WO2000063932A1 - System for diagnosing electric contact with mechanical displacement - Google Patents

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WO2000063932A1
WO2000063932A1 PCT/FR2000/000976 FR0000976W WO0063932A1 WO 2000063932 A1 WO2000063932 A1 WO 2000063932A1 FR 0000976 W FR0000976 W FR 0000976W WO 0063932 A1 WO0063932 A1 WO 0063932A1
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contact
current
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microcontroller
diagnostic system
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PCT/FR2000/000976
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Denis Flandin
Hervé Carton
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Crouzet Automatismes
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Definitions

  • the invention relates to a system for diagnosing an electrical contact with mechanical displacement for switching electrical charges, comprising an electronic detection device intended to ensure optimum switching of charges on an electrical circuit (or network).
  • the connection and disconnection of loads on an electrical circuit is ensured by switching systems among which are electrical switches, electromechanical relays, hybrid relays, and circuit breakers for network protection.
  • Switching loads on or off on a live electrical circuit produces phenomena that can disturb the electrical circuit and degrade the switching system.
  • the switching by an electromechanical relay of the loads on a live electrical circuit, and particularly when the loads are inductive produces arcs between the contacts of the relay when they are opened or closed. On closing when the current is established in the electrical circuit and on opening when the current is interrupted in the same circuit.
  • the closing of the electrical contacts with mechanical movement of a switch can be carried out at any time during a period of the voltage of the electrical circuit or in the case of opening of the contact, at any time during a period of electric current in the circuit.
  • These closings and openings at a random time during a period of voltage and current respectively produces, in unfavorable switching cases, strong electric arcs between the contacts.
  • closing the electrical contact when the voltage of the electrical circuit is close to its maximum, will produce one or more strong electric arcs which will result, on the one hand, in the rapid degradation of the electrical contacts of the relay by sparking, and on the other hand, strong disturbances of the circuit which may have harmful effects for the loads connected to this circuit.
  • a similar phenomenon occurs when the contact opens when the current in the electrical circuit is interrupted.
  • a device for detecting current reversal in an electrical contact with mechanical displacement comprises means for generating, when the electrical contact is closed, a first logic signal changing state when the residual voltage across the electrical contact, produced by the passage of current in the contact, change of polarity.
  • the device makes it possible, when the electrical contact is closed, to detect the passage of current in the electrical circuit and consequently in the electrical contact, by a value substantially equal to 0 amperes. Indeed, the closed electrical contact has a very low resistance, but not zero. This contact resistance produces a residual electrical voltage drop Vc across the contact substantially proportional to the current flowing through the contact. It is this effect which will be used to determine the inversion of the current in the electric circuit and its passage by a value substantially zero during the change of polarity.
  • the detection device further comprises an analog output providing, when the contact is closed, with respect to a voltage reference, a voltage Vs proportional to the residual contact voltage Vc is proportional to the current flowing in the contact and in the electrical circuit.
  • Said means provide, when the electrical contact is open, a second logic signal changing state when the voltage of the electrical circuit at the terminals of the electrical contact changes polarity.
  • the detection device can be associated with a microcontroller receiving the voltage across the terminals of the electric contact with mechanical displacement in order to produce according to the invention a system for diagnosing the electric contact.
  • the first and second logic signals are supplied on the same output of the detection device.
  • the diagnostic system according to the invention comprising such a device for detecting the passage through zero of current finds a particularly advantageous application in the diagnosis of electrical switching systems such as electromechanical contactors, electromechanical relays, electromechanical relays whose contact is assisted by semiconductors (hybrid relays) or any other device comprising an electric contact with mechanical displacement.
  • electrical switching systems such as electromechanical contactors, electromechanical relays, electromechanical relays whose contact is assisted by semiconductors (hybrid relays) or any other device comprising an electric contact with mechanical displacement.
  • FIG. 1a, 1b and 1c show a block diagram of a diagnostic system according to the invention having a current detection device connected to the terminals of an electrical contact.
  • FIG. 2a and 2b show as a function of time t respectively the voltage across the open electrical contact and the second logic signal at the output of the detection means.
  • FIG. 3a, 3b and 3c show as a function of time t respectively the current in the closed electrical contact, the first logic signal at the output of the detection means and the voltage across the terminals of the closed contact.
  • FIG. 1a represents a block diagram of a diagnostic system according to the invention having a current detection device 10 connected in parallel on the two terminals A and B of an electrical contact 12 in the open position.
  • Figure 1b shows the same block diagram of Figure 1a with the electrical contact in the closed position.
  • the electrical contact 12 is inserted in series with a load 14 in an electrical circuit CE with alternating current under a voltage U applied to two supply terminals C1 and C2 of the electrical circuit.
  • the means of the detection device 10 comprise a limiting resistor R1 in series with two diodes D1 and D2 mounted in head-to-tail parallel and a comparator 16 having two differential inputs E1 and E2 connected to the terminals of the diodes D1 and D2, a logic output SO of the comparator 16 providing a logic signal changing state with the change of the polarity of a voltage Vd at the terminals of the diodes D1 and D2.
  • the voltage V across the electrical contact is substantially identical to the voltage U of the electrical circuit.
  • the voltage V across the contact produces an alternating current il in the diodes D1 and D2 limited by the limiting resistor R1.
  • the current it flows in one direction one of the two diodes in head-to-tail parallel, during one of the two half-waves of the voltage V across the terminals of the electrical contact 12, and in the other direction the other diode during the other alternating voltage V across the contact.
  • the diodes D1 and D2 will be alternately one in the on state and the other in the blocked state.
  • the voltage Vd at the terminals of the diodes applied to the differential inputs E1 and E2 of the comparator 16 will be substantially the conduction threshold voltage of the diodes, ie approximately 0.7 volts for a silicon diode.
  • the threshold voltage of the diodes applied to the differential inputs E1 and E2 of the comparator is of a polarity such that the output of the comparator provides a signal in a logic state (0, 1) and when Another alternation of opposite polarity, the threshold voltage being inverted, the comparator provides the complementary logic state.
  • Figures 2a and 2b show as a function of time t respectively the voltage V across the electrical contact and the voltage at logic output SO of the comparator. A rising edge occurring at the logic output SO of the comparator when the polarity of voltage V changes in one direction, then a falling edge during the next polarity change, of the same voltage V, in the other meaning.
  • the electrical contact 12 has a resistance r contact whose value is linked to different parameters among which we can cite, the pressure and the contact surface, the type of metal in contact or the coal state of the contact.
  • the smearing of the electric contact with mechanical displacement results in the appearance of carbonized particles on the contact pads produced by the combustion of dust and other particles during the switching arcs.
  • Charcoal produces an increase in the resistance r of the contact and consequently a heating of the contact during the passage of the current.
  • the same current Ich in the contact produces a higher residual voltage Vc across the contact when the level of the coal increases.
  • This low value resistor r produces a difference in residual contact potential Vc between the terminals of the electrical contact when the current flows:
  • Vc r.lch
  • the contact resistance r can be accepted as purely resistive at the usual operating frequencies of electrical circuits of the order of 50 to 400 Hz.
  • the potential Vd across the terminals of the diodes D1, D2 applied to the differential inputs E1 and E2 of the comparator 16 will be substantially identical to the residual contact potential Vc, this potential Vc being less than the threshold voltage of diodes D1 and D2 but of a level sufficient to effect the switching of the comparator with change of state at its logic output SO when the polarity of the residual contact potential Vc at the terminals of the contact changes.
  • the residual voltage Vc at the terminals of the closed electrical contact of a power relay traversed by a maximum current of 20 amperes is of the order of 150 millivolts.
  • Figures 3a and 3b show as a function of time t respectively, the residual voltage Vc across the contact, image of the current Ich in the electrical circuit CE (and in contact 12), and the logic voltage at output SO of the comparator.
  • a rising edge occurs at the logic output SO of the comparator during a change of polarity in one direction of the current Ich then a falling edge during the next change of polarity in the other direction.
  • the detection device 10 supplies the same logic output SO of the comparator 16 on the one hand, when the contact is open, a first logic signal changing state at each passage substantially by 0 volts of the voltage U of the electrical circuit, the device detecting the 0s of the electrical circuit, and on the other hand, when the contact is closed, a second logic signal changing state at each passage by substantially 0 amperes of the current in the load, the device detecting the 0s of current in charge.
  • the diagnostic device uses the residual voltage Vc across the terminals of the closed contact to measure the current flowing in the load.
  • the detection device comprises an analog output SA taken at the junction of the limiting resistor R1 and the diodes D1, D2.
  • This analog output SA supplies, when the contact is closed, with respect to a reference potential Rf, a voltage Vs proportional to the residual contact voltage Vc, ie, proportional to the current Ich flowing in the contact and in the electrical circuit.
  • FIG. 3c shows the voltage Vs across the terminals of the closed contact, as a function of time.
  • the detection device 10 is associated with a microcontroller 18 in order to produce the diagnostic system for the electrical contact.
  • the microcontroller 18, represented in FIGS. 1a and 1b, receives at an analog input 20 the voltage Vs at analog output SA of the detection device and at a logic input 22 the logic level at output SO of the comparator providing the microcontroller with the passage information by 0 of current of the electric circuit.
  • the microcontroller comprises first means for carrying out, when the contact is closed, an acquisition of the level of the maximum analog voltage Vsm at the terminals of the contact 12 at each half-wave at the time of passage through a maximum of the current in the load 14; for this purpose, the acquisition by the microcontroller of the maximum voltage Vsm corresponding to a maximum residual voltage Vcm at the terminals of the contact and at a maximum current in the electrical circuit, is effected after a waiting time dT starting on passing through a zero of current, the waiting time dT being substantially equal to a quarter of the period T of the alternating current in the circuit.
  • the analog value of the maximum voltage Vsm across the contact can be interpreted in several ways.
  • the microcontroller can, by successive acquisitions of the current over time, monitor the evolution of the current in the load and initiate an action of disjunction of the electrical circuit.
  • the microcontroller includes second means for storing successive acquisitions of the maximum current over time and for opening the electrical contact controlled by an actuating coil 24 of the contact 12, when the evolution of the current comes out of the drawing. of a smoke curve.
  • temperature information can also be taken into account by the microcontroller and interpreted together with the other information.
  • the microcontroller exploiting, inter alia, the information provided by the detection device according to the invention makes it possible to carry out diagnostic functions of the state of the electrical contacts and possibly to detect an overload of the electrical circuit and induced actions of break.
  • the evolution of the state of the contact can be followed very precisely by using additional information of current Ich in the electrical circuit CE.
  • This current measurement is carried out by an additional means 26 for conventional current measurement other than the measurement of the residual voltage Vc at the terminals of the contact, for example using a shunt, a hall effect sensor or other.
  • the comparison between the current measured by this other means 26 and that resulting from the measurement of the residual voltage Vc across the terminals of the electrical contact 12 makes it possible to determine the state of the contact and its evolution. For example, it is thus possible to determine the level of “coaling” of the contact.
  • FIG. 1 c represents the device of FIG. 1 b comprising the additional means 26 for measuring the current Ich.
  • the microcontroller 18 receives from additional means 26, at another analog input 28, additional information Isp of current Ich in the electrical circuit, the microcontroller further comprising first means of acquiring current maximum in the load from the residual voltage Vc, means for acquiring the maximum current measured by the additional means 26.
  • the microcontroller furthermore comprises means for calculating the difference between the two current measurements, the current measured by the additional means 26 on the one hand and that resulting from the measurement of the residual voltage Vc across the contact on the other hand. This current difference can be used to determine, for example with respect to a threshold which can be a function of the maximum current level, if the contact is defective and trigger an alarm or open the electrical contact 12.
  • Electromechanical type relays comprise one or more electrical contacts with mechanical displacement coupled to a mobile element of the magnetic circuit of an electromagnet.
  • the control of the electromagnet is carried out by the supply of its coil which by producing a flux induction in the magnetic circuit causes the moving element to move and the electrical contacts of the relay to close or open.
  • the electromechanical relays have delays between the moment when the electromagnet is controlled by the supply of its coil and the actual closing or opening of its electrical contact. These delays are mainly due to the inertia of the moving element of the relay.
  • Some control systems for electromechanical relays take these delays into closing or opening of the contacts to take into account switching at favorable moments of voltage or current in the electrical circuit.
  • the detection device according to the invention associated with the microcontroller makes it possible, by measuring the voltage at the terminals of the electrical contact, to determine the moment of closing and opening of the contact and to deduce therefrom the actual delay time existing between the moment of order and the moment of closing or opening of the contact.
  • the microcontroller 18 comprises third means for measuring on the one hand, the closing delay time dTF between the moment of the supply of the actuating coil 24 of the contact 12 and the instant of closing of the contact. and on the other hand, the opening delay time dTO between the moment when the supply to the contact actuation coil is interrupted and the time when the contact opens.
  • the detection device can be used in switching systems comprising an electric contact with mechanical displacement to detect the zero crossing of voltage and current in the electric circuit in which the relay is inserted.
  • the zero crossing information provided by the detection device will be used by the relay control system using the microcontroller comprising fourth means for closing the contact at an instant close to zero crossing of the voltage across the terminals of the contact and its opening at an instant close to zero current crossing in the circuit.
  • the diagnostic system described will be programmed by software for the microcontroller 18 used for the diagnosis of the electrical contact in the electrical circuit CE, the software comprising means for making the microcontroller execute the following successive operations: - acquisition of the voltage level analog maximum Vsm at the terminals of contact 12, image of the maximum current in the electrical circuit CE;
  • the software can also further include a step of controlling the opening by the microcontroller of the electrical contact by an actuating coil, when the evolution of the maximum current exceeds the limits defined by a maximum current curve as a function of the time of opening of the electrical contact; this curve is commonly called the "smoke curve".
  • the diagnostic system according to the invention detection device is particularly suitable for uses in switching systems, for example in an electromechanical relay comprising an electric contact with mechanical displacement, a relay control circuit using the first logic signal of the detection device. detection.
  • a microcontroller of the electromechanical relay control circuit can use the first logic signal to calculate an instant of generation of a contact opening command.
  • the contact comprises a parallel triac controlled by the microcontroller at an instant calculated as a function of said first logic signal.
  • FIG. 4 shows a diagram of an electromechanical relay comprising a diagnostic system according to the invention having a detection device 30, an electrical contact 32 assisted by switching by a triac 34, and a control circuit of the relay using a microcontroller 36.
  • a regulated power supply 40 supplies, from the voltage U of the electrical network RE and relative to a line L1 connected to the terminal C4 of the network, a supply voltage Va1 of a coil 42 for actuating the contact 32 and a regulated supply Va2 of the detection device 30 according to the invention and of the microcontroller 36.
  • the line L1 is in this case considered to be at the reference potential of the detection device.
  • a logic control signal Xr is applied to a logic control input 44 of the microcontroller 36 through a photo-coupler 46 of galvanic isolation connected to a control input of the relay EC.
  • a logic state of the logic control signal Xr causes the relay to close and the complementary logic state to open it.
  • the microcontroller 36 provides on the one hand, by a first logic output 48 through an optotriac 50 a conduction signal of the triac 34 and on the other hand by a second logic output 52, through a follower transistor T1 a current d supply of the coil 42 actuating the electrical contact 32.
  • the detection device 30 comprises the limiting resistor R1 in series with in series with the two diodes D1 and D2 mounted in head-to-tail parallel and a comparator 56 comprising two differential inputs.
  • the inverting input (-) of the comparator 56 with differential inputs is connected through an input resistor R2 at the connection point of the diodes D1 and D2 and the limiting resistor R1, and the non-inverting output (+) at the point of variable potential of a resistive divider bridge comprising a potentiometer P1 in series with a heel resistance R4, the divider bridge being connected on the side of the potentiometer to the regulated supply Va2 and on the side of the heel resistance at the reference potential (line L1).
  • a feedback resistor R5 connects the logic output SO of the comparator to the non-inverting input of comparator 56.
  • the logic output SO of the current and voltage zero crossing detection device 30 is connected to a logic detection input 58 of the microcontroller 36.
  • One side of the diodes D1, D2 in head-to-tail parallel, of the detection device 30, is connected to the terminal of the contact 32 connected to the reference potential (C4), the other side of the diodes being connected through the limiting resistor R1 and a ballast resistor R6 at the other terminal of contact 32.
  • the junction point of the limiting resistor R1 and the ballast resistor R6 being connected to the reference potential (line L1) by a zener diode Z1 limiting the zener voltage Vz the voltage across the detection device when the switch is open and the electrical circuit energized.
  • the detection device provides the microcontroller, as described above, with passage information by 0 volts of the voltage of the electric circuit, when the contact is open and passage information by 0 amps of current in the same circuit, when the contact is closed.
  • This information can thus be used by the microcontroller to close and open the electrical contact at the most favorable times to avoid arcs between its terminals.
  • the microcontroller can close the contact 32 when the voltage across the contact is close to 0 volts and open when the current in the electrical circuit is close to 0 amperes.
  • An analog input 60 of the microcontroller is connected, through a protective resistor R7, to the terminals of the diodes connected to the limiting resistor R1.
  • This residual analog voltage Vc is exploited by the microcontroller 36 in order to make diagnoses on the state of the contact 32, to carry out disjunctions (opening of the contact) according to criteria of maximum voltage and speed of variation of this voltage or other possible functions .
  • the diagnostic system according to the invention allows:

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Abstract

The invention concerns a system for diagnosing electric contact with mechanical displacement for switching electrical loads. The diagnostic system comprises: a device for detecting (10) current inversion in the electric contact (12), with an analog output (SA) supplying, when the contact is closed, a voltage Vs proportional to the residual voltage of the contact Vc, that is proportional to the current (Ich) flowing in the contact (12) and in the electric circuit (CE); a microcontroller (18) receiving at an analog input (20) the voltage Vs in the analog output (SA) of the detecting device and at a logic input (22) a first logic signal (SO) supplying to the microcontroller data concerning the electric circuit zero crossing current, the microcontroller comprising first means for acquiring the maximum analog voltage level Vsm at the terminals of the contact (12) at each alternation, at the time a maximum current passes into the load (14). The invention is applicable to electric switches, electromechanical relays, hybrid relays, diagnostic system of an electric contact.

Description

SYSTEME DE DIAGNOSTIC DE CONTACT ELECTRIQUE A DEPLACEMENT MECANIQUE ELECTRICALLY MOVABLE ELECTRICAL CONTACT DIAGNOSTIC SYSTEM
L'invention concerne un système de diagnostic d'un contact électrique à déplacement mécanique pour commutation de charges électriques comportant un dispositif électronique de détection destiné à assurer une commutation optimale de charges sur un circuit (ou réseau) électrique. La connexion et la déconnexion des charges sur un circuit électrique sont assurées par des systèmes de commutation parmi lesquels on trouve les commutateurs électriques, les relais électromécaniques, les relais hybrides, et les disjoncteurs pour la protection du réseau.The invention relates to a system for diagnosing an electrical contact with mechanical displacement for switching electrical charges, comprising an electronic detection device intended to ensure optimum switching of charges on an electrical circuit (or network). The connection and disconnection of loads on an electrical circuit is ensured by switching systems among which are electrical switches, electromechanical relays, hybrid relays, and circuit breakers for network protection.
La mise sous tension ou hors tension des charges sur un circuit électrique sous tension produit des phénomènes pouvant perturber le circuit électrique et dégrader le système de commutation. Par exemple, la commutation par un relais électromécanique des charges sur un circuit électrique sous tension, et particulièrement lorsque les charges sont inductives, produit des arcs entre les contacts du relais au moment de leur ouverture ou de leur fermeture. A la fermeture lorsque le courant s'établit dans le circuit électrique et à l'ouverture lors de l'interruption du courant dans le même circuit.Switching loads on or off on a live electrical circuit produces phenomena that can disturb the electrical circuit and degrade the switching system. For example, the switching by an electromechanical relay of the loads on a live electrical circuit, and particularly when the loads are inductive, produces arcs between the contacts of the relay when they are opened or closed. On closing when the current is established in the electrical circuit and on opening when the current is interrupted in the same circuit.
Ces arcs de commutation dégradent la qualité et diminuent la fiabilité des contacts par l'accroissement de leur résistance de contact produisant un echauffement anormal voir une destruction des contacts par le passage du courant.These switching arcs degrade the quality and reduce the reliability of the contacts by increasing their contact resistance producing an abnormal heating or even destroying the contacts by the passage of current.
La fermeture des contacts électriques à déplacement mécanique d'un commutateur, suite à un ordre de commutation, peut s'effectuer à un instant quelconque d'une période de la tension du circuit électrique ou dans le cas d'une ouverture du contact, à un instant quelconque d'une période du courant électrique dans le circuit. Ces fermetures et ouvertures à un moment aléatoire au cours d'une période respectivement de tension et de courant, produit, dans des cas défavorables de commutation, des forts arcs électriques entre les contacts. Par exemple la fermeture du contact électrique, lorsque la tension du circuit électrique est proche de son maximum, produira un ou plusieurs forts arcs électriques qui auront comme conséquence d'une part la dégradation rapide des contacts électriques du relais par étincelage et d'autre part des fortes perturbations du circuit pouvant avoir des effets nuisibles pour les charges connectées sur ce circuit. Un phénomène semblable se produit à l'ouverture du contact au moment de l'interruption du courant dans le circuit électrique.The closing of the electrical contacts with mechanical movement of a switch, following a switching order, can be carried out at any time during a period of the voltage of the electrical circuit or in the case of opening of the contact, at any time during a period of electric current in the circuit. These closings and openings at a random time during a period of voltage and current respectively, produces, in unfavorable switching cases, strong electric arcs between the contacts. For example closing the electrical contact, when the voltage of the electrical circuit is close to its maximum, will produce one or more strong electric arcs which will result, on the one hand, in the rapid degradation of the electrical contacts of the relay by sparking, and on the other hand, strong disturbances of the circuit which may have harmful effects for the loads connected to this circuit. A similar phenomenon occurs when the contact opens when the current in the electrical circuit is interrupted.
Un dispositif de détection d'inversion de courant dans un contact électrique à déplacement mécanique comporte des moyens pour générer, lorsque le contact électrique est fermé, un premier signal logique changeant d'état lorsque la tension résiduelle aux bornes du contact électrique, produite par le passage du courant dans le contact, change de polarité.A device for detecting current reversal in an electrical contact with mechanical displacement comprises means for generating, when the electrical contact is closed, a first logic signal changing state when the residual voltage across the electrical contact, produced by the passage of current in the contact, change of polarity.
Le dispositif permet, lorsque le contact électrique est fermé, de détecter le passage du courant dans le circuit électrique et par conséquent dans le contact électrique, par une valeur sensiblement égale à 0 ampère. En effet, le contact électrique fermé présente une résistance très faible mais non nulle. Cette résistance de contact produit une chute de tension électrique résiduelle Vc aux bornes du contact sensiblement proportionnelle au courant parcourant le contact. C'est cet effet qui sera exploité pour déterminer l'inversion du courant dans le circuit électrique et son passage par une valeur sensiblement nulle lors du changement de polarité.The device makes it possible, when the electrical contact is closed, to detect the passage of current in the electrical circuit and consequently in the electrical contact, by a value substantially equal to 0 amperes. Indeed, the closed electrical contact has a very low resistance, but not zero. This contact resistance produces a residual electrical voltage drop Vc across the contact substantially proportional to the current flowing through the contact. It is this effect which will be used to determine the inversion of the current in the electric circuit and its passage by a value substantially zero during the change of polarity.
De plus, on peut utiliser la tension résiduelle aux bornes du contact pour faire une mesure du courant circulant dans la charge. A cet effet le dispositif de détection comporte en outre une sortie analogique fournissant, lorsque le contact est fermé, par rapport à une référence de tension, une tension Vs proportionnelle à la tension résiduelle de contact Vc soit proportionnelle au courant circulant dans le contact et dans le circuit électrique.In addition, the residual voltage across the contact can be used to measure the current flowing in the load. To this end, the detection device further comprises an analog output providing, when the contact is closed, with respect to a voltage reference, a voltage Vs proportional to the residual contact voltage Vc is proportional to the current flowing in the contact and in the electrical circuit.
Les dits moyens fournissent, lorsque le contact électrique est ouvert, un second signal logique changeant d'état lorsque la tension du circuit électrique aux bornes du contact électrique change de polarité.Said means provide, when the electrical contact is open, a second logic signal changing state when the voltage of the electrical circuit at the terminals of the electrical contact changes polarity.
Le dispositif de détection peut être associé à un microcontrôleur recevant la tension aux bornes du contact électrique à déplacement mécanique afin de réaliser selon l'invention un système de diagnostic du contact électrique. Dans une réalisation du système de diagnostic, les premier et second signaux logiques sont fournis sur une même sortie du dispositif de détection.The detection device can be associated with a microcontroller receiving the voltage across the terminals of the electric contact with mechanical displacement in order to produce according to the invention a system for diagnosing the electric contact. In one embodiment of the diagnostic system, the first and second logic signals are supplied on the same output of the detection device.
Le système de diagnostic selon l'invention comportant un tel dispositif de détection du passage par zéro de courant trouve une application particulièrement intéressante dans le diagnostique de systèmes de commutation électriques tels que les contacteurs électromécaniques, relais électromécaniques, relais électromécaniques dont le contact est assisté par semi-conducteurs (relais hybrides) ou tout autre dispositif comportant un contact électrique à déplacement mécanique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemple de réalisation de systèmes de diagnostic selon l'invention dans lesquels :The diagnostic system according to the invention comprising such a device for detecting the passage through zero of current finds a particularly advantageous application in the diagnosis of electrical switching systems such as electromechanical contactors, electromechanical relays, electromechanical relays whose contact is assisted by semiconductors (hybrid relays) or any other device comprising an electric contact with mechanical displacement. Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the description of an exemplary embodiment of diagnostic systems according to the invention in which:
- les figures 1a, 1b et 1c représentent un schéma de principe d'un système de diagnostic selon l'invention ayant un dispositif de détection de courant connecté aux bornes d'un contact électrique.- Figures 1a, 1b and 1c show a block diagram of a diagnostic system according to the invention having a current detection device connected to the terminals of an electrical contact.
- les figures 2a et 2b représentent en fonction du temps t respectivement la tension aux bornes du contact électrique ouvert et le second signal logique en sortie des moyens de détection.- Figures 2a and 2b show as a function of time t respectively the voltage across the open electrical contact and the second logic signal at the output of the detection means.
- les figures 3a, 3b et 3c représentent en fonction du temps t respectivement le courant dans le contact électrique fermé, le premier signal logique en sortie des moyens de détection et la tension aux bornes du contact fermé.- Figures 3a, 3b and 3c show as a function of time t respectively the current in the closed electrical contact, the first logic signal at the output of the detection means and the voltage across the terminals of the closed contact.
- la figure 4 représente un schéma de principe d'un relais hybride comportant le système de diagnostic selon l'invention. La figure 1a représente un schéma de principe d'un système de diagnostic selon l'invention ayant un dispositif de détection 10 de courant connecté en parallèle sur les deux bornes A et B d'un contact électrique 12 en position ouvert. La figure 1b représente le même schéma de principe de la figure 1a avec le contact électrique en position fermé. Le contact électrique 12 est inséré en série avec une charge 14 dans un circuit électrique CE à courant alternatif sous une tension U appliquée à deux bornes d'alimentation C1 et C2 du circuit électrique.- Figure 4 shows a block diagram of a hybrid relay comprising the diagnostic system according to the invention. FIG. 1a represents a block diagram of a diagnostic system according to the invention having a current detection device 10 connected in parallel on the two terminals A and B of an electrical contact 12 in the open position. Figure 1b shows the same block diagram of Figure 1a with the electrical contact in the closed position. The electrical contact 12 is inserted in series with a load 14 in an electrical circuit CE with alternating current under a voltage U applied to two supply terminals C1 and C2 of the electrical circuit.
Les moyens du dispositif de détection 10 comportent une résistance de limitation R1 en série avec deux diodes D1 et D2 montées en parallèle tête-bêche et un comparateur 16 ayant deux entrées différentielles E1 et E2 connectées aux bornes des diodes D1 et D2, une sortie logique SO du comparateur 16 fournissant un signal logique changeant d'état avec le changement de la polarité d'une tension Vd aux bornes des diodes D1 et D2.The means of the detection device 10 comprise a limiting resistor R1 in series with two diodes D1 and D2 mounted in head-to-tail parallel and a comparator 16 having two differential inputs E1 and E2 connected to the terminals of the diodes D1 and D2, a logic output SO of the comparator 16 providing a logic signal changing state with the change of the polarity of a voltage Vd at the terminals of the diodes D1 and D2.
Nous allons par la suite décrire le principe de fonctionnement du dispositif de détection connecté aux bornes A et B du contact électrique 12.We will then describe the operating principle of the detection device connected to terminals A and B of electrical contact 12.
Lorsque le contact électrique 12 est ouvert (figure 1a) le courant I dans le circuit électrique sera considéré comme de valeur négligeable par rapport à un courant Ich lorsque le contact 12 est fermé alimentant la chargeWhen the electrical contact 12 is open (Figure 1a) the current I in the electrical circuit will be considered of negligible value compared to a current Ich when the contact 12 is closed supplying the load
14. Dans le cas du contact électrique ouvert, la tension V aux bornes du contact électrique est sensiblement identique à la tension U du circuit électrique.14. In the case of the open electrical contact, the voltage V across the electrical contact is substantially identical to the voltage U of the electrical circuit.
La tension V aux bornes du contact produit un courant alternatif il dans les diodes D1 et D2 limité par la résistance de limitation R1. Le courant il parcourt dans un sens une des deux diodes en parallèle tête-bêche, lors d'une des deux alternances de la tension V aux bornes du contact électrique 12, et dans l'autre sens l'autre diode lors de l'autre alternance de la tension V aux bornes du contact. A chaque alternance les diodes D1 et D2 seront alternativement l'une à l'état passant et l'autre à l'état bloqué. La tension Vd aux bornes des diodes appliquée aux entrées différentielles E1 et E2 du comparateur 16 sera sensiblement la tension de seuil de conduction des diodes soit environ 0,7 volts pour une diode au silicium.The voltage V across the contact produces an alternating current il in the diodes D1 and D2 limited by the limiting resistor R1. The current it flows in one direction one of the two diodes in head-to-tail parallel, during one of the two half-waves of the voltage V across the terminals of the electrical contact 12, and in the other direction the other diode during the other alternating voltage V across the contact. At each alternation the diodes D1 and D2 will be alternately one in the on state and the other in the blocked state. The voltage Vd at the terminals of the diodes applied to the differential inputs E1 and E2 of the comparator 16 will be substantially the conduction threshold voltage of the diodes, ie approximately 0.7 volts for a silicon diode.
Lors d'une alternance de tension, la tension de seuil des diodes appliquée aux entrées différentielles E1 et E2 du comparateur est d'une polarité telle que la sortie du comparateur fournit un signal dans un état logique (0, 1 ) et lors de l'autre alternance de polarité opposée la tension de seuil étant inversée le comparateur fournit l'état logique complémentaire. Les figures 2a et 2b montrent en fonction du temps t respectivement la tension V aux bornes du contact électrique et la tension en sortie logique SO du comparateur. Un front de montée se produisant à la sortie logique SO du comparateur lors d'un changement de polarité de la tension V dans un sens, puis un front de descente lors du changement de polarité suivant, de la même tension V, dans l'autre sens.During a voltage alternation, the threshold voltage of the diodes applied to the differential inputs E1 and E2 of the comparator is of a polarity such that the output of the comparator provides a signal in a logic state (0, 1) and when Another alternation of opposite polarity, the threshold voltage being inverted, the comparator provides the complementary logic state. Figures 2a and 2b show as a function of time t respectively the voltage V across the electrical contact and the voltage at logic output SO of the comparator. A rising edge occurring at the logic output SO of the comparator when the polarity of voltage V changes in one direction, then a falling edge during the next polarity change, of the same voltage V, in the other meaning.
Lorsque le contact électrique est fermé (figure 1b), un courant électrique Ich alimentant la charge s'établit dans le circuit électrique à travers le contact électrique 12. Le contact électrique 12 présente une résistance r de contact dont la valeur est liée à différents paramètres parmi lesquels on peut citer, la pression et la surface de contact, le type de métal en contact ou l'état de charbonnage du contac. Le charbonnage du contact électrique à déplacement mécanique se traduit par l'apparition de particules carbonisées sur les plots du contact produites par la combustion des poussières et autres particules lors des arcs de commutation. Le charbonnage produit une augmentation de la résistance r du contact et par conséquent un echauffement du contact lors du passage du courant. Un même courant Ich dans le contact produit une tension résiduelle Vc aux bornes du contact plus importante lorsque le niveau du charbonnage augmente.When the electrical contact is closed (Figure 1b), an electrical current Ich supplying the load is established in the electrical circuit through the electrical contact 12. The electrical contact 12 has a resistance r contact whose value is linked to different parameters among which we can cite, the pressure and the contact surface, the type of metal in contact or the coal state of the contact. The smearing of the electric contact with mechanical displacement results in the appearance of carbonized particles on the contact pads produced by the combustion of dust and other particles during the switching arcs. Charcoal produces an increase in the resistance r of the contact and consequently a heating of the contact during the passage of the current. The same current Ich in the contact produces a higher residual voltage Vc across the contact when the level of the coal increases.
Cette résistance r de faible valeur produit au passage du courant une différence de potentiel résiduelle de contact Vc entre les bornes du contact électrique telle que :This low value resistor r produces a difference in residual contact potential Vc between the terminals of the electrical contact when the current flows:
Vc = r.lch La résistance de contact r peut être admise comme purement résistive aux fréquences de fonctionnement habituelles des circuits électriques de l'ordre de 50 à 400 Hz.Vc = r.lch The contact resistance r can be accepted as purely resistive at the usual operating frequencies of electrical circuits of the order of 50 to 400 Hz.
Dans un fonctionnement habituel du contact fermé traversé par le courant électrique, le potentiel Vd aux bornes des diodes D1 , D2 appliqué aux entrées différentielles E1 et E2 du comparateur 16 sera sensiblement identique au potentiel résiduel de contact Vc, ce potentiel Vc étant inférieur à la tension de seuil des diodes D1 et D2 mais de niveau suffisant pour effectuer le basculement du comparateur avec changement d'état à sa sortie logique SO lors du changement de polarité du potentiel résiduel de contact Vc aux bornes du contact.In a normal operation of the closed contact crossed by the electric current, the potential Vd across the terminals of the diodes D1, D2 applied to the differential inputs E1 and E2 of the comparator 16 will be substantially identical to the residual contact potential Vc, this potential Vc being less than the threshold voltage of diodes D1 and D2 but of a level sufficient to effect the switching of the comparator with change of state at its logic output SO when the polarity of the residual contact potential Vc at the terminals of the contact changes.
A titre d'exemple, la tension résiduelle Vc aux bornes du contact électrique fermé d'un relais de puissance parcouru par un courant maximal de 20 ampères est de l'ordre de150 millivolts.For example, the residual voltage Vc at the terminals of the closed electrical contact of a power relay traversed by a maximum current of 20 amperes is of the order of 150 millivolts.
Dans cette configuration contact fermé, le changement d'état logique (0 et 1) en sortie du comparateur 16 se produit lors de changement de polarité du potentiel résiduel de contact Vc soit lors du changement du sens du courant dans le circuit électrique puisque ce potentiel résiduel Vc de contact est proportionnel au courant Ich dans le circuit électrique (Vc = r.lch).In this closed contact configuration, the change in logic state (0 and 1) at the output of comparator 16 occurs when the polarity of the residual contact potential Vc changes, or when the direction of current changes in the electrical circuit since this potential residual contact Vc is proportional to the current Ich in the electrical circuit (Vc = r.lch).
Les figures 3a et 3b montrent en fonction du temps t respectivement, la tension résiduelle Vc aux bornes du contact, image du courant Ich dans le circuit électrique CE (et dans le contact 12), et la tension logique en sortie SO du comparateur. Un front de montée se produit à la sortie logique SO du comparateur lors d'un changement de polarité dans un sens du courant Ich puis un front de descente lors du changement de polarité suivant dans l'autre sens.Figures 3a and 3b show as a function of time t respectively, the residual voltage Vc across the contact, image of the current Ich in the electrical circuit CE (and in contact 12), and the logic voltage at output SO of the comparator. A rising edge occurs at the logic output SO of the comparator during a change of polarity in one direction of the current Ich then a falling edge during the next change of polarity in the other direction.
Le dispositif de détection 10 fournit à une même sortie logique SO du comparateur 16 d'une part, lorsque le contact est ouvert, un premier signal logique changeant d'état à chaque passage sensiblement par 0 volt de la tension U du circuit électrique, le dispositif détectant les 0 de tension du circuit électrique, et d'autre part, lorsque le contact est fermé, un second signal logique changeant d'état à chaque passage par sensiblement 0 ampère du courant dans la charge, le dispositif détectant les 0 de courant dans la charge.The detection device 10 supplies the same logic output SO of the comparator 16 on the one hand, when the contact is open, a first logic signal changing state at each passage substantially by 0 volts of the voltage U of the electrical circuit, the device detecting the 0s of the electrical circuit, and on the other hand, when the contact is closed, a second logic signal changing state at each passage by substantially 0 amperes of the current in the load, the device detecting the 0s of current in charge.
Le dispositif de diagnostic selon l'invention, utilise la tension résiduelle Vc aux bornes du contact fermé pour faire une mesure du courant circulant dans la charge. A cet effet, le dispositif de détection comporte une sortie analogique SA prise au point de jonction de la résistance de limitation R1 et les diodes D1 , D2. Cette sortie analogique SA fournit, lorsque le contact est fermé, par rapport à un potentiel de référence Rf, une tension Vs proportionnelle à la tension résiduelle de contact Vc soit, proportionnelle au courant Ich circulant dans le contact et dans le circuit électrique. La figure 3c montre la tension Vs aux bornes du contact fermé, en fonction du temps.The diagnostic device according to the invention uses the residual voltage Vc across the terminals of the closed contact to measure the current flowing in the load. To this end, the detection device comprises an analog output SA taken at the junction of the limiting resistor R1 and the diodes D1, D2. This analog output SA supplies, when the contact is closed, with respect to a reference potential Rf, a voltage Vs proportional to the residual contact voltage Vc, ie, proportional to the current Ich flowing in the contact and in the electrical circuit. FIG. 3c shows the voltage Vs across the terminals of the closed contact, as a function of time.
Le dispositif de détection 10 est associé à un microcontrôleur 18 afin de réaliser le système de diagnostic du contact électrique. Le microcontrôleur 18, représenté aux figures 1a et 1b, reçoit à une entrée analogique 20 la tension Vs en sortie analogique SA du dispositif de détection et à une entrée logique 22 le niveau logique en sortie SO du comparateur fournissant au microcontrôleur l'information de passage par 0 de courant du circuit électrique. Le microcontrôleur comporte des premiers moyens pour effectuer, lorsque le contact est fermé, une acquisition du niveau de la tension maximum analogique Vsm aux bornes du contact 12 à chaque alternance au moment du passage par un maximum du courant dans la charge 14 ; a cet effet, l'acquisition par le microcontrôleur de la tension maximun Vsm correspondant à une tension résiduelle maximun Vcm aux bornes du contact et à un courant maximun dans le circuit électrique, est effectuée après un délai d'attente dT commençant au passage par un zéro de courant, le délai d'attente dT étant sensiblement égal au quart de la période T du courant alternatif dans le circuit. La valeur analogique de la tension maximum Vsm aux bornes du contact peut être interprétée de plusieurs façons.The detection device 10 is associated with a microcontroller 18 in order to produce the diagnostic system for the electrical contact. The microcontroller 18, represented in FIGS. 1a and 1b, receives at an analog input 20 the voltage Vs at analog output SA of the detection device and at a logic input 22 the logic level at output SO of the comparator providing the microcontroller with the passage information by 0 of current of the electric circuit. The microcontroller comprises first means for carrying out, when the contact is closed, an acquisition of the level of the maximum analog voltage Vsm at the terminals of the contact 12 at each half-wave at the time of passage through a maximum of the current in the load 14; for this purpose, the acquisition by the microcontroller of the maximum voltage Vsm corresponding to a maximum residual voltage Vcm at the terminals of the contact and at a maximum current in the electrical circuit, is effected after a waiting time dT starting on passing through a zero of current, the waiting time dT being substantially equal to a quarter of the period T of the alternating current in the circuit. The analog value of the maximum voltage Vsm across the contact can be interpreted in several ways.
Si la tension maximum Vsm dépasse une valeur prédéfinie :If the maximum voltage Vsm exceeds a predefined value:
- soit le courant que parcourt le contact est trop important ;- either the current through which the contact flows is too high;
- soit la résistance de contact a augmenté par usure ; - soit c'est le produit des deux.- either the contact resistance increased by wear; - either it is the product of both.
Si la tension analogique Vsm est inférieure à la valeur prédéfinie :If the analog voltage Vsm is lower than the preset value:
- soit le contact est en bon état et le courant est inférieur ou égal au maximum autorisé ;- either the contact is in good condition and the current is less than or equal to the maximum allowed;
- soit le contact est un peu usé et le courant est inférieur au maximum autorisé.- either the contact is a bit worn and the current is lower than the maximum allowed.
De plus, au cours d'une période de fermeture du contact, le microcontrôleur peut, par acquisitions successives du courant dans le temps, surveiller l'évolution du courant dans la charge et enclencher une action de disjonction du circuit électrique. A cet effet le microcontrôleur comporte des seconds moyens pour mémoriser des acquisitions successives du courant maximum dans le temps et effectuer une ouverture du contact électrique commandé par une bobine d'actionnement 24 du contact 12, lorsque l'évolution du courant sort de l'épure d'une courbe de fumée.In addition, during a contact closure period, the microcontroller can, by successive acquisitions of the current over time, monitor the evolution of the current in the load and initiate an action of disjunction of the electrical circuit. To this end, the microcontroller includes second means for storing successive acquisitions of the maximum current over time and for opening the electrical contact controlled by an actuating coil 24 of the contact 12, when the evolution of the current comes out of the drawing. of a smoke curve.
Plusieurs actions peuvent être menées suite aux observations faites précédemment :Several actions can be taken following the observations made previously:
- soit, on considère le défaut mineur (par exemple, début d'usure des contacts) et la seule action à mener sera l'activation d'une information témoin d'usure signalant la nécessité d'une action préventive de remplacement du relais. - soit le défaut est majeur (usure avancée des contacts, surcharge importante) et le microcontrôleur effectue une action commandant l'ouverture du contact, équivalent à une disjonction.- Either, we consider the minor fault (for example, beginning of wear of the contacts) and the only action to be carried out will be the activation of a wear indicator information signaling the need for a preventive action to replace the relay. - either the fault is major (advanced wear of the contacts, significant overload) and the microcontroller performs an action controlling the opening of the contact, equivalent to a trip.
Dans une configuration hautement fiabilisée, une information de température peut également être prise en compte par le microcontrôleur et interprétée conjointement aux autres informations. Un tel système comportant le microcontrôleur exploitant entre autre les informations fournies par le dispositif de détection selon l'invention permet de réaliser des fonctions de diagnostic de l'état des contacts électriques et faire éventuellement une détection de surcharge du circuit électrique et des actions induites de coupure.In a highly reliable configuration, temperature information can also be taken into account by the microcontroller and interpreted together with the other information. Such a system comprising the microcontroller exploiting, inter alia, the information provided by the detection device according to the invention makes it possible to carry out diagnostic functions of the state of the electrical contacts and possibly to detect an overload of the electrical circuit and induced actions of break.
L'évolution de l'état du contact peut être suivie très précisément en utilisant une information supplémentaire de courant Ich dans le circuit électrique CE. Cette mesuré de courant est effectué par un moyen supplémentaire 26 de mesure classique de courant autre que la mesure de la tension résiduelle Vc aux bornes du contact, par exemple à l'aide d'un shunt, un capteur à effet hall ou outres. La comparaison entre le courant mesuré par cet autre moyen 26 et celui résultant de la mesure de la tension résiduelle Vc aux bornes du contact électrique 12 permet de déterminer l'état du contact et son évolution. Par exemple on peut ainsi déterminer le niveau de « charbonnage » du contact.The evolution of the state of the contact can be followed very precisely by using additional information of current Ich in the electrical circuit CE. This current measurement is carried out by an additional means 26 for conventional current measurement other than the measurement of the residual voltage Vc at the terminals of the contact, for example using a shunt, a hall effect sensor or other. The comparison between the current measured by this other means 26 and that resulting from the measurement of the residual voltage Vc across the terminals of the electrical contact 12 makes it possible to determine the state of the contact and its evolution. For example, it is thus possible to determine the level of “coaling” of the contact.
La figure 1 c représente le dispositif de la figure 1 b comportant le moyen supplémentaire 26 de mesure du courant Ich.FIG. 1 c represents the device of FIG. 1 b comprising the additional means 26 for measuring the current Ich.
Dans ce dispositif de la figure 1 c, le microcontrôleur 18 reçoit du moyen supplémentaire 26, à une autre entrée analogique 28, une information supplémentaire Isp de courant Ich dans le circuit électrique, le microcontrôleur comportant en plus des premiers moyens d'acquisition du courant maximum dans la charge à partir de la tension résiduelle Vc, des moyens d'acquisition du courant maximum mesuré par le moyen supplémentaire 26. Le microcontrôleur comporte en outre des moyens de calcul de l'écart entre les deux mesures de courant, le courant mesuré par le moyen supplémentaire 26 d'une part et celui résultant de la mesure de la tension résiduelle Vc aux bornes du contact d'autre part. Cet écart de courant peut être utilisé pour déterminer, par exemple par rapport à un seuil qui peut être fonction du niveau du courant maximum, si le contact est défectueux et déclencher une alarme ou effectuer l'ouverture du contact électrique 12.In this device of FIG. 1 c, the microcontroller 18 receives from additional means 26, at another analog input 28, additional information Isp of current Ich in the electrical circuit, the microcontroller further comprising first means of acquiring current maximum in the load from the residual voltage Vc, means for acquiring the maximum current measured by the additional means 26. The microcontroller furthermore comprises means for calculating the difference between the two current measurements, the current measured by the additional means 26 on the one hand and that resulting from the measurement of the residual voltage Vc across the contact on the other hand. This current difference can be used to determine, for example with respect to a threshold which can be a function of the maximum current level, if the contact is defective and trigger an alarm or open the electrical contact 12.
Les relais de type électromécanique comportent un ou plusieurs contacts électriques à déplacement mécanique couplés à un élément mobile du circuit magnétique d'un électroaimant. La commande de l'électroaimant est effectuée par l'alimentation de sa bobine qui en produisant un flux d'induction dans le circuit magnétique entraîne le déplacement de l'élément mobile et la fermeture ou l'ouverture des contacts électriques du relais.Electromechanical type relays comprise one or more electrical contacts with mechanical displacement coupled to a mobile element of the magnetic circuit of an electromagnet. The control of the electromagnet is carried out by the supply of its coil which by producing a flux induction in the magnetic circuit causes the moving element to move and the electrical contacts of the relay to close or open.
Les relais électromécaniques présentent des retards entre le moment de la commande de l'électroaimant par l'alimentation de sa bobine et la fermeture ou l'ouverture effective de son contact électrique. Ces retards sont principalement dus à l'inertie de l'élément mobile du relais.The electromechanical relays have delays between the moment when the electromagnet is controlled by the supply of its coil and the actual closing or opening of its electrical contact. These delays are mainly due to the inertia of the moving element of the relay.
Certains systèmes de commande des relais électromécaniques prennent en compte ces retards à la fermeture ou à l'ouverture des contacts afin d'effectuer une commutation à des moments favorables de tension ou de courant dans le circuit électrique.Some control systems for electromechanical relays take these delays into closing or opening of the contacts to take into account switching at favorable moments of voltage or current in the electrical circuit.
Ces temps de retard sont susceptibles de varier dans le temps par le vieillissement, l'usure du mécanisme du relais ou par d'autres causes. Ces variations des temps de retard peuvent être assez importantes pour que les fermetures et les ouvertures du contact électrique se produisent à des instants trop éloignés des instants favorables de commutation initialement prévus. Le dispositif de détection selon l'invention associé au microcontrôleur permet par la mesure de la tension aux bornes du contact électrique de déterminer le moment de la fermeture et de l'ouverture du contact et en déduire le temps de retard réel existant entre le moment de sa commande et l'instant de la fermeture ou de l'ouverture du contact. A cet effet, le microcontrôleur 18 comporte des troisièmes moyens de mesure d'une part, du temps de retard de fermeture dTF entre le moment de l'alimentation de la bobine d'actionnement 24 du contact 12 et l'instant de fermeture du contact et d'autre part, du temps de retard d'ouverture dTO entre le moment de l'interruption de l'alimentation de la bobine d'actionnement du contact et l'instant d'ouverture du contact.These delay times are liable to vary over time through aging, wear of the relay mechanism or by other causes. These variations in the delay times can be large enough for the closings and openings of the electrical contact to occur at instants too far from the favorable switching instants initially provided. The detection device according to the invention associated with the microcontroller makes it possible, by measuring the voltage at the terminals of the electrical contact, to determine the moment of closing and opening of the contact and to deduce therefrom the actual delay time existing between the moment of order and the moment of closing or opening of the contact. To this end, the microcontroller 18 comprises third means for measuring on the one hand, the closing delay time dTF between the moment of the supply of the actuating coil 24 of the contact 12 and the instant of closing of the contact. and on the other hand, the opening delay time dTO between the moment when the supply to the contact actuation coil is interrupted and the time when the contact opens.
Le dispositif de détection peut être utilisé dans des systèmes de commutation comportant un contact électrique à déplacement mécanique pour détecter le passage par zéro de tension et de courant dans le circuit électrique dans lequel le relais se trouve inséré. L'information de passage par zéro fournie par le dispositif de détection sera utilisée par le système de commande du relais utilisant le microcontrôleur comportant des quatrièmes moyens pour effectuer la fermeture du contact à un instant proche d'un passage par zéro de la tension aux bornes du contact et son ouverture à un instant proche d'un passage par zéro de courant dans le circuit. Le système de diagnostic décrit sera programmé par un logiciel pour le microcontrôleur 18 utilisé pour le diagnostic du contact électrique dans le circuit électrique CE, le logiciel comprenant des moyens pour faire exécuter par le microcontrôleur les opérations successives suivantes : - acquisition du niveau de la tension maximum analogique Vsm aux bornes du contact 12, image du courant maximum dans le circuit électrique CE ;The detection device can be used in switching systems comprising an electric contact with mechanical displacement to detect the zero crossing of voltage and current in the electric circuit in which the relay is inserted. The zero crossing information provided by the detection device will be used by the relay control system using the microcontroller comprising fourth means for closing the contact at an instant close to zero crossing of the voltage across the terminals of the contact and its opening at an instant close to zero current crossing in the circuit. The diagnostic system described will be programmed by software for the microcontroller 18 used for the diagnosis of the electrical contact in the electrical circuit CE, the software comprising means for making the microcontroller execute the following successive operations: - acquisition of the voltage level analog maximum Vsm at the terminals of contact 12, image of the maximum current in the electrical circuit CE;
- mémorisation des acquisitions successives du courant maximum dans le temps ; - fourniture d'une information sur l'état du contact en fonction des dites acquisitions.- memorization of the successive acquisitions of the maximum current over time; - provision of information on the state of the contact based on said acquisitions.
Le logiciel peut aussi comporter en outre une étape de commande d'ouverture par le microcontrôleur du contact électrique par une bobine d'actionnement, lorsque l'évolution du courant maximum dépasse les limites définies par une courbe de courant maximum en fonction du temps d'ouverture du contact électrique ; cette courbe est couramment appelée « courbe de fumée ».The software can also further include a step of controlling the opening by the microcontroller of the electrical contact by an actuating coil, when the evolution of the maximum current exceeds the limits defined by a maximum current curve as a function of the time of opening of the electrical contact; this curve is commonly called the "smoke curve".
Le système de diagnostic selon l'invention dispositif de détection est particulièrement adapté aux utilisations dans les systèmes de commutation, par exemple dans un relais électromécanique comportant un contact électrique à déplacement mécanique, un circuit de commande du relais utilisant le premier signal logique du dispositif de détection. Un microcontrôleur du circuit de commande du relais électromécanique peut utiliser le premier signal logique pour calculer un instant de génération d'une commande d'ouverture du contact.The diagnostic system according to the invention detection device is particularly suitable for uses in switching systems, for example in an electromechanical relay comprising an electric contact with mechanical displacement, a relay control circuit using the first logic signal of the detection device. detection. A microcontroller of the electromechanical relay control circuit can use the first logic signal to calculate an instant of generation of a contact opening command.
Dans une variante du relais électromécanique le contact comporte un triac en parallèle commandé par le microcontrôleur à un instant calculé en fonction dudit premier signal logique.In a variant of the electromechanical relay, the contact comprises a parallel triac controlled by the microcontroller at an instant calculated as a function of said first logic signal.
A titre d'exemple la figure 4 montre un schéma d'un relais électromécanique comportant un système de diagnostic selon l'invention ayant un dispositif de détection 30, un contact électrique 32 assisté à la commutation par un triac 34, et un circuit de commande du relais utilisant un microcontrôleur 36.By way of example, FIG. 4 shows a diagram of an electromechanical relay comprising a diagnostic system according to the invention having a detection device 30, an electrical contact 32 assisted by switching by a triac 34, and a control circuit of the relay using a microcontroller 36.
Le contact 32 du relais électromécanique est inséré en série avec une impédance de charge 38 dans un réseau électrique RE sous la tension U alternative entre deux bornes d'alimentation C3 et C4. Le triac 34, en parallèle sur le contact 32 est commandé à l'état passant par le circuit de commande, lors des fermetures ou des ouvertures du contact supprimant en grande partie les arcs de commutation aux bornes du contact. Une alimentation régulée 40 fournit, à partir de la tension U du réseau électrique RE et par rapport à une ligne L1 reliée à la borne C4 du réseau, une tension d'alimentation Va1 d'une bobine 42 d'actionnement du contact 32 et une alimentation régulée Va2 du dispositif de détection 30 selon l'invention et du microcontrôleur 36. La ligne L1 est dans ce cas considérée comme étant au potentiel de référence du dispositif de détection.Contact 32 of the electromechanical relay is inserted in series with a load impedance 38 in an electrical network RE under voltage U alternative between two supply terminals C3 and C4. The triac 34, in parallel on the contact 32 is controlled in the state passing through the control circuit, during the closings or openings of the contact largely eliminating the switching arcs at the terminals of the contact. A regulated power supply 40 supplies, from the voltage U of the electrical network RE and relative to a line L1 connected to the terminal C4 of the network, a supply voltage Va1 of a coil 42 for actuating the contact 32 and a regulated supply Va2 of the detection device 30 according to the invention and of the microcontroller 36. The line L1 is in this case considered to be at the reference potential of the detection device.
Un signal de commande logique Xr est appliqué à une entrée logique de contrôle 44 du microcontrôleur 36 à travers un photo-coupleur 46 d'isolement galvanique relié à une entrée de commande du relais EC. Un état logique du signal de commande logique Xr provoque la fermeture du relais et l'état logique complémentaire son ouverture.A logic control signal Xr is applied to a logic control input 44 of the microcontroller 36 through a photo-coupler 46 of galvanic isolation connected to a control input of the relay EC. A logic state of the logic control signal Xr causes the relay to close and the complementary logic state to open it.
Le microcontrôleur 36 fournit d'une part, par une première sortie logique 48 à travers un optotriac 50 un signal de mise en conduction du triac 34 et d'autre part par une deuxième sortie logique 52, à travers un transistor suiveur T1 un courant d'alimentation de la bobine 42 actionnant le contact électrique 32.The microcontroller 36 provides on the one hand, by a first logic output 48 through an optotriac 50 a conduction signal of the triac 34 and on the other hand by a second logic output 52, through a follower transistor T1 a current d supply of the coil 42 actuating the electrical contact 32.
Le dispositif de détection 30 comporte la résistance de limitation R1 en série avec en série avec les deux diodes D1 et D2 montées en parallèle tête-bêche et un comparateur 56 comportant deux entrées différentielles.The detection device 30 comprises the limiting resistor R1 in series with in series with the two diodes D1 and D2 mounted in head-to-tail parallel and a comparator 56 comprising two differential inputs.
L'entrée inverseuse (-) du comparateur 56 à entrées différentielles est connectée à travers une résistance d'entrée R2 au point de connexion des diodes D1 et D2 et de la résistance de limitation R1, et la sortie non inverseuse (+) au point de potentiel variable d'un pont diviseur résistif comportant un potentiomètre P1 en série avec une résistance de talon R4, le pont diviseur étant connecté du côté du potentiomètre à l'alimentation régulée Va2 et du côté de la résistance talon au potentiel de référence (ligne L1). Une résistance de contre-réaction R5 relie la sortie logique SO du comparateur à l'entrée non inverseuse du comparateur 56.The inverting input (-) of the comparator 56 with differential inputs is connected through an input resistor R2 at the connection point of the diodes D1 and D2 and the limiting resistor R1, and the non-inverting output (+) at the point of variable potential of a resistive divider bridge comprising a potentiometer P1 in series with a heel resistance R4, the divider bridge being connected on the side of the potentiometer to the regulated supply Va2 and on the side of the heel resistance at the reference potential (line L1). A feedback resistor R5 connects the logic output SO of the comparator to the non-inverting input of comparator 56.
La sortie logique SO du dispositif de détection 30 de passage par zéro de courant et de tension est connectée à une entrée logique de détection 58 du microcontrôleur 36. Un côté des diodes D1, D2 en parallèle tête-bêche, du dispositif de détection 30, est connecté à la borne du contact 32 reliée au potentiel de référence (C4), l'autre côté des diodes étant relié à travers la résistance de limitation R1 et une résistance de ballast R6 à l'autre borne du contact 32. Le point de jonction de la résistance de limitation R1 et la résistance de ballast R6 étant connecté au potentiel de référence (ligne L1) par une diode zéner Z1 limitant à la tension de zéner Vz la tension aux bornes du dispositif de détection lorsque l'interrupteur est ouvert et le circuit électrique sous tension. Le dispositif de détection fournit au microcontrôleur, comme cela a été décrit précédemment, une information de passage par 0 volt de la tension du circuit électrique, lorsque le contact est ouvert et une information de passage par 0 ampère du courant dans le même circuit, lorsque le contact est fermé. Ces informations pourront ainsi être utilisées par le microcontrôleur pour effectuer la fermeture et l'ouverture du contact électrique aux moments les plus favorables pour éviter les arcs entre ses bornes. Par exemple le microcontrôleur peut effectuer une fermeture du contact 32 lorsque la tension aux bornes du contact est proche de 0 volt et une ouverture lorsque le courant dans le circuit électrique est proche de 0 ampère.The logic output SO of the current and voltage zero crossing detection device 30 is connected to a logic detection input 58 of the microcontroller 36. One side of the diodes D1, D2 in head-to-tail parallel, of the detection device 30, is connected to the terminal of the contact 32 connected to the reference potential (C4), the other side of the diodes being connected through the limiting resistor R1 and a ballast resistor R6 at the other terminal of contact 32. The junction point of the limiting resistor R1 and the ballast resistor R6 being connected to the reference potential (line L1) by a zener diode Z1 limiting the zener voltage Vz the voltage across the detection device when the switch is open and the electrical circuit energized. The detection device provides the microcontroller, as described above, with passage information by 0 volts of the voltage of the electric circuit, when the contact is open and passage information by 0 amps of current in the same circuit, when the contact is closed. This information can thus be used by the microcontroller to close and open the electrical contact at the most favorable times to avoid arcs between its terminals. For example, the microcontroller can close the contact 32 when the voltage across the contact is close to 0 volts and open when the current in the electrical circuit is close to 0 amperes.
Une entrée analogique 60 du microcontrôleur est connectée, à travers une résistance de protection R7, aux bornes des diodes reliées à la résistance de limitation R1. L'entrée analogique 60 reçoit, lorsque le contact 32 est fermé, la tension résiduelle Vc aux bornes du contact produite par le passage du courant (avec Vc = r.lch, Ich étant le courant dans l'impédance 38). Cette tension analogique Résiduelle Vc est exploitée par le microcontrôleur 36 afin de faire des diagnostiques sur l'état du contact 32, effectuer des disjonctions (ouverture du contact) selon des critères de tension maximum et de vitesse de variation de cette tension ou autres fonctions possibles. Le système de diagnostic selon l'invention, permet :An analog input 60 of the microcontroller is connected, through a protective resistor R7, to the terminals of the diodes connected to the limiting resistor R1. The analog input 60 receives, when the contact 32 is closed, the residual voltage Vc across the contact produced by the flow of current (with Vc = r.lch, Ich being the current in impedance 38). This residual analog voltage Vc is exploited by the microcontroller 36 in order to make diagnoses on the state of the contact 32, to carry out disjunctions (opening of the contact) according to criteria of maximum voltage and speed of variation of this voltage or other possible functions . The diagnostic system according to the invention allows:
- une surveillance de l'usure des contacts par la mesure de leur résistance de contact par le dispositif de détection et la possibilité de faire des diagnostics prédictifs et autotests ;- monitoring of contact wear by measuring their contact resistance by the detection device and the possibility of making predictive diagnostics and self-tests;
- la réalisation de fonctions de disjonction en fonction d'une courbe de fumée intégrée dans un calculateur (ou un microcontrôleur) ; - la détection de la fermeture du contact par la détection du passage de la tension de seuil des diodes ;- carrying out disjunction functions as a function of a smoke curve integrated in a computer (or a microcontroller); - detecting the closing of the contact by detecting the passage of the threshold voltage of the diodes;
- la détection de l'ouverture des contacts par la détection d'une tension inférieure au seuil des diodes ; - detecting the opening of the contacts by detecting a voltage below the threshold of the diodes;

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de diagnostic d'un contact électrique à déplacement mécanique (12) dans un circuit électrique, caractérisé en ce qu'il comporte : - un dispositif de détection (10) d'inversion de courant dans le contact électrique (12, 32), le disposiif ayant des moyens (R1, D1, D2, 16, 56) pour générer, lorsque le contact électrique est fermé, un premier signal logique (SO) changeant d'état lorsque une tension résiduelle Vc aux bornes du contact électrique, produite par le passage d'un courant Ich dans le contact, change de polarité, le dispositif comportant en outre une sortie analogique (SA) fournissant, lorsque le contact est fermé, par rapport à une référence de tension (Rf, L1), une tension Vs proportionnelle à la tension résiduelle de contact Vc soit proportionnelle au courant (Ich) circulant dans le contact (12, 32) et dans le circuit électrique (CE, RE). - un microcontrôleur (18) recevant à une entrée analogique (20) la tension Vs en sortie analogique (SA) du dispositif de détection et à une entrée logique (22) le premier signal logique (SO) fournissant au microcontrôleur l'information de passage par 0 de courant du circuit électrique, le microcontrôleur comportant des premiers moyens pour effectuer une acquisition du niveau de la tension maximum analogique Vsm aux bornes du contact (12) à chaque alternance, au moment du passage par un maximum du courant dans une charge (14).1. Diagnosis system for an electrical contact with mechanical displacement (12) in an electrical circuit, characterized in that it comprises: - a detection device (10) for current reversal in the electrical contact (12, 32 ), the device having means (R1, D1, D2, 16, 56) for generating, when the electrical contact is closed, a first logic signal (SO) changing state when a residual voltage Vc across the electrical contact, produced by the passage of a current Ich in the contact, changes polarity, the device further comprising an analog output (SA) providing, when the contact is closed, with respect to a voltage reference (Rf, L1), a voltage Vs proportional to the residual contact voltage Vc is proportional to the current (Ich) flowing in the contact (12, 32) and in the electrical circuit (CE, RE). - a microcontroller (18) receiving at an analog input (20) the voltage Vs at analog output (SA) of the detection device and at a logic input (22) the first logic signal (SO) providing the microcontroller with the passage information by 0 of the electrical circuit current, the microcontroller comprising first means for acquiring the level of the maximum analog voltage Vsm at the terminals of the contact (12) at each half-wave, when a maximum of the current passes through a load ( 14).
2. Système de diagnostic d'un contact électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur (18) reçoit d'un moyen supplémentaire (26), à une autre entrée analogique (28), une information supplémentaire Isp de courant Ich dans le circuit électrique, le microcontrôleur (18) comportant en plus des premiers moyens d'acquisition du courant maximum dans la charge à partir de la tension résiduelle Vc, des moyens d'acquisition du courant maximum mesuré par le moyen supplémentaire (26).2. diagnostic system of an electrical contact according to claim 1, characterized in that the microcontroller (18) receives from additional means (26), at another analog input (28), additional information Isp of current Ich in the electrical circuit, the microcontroller (18) comprising, in addition to the first means for acquiring the maximum current in the load from the residual voltage Vc, means for acquiring the maximum current measured by the additional means (26).
3. Système de diagnostic d'un contact électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le microcontrôleur (18) comporte en outre des moyens de calcul de l'écart entre les deux mesures de courant, le courant mesuré par le moyen supplémentaire (26) d'une part et celui résultant de la mesure de la tension résiduelle Vc aux bornes du contact d'autre part, cet écart de courant pouvant être utilisé pour déterminer, par exemple par rapport à un seuil qui peut être fonction du niveau du courant maximum, si le contact électrique (12 32) est défectueux et déclencher une alarme ou effectuer l'ouverture du contact électrique .3. diagnostic system of an electrical contact according to claim 2, characterized in that the microcontroller (18) further comprises means for calculating the difference between the two current measurements, the current measured by the additional means (26) on the one hand and that resulting from the measurement of the residual voltage Vc at the terminals of the contact on the other hand, this current difference can be used to determine, for example with respect to a threshold which can be a function of the maximum current level, if the electrical contact (12 32) is defective and trigger an alarm or open the electrical contact.
4. Système de diagnostic d'un contact électrique selon l'un des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les dits moyens (R1, D1 , D2, 16, 56) fournissent, lorsque le contact électrique est ouvert, un second signal logique changeant d'état lorsque une tension V aux bornes du contact électrique change de polarité.4. diagnostic system of an electrical contact according to one of claims 1 to 3, characterized in that said means (R1, D1, D2, 16, 56) provide, when the electrical contact is open, a second signal logic changing state when a voltage V across the electrical contact changes polarity.
5. Système de diagnostic d'un contact électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'acquisition du courant maximum dans le circuit électrique s'effectue après un délai d'attente dT commençant au passage par un 0 de courant, le délai d'attente dT étant sensiblement égal au quart de la période T du courant alternatif dans le circuit.5. diagnostic system of an electrical contact according to one of claims 1 to 4, characterized in that the acquisition of the maximum current in the electrical circuit is carried out after a waiting time dT beginning with the passage by a 0 current, the waiting time dT being substantially equal to a quarter of the period T of alternating current in the circuit.
6. Système de diagnostic selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le microcontrôleur comporte des seconds moyens pour mémoriser des acquisitions successives du courant maximum dans le temps et effectuer une ouverture du contact électrique commande par une bobine d'actionnement, lorsque l'évolution du courant sort des limites définies par une courbe de courant maximum en fonction du temps.6. Diagnostic system according to one of claims 2 to 5, characterized in that the microcontroller comprises second means for memorizing successive acquisitions of the maximum current over time and for opening the electrical contact controlled by an actuating coil , when the evolution of the current goes outside the limits defined by a maximum current curve as a function of time.
7. Système de diagnostic selon la revendication 5, caractérisé en ce que le microcontrôleur comporte des troisièmes moyens de mesure d'une part, du temps de retard de fermeture dTF entre le moment de l'alimentation de la bobine d'actionnement du contact et l'instant de fermeture du contact et d'autre part du temps de retard d'ouverture dTO entre le moment de l'interruption de l'alimentation de la bobine d'actionnement du contact et l'instant d'ouverture du contact. 7. The diagnostic system as claimed in claim 5, characterized in that the microcontroller comprises third means for measuring on the one hand, the closing delay time dTF between the moment of supply of the contact actuation coil and the instant of closing of the contact and on the other hand of the time of delay of opening dTO between the moment of the interruption of the supply of the contact actuating coil and the instant of opening of the contact.
8. Système de diagnostic selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le microcontrôleur comporte des quatrièmes moyens pour effectuer la fermeture du contact à un instant proche d'un passage par zéro de la tension aux bornes du contact et son ouverture à un instant proche d'un passage par zéro de courant dans le circuit.8. Diagnostic system according to one of claims 4 to 7, characterized in that the microcontroller comprises fourth means for closing the contact at an instant close to zero crossing of the voltage across the terminals of the contact and its opening at a time close to zero current crossing in the circuit.
9. Système de diagnostic selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les premier et second signaux logiques sont fournis sur une même sortie (SO).9. Diagnostic system according to one of claims 4 to 6, characterized in that the first and second logic signals are supplied on the same output (SO).
10. Système de dignostic selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les moyens pour générer les premier et second signaux logiques comportent une résistance de limitation R1 en série avec deux diodes (D1, D2) montées en parallèle tête-bêche et un comparateur (16) ayant deux entrées différentielles (E1, E2) connectées aux bornes des diodes (D1 et D2), une sortie logique (SO) du comparateur (16) fournissant un signal logique changeant d'état avec le changement de la polarité d'une tension Vd aux bornes des diodes (D1, D2).10. Dignostic system according to one of claims 4 to 8, characterized in that the means for generating the first and second logic signals comprise a limiting resistor R1 in series with two diodes (D1, D2) mounted in parallel head- spade and a comparator (16) having two differential inputs (E1, E2) connected to the terminals of the diodes (D1 and D2), a logic output (SO) of the comparator (16) providing a logic signal changing state with the change of the polarity of a voltage Vd across the diodes (D1, D2).
11. Système de diagnostic selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier, deuxième, troisième, quatrième moyens ansi que les moyen d'acquisition du courant mesuré par le moyen supplémentaire et les moyens de calcul d'écart de courant du microcontrôleur sont une suite d'instructions de programmation du microcontrôleur.11. Diagnostic system according to one of the preceding claims, characterized in that the first, second, third, fourth means as well as the means for acquiring the current measured by the additional means and the means for calculating the current difference of the microcontroller are a series of programming instructions for the microcontroller.
12. Système de diagnostic selon l'une des revendications 3 à 11, caractérisé en ce que le moyen supplémentaire (26) de mesure classique de courant est soit un shunt, soit un capteur à effet hall ou outres.12. Diagnostic system according to one of claims 3 to 11, characterized in that the additional means (26) of conventional current measurement is either a shunt, or a hall effect sensor or other.
13. Relais électromécanique, caractérisé en ce qu'il comporte un système de diagnostic selon l'une des revendications précédentes, le relais étant assisté à la commutation par un triac 34.13. Electromechanical relay, characterized in that it comprises a diagnostic system according to one of the preceding claims, the relay being assisted in switching by a triac 34.
14. Procédé de diagnostic d'un système de diagnostic d'un contact électrique (12) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire exécuter par le microcontrôleur (18) les opérations successives suivantes :14. Method for diagnosing a diagnostic system for an electrical contact (12) according to one of claims 1 to 12, characterized in what it includes means for executing by the microcontroller (18) the following successive operations:
- acquisition du niveau de la tension maximum analogique Vsm aux bornes du contact (12, 32), image du courant maximum dans le circuit électrique CE ;- acquisition of the level of the maximum analog voltage Vsm at the terminals of the contact (12, 32), image of the maximum current in the electric circuit CE;
- mémorisation des acquisitions successives du courant maximum dans le temps ;- memorization of the successive acquisitions of the maximum current over time;
- fourniture d'une information sur l'état du contact en fonction des dites acquisitions. - provision of information on the state of the contact based on said acquisitions.
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