournit à une unité centrale 17, à microprocesseur, des impulsions decomptage lorsqu'une quantité prédéterminée d'énergie a été consommée, par exemple àchaque kWh consommé. L'unité centrale 17, qui a préalablement mis en mémoire lemontant du crédit lu par le lecteur de carte 14, décrémente le contenu de cette mémoire en 30 fonction des impulsions de comptage reçues. Tant que le crédit n'est pas épuisé, l'unitécentrale 17 fournit à une interface 18 des signaux A, binaires, de fréquence (période T,figure 4a) supérieure ou égale à une fréquence prédéterminée. L'interface 18, connectéeentre l'unité centrale 17 et la bobine 8 du relais, est une interface de conversion defréquence en tension (F/V). Ainsi une tension continue est appliquée aux bornes de la 35 bobine 8 du relais tant que des signaux de fréquence suffisante, constituant des signaux decommande de fermeture du relais, sont émis. Si la fréquence des signaux A de sortie del'unité centrale 17 est trop faible, notamment dans le cas de signaux continus, stables, deniveau logique 0 ou 1, la tension appliquée aux bornes de la bobine 8 du relais s'annule. La 4 011374 bobine 8 du relais n'étant plus alimentée, le relais passe dans son unique position stablecorrespondant à l'ouverture du contact 7.The level of security is increased by the use of a frequency command. As shown in FIG. 2, the processing circuit 13 comprises an energy measurement circuit 16, receiving the voltage U and current I signals. In a conventional manner, the energy measurement circuit supplies a central unit 17 , microprocessor, pulse counting when a predetermined amount of energy has been consumed, for example each kWh consumed. The central unit 17, which has previously stored the credit amount read by the card reader 14, decrements the content of this memory according to the counting pulses received. As long as the credit is not exhausted, the central unit 17 supplies an interface 18 with signals A, binary, of frequency (period T, FIG. 4a) greater than or equal to a predetermined frequency. The interface 18, connected between the central unit 17 and the coil 8 of the relay, is a frequency to voltage (F / V) conversion interface. Thus a DC voltage is applied across the coil 8 of the relay as long as signals of sufficient frequency, constituting relay close control signals, are emitted. If the frequency of the output signals A of the central unit 17 is too low, especially in the case of continuous, stable signals, logical level 0 or 1, the voltage applied across the coil 8 of the relay is canceled. Relay 4 011374 coil 8 is no longer supplied, the relay passes to its single position stablecorresponding to the opening of contact 7.
Il est ainsi possible de faire passer le relais en position d'ouverture même si la défaillance de 5 l'ensemble de traitement conduit à un blocage des signaux A de sortie de l'unité de contrôleau niveau logique 1.It is thus possible to switch the relay to the open position even if the failure of the processing unit leads to a blocking of the output signals of the logic level controller 1.
Un mode particulier de réalisation de l'interface 18 est représenté à la figure 3. L'interface18 comporte deux entrées d'alimentation (Vcc2 et la masse) connectées aux bornes 10 d’alimentation du circuit d'alimentation 12 et une entrée de commande recevant les signauxA de l'unité centrale 17. L'entrée de commande est connectée, par l'intermédiaire d'unerésistance RI de limitation de courant, en série avec un premier condensateur Cl et unepremière diode Dl, à la base d'un premier transistor Tl, de type NPN. Un secondcondensateur C2 est connecté entre la base du transistor Tl et la masse, elle-même 15 connectée à l'émetteur du transistor Tl. Le collecteur du transistor Tl est connecté à la based'un second transistor T2, de type PNP, dont le collecteur est connecté à la masse. Unerésistance R2, de polarisation, est connectée entre le collecteur du transistor Tl etl'émetteur du transistor T2. La bobine 8 du relais est connectée aux bornes de sortie del'interface 18, qui sont connectées d'une part à l'émetteur du transistor T2 et d'autre part à 20 la borne d'alimentation Vcc2.A particular embodiment of the interface 18 is shown in FIG. 3. The interface18 comprises two power supply inputs (Vcc2 and ground) connected to the supply terminals of the supply circuit 12 and a control input receiving the signals A from the central unit 17. The control input is connected, via a resistor RI current limiting, in series with a first capacitor C1 and a first diode D1, at the base of a first transistor T1, NPN type. A second capacitor C2 is connected between the base of the transistor T1 and the ground, itself connected to the emitter of the transistor T1. The collector of the transistor T1 is connected to the base of a second transistor T2, of the PNP type. collector is connected to the ground. A polarization resistor R2 is connected between the collector of transistor T1 and the emitter of transistor T2. The coil 8 of the relay is connected to the output terminals of the interface 18, which are connected on the one hand to the emitter of the transistor T2 and on the other hand to the supply terminal Vcc2.
Les transistors Tl et T2 constituent un interrupteur électronique connecté en série avec labobine 8 du relais entre les bornes d'alimentation et dont la base du transistor Tl constituel'électrode de commande. 25Transistors T1 and T2 constitute an electronic switch connected in series with labobine 8 of the relay between the supply terminals and the base of transistor T1 constituting the control electrode. 25
Le fonctionnement de l'interface 8 va être décrite en référence aux figures 4a, 4b et 4c quireprésentent respectivement les formes d'onde des signaux A, de signaux de tension B auxbornes du condensateur C2, et de signaux C de tension à l'émetteur du transistor T2. 30 En fonctionnement normal, le crédit d'énergie n'étant pas épuisé, l'unité centrale 17 produitdes signaux A, binaires, de période T. Ils maintiennent, par l'intermédiaire de la résistanceRI, du condensateur Cl et de la diode Dl, la tension de charge B aux bornes ducondensateur C2 à une valeur supérieure à un seuil S prédéterminé, supérieur à la tensionbase/émetteur du transistor Tl. Le transistor Tl est donc conducteur, provoquant la 35 conduction du transistor T2. La tension C à l'émetteur du transistor T2 est alors voisine de0 (figure 4c) et une tension voisine de la tension d'alimentation Vcc2 est appliquée enpermanence aux bornes de la bobine 8 du relais, maintenant le contact 7 fermé. 5 011374The operation of the interface 8 will be described with reference to FIGS. 4a, 4b and 4c which respectively represent the waveforms of the signals A, of the voltage signals B to the terminals of the capacitor C2, and of the voltage signals C to the emitter. of transistor T2. In normal operation, the energy credit not being exhausted, the central unit 17 produces A, binary signals of period T. They maintain, through the resistorRI, the capacitor C1 and the diode D1 , the charge voltage B at the capacitor terminals C2 to a value greater than a predetermined threshold S, greater than the voltage base / emitter of the transistor T1. The transistor T1 is therefore conductive, causing the conduction of the transistor T2. The voltage C at the emitter of the transistor T2 is then close to 0 (FIG. 4c) and a voltage close to the supply voltage Vcc2 is applied permanently to the terminals of the relay coil 8, keeping the contact 7 closed. 5 011374
Lorsque le crédit d'énergie prépayé est épuisé, les signaux A de sortie de l'unité centrale 17passent au niveau logique 0. Un signal continu n'étant pas transmis par le condensateur Cl,la charge du condensateur C2 est interrompue. Celui se décharge alors lentement à traversla jonction base-émetteur du transistor Tl. Il est à noter que sur la figure 4b, l'amplitude de 5 la charge et de la décharge du condensateur est très amplifiée. En fait, la tension B n'oscilleque très faiblement autour de la tension normale de charge du condensateur C2, au-dessusdu seuil S. Dès que la tension B passe au-dessous du seuil S, le transistor Tl se bloque(instant tl), provoquant également le blocage du transistor T2 et le passage de la tension C àla tension d'alimentation Vcc2. La tension aux bornes de la bobine 8 du relais s'annule et le 10 contact 7 passe dans sa position stable, à savoir sa position d'ouverture. Une diode D2, deroue libre, classiquement connectée aux bornes de la bobine 8, laisse passer le courantpendant une période transitoire lors du blocage du transistor T2.When the prepaid energy credit is exhausted, the output signals A of the central unit 17 pass to the logic level 0. A continuous signal not being transmitted by the capacitor C1, the charge of the capacitor C2 is interrupted. It then slowly discharges through the base-emitter junction of the transistor T1. It should be noted that in FIG. 4b, the amplitude of the charge and discharge of the capacitor is greatly amplified. In fact, the voltage B oscillates very weakly around the normal charging voltage of the capacitor C2, above the threshold S. As soon as the voltage B goes below the threshold S, the transistor T1 is blocked (instant tl) , also causing the blocking of the transistor T2 and the passage of the voltage C to the supply voltage Vcc2. The voltage across the coil 8 of the relay vanishes and the contact 7 moves to its stable position, namely its open position. A free-floating diode D2, conventionally connected to the terminals of the coil 8, allows the current to pass during a transient period during the blocking of the transistor T2.
Une diode D3, connectée entre la masse et le point commun au condensateur Cl et à la 15 diode DI, est destinée à écrêter les signaux négatifs.A diode D3, connected between the ground and the point common to the capacitor C1 and to the diode DI, is intended to clip the negative signals.
Le fonctionnement de l'interface est identique si les signaux A de sortie de l'unité centrale17 sont bloqués au niveau logique 1, le condensateur Cl interdisant leur transmission. Toutedéfaillance d'un élément du circuit de traitement ou de l'interface interrompt la production 20 et la transmission des signaux A de fréquence appropriée et provoque le passage du contact7 du relais dans sa position sûre, d'ouverture.The operation of the interface is identical if the output signals A of the central unit 17 are blocked at logic level 1, the capacitor C1 preventing their transmission. Any failure of an element of the processing circuit or the interface interrupts the production and transmission of the appropriate frequency signals A and causes the contact 7 of the relay to move to its safe, open position.
La sûreté de fonctionnement du dispositif peut, de plus, être améliorée par l'utilisation, pourle contact 7, d'un couple de matériaux de contact robuste. Dans un mode de réalisation 25 préférentiel l'un des éléments de contact 19a, fixe, est constitué par un alliage à based'argent et de graphite, et l'autre élément de contact 19b, mobile, est en cuivre argenté.The operational safety of the device can, in addition, be improved by the use, for the contact 7, of a couple of robust contact materials. In a preferred embodiment, one of the stationary contact elements 19a is a silver-graphite alloy, and the other movable contact element 19b is silver-plated copper.
Pour réduire au maximum tout risque de soudure des contacts jusqu'à un niveau de courantprédéterminé, il peut être prévu un circuit magnétique de compensation 20 (figure 5) destiné 30 à augmenter la pression s'exerçant entre les éléments de contact fixe et mobile (19a, 19b),lorsque le courant est élevé, notamment dans le cas d'un courant de défaut. Le circuitmagnétique de compensation 20 entoure l'élément de contact mobile (19b). Il comporte unélément en matériau magnétique, de préférence en forme de U, comme représenté auxfigures 6 et 7. Cet élément en forme de U peut être complété par une palette 21, en matériau 35 magnétique, solidaire de l'élément de contact mobile 19b, permettant d'augmenter la tenuedu relais aux courants de court-circuit. Comme représenté à la figure 7, il existe un entreferprédéfini entre la palette 21 et l'élément en forme de U du circuit magnétique decompensation 20. 6 011374 L'utilisation du circuit magnétique de compensation permet à la fois de diminuer le risquede soudure des contacts en cas de court-circuit et d'utiliser un relais dont la bobine 8 estcalibrée uniquement pour le fonctionnement à un courant normal d'utilisation. Cette5 dernière propriété est d'autant plus intéressante que le relais, de type monostable consommede l'énergie en permanence, contrairement aux relais de type bistable.To minimize contact risk of contacts up to a predetermined current level, a compensating magnetic circuit 20 (FIG. 5) may be provided to increase the pressure between the stationary and movable contact elements (FIG. 19a, 19b), when the current is high, especially in the case of a fault current. The compensation magnetic circuit 20 surrounds the movable contact element (19b). It comprises an element of magnetic material, preferably U-shaped, as shown in FIGS. 6 and 7. This U-shaped element can be completed by a pallet 21 made of magnetic material, integral with the movable contact element 19b. to increase the resistance of the relay to short-circuit currents. As shown in FIG. 7, there is a predefined air gap between the paddle 21 and the U-shaped element of the decompensation magnetic circuit 20. The use of the magnetic compensation circuit makes it possible at the same time to reduce the contact risk of the contacts in the event of a short-circuit and use a relay whose coil 8 is only calibrated for operation at a normal operating current. This last property is all the more interesting as the relay, of the monostable type consumes energy continuously, unlike the bistable type relays.
La combinaison de l’utilisation d'un relais monostable, d'une commande en fréquence, d'uncouple de matériaux de contact robuste et d'un circuit magnétique de compensation permet10 de garantir un niveau de sûreté optimal, nettement supérieur à celui des dispositifs connus.The combination of the use of a monostable relay, a frequency control, a couple of robust contact materials and a compensation magnetic circuit makes it possible to guarantee an optimum level of safety, which is clearly superior to that of the devices. known.
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