FR2791466A1 - Relais electromecanique assiste a la commutation - Google Patents
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Abstract
L'invention conceme un relais électromécanique assisté à la commutation par un dispositif électronique. Le relais électromécanique destiné à être inséré dans un circuit électrique à courant alternatif pour effectuer sa fermeture et son ouverture comporte un contact électrique (14) à déplacement mécanique, des moyens de commande (10, 38, 16, 18, 20, 22) pour commander d'une part la fermeture du contact électrique en réponse à un premier signal de commande et d'autre part l'ouverture du contact en réponse à un second signal de commande, les moyens de commande comportant des premiers moyens pour :- générer à partir du premier signal de commande un signal de fermeture du contact électrique tel que sa fermeture s'effectue pendant le passage de la tension (V) aux bornes du contact électrique par une valeur proche de zéro volt lors du changement de sens de l'altemance de la tension; et - générer à partir du second signal de commande un signal d'ouverture du contact électrique tel que son ouverture s'effectue pendant le passage du courant dans le contact électrique par une valeur proche de zéro ampère lors du changement de sens de l'alternance de courant. Applications : commutateurs électromécaniques, relais hybrides.
Description
RELAIS ELECTROMECANIQUE
ASSISTE A LA COMMUTATION
L'invention concerne un relais électromécanique assisté à la commutation par un dispositif électronique. Plus précisément le relais, destiné à être inséré dans un circuit électrique à courant alternatif, comporte des moyens de commande améliorant ses performances de commutation et
lui assurant une plus grande durée de vie.
Les relais sont conçus d'une part pour supporter sans échauffement anormal le courant du circuit électrique dans lequel ils sont insérés et d'autre part pour effectuer l'ouverture et la fermeture du circuit
électrique en charge sans dommage pour ses contacts.
- 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.
Les relais électromécaniques présentent des retards entre le moment de la commande de l'électroaimant par l'alimentaiion 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.
La commutation par un relais électromécanique d'un circuit électrique en charge, et particulièrement lorsque le circuit est inductif, produit des arcs entre les contacts au moment de l'ouverture ou de la fermeture du
circuit Ce phénomène est couramment appelé étincelage.
En effet au moment de la commande de fermeture du relais, le courant s'établit dans le circuit électrique à travers le contact électrique produisant un ou plusieurs arcs électriques dus au rebondissement entre le
contact mobile et le contact fixe.
A l'ouverture, le contact coupe le courant parcourant le circuit électrique ce qui produit à nouveau des arcs entre les contacts d'une intensité d'autant plus importante que le courant à couper est important et
que le circuit est inductif.
Ces arcs à répétition dégradent inévitablement dans le temps le
contact et diminuent sa durée de vie.
Le contact électrique comporte habituellement une partie fixe et une partie mobile ayant chacune des plots en matériau bon conducteur électrique et thermique. Ces plots, mis en contact à la fermeture du relais, doivent présenter une faible résistance de contact afin de limiter l'échauffement lors du passage du courant. On constate, après un certain nombre d'ouvertures et de fermetures du contact électrique en charge l'apparition d'un ménisque ou protubérance métallique sur la surface d'un des deux plots. Cette protubérance se produisant par le transfert, lors des coupures et fermetures l0 successives en charge, de la matière métallique d'un plot sur l'autre. Cette protubérance empêche un contact direct entre les plots, le contact s'effectuant par l'intermédiaire de la protubérance métallique ayant une surface de contact bien plus petite qve celle existant initialement entre les plots. Une des conséquences est un échauffement anormal du contact
électrique et une diminution de sa durée de vie.
Afin de palier les inconvénients des relais de l'art antérieur, l'invention propose un relais électromécanique destiné à être inséré dans un circuit électrique à courant alternatif pour effectuer sa fermeture et son ouverture, le relais comportant un contact électrique à déplacement mécanique, des moyens de commande pour commander d'une part la fermeture du contact électrique en réponse à un premier signal de commande et d'autre part l'ouverture du contact en réponse à un second signal de commande, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent des premiers moyens pour: - générer à partir du premier signal de commande un signal de fermeture du contact électrique tel que sa fermeture s'effectue pendant le passage de la tension aux bornes du contact électrique par une valeur proche de zéro volts lors du changement de sens de l'alternance de la tension; et - générer à partir du second signal de commande un signal d'ouverture du contact électrique tel que son ouverture s'effectue pendant le passage du courant dans le contact électrique par une valeur proche de zéro
ampère lors du changement de sens de l'alternance de courant.
L'idée de cette invention est de faire coïncider la fermeture et I'ouverture des contacts du relais avec les états électriques les plus favorables pour préserver les caractéristiques du relais et augmenter sa
durée de vie.
Dans le relais selon l'invention, les moyens de commande du relais assurent la fermeture du contact lorsque la tension à ses bornes est sensiblement nulle et son ouverture lorsque le courant parcourant le dit contact devient sensiblement nul, ce qui diminue considérablement
I'étincelage entre les contacts et augmente la durée de vie du contact.
Dans une réalisation du relais procurant une amélioration supplémentaire de la durée de vie du relais, les moyens de commande comportent en outre des seconds moyens pour: - générer des signaux de fermeture consécutifs produisant des fermetures consécutives alternées du contact électrique telles que lorsqu'une fermeture s'effectue pendant une des deux alternances de la tension alternative, la fermeture suivante s'effectue pendant l'autre alternance, alternant ainsi à chaque fermeture le sens du passage du courant dans le contact; etiou, - générer des signaux d'ouverture consécutifs produisant des ouvertures consécutives alternées du contact électrique telles que lorsqu'une ouverture s'effectue pendant une des deux alternances du courant dans le contact, I'ouverture suivante s'effectue pendant l'autre alternance, interrompant d'une façon alternée à chaque ouverture, dans un sens puis
dans l'autre sens, le courant dans le contact.
L'alternance du sens de passage du courant, lors d'ouvertures ettou fermetures consécutives du contact, au moment de l'apparition de l'arc dû à la commutation, comporte l'avantage de réduire notablement le
phénomène de dépôt de métal sur un des deux plots.
Un aspect important de cette invention réside dans le fait que les moyens de commande du relais assurent le maintient dans le temps des caractéristiques électriques du relais et permettent d'obtenir une durée de
vie du relais proche de sa durée de vie mécanique.
Dans une réalisation, le relais selon l'invention utilise un microcontrôleur (10) comportant d'une part des entrées recevant les ordres de commande du relais, une information de courant dans le circuit et une information de tension aux bornes du contact électrique à déplacement mécanique et d'autre part une sortie fournissant les signaux de commande
d'ouverture et de fermeture du relais.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description d'exemples de relais dans lesquels:
- la figure 1 représente un schéma de principe d'un relais selon l'invention. - les figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 3a, 3b, 3c, 3d et 3e, représentent des diagrammes d'état de différents éléments du relais lors
d'une commande de fermeture.
- les figures 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 5a, 5b, 5c, 5d et 5e, représentent des diagrammes d'état de différents éléments du relais lors
d'une commande d'ouverture.
La figure 1 montre un schéma de principe d'un relais selon l'invention inséré dans un circuit électrique CE à courant alternatif et de
tension nominale U à ses bornes d'alimentation E1 et E2.
Le circuit électrique CE alimente une charge 12 par l'intermédiaire
d'un contact 14 électrique à déplacement mécanique du relais.
Le relais selon l'invention comporte essentiellement: - un microcontrôleur 10 comportant des moyens de calcul afin d'assurer la fermeture et l'ouverture du contact électrique du relais, - le contact 14 électrique à déplacement mécanique actionné par une bobine 16 d'un électroaimant 18, un détecteur de tension 20 connecté aux bornes du contact électrique 14, un détecteur de courant 22 connecté par deux entrées 24 et 26 aux deux bornes 28 et 30 d'un shunt 32 en série dans le circuit électrique CE, le shunt fournissant à ses bornes 28 et 30 une tension ul proportionnelle
à la valeur du courant I dans le circuit électrique.
Le microcontrôleur 10 comporte une entrée logique 34 reliée à une entrée de commande CD du relais, une sortie de commande 36 alimentant par l'intermédiaire d'un amplificateur 38 la bobine 16 de l'électroaimant 18. Le microcontrôleur comporte en outre une entrée de détection de courant 40 et une entrée de détection de tension 42 reliées respectivement à une sortie information de courant 44 du détecteur de courant 22 et à une sortie information de tension 46 du détecteur de tension 20. Un premier signal de commande, correspondant à une tension Vc à l'état haut, appliqué à travers l'entrée de commande CD du relais, à l'entrée logique 34 du microcontrôleur, entraîne la fermeture du contact électrique 14 du relais. Un second signal de commande, correspondant à une tension Vc à l'état bas, appliqué à la même entrée de commande CD du
relais entraîne l'ouverture du même contact.
Nous allons par la suite expliquer le fonctionnement du relais à l0 I'aide du schéma de la figure 1 et des diagrammes d'états dans le temps de
différents éléments du relais.
1) fermeture du relais (Voir figures 1, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e et 3a, 3b, 3c, 3d, 3e) Dans un état initial avant un temps tOm, le relais est à l'état ouvert, la tension Vc appliquée à l'entrée de commande CD du relais étant à l'état bas. La figure 2a représente la tension de commande Vc, de niveau logique, en fonction du temps. La figure 2b représente la tension Dv à la sortie
information de tension 46 du détecteur de tension 20.
L'information de tension Dv est sous la forme de créneaux dont les fronts de montée et de descente se produisent respectivement au temps tvl,tv2,tv3,tv4,tv5..... tvn, de changement de polarité des alternances de la tension V aux bornes du contact 14, un front de montée correspondant au passage de l'alternance de tension V négative vers l'alternance de tension V positive et un front de descente l'inverse. Le contact 14 étant ouvert avant le temps tOm, la tension V aux bornes du contact est sensiblement égale à la
tension U du circuit électrique.
Le relais étant dans l'état ouvert on souhaite effectuer sa fermeture à l'instant tOm en appliquant le premier signal de commande à son entrée de commande CD sous la forme d'un niveau logique à l'état haut de la tension de commande Vc. Le premier signal de commande est transmis à l'entrée logique 34 du microcontrôleur qui déclenche une séquence de
fermeture du relais.
Nous supposerons que la fermeture du contact du relais à un temps t2m doit s'effectuer lors du passage de la tension V aux bornes du contact de l'alternance négative vers l'alternance positive, soit lors d'un front de montée de l'information de tension Dv. A cet effet le microcontrôleur 10 prends en compte, par l'information de tension Dv appliquée à son entrée de détection de tension 40 les instants tvl,tv2, tv3,tv4,tv5..... tvn, auxquels se produisent les fronts de montée et de descente correspondant aux changements de polarité de la tension V aux bornes du contact 14. La
dérivée de l'information de tension Dv peut être utilisée à cet effet.
Le microcontrôleur calcule un premier délai d'attente dTOm, lors d'une fermeture proche d'un front montant de tension, après l'apparition du premier signal de commande du relais à l'instant tOm, pour générer à la sortie de commande 36 du microcontrôleur à la fin du délai d'attente, à un temps tl m, un signal de fermeture du contact électrique du relais, ce premier délai d'attente dTOm étant tel que l'ouverture du contact s'effectue à un
instant proche du changement d'alternance de tension.
Le signal de fermeture est représenté à la figure 2c par le passage, au temps t1m, de la sortie logique 36 du microcontrôleur de l'état bas (0 sur la figure) à l'état haut (1). Le passage à l'état 1 de la sortie logique 36 entraîne l'alimentation la bobine 16 de l'électroaimant 18 du relais par l'intermédiaire de l'amplificateur 38 et la fermeture du contact électrique 14 après un retard à la fermeture dT1 correspondant au temps de retard caractéristique du relais électromécanique entre sa commande à l'instant tlm (l'alimentation de la bobine 16) et la fermeture du contact électrique à un
instant t2m suivant.
Le premier délai d'attente dTOm est calculé par le microcontrôleur -
en tenant compte de la durée T de la période de la tension alternative U du circuit électrique, de l'instant tOm de commande de fermeture dans une
période T et du délai à la fermeture dT1 caractéristique du relais.
Le microcontrôleur 10 peut par exemple, dans le cas des figures 2a, 2b, 2c, 2d et 2e, effectuer le calcul du premier délai d'attente dTOm de la manière suivante: Soit dTCm l'écart en temps entre l'instant tv2 du front de montée de l'information de tension Dv précédant le signal de fermeture du relais à l'instant tOm, le premier délai d'attente dTOm sera donné par: dTOm = T - (dTCm + dT1) Soit Vmax la tension maximum aux bornes du contact 14 ouvert et VE la tension aux bornes du même contact au moment de sa fermeture à l'instant t2m. La tension Vs sera de très faible valeur, proche de O volt, par
rapport au maximum de la tension Vmax aux bornes du contact.
La fermeture du contact avec une tension Vs à ses bornes de très faible valeur et donc d'une tension Us dans le circuit électrique de même amplitude ne produit pas d'arc électrique entre les contacts à l'établissement du courant lui aussi par conséquence de très faible amplitude par rapport au
courant maximum dans le circuit électrique.
Les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e montrent les diagrammes aux mêmes points du relais que pour les figures 2a, 2b, 2c, 2d et 2e mais pour la séquence de fermeture du relais suivante à celle décrite précédemment. Lors de cette séquence suivante le microcontrôleur effectuera la fermeture du contact 14 à un temps t2d, lors du passage de la tension V aux bornes du contact de l'alternance positive vers l'alternance négative à l'inverse de la précédente séquence; ce passage correspondant à un front de descente de
l'information de tension Dv.
Comme pour le calcul du premier délai d'attente, le microcontrôleur calcule un deuxième délai d'attente (dTOd), lors d'une fermeture proche d'un front de descente de tension, après l'apparition du premier signal de commande du relais à l'instant tOd, pour générer à la sortie de commande (36) du microcontrôleur, à la fin du deuxième délai d'attente à un temps t1d, un signal de fermeture du contact électrique du relais, ce deuxième délai d'attente (dTOd) étant tel que la fermeture du contact
s'effectue à un instant proche du changement d'alternance de tension.
Le deuxième délai d'attente dTOd est calculé par le microcontrôleur de la même façon que le premier en tenant compte de la durée T de la période de la tension alternative U du circuit électrique, de l'instant tOd de commande de fermeture dans une période et du retard a la
fermeture dT1.
Le microcontrôleur 10 mémorise la polarité de l'alternance pendant laquelle s'est effectuée une fermeture (pour une faible tension Vs aux bornes du contact 14) afin d'effectuer la fermeture suivante avec la polarité inverse. Par exemple si la fermeture s'est effectuée lors d'une alternance négative avec une faible tension -Vs négative, la fermeture suivante sera commandée par le microcontrôleur de façon à ce qu'elle s'effectue au cours de l'alternance positive, avec une faible tension + Vs positive. Par exemple, le microcontrôleur 10 calculera le premier délai d'attente dTOm, de façon à ce que la fermeture du contact s'effectue très peu de temps (par rapport à la période T) avant le changement d'alternance aux bornes du contact, ce qui permettra d'obtenir systématiquement une faible tension -Vs négative aux bornes du contact lors d'une fermeture pendant une alternance négative (soit lors d'un front de montée de tension) et une faible tension +Vs positive lors d'une fermeture pendant une alternance positive (soit lors d'un front de descente de tension); la relative stabilité du temps de retard du relais à la fermeture dT1 entre deux fermetures consécutives
permettant d'obtenir un tel fonctionnement.
Le sens de l'arc entre les contacts à la fermeture sera ainsi alterné au cours de fermetures successives évitant la formation des ménisques de
métal dus au transfert de matière d'un plot à l'autre du contact.
1) ouverture du relais (voir figures 1, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e et 5a, 5b, 5c, 5d, 5e) Dans un état initial avant un temps t10m, le relais est à l'état fermé, la tension Vc appliquée à l'entrée de commande CD du relais étant à l'état haut. La figure 4a représente la tension de commande Vc de niveau logique en fonction du temps. La figure 4b représente la tension Di à la sortie
information de courant 44 du détecteur de courant 20.
Le contact étant fermé, le courant du circuit électrique traverse le contact électrique 14 et le shunt 32 fournissant au microcontrôleur, à travers
le détecteur de courant 22, I'information de courant Di.
L'information de courant Di est sous la forme de créneaux dont les fronts de montée et de descente se produisent respectivement aux temps til,ti2,ti3,ti4..... tin, de changement de polarité des alternances de courant I dans le circuit électrique, un front de montée correspondant au passage de l'alternance de courant négative vers l'alternance de courant positive et un
front de descente l'inverse.
Le relais étant dans l'état fermé on effectue son ouverture à l'instant t12m en appliquant le second signal de commande à son entrée CD sous la forme d'un niveau logique de la tension de commande Vc à l'état bas. Le second signal de commande est transmis à l'entrée logique 34 du
microcontrôleur qui déclenche une séquence d'ouverture du relais.
Nous supposerons que l'ouverture du contact du relais au temps t1l2m doit s'effectuer lors du passage du courant dans le contact de l'alternance négative vers l'alternance positive, soit lors d'un front de montée de l'information de courant Di. A cet effet le microcontrôleur 10 prend en compte l'information de courant Di appliquée à son entrée de détection de courant, les instants til,ti2,ti3,ti4.....tin, auxquels se produisent les fronts de montée et de descente correspondant aux changements de polarité du
courant dans le contact 14.
De la même façon que lors de la fermeture du relais, le microcontrôleur calcule un troisième délai d'attente dTlOm, lors d'une ouverture proche d'un front montant de courant, après l'apparition du second signal de commande du relais à l'instant t10m, pour générer à la sortie de commande 36 du microcontrôleur, à la fin du délai d'attente à un temps tl lm, un signal d'ouverture du contact électrique du relais, ce troisième délai d'attente dT10Im étant tel que l'ouverture du contact s'effectue à un instant
t12m proche du changement d'alternance de courant.
Le signal d'ouverture est représenté à la figure 4c par le passage, au temps tllm, de la sortie de commande 36 du microcontrôleur de l'état haut (1 sur la figure) à l'état bas (0). Le passage à l'état bas de la sortie de commande 36 du microcontrôleur produit la coupure de l'alimentation de la bobine 16 de l'électroaimant 18 et l'ouverture du contact électrique 14 après un délai de retard à l'ouverture dT2 du contact du relais électromécanique correspondant à l'écart en temps entre la disparition de la commande à l'instant t lm (coupure de l'alimentation de la bobine 16) et l'ouverture du
contact électrique à l'instant t12m suivant.
Soit Imax le courant maximum dans le contact 14 fermé et IE le
courants dans le même contact au moment de son ouverture à l'instant t12m.
Le courant Is sera de très faible valeur, par rapport au maximum de courant Imax dans le contact. L'ouverture du contact avec un courant de circuit lF de
très faible valeur ne produit pas d'arc électrique entre les contacts.
Les figures 5a, 5b, 5c, 5d et 5e montrent les diagrammes aux mêmes points du relais que pour les figures 4a, 4b, 4c,4d et 4e mais pour la séquence d'ouverture du relais suivante à celle décrite précédemment. Lors de cette séquence suivante le microcontrôleur effectuera l'ouverture du contact 14 à un temps t12d, lors du passage du courant dans le contact, de l'alternance positive vers l'alternance négative, à l'inverse de la précédente séquence; ce passage correspondant à un front de descente de
l'information de courant Di.
Le microcontrôleur calcule un quatrième délai d'attente (dTO10d), lors d'une ouverture proche d'un front descendant de courant, après l'apparition du second signal de commande du relais à l'instant t10d, pour générer à la sortie de commande (36) du microcontrôleur, à la fin du quatrième délai d'attente à un temps t11d, un signal d'ouverture du contact électrique du relais, ce quatrième délai d'attente (dTO10d) étant tel que l0 I'ouverture du contact s'effectue un court instant proche du changement
d'alternance de courant.
De la même façon que lors des fermetures, les troisième et quatrième délais d'attente sont calculés par le microcontrôleur en tenant compte de la durée T de la période du courant alternatif dans le circuit électrique, respectivement des instants t10m (front de montée) et t10d (front de descente) de commande d'ouverture dans une période T et du second retard à l'ouverture dT2 Comme pour la fermeture, le microcontrôleur 10 mémorise la polarité de l'alternance pendant laquelle s'effectue une ouverture afin d'effectuer l'ouverture suivante avec la polarité inverse; si l'ouverture s'est effectuée lors d'une alternance négative avec un faible courant -le négatif, l'ouverture suivante sera commandée par le microcontrôleur de façon à ce qu'elle s'effectue au cours de l'alternance positive, avec un faible courant +le positif. Le microcontrôleur 10 calculera les troisième et quatrième délais d'attente (dT1 Om, dTl Od) de façon à ce que l'ouverture du contact s'effectue très peu de temps avant le changement d'alternance de courant dans le circuit électrique, ce qui permettra d'obtenir systématiquement un faible courant -le négatif dans le contact lors d'une ouverture au cours d'une alternance négative (soit lors d'un front de montée de courant) et un faible courant +Is positif lors d'une ouverture au cours d'une alternance positive
(soit lors d'un front de descente de courant).
Le sens de l'arc entre les contacts à l'ouverture sera ainsi alterné au cours des ouvertures successives évitant la formation des ménisques de
métal dus au transfert de matière d'un plot à l'autre du contact.
Une autre méthode évitant la formation de ménisques de métal consisterait à rendre aléatoire la commande du relais par rapport aux alternances pour que globalement on retrouve le fonctionnement décrit précédemment. Le relais selon l'invention, en effectuant la fermeture et l'ouverture du contact électrique respectivement en synchronisme avec un passage par une valeur proche de zéro de la tension et du courant du circuit électrique, assure une commutation sans apparition d'arcs quel que soit le déphasage existant entre le courant I et la tension U du circuit électrique du fait de la
lo caractéristique d'impédance de la charge du circuit électrique.
La mesure du courant I dans le circuit électrique fournissant l'information de courant Di n'est pas limitée à l'utilisation d'un shunt, d'autres dispositifs peuvent être utilisés parmi lesquels on trouve, les capteurs à effet Hall, les magnétorésistances, les coupleurs optiques, ou
tout autre système pouvant convenir.
L'utilisation d'un microcontrôleur pour la commande du relais permet de lui assurer des fonctionnalités d'autoadaptation aux meilleures
performances de commutation.
A un moment donné du fonctionnement du relais, le microcontrôleur comporte, par exemple dans une mémoire, les temps de retard à l'ouverture et à la fermeture (dT1, dT2) du relais nécessaires au calcul des temps d'attente. Ces temps de retard (dTl1,dT2) sont susceptibles de varier dans le temps par le vieillissement, I'usure du mécanisme du relais, ou autres causes. Ces variations des temps de retard peuvent être assez importantes pour que les fermetures et les ouvertures du contact électrique commandées par le microcontrôleur se produisent à des instants o les
courants et les tensions ont de valeurs importantes produisant des arcs.
Les informations en sortie du détecteur de tension et du détecteur de courant sont utilisées par le microcontrôleur pour détecter les instants des changements d'alternances et les instants de fermeture et d'ouverture du contact du relais et si nécessaire corriger automatiquement les délais d'attente (dTOm, dTOd, dT10m, dT10d); à cet effet le microcontrôleur calcule les moyennes des derniers temps de retard mesurés respectivement à la fermeture (dT1) et à l'ouverture (dT2), afin de déterminer des nouveaux délais d'attente respectivement à la fermeture (dTO'm, dTO'd) et à l'ouverture (dT 10'm, dT 10'd) pour maintenir automatiquement les instants de fermeture (t2m, t2d) et d'ouverture (t1 2m, t1 2d) à des valeurs telles que la fermeture et l'ouverture du contact se produisent respectivement lorsque la tension et le
courant sont proches de zéro.
Par exemple le microcontrôleur peut effectuer une mesure des temps des retards (dT1, dT2) de la façon suivante: - à la fermeture (voir figures 2a à 2e), proche d'un front de montée (tv4) de l'information de tension Dv, le contact se ferme à un instant TF; un circuit annexe 50 du détecteur de tension connecté aux bornes du contact du relais détecte la fermeture mécanique du contact et fournit au microcontrôleur une impulsion 52 à I'instant de fermeture TF. Le microcontrôleur détermine un nouveau temps de retard à la fermeture dTl' en calculant l'écart entre le temps tl m, du premier signal de commande et le
temps à la fermeture TF.
- à l'ouverture (voir figures 4a à 4e), proche d'un front de descente (ti4) de l'information de courant Di, le contact s'ouvre à l'instant TO; le circuit annexé 50 connecté aux bornes du contact du relais détecte l'ouverture mécanique du contact et fournit au microcontrôleur une impulsion 54 à l'instant de l'ouverture TO. Le microcontrôleur détermine le nouveau temps de retard à l'ouverture dT2' en calculant l'écart entre le temps tllm du
second signal de commande et le temps à l'ouverture TO.
Des mesures et des calculs similaires sont effectués par le microcontrôleur pour les fermetures et ouvertures du contact lors des fronts descendants de l'information de tension (tv5) et de courant (ti5), (voir figures
3a à 3eet5a à 5e).
Cette adaptation automatique des délais d'attente pour ouvrir et fermer le contact du relais avec des états électriques favorables contribue
notablement à augmenter encore sa durée de vie et sa fiabilité.
Par exemple les relais de l'art antérieur permettent de réaliser environ 105 cycles fermeture/ouverture au courant nominal. Avec le relais selonl'invention assurant un contrôle alterné sur l'une puis l'autre altemrnance, et une correction dans le temps des délais d'attente, le nombre des cycles fermeture Iouverture peut atteindre 5.10 cycles à deux fois le courant nominal. Un autre avantage du relais selon l'invention est l'utilisation pour des puissances équivalentes de relais plus petits, donc plus économique, ayant une durée de vie plus longue que celle des relais actuels non contrôlés. L'utilisation du relais selon l'invention assure en outre des
commutations de charge sans perturbation pour le circuit électrique.
Les moyens de commande décrits comportant un microcontrôleur peuvent aisément être associés soit à un couple commutateur composé d'un contact électromécanique seul, soit à un couple commutateur composé d'un
contact électromécanique assisté d'un semi-conducteur.
Claims (15)
1. Relais électromécanique destiné à être inséré dans un circuit électrique à courant alternatif pour effectuer sa fermeture et son ouverture, le relais comportant un contact électrique (14) à déplacement mécanique, des moyens de commande (10, 38, 16, 18,20, 26) pour commander d'une part la fermeture du contact électrique en réponse à un premier signal de commande et d'autre part l'ouverture du contact en réponse à un second l0 signal de commande, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent des premiers moyens pour: - générer à partir du premier signal de commande un signal de fermeture du contact électrique tel que sa fermeture s'effectue pendant le passage de la tension (V) aux bornes du contact électrique par une valeur proche de zéro volt (-Vú, + Vs) lors du changement de sens de l'alternance de la tension; et - générer à partir du second signal de commande un signal d'ouverture du contact électrique tel que son ouverture s'effectue pendant le passage du courant dans le contact électrique par une valeur proche de zéro
ampère (-Is, +le) lors du changement de sens de l'alternance de courant.
2. Relais électromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent en outre des seconds moyens pour: générer des signaux de fermeture consécutifs produisant des fermetures consécutives alternées du contact électrique telles que lorsqu'une fermeture s'effectue pendant une des deux alternances de la tension alternative, la fermeture suivante s'effectue pendant l'autre alternance, alternant la polarité de la tension aux bornes du contact; et/ou, générer des signaux d'ouverture consécutifs produisant des ouvertures consécutives alternées du contact électrique telles que lorsqu'une ouverture s'effectue pendant une des deux alternances de la tension alternative, I'ouverture suivante s'effectue pendant l'autre alternance,
alternant la polarité du courant dans le contact.
3. Relais électromécanique selon l'une des revendications I ou 2,
caractérisé en ce que les moyens de commande du relais comportent un microcontrôleur (10) comportant d'une part des entrées recevant les ordres (Vc) de commande du relais, une information de courant (Di) dans le circuit et une information de tension (Dv) aux bornes du contact électrique à déplacement mécanique et d'autre part une sortie (36) fournissant les
signaux de commande d'ouverture et de fermeture du relais.
4. Relais électromécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le contact (14) électrique à déplacement mécanique est actionné par une bobine (16) d'un électroaimant (18), le relais comportant en outre un détecteur de tension (20) aux bornes du contact électrique (14), un détecteur de courant (22) du courant I parcourant le circuit électrique (CE) et traversant le contact (14) du relais, deux entrées (24, 26) du détecteur de courant (22) étant connectées aux deux bornes (28, 30) d'un shunt (32) en série dans le circuit électrique (CE), le shunt fournissant à ses bornes (28, ) une tension ul proportionnelle à la valeur du courant I dans le circuit électrique, le microcontrôleur (10) comportant une entrée logique (34) reliée à une entrée de commande (CD) du relais, une sortie de commande (36) alimentant par l'intermédiaire d'un amplificateur (38) la bobine (16) de l'électroaimant (18), le microcontrôleur comportant en outre une entrée de détection de courant (40) et une entrée de détection de tension (42) reliées
respectivement à une sortie information de courant (44) du détecteur de-
courant (22) et à une sortie information de tension (46) du détecteur de tension (20), un premier signal de commande appliqué à travers l'entrée de commande (CD) du relais à l'entrée logique (34) du microcontrôleur, entraînant la fermeture du contact électrique (14) du relais, un second signal de commande, complémentaire du premier, appliqué à la même entrée de
commande (CD) du relais entraînant l'ouverture du même contact.
5. Relais électromécanique selon l'une des revendications 3 ou 4,
caractérisé en ce que le microcontrôleur à des moyens de calcul: - d'un premier délai d'attente (dTOm), lors d'une fermeture proche d'un front montant de tension, après l'apparition du premier signal de commande du relais à l'instant tOm, pour générer à la sortie de commande (36) du microcontrôleur, à la fin du délai d'attente à un temps t m, un signal de fermeture du contact électrique du relais, ce premier délai d'attente (dTOm) étant tel que la fermeture du contact s'effectue à un instant proche du changement d'alternance de tension et; - d'un deuxième délai d'attente (dTOd), lors d'une fermeture proche d'un front de descente de tension, après l'apparition du premier signal de commande du relais à l'instant tOd, pour générer à la sortie de commande (36) du microcontrôleur, à la fin du deuxième délai d'attente à un temps tld, un signal de fermeture du contact électrique du relais, ce deuxième délai 0 d'attente (dTOd) étant tel que la fermeture du contact s'effectue à un instant
proche du changement d'alternance de tension.
6. Relais électromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les premier et deuxième délais d'attente (dTOm,dTOd) sont calculés par le microcontrôleur en tenant compte de la durée T de la période de la tension alternative U du circuit électrique, de l'instant (tOm, tOd) de commande de fermeture dans une période T et du retard à la fermeture dT1
caractéristique du relais.
7. Relais électromécanique selon l'une des revendications 3 à 6,
caractérisé en ce que le microcontrôleur comporte des moyens de mémorisation de la polarité de l'alternance pendant laquelle s'est effectuée
une fermeture afin d'effectuer la fermeture suivante avec la polarité inverse.
8. Relais électromécanique selon l'une des revendications 5 à 7,
caractérisé en ce que les moyens de calcul du microcontrôleur calculent les premier et deuxième délais d'attente (dTOm,dTOd) de façon à ce que la fermeture du contact s'effectue très peu de temps (par rapport à la période T) avant le changement d'alternance aux bornes du contact, permettant d'obtenir systématiquement une faible tension (-VE) négative aux bornes du contact lors d'une fermeture aux cours d'une alternance négative et une faible tension (+VE) positive lors d'une fermeture au cours d'une alternance positive.
9. Relais électromécanique selon l'une des revendications 3 à 7,
caractérisé en ce que le microcontrôleur a des moyens de calcul: - d'un troisième délai d'attente (dTO10m), lors d'une ouverture proche d'un front montant de courant après l'apparition du second signal de commande du relais à l'instant tO10m, pour générer à la sortie de commande (36) du microcontrôleur, à la fin du délai d'attente à un temps tl 1 m, un signal d'ouverture du contact électrique du relais, ce troisième délai d'attente (dTlOm) étant tel que l'ouverture du contact s'effectue un court instant avant le changement d'alternance de courant et; - d'un quatrième délai d'attente (dT10d), lors d'une ouverture proche d'un front descendant de courant, après l'apparition du second signal de commande du relais à l'instant tlOd, pour générer à la sortie de commande (36) du microcontrôleur, à la fin du quatrième délai d'attente à un temps tl1 d, un signal d'ouverture du contact électrique du relais, ce i5 quatrième délai d'attente (dT1 Od) étant tel que l'ouverture du contact
s'effectue un court instant avant le changement d'alternance de courant.
10. Relais électromécanique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les troisième et quatrième délais d'attente (dTO10m, dT10d) sont calculés par le microcontrôleur en tenant compte de la durée T de la période du courant alternatif du circuit électrique, de l'instant (t10 Om, t10 d) de commande d'ouverture dans une période T et du retard à l'ouverture dT2
caractéristique du relais.
11. Relais électromécanique selon l'une des revendications 9 ou
, caractérisé en ce que le microcontrôleur comporte des moyens de mémorisation de la polarité de l'alternance pendant laquelle s'est effectuée
une ouverture afin d'effectuer l'ouverture suivante avec la polarité inverse.
12. Relais électromécanique selon l'une des revendications 9 à
1 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul du microcontrôleur calculent les troisième et quatrième délais d'attente( dT10m, dT10d) de façon à ce que l'ouverture du contact s'effectue très peu de temps (par rapport à la période T) avant le changement d'alternance aux bornes du contact, permettant d'obtenir systématiquement un faible courant (-Is) négatif aux bornes du contact lors d'une ouverture aux cours d'une alternance négative et un faible courant (+IF) positif lors d'une ouverture au cours d'une
alternance positive.
13. Relais électromécanique selon l'une des revendications 3 à
12, caractérisé en ce que le microcontrôleur a des moyens de calcul des moyennes des derniers temps de retard mesurés, respectivement à la fermeture (dT1) et à l'ouverture (dT2), afin de déterminer des nouveaux délais d'attente, respectivement à la fermeture (dTOm, dTOd) et à l'ouverture (dT1Om, dTlOd) afin de maintenir automatiquement les instants de fermeture (t2m, t2d) et d'ouverture (t12m, t12d) à des valeurs telles que la fermeture et l'ouverture du contact se produisent lorsque la tension et le
courant sont proche de zéro.
14. Relais électromécanique selon l'une des revendications 3 à
13, caractérisé en ce qu'une mesure de courant fournissant l'information du courant I dans le circuit électrique est réalisée par un dispositif parmi lesquels on trouve, les capteurs à effet Hall, les magnétorésistances, les
coupleurs optiques, ou tout autre système pouvant convenir.
15. Relais électromécanique selon l'une des revendications 1 à
14, caractérisé en ce que les moyens de commande décrits, comportant un microcontrôleur, sont associés soit à un couple commutateur composé d'un contact électromécanique seul, soit à un couple commutateur composé d'un
contact électromécanique assisté d'un semi-conducteur.
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|---|---|---|---|
| FR9903603A FR2791466B1 (fr) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | Relais electromecanique assiste a la commutation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9903603A FR2791466B1 (fr) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | Relais electromecanique assiste a la commutation |
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| FR2791466A1 true FR2791466A1 (fr) | 2000-09-29 |
| FR2791466B1 FR2791466B1 (fr) | 2001-06-08 |
Family
ID=9543535
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR9903603A Expired - Lifetime FR2791466B1 (fr) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | Relais electromecanique assiste a la commutation |
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
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| FR2791466B1 (fr) | 2001-06-08 |
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