WO1986007510A1 - Appareil ou circuit interrupteur statique pour l'alimentation protegee d'une charge, et de sa ligne - Google Patents

Appareil ou circuit interrupteur statique pour l'alimentation protegee d'une charge, et de sa ligne Download PDF

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WO1986007510A1
WO1986007510A1 PCT/FR1986/000188 FR8600188W WO8607510A1 WO 1986007510 A1 WO1986007510 A1 WO 1986007510A1 FR 8600188 W FR8600188 W FR 8600188W WO 8607510 A1 WO8607510 A1 WO 8607510A1
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WO
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current
circuit
switch
parallel
switching device
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Application number
PCT/FR1986/000188
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English (en)
Inventor
Elie Belbel
Louis Fechant
Jean-Paul Riotte
Original Assignee
La Telemecanique Electrique
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0824—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in thyristor switches

Definitions

  • the invention relates to an electrical switchgear having, between two input and output terminals, a semiconductor component capable of establishing and interrupting the flow of current between these terminals when a control electrode of this component receives appropriate signals which are supplied by a control circuit receiving, on the one hand, conduction or interruption orders corresponding to normal operation and, on the other hand, blocking orders which are issued when the intensity of the current, which is measured by detection means placed in series between these terminals, undergoes an abnormal rise-
  • a circuit presenting an operation comparable to that which. is defined above, and which is known from the patent application DE-OS Nr. 2,416,450, implements a semaconductive component of the triac type to supply in a regulated manner a load having a resistive characteristic, similar to that of an incandescent lamp.
  • Such a charge has therefore possible variations of resistance, which are known in advance and that stabili ⁇ feels' in a neighboring period of time; the circuit, in which it is placed, which is generally - _. -
  • Such a known device does not therefore take into account any transient phenomena such as those which appear in the power supply circuits of motors where overloads, of the order of five to six times the nominal intensity , may occur during a power call which may extend for approximately one second.
  • the invention is concerned with an industrial switch device or circuit in which the load consists of an electric motor, the consumption of which can vary over a wide range of values in relation to the nature • of the masses which it must To set in motion ; in such an industrial circuit, which is generally supplied by a very low impedance network, the line, the switch member and the load should be protected against the effects of current overloads and against those of short circuits which can either permanently damaging it, or causing it to be destroyed by causing a prolonged shutdown of production; moreover, the commissioning of the load by this switch member corresponds to a category of employment the constraints of which are much more severe than those which govern household appliances.
  • the technique most frequently used to date to perform the functions mentioned above uses a combination of electro-mechanical products such as contactors, thermal protection relays, circuit breakers, limiters and fuses whose particular properties must be well chosen if we want these functions to be perfectly fulfilled.
  • the invention therefore proposes to provide a static industrial switch device or circuit which is capable of both establishing and frequently interrupting electronically the supply of a load, including the impe - dance can vary accidentally and protect this load and the line against the effects of overcurrents and short circuits.
  • the aim is achieved thanks to the fact that in a conductive branch placed in parallel on the anode
  • a series assembly comprising a resistor li itator 0 of current capable of supporting a large current pulse and of the contacts of a non-repulsive mechanical switch, which is normally open, and the closure of which can be established by a relay fast, the coil of this relay being supplied only when a first type of fault of limited duration appears, for which the presumed current is substantially between 1.25 times and 6 times the nominal current , and before a blocking signal is transmitted to the control electrode of the static interrupter, while this 0 coil is not supplied and a permanent blocking signal is immediately supplied to this electrode when 1 a current gradient appears greater than about six times the nominal current gradient signaling the appearance of a second type of fault. 5
  • GTO Gate-Turn-Off
  • IGT Isolated-Gate-Transistor
  • GTR Gate Transistor
  • Figure 1 shows schematically the circuits and functions that occur principa ⁇ LEMENT in an apparatus according to the invention
  • FIG. 2 shows the appearance of a particular function developed by one of the circuits of FIG. 1;
  • Figure 3 illustrates a preferred embodiment of a mechanical switch used in Figure 1;
  • FIG. 4 shows in a partial schematic view, a variant of the circuits of Figure 1, using a removable module containing certain elements of Figure 1;
  • FIG. 5 schematically shows a second type of current detector acting as a fuse
  • FIG. 6 illustrates the shape which the intensity of the current passing through a main branch of the switching device can take when the latter supplies a particular load
  • FIG. 7 represents complementary means associated with a switch to make it suitable for exploiting the two directions of circulation of an alternating current
  • FIG. 8 schematically illustrates the association of groups of switches, associated with each phase with a common electromagnet capable of operating current transfers
  • FIG. 9 illustrates a family of curves indicating the shape of the voltage and current variations in the circuit.
  • FIG. 10 represents in full scale, on the one hand, three limitation curves operated by three conventional electromechanical devices and, on the other hand, the limitation curve operated by a static switch circuit " according to the invention.
  • a static switch device 1 visible in FIG. 1 comprises a current input terminal 2 able to be connected to a phase R of an alternating network comprising, for example, a switch 22 for cutting the line 25, and an output terminal 3 capable of being connected by a conductor 23 to a load 22 such as a motor 24, and by a line 26 to another phase S.
  • an electronic switch component that can be controlled 5 which can be of the GTO, GTR or IGT type.
  • the representation chosen in FIG. 1 relates to a GTO having an anode A, a cathode K and a control trigger G. It is known that such an electronic switch only becomes on, when its anode is at a positive potential, only if the a positive pulse is applied to its trigger, and it takes its blocked state only if a negative pulse is subsequently applied to this trigger; such a guy switch is therefore interesting insofar as the blocking can be established at any time of a positive half-period of alternating current.
  • the main branch also includes means 21 for detecting the intensity of the current flowing through it.
  • These means can be of the current transformer type, or consist of a resistance of low value at the terminals of which the drop in potential represents an image of the current.
  • a voltage limiting resistor 17 preferably made up of a material such as ZnO, or a semiconductor circuit using Zener diodes and a voltage close to 600 V to 1000 V and, on the other hand, a series circuit placed in a branch, parallel 7 and comprising:
  • a resistor 10 preferably composed using a conductive organic polymer
  • the movable contact 12 of this switch is connected to a pallet or core 14 of an electromagnet or fast relay 16 having an excitation coil 15.
  • Means, such as a magnetizable structure 28 will advantageously be associated with the movable contact 12 to prevent the effects of an electro-dynamic repul ⁇ sion appearing during the circulation of large currents, see Figure 3.
  • a branch branch 9 also placed in parallel includes a circuit for protection against voltage gradients which could damage the static switch 5.
  • a circuit here comprises a capacitor 20 placed in series with a parallel mounting of a resistor 18 and a diode 19 polarized in the same direction as that of the static interrupter.
  • An electronic control circuit 30, which is supplied by a direct current source not defined in this figure, comprises a first control input 32 which is connected to an external control terminal 35 capable of receiving external signals - f - in view to cause the start-up or
  • a second input 33 of circuit 30 is intended to receive a blocking signal
  • an output 31 of the circuit 30 is connected to the trigger - G - of the switch device 5 to communicate to it control signals g and g suitable for establishing the conduction or blocking of this interrupter.
  • the normal operating regime results from the fact that the current detector 21 measures a current between the limits of what is designated by nominal current In.
  • the abnormal level of the current is generally attributable to a difficulty in starting the load or to an unexpected slowing down if it is an engine.
  • the excessive level of the current is imputable either with the presence of a frank short-circuit on line 23, 26, or with the appearance of an impedant short-circuit resulting from a mechanical locking of the motor 24.
  • a signal - i - which is an analog image of the current measured by the detector 21, is applied simultaneously to the input 42 of a first circuit 41 which performs a di / dt derivation, at the input 46 of a second circuit 47 which performs an integration of a power of - i - which is close to i 2, ie fi2dt, and at the input of a circuit 37 which performs discrimination of three intensity values possible between either In and about 1.25 In, or between 1.25 In and 6 In, or even values greater than 6 In.
  • nominal intensity I we can hear, for example, the peak value of a nominal current alternation, while the nominal intensity gradient can be defined by the slope P of growth of this nominal current near zero. current.
  • the discriminator circuit transmits on one of the three outputs 38, 39, 40 one of the three corresponding signals - j -, - d -, - m -.
  • the output signals - j - and - q - are applied to the inputs 52, 53 of an AND gate 54, which emits during a simul ⁇ taneity of these signals a signal - c -, leading to one of the inputs 66 of an OR gate 65 capable of transmitting the blocking signal - b -.
  • a means represented schematically by an interrup ⁇ tor 58, makes it possible, if necessary, to do without the AND gate so that the emission of a signal - c - appears when only the signal - q - is present; the interest of this provision will appear later.
  • the output signal of - d - is firstly connected to the input 67 of the OR gate 65 and, secondly, connected to the coil 15 of the one electromagnet 16. It will be seen hereinafter that an inter ⁇ breaker 59 or a delay circuit 57 could be placed between output 39 and input 67.
  • the signals - W - coming from the integrator circuit 47 which at all times represent the energy consumed by the load during a previous time interval of determined value, are applied to the input 49 of a characteristic delay circuit pseudo-hyperbolic 50 whose output 51 emits a signal - x - at the end of a time interval ⁇ t whose extent increases in opposite direction to the level of the signal W, see FIG. 2.
  • This signal - x - and the signal - m - are applied to an AND gate 62 whose output 63 emits, when they are present, a signal - s - which is applied to a third input 68 of the OR gate 65.
  • the discriminator 37 emits a signal - m - and the signal W representing the integral / i dt is transmitted to the timer stage 50; when it emits a signal
  • the signal - d - emitted by the discriminator 37 is not accompanied by the appearance of the signal - x -, because
  • the duration of such an overload cannot however exceed a value which can be determined by an adjustable timer stage 57 to which the signal - d - is communicated.
  • this duration is greater than a value chosen as a function of the nominal current, the nature of the load, its thermal properties and its function (for example rage of a motor), a signal - d '- which is emitted by this stage 58 is transmitted to the input 67 of the OR gate 65 which brings up a blocking signal - b - and transmits it to the control circuit 30 .
  • the detector 21 When the static switch 5 is blocked, the detector 21 then only detects the circulation of a residual current I which is not high enough for a signal - d - to appear at the output 39; the electromagnet 16 being no longer supplied, the switch 13 opens by interrupting a weak current going to the load.
  • stage 50 If during the longer period of operation of stage 50 a short-circuit current detected by the detector 21 develops between the terminals 2, 3 of the device, the two preceding operating modes are replaced by a third operating mode involving either the instantaneous intensity of the current and the value of its growth, or separately the growth when the switch 58 has been previously closed.
  • Simultaneous processing of the signals - j - and - q - prevents a blocking signal from being emitted when the properties of the load cause the appearance of a commissioning current with very high instantaneous growth without that, however, the operating current is abnormal; such a phenomenon occurs for example when the supply of a load such as incandescent lamps is operated at an instant of a period of the alternating current, which is not close to the zero crossing, see FIG. 6 .
  • An inhibitor circuit such as circuit 34, or a particular internal arrangement of the control circuit 30 allow, for example, to ensure this prohibition.
  • This inhibitor circuit must, moreover, present means of discrimination or be associated with such means so that this prohibition is, on the one hand, automatically erased at the end of a certain period of time necessary for the evacuation of the additional thermal energy of the load when the blockage was caused by one of the first two operating modes, and is, on the other hand, maintained when the blockage results from the appearance of a short-circuit current whose reappearance would present serious dangers; the deletion of this last prohibition must naturally result from a voluntary intervention by maintenance personnel.
  • the current detector 21 can be constituted by a fuse device 100 having a constant ohmic value and well calibrated, see Figure 5.
  • the circuits detecting and exploiting in this case the image of the current have not been shown.
  • This fusible wire or ribbon 100 which is placed in an interchangeable cartridge 101 whose pins 102, 103 cooperate with terminals 104, 105 of the housing 1 of the device, see FIG. 5, can possibly be used for the definition.
  • branches 7 and 8 of Figure 1 placed in parallel gives them a functioning identi ⁇ that when currents cross them in each of the two opposite directions, it is not the same for branch 9 containing l polarized element that constitutes the diode 19.
  • a control semiconductor 86 is used which is placed in series with a low resistance 87, the whole being placed in parallel on the diagonal 84; this semiconductor is controlled by synchronous signals developed, moreover, from a current reference of the general control circuit 88.
  • An apparatus according to the invention and intended for monitoring polyphase alternating currents naturally comprises as many groups of static switches 5g and associated elements 2 ... 21 or circuits 80 as there are phases; the circuits 90 shown in FIG. 8 and containing, for example, the branches 7 and 8 can be associated with the armature 14a of a single electromagnet 16a receiving one of the signals dx, dy, emitted by the one of the circuits 37x, 37y.
  • the latter increases its voltage U 20 at its terminals until the moment - t2 - when this voltage reaches a value equal to the threshold voltage U, 7 of the voltage limiting resistance; there is then a transfer of the current which circulates mainly in this resistor.
  • the electromagnet 16, the switch 13 and the resistor 10 could be arranged in a removable sub-assembly 70 having terminals 71, 72, 73, 74 so as to ability to cooperate with corresponding terminals placed on a housing 75 of switch device 1_.
  • the members 76, 77 symbolically represent signaling means capable of informing an operator or the surveillance personnel of the nature of the faults that have appeared.
  • the means 78, 79, 29 symbolically illustrate adjustment members of the circuits which are connected to them and respectively, a member making it possible to select a particular operating mode.

Abstract

Chaque circuit de phase comporte un interrupteur statique (5) de type IGT ou GTO entre l'anode et la cathode duquel est placé en parallèle un montage série (7) d'une résistance (10) CTP et d'un interrupteur normalement ouvert (13), qui se ferme lorsque un détecteur de courant (21) observe une courte intensité anormale inférieure à six fois le courant nominal; cet interrupteur statique est bloqué soit immédiatement lorsque ce taux est supérieur à six, soit avec un court délai dans le cas contraire. Cet appareil est avantageusement utilisé dans les installations industrielles où l'on souhaite remplacer les associations de contacteurs, relais thermique et disjoncteur par des appareils statiques.

Description

APPAREIL OU CIRCUIT INTERRUPTEUR STATIQUE POUR L'ALIMEN¬ TATION PROTEGEE D'UNE CHARGE, ET DE SA LIGNE.
L'invention concerne un appareil interrupteur électrique ayant entre deux bornes d'entrée et de sortie, un composant semi-conducteur apte à établir et interrompre le passage du courant entre ces bornes lorsqu'une électrode de commande de ce composant reçoit des signaux appropriés qui sont fournis par un circuit de commande recevant, d'une part, des ordres de conduction ou d'interruption correspondant à un fonction¬ nement normal et, d'autre part, des ordres de blocage qui sont émis lorsque l'intensité du courant, qui est mesurée par des moyens de détection placés en série entre ces bornes, subit une élévation anormale-
Un circuit, présentant un fonctionnement comparable à celui qui. est défini ci-dessus, et qui est connu par la demande de brevet DE-OS Nr. 2.416.450, met en œuvre un composant semi¬ conducteur du type triac pour alimenter de façon régulée une charge ayant une caractéristique résistive, analogue à celle d'une lampe à incandescence.
Une telle charge présente donc des variations possibles de résistance, qui sont connues à l'avance et qui se stabili¬ sent 'dans un délai voisin d'une période ; le circuit, dans lequel elle se trouve placée, qui est généralement - _. -
alimenté par un réseau domestique voit, par suite, passer des courants dont l'intensité des courts-circuits ne peut jamais prendre des valeurs excessives ; par ailleurs, l'uti¬ lisation d'un triac comme organe interrupteur présente ici l'inconvénient de ne pas permettre une interruption du courant alternatif à un moment quelconque de la période.
Un tel dispositif connu ne prend, par suite, nullement en compte des phénomènes transitoires tels que ceux qui appa- raissent dans les circuits d'alimentation des moteurs où des surcharges, de l'ordre de cinq à six fois l'intensité nomi¬ nale, peuvent se présenter au cours d'un appel de courant pouvant se prolonger pendant environ une seconde.
L'invention s'intéresse, elle, à un appareil ou circuit interrupteur industriel dans lequel la charge est constituée par un moteur électrique dont la consommation peut varier dans une large gamme de .valeurs en relation avec la nature • des masses qu'il doit mettre en mouvement ; dans un tel circuit industriel, qui est généralement alimenté par un réseau de très faible impédance, il convient de protéger la ligne, l'organe interrupteur et la charge contre les effets de surcharges de courant et contre ceux des courts-circuits francs qui peuvent soit endommager celle-ci de façon défini- tive, soit provoquer la destruction de celui-ci en entraî¬ nant un arrêt prolongé de la production ; de plus, les mises en service de la charge par cet organe interrupteur corres¬ pondent à une catégorie d'emploi dont les contraintes sont beaucoup plus sévères que celles qui régissent les appareils domestiques.
La technique la plus fréquemment utilisée à ce jour pour effectuer les fonctions mentionnées ci-dessus, fait appel à une association de produits électro-mécaniques tels que contacteurs, relais thermiques de protection, disjoncteurs, limiteurs et fusibles dont les propriétés particulières doivent être bien choisies si l'on veut que ces fonctions soient parfaitement remplies. L'invention se propose, par suite, de fournir un appareil ou circuit interrupteur industriel statique, qui soit suscep¬ tible à la fois d'établir et d'interrompre fréquemment par voie électronique l'alimentation d'une charge, dont l'impé- dance peut varier de façon accidentelle et de protéger cette charge et la ligne contre les effets des surintensités et des courts-circuits.
Selon l'invention, le but visé est atteint grâce au fait que dans une branche conductrice placée en parallèle sur l'anode
* et la cathode de ce composant qui appartient à l'une des familles dites GTO, respectivement IGT et GTR, sont placés en parallèle :
a - une résistance ou varistance apte à limiter la tension entre cette anode et cette cathode et à supporter de façon réversible une .impulsion d'énergie importante,
b - un montage série, comprenant une résistance li itatrice 0 de courant apte à supporter une importante impulsion de courant et des contacts d'un interrupteur mécanique non répulsif, qui est normalement ouvert, et dont la ferme¬ ture peut être établie par un relais rapide, la bobine de ce relais n'étant alimentée que lors de l'apparition 5 d'un premier type de défaut de durée limitée, pour lequel l'intensité présumée est sensiblement comprise entre 1,25 fois et 6 fois l'intensité nominale, et avant que soit transmis à l'électrode de commande de l'inter¬ rupteur statique un signal de blocage, tandis que cette 0 bobine n'est pas alimentée et qu'un signal de blocage permanent est immédiatement fourni à cette électrode lorsqu1apparaît un gradient de courant supérieur à envi¬ ron six fois le gradient de courant nominal signalant l'apparition d'un second type de défaut. 5
On sait également que des composants électroniques semi¬ conducteurs commandés, tels que les GTO (Gate-Turn-Off) , les IGT (Isolated-Gate-Transistor) ou les GTR (Giant Transistor) présentant les propriétés de pouvoir être bloqués à tout moment d'une période de courant alternatif, connaissent actuellement des améliorations progressives de leurs carac¬ téristiques d'isolement, d'intensité et de temps de réta- blissement favorables à une utilisation industrielle de leur fonction propre.
Une telle utilisation nécessite toutefois la mise en œuvre de mesures adaptées à la nature particulière des phénomènes qui apparaissent dans les installations correspondantes, notamment en cas de surcharges pouvant présenter un caractè¬ re répétitif.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion ci-dessous et à l'examen des dessins annexés où :
La figure 1 représente de façon schématique les circuits et les fonctions qui interviennent principa¬ lement dans un appareil selon l'invention ;
La figure 2 montre l'allure d'une fonction particuliè¬ re élaborée par l'un des circuits de la figure 1 ;
La figure 3 illustre un mode de réalisation préféré d'un interrupteur mécanique utilisé à la figure 1 ;
La figure 4 représente dans une vue schématique par¬ tielle, une variante des circuits de la figure 1, met¬ tant en œuvre un module amovible contenant certains éléments de la figure 1 ;
La figure 5 montre schématiquement un second type de détecteur de courant faisant office de fusible ;
La figure 6 illustre l'allure que peut prendre l'in¬ tensité du courant traversant une branche principale de l'appareil interrupteur lorsque celui-ci alimente une charge particulière ; La figure 7 représente des moyens complémentaires associés à un interrupteur pour le rendre apte à exploiter les deux sens de circulation d'un courant alternatif ;
La figure 8 illustre schématiquement l'association de groupes d'interrupteurs, associés à chaque phase avec un électro-aimant commun apte à opérer des transferts de courant ;
La figure 9 illustre une famille de courbes indiquant l'allure des variations de tension et de courant dans le circuit ; et
La figure 10 représente en vraie grandeur, d'une part, trois courbes de limitation opérées par trois appareils électromécaniques conventionnels et, d'au¬ tre part, la courbe de limitation opérée par un cir¬ cuit interrupteur statique" selon l'invention.
Un appareil interrupteur statique 1 visible à la figure 1 comporte une borne d'entrée de courant 2 apte à être reliée à une phase R d'un réseau alternatif comprenant, par exem¬ ple, un interrupteur 22 de sectionnement de la ligne 25, et une borne de sortie 3 apte à être reliée par un conducteur 23 à une charge 22 telle qu'un moteur 24, et par une ligne 26 à une autre phase S.
Dans une branche principale de courant 4 allant d'une borne à l'autre, est disposé un composant interrupteur électroni¬ que commandé 5 pouvant être du type GTO, GTR ou IGT. La représentation choisie dans la figure 1 concerne un GTO ayant une anode A, une cathode K et une gâchette de commande G. On sait qu'un tel interrupteur électronique ne devient passant, lorsque son anode est à un potentiel positif, que si l'on applique sur sa gâchette une impulsion positive, et ne prend son état bloqué que si l'on applique ultérieurement sur cette gâchette une impulsion négative ; un tel type d'interrupteur est donc intéressant dans la mesure où le blocage peut être établi à tout moment d'une demi-période positive de courant alternatif.
La branche principale comporte également des moyens de détection 21 de l'intensité du courant qui la traverse. Ces moyens peuvent être du type transformateur de courant, ou être constitués par une résistance de faible valeur aux bornes de laquelle la chute de potentiel représente une ima- ge du courant.
Dans une branche dérivée 8, qui est placée en parallèle sur l'anode et la cathode "sont disposés en parallèle, d'une part, une résistance limitatrice de tension 17 constituée de préférence à l'aide d'un matériau tel que ZnO, ou un montage semi-conducteur faisant appel à des diodes Zener et de tension voisine de 600 V à 1000 V et, d'autre part, un montage série placé dans une branche, parallèle 7 et compre¬ nant :
- une résistance 10 composée de préférence à l'aide d'un polymère organique conducteur, et
- un interrupteur mécanique 13 ayant des contacts 11 et 12.
Le contact mobile 12 de cet interrupteur est relié à une palette ou noyau 14 d'un électro-aimant ou relais rapide 16 ayant une bobine d'excitation 15. Des moyens, tels qu'une structure magnétisable 28 seront avantageusement associés au contact mobile 12 pour prévenir les effets d'une répul¬ sion électro-dynamique apparaissant lors de la circulation de courants importants, voir figure 3.
Une branche dérivée 9 placée également en parallèle comprend un circuit de protection contre les gradients de tension qui risqueraient de détériorer l'interrupteur statique 5. Un tel circuit comprend ici un condensateur 20 placé en série avec un montage parallèle d'une résistance 18 et d'une diode 19 polarisée dans le même sens que celui, de l'inter¬ rupteur statique.
Un circuit électronique de commande 30, qui est alimenté par une source de courant continu non définie sur cette figure, comporte une première entrée de commande 32 qui est reliée à une borne de commande externe 35 apte à recevoir des signaux - f - extérieurs en vue de provoquer la mise en route ou
* l'arrêt du dispositif interrupteur 5 ; une seconde entrée 33 du circuit 30 est destinée à recevoir un signal de blocage
- b - en vue de provoquer un arrêt de la conduction du dispositif interrupteur 5 ; enfin, une sortie 31 du circuit 30 est reliée à la gâchette - G - du dispositif interrupteur 5 pour lui communiquer des signaux de commande g et g propres à établir la conduction ou le blocage de cet inter¬ rupteur. •
En régime de fonctionnement normal de l'appareil 1, pour lequel la branche principale 4 sera traversée par le courant nominal In, en raison de l'absence de défauts sur la ligne 23, 26 ou la charge 24, l'interrupteur 13 est ouvert et la présence d'un signal - f - ou - f - sur la borne 35 provoque l'apparition d'un signal - g - ou - g - pour établir la conduction ou le blocage de l'interrupteur 5.
Le régime de fonctionnement normal résulte du fait que le détecteur de courant 21 mesure un courant compris entre les limites de ce que l'on désigne par intensité nominale In.
Lorsque le courant circulant dans la branche 4 sort de ces limites, le régime de fonctionnement n'est plus normal.
On ne s'intéressera tout d'abord qu'aux situations où le courant mesuré est soit compris entre une valeur voisine de I et environ six fois I , soit supérieur à environ six fois Dans le premier cas, le niveau anormal du courant est géné¬ ralement imputable à une difficulté de mise en route de la charge ou à un ralentissement imprévu s'il s'agit d'un moteur.
Dans le second cas, le niveau excessif du courant est impu¬ table soit à la présence d'un court-circuit franc sur la ligne 23, 26, soit à l'apparition d'un court-circuit impé¬ dant résultant d'un blocage mécanique du moteur 24.
Un signal - i -, qui est une image analogique du courant mesuré par le détecteur 21, est appliqué simultanément à l'entrée 42 d'un premier circuit 41 qui effectue une dériva¬ tion di/dt, à l'entrée 46 d'un second circuit 47 qui effec- tue une intégration d'une puissance de - i - qui est voisine de i 2, soit fi2dt, et à l'entrée d'un circuit 37 qui effec¬ tue une discrimination de trois valeurs d'intensité possi¬ bles comprises soit entre In et environ 1,25 In, soit entre 1,25 In et 6 In, soit encore des valeurs supérieures à 6 In.
Le niveau des* signaux - p - présents sur la sortie 43 du circuit 41 qui est représentatif de la croissance du courant à tout moment d'une demi-période, est analysé par un circuit détecteur de seuil 44 qui délivre à sa sortie 45 un signal - q -, si le gradient d'intensité est supérieur à un seuil de six fois le gradient d'intensité nominale.
Par intensité nominale I , on peut entendre, par exemple, la valeur crête d'une alternance de courant nominal, tandis que le gradient d'intensité nominal peut être défini par la pente P de croissance de cette intensité nominale au voisi¬ nage du zéro de courant.
Le circuit discriminateur émet sur l'une des trois sorties 38, 39, 40 l'un des trois signaux correspondants - j -, - d -, - m -. Les signaux de sortie - j - et - q - sont appliqués aux entrées 52, 53 d'une porte ET 54, qui émet lors d'une simul¬ tanéité de ces signaux un signal - c -, aboutissant à l'une des entrées 66 d'une porte OU 65 apte à émettre le signal de blocage - b -.
Un moyen, représenté de façon schématique par un interrup¬ teur 58, permet le cas échéant de se passer de la porte ET pour que l'émission d'un signal - c - apparaisse lorsque seul le signal - q - est présent ; l'intérêt de cette dispo¬ sition apparaîtra ultérieurement.
Le signal de sortie - d - est d'une part relié à l'entrée 67 de la porte OU 65 et, d'autre part, relié à la bobine 15 de l1électro-aimant 16. On verra ultérieurement qu'un inter¬ rupteur 59 ou un circuit de retard 57 pourraient être placés entre la sortie 39 et l'entrée 67.
Dans le circuit schématique de la figure 1, rien n'indique si l'apparition d'un signal - d - produira d'abord l'appari¬ tion du signal - g - ou la fermeture de l'interrupteur 13. Des mesures, telles que l'incorporation d'un circuit de retard (non représenté) entre le point - h - et l'entrée 67 sont prises pour que l'interrupteur 13 soit fermé avant que soit produit le signal - g - ; en variante, on peut assigner à la palette ou noyau 14 la fonction de fermeture simultanée d'un interrupteur auxiliaire tel que 59 qui est normalement ouvert et se ferme après l'interrupteur 13.
Les signaux - W -, issus du circuit intégrateur 47 qui représentent à tout moment l'énergie consommée par la charge pendant un intervalle de temps précédent de valeur détermi¬ née, sont appliqués à l'entrée 49 d'un circuit de retard à caractéristique pseudo-hyperbolique 50 dont la sortie 51 émet un signal - x - au terme d'un intervalle de temps Δt dont l'étendue croît en sens inverse du niveau du signal W, voir figure 2. Ce signal - x - et le signal - m - sont appliqués à une porte ET 62 dont la sortie 63 émet lors de leur présence un signal - s - qui est appliqué à une troisième entrée 68 de la porte OU 65.
Lors de l'apparition d'une surcharge modérée de courant comprise entre In et 1,25 In, mais dont la durée est impor¬ tante, le discriminateur 37 émet un signal - m - et le signal W représentant l'intégrale / i dt est transmis à l'étage temporisateur 50 ; lorsque celui-ci émet un signal
-x -, au terme d'un intervalle de temps inverse, les deux entrées de la porte ET 62 sont occupées par des signaux et un signal de surcharge prolongée - s - est transmis à la porte OU 65 dont la sortie émet un signal de blocage - b - au circuit de commande 30.
Lors de l'apparition d'une surcharge de courant comprise entre environ 1,25 fois et 6 fois le courant nominal In. et de courte durée, le signal - d - émis par le discriminateur 37 n'est pas accompagné de l'apparition du signal - x -, car
2 l'intégrale /i dt est trop faible, mais ce signal est appliqué sans délai au relais rapide 16 dont l'excitation provoque la fermeture de l'interrupteur 13 et permet donc à un courant dérivé 1^ important de circuler dans la branche 7 à travers la résistance 10 ; la propriété de cette résistan¬ ce de bien supporter et de façon réversible des surcharges de courant de courtes durées permet de délester l'interrup¬ teur statique d'une fraction importante du courant qui l'aurait traversé. Par ailleurs, l'augmentation de résis- tance ohmique de cette résistance provoque une diminution notable du courant dérivé dans la branche 7.
La durée d'une telle surcharge ne peut toutefois excéder une valeur qui peut être déterminée par un étage temporisateur réglable 57 à qui est communiqué le signal - d -. Lorsque cette durée est supérieure à une valeur choisie en fonction du courant nominal, de la nature de la charge, de ses propriétés thermiques et de sa fonction (par exemple démar- rage d'un moteur), un signal - d' - qui est émis par cet étage 58 est transmis à l'entrée 67 de la porte OU 65 qui fait apparaître un signal de blocage - b - et le transmet au circuit de commande 30.
Lorsque l'interrupteur statique 5 est bloqué, le détecteur 21 ne décèle alors que la circulation d'un courant résiduel I qui n'est pas suffisamment élevé pour qu'un signal - d - apparaisse à la sortie 39 ; l'électro-aimant 16 n'étant plus alimenté, l'interrupteur 13 s'ouvre en interrompant un faible courant allant vers la charge.
Si pendant la période plus prolongée de fonctionnement de l'étage 50 un courant de court-circuit détecté par le détec- teur 21 se développe entre les bornes 2, 3 de l'appareil, les deux modes de fonctionnement précédents sont supplantés par un troisième mode de fonctionnement faisant intervenir soit simultanément l'intensité instantanée du courant et la valeur de sa croissance, soit séparément la croissance lors- que l'interrupteur 58 a été fermé préalablement.
Selon ce troisième mode de fonctionnement, qui peut aussi se développer sans que l'un des deux précédents soit antérieu¬ rement apparu, un signal - p - représentant la dérivée du courant élaborée dans le circuit derivateur 41, est appliqué au détecteur de seuil 44 qui émet le signal - q - lorsque cette dérivée est supérieure à, par exemple, six fois la valeur maximum P = 314 I /sec que peut prendre la dérivée du courant nominal, tandis que le discriminateur 37 émet un signal - j - si la valeur instantanée de ce courant dépasse, par exemple, six fois la valeur de crête de l'intensité nominale I . Lorsque les deux signaux - q - et - j - sont simultanément appliqués aux entrées de la porte ET 54, un signal - c - qui est émis à la sortie est transmis à la porte ET 65 pour que soit émis sans aucun délai et envoyé au circuit de commande 30 un signal de blocage - b -. L'exploitation simultanée des signaux - j - et - q - permet d'éviter qu'un signal de blocage soit émis lorsque les propriétés de la charge provoquent l'apparition d'un courant de mise en service ayant une croissance instantanée très élevée sans que, pour autant, le courant de régime soit anormal ; un tel phénomène se produit par exemple lorsque l'alimentation d'une charge telle que les lampes à incandes¬ cence est opérée à un instant d'une période du courant alternatif, qui n'est pas voisine du passage au zéro, voir figure 6.
Lorsque le circuit de commande 30 a reçu un ordre de blocage b, il ne faut pas que la présence ou la réapparition d'un ordre de fermeture - f - à la borne de commande 35 provoque l'apparition immédiate d'un signal de conduction - e - sur l'entrée 32 du circuit de commande 30.
Un circuit inhibiteur tel que le circuit 34, ou une disposi¬ tion interne particulière du circuit de commande 30 permet- tent, par exemple, d'assurer cette interdiction.
Ce circuit inhibiteur doit, par ailleurs, présenter des moyens de discrimination ou être associé à de tels moyens pour que cette interdiction soit, d'une part, automatique- ment effacée au terme d'un certain intervalle de temps nécessaire à l'évacuation du surcroît d'énergie thermique de la charge lorsque le blocage a été provoqué par l'un des deux premiers modes de fonctionnement, et soit, d'autre part, maintenue lorsque le blocage résulte de l'apparition d'un courant de court-circuit dont la réapparition présente¬ rait de graves dangers ; l'effacement de cette dernière interdiction doit naturellement résulter d'une intervention volontaire du personnel de maintenance.
Selon un mode de réalisation avantageux, le détecteur de courant 21 peut être constitué par un dispositif fusible 100 ayant une valeur ohmique constante et bien calibrée, voir figure 5. Les circuits détectant et exploitant dans ce cas l'image du courant n'ont pas été représentés.
Ce fil ou ruban fusible 100, qui est disposé dans une cartouche interchangeable 101 dont les broches 102, 103 coopèrent avec des bornes 104, 105 du boîtier 1 de l'appa¬ reil, voir figure 5, peut éventuellement servir à la défini¬ tion du courant nominal de l'appareil ; la conformation de cette cartouche doit être par ailleurs telle qu'un fusible d'une intensité nominale supérieure ne puisse être associé à * l'appareil.
Le circuit, qui est illustré à la figure 1, a été simplifié pour en faciliter la compréhension. Dans les appareils alimentés en courant alternatif, on dispose généralement deux interrupteurs statiques en tête-bêche pour utiliser les deux alternances d'une période de courant.
Alors que la constitution, des branches 7 et 8 de la figure 1 placées en parallèle leur confère un fonctionnement identi¬ que lorsque des courants les traversent dans chacun des deux sens opposés, il n'en est pas de même pour la branche 9 contenant l'élément polarisé que constitue la diode 19.
Un circuit 80 susceptible de permettre à une branche 8 commune de coopérer de la même façon avec deux branches polarisées ayant chacune pour son sens propre la même fonc¬ tion que celle de la branche 9, est visible à la figure 7, où, en parallèle sur deux interrupteurs statiques 5p, 5n montés en tête-bêche, se trouve disposé un pont de GRAETZ 81, équipé de diodes D-....D., dont les sommets 82, 83 sont reliés en parallèle aux anodes et cathodes, et dont la diagonale 84 comporte un condensateur 85. Ce dernier peut donc être chargé selon un même sens par des courants circu- lant en sens inverse entre les bornes 2 et 3.
Afin de permettre des décharges successives et complètes de ce condensateur, qui sont toujours opérées dans un même sens inverse du précédent et doivent être terminées dans des délais très inférieurs à une demi-période de courant, on utilise un semi-conducteur commande 86 qui est placé en série avec une faible résistance 87, le tout étant placé en parallèle sur la diagonale 84 ; ce semi-conducteur est commandé par des signaux synchrones élaborés, par ailleurs, à partir d'une référence de courant du circuit de commande général 88.
Un appareil conforme à l'invention et prévu pour la surveil- lance des courants alternatifs polyphasés, comporte natu¬ rellement autant de groupes d'interrupteurs statiques 5g et d'éléments associés 2...21 ou circuits 80 que de phases ; les circuits 90 représentés à la figure 8 et contenant, par exemple, les branches 7 et 8 peuvent être associés à l'arma¬ ture 14a d'un seul électro-aimant 16a recevant l'un des signaux dx, dy, émis par l'un des circuits 37x, 37y.
On pourra donc réduire le volume total de l'appareil en faisant actionner les* divers interrupteurs tels que 13 par un seul et même électro-aimant 16a dont la bobine recevra l'un des signaux - d -.
Si l'on souhaite protéger des échauffements possibles non seulement la charge, mais encore les interrupteurs stati¬ ques, on donnera, par exemple, à deux des circuits 50 une caractéristique inverse particulièrement adaptée au compor¬ tement de ces interrupteurs lors du passage de courants trop importants.
Dans l'explication du fonctionnement du circuit mentionnée ci-dessous, on suppose que, compte tenu, de la rapidité des phénomènes, la tension du réseau ne varie pas sensiblement en un point de son alternance.
Lors de l'apparition d'un courant de court-circuit d'inten¬ sité supérieure à 6 I , à l'instant - to -, des signaux - j - q - ou - -, provoquent le blocage de l'interrupteur statique à l'instant - tl -, et la branche 7 reste ouverte.
Dès cet instant, un courant de charge du condensateur 20 à travers la diode 19 va circuler dans la branche 9 selon l'allure représentée de - pi - à - p2 - entre - tl - et
- t2 -.
Cette évolution résulte du fait que, dès la fermeture de l'interrupteur, l'inductance L de la charge 24 joue le rôle d'un générateur de courant, qui fait encore croître son intensité selon une pente décroissante en raison de la charge progressive du condensateur.
Celui-ci voit augmenter sa tension U20 a ses bornes jusqu'au moment - t2 - où cette tension atteint une valeur égale à la tension de seuil U,7 de la résistance limitation de ten¬ sion ; on assiste alors à un transfert du courant qui circu¬ le principalement dans cette résistance.
Au cours du processus suivant, une portion de l'énergie de l'inductance a servi à charger le condensateur, et le complément se dissipe maintenant dans la résistance 17, de sorte que le courant total ne peut que décroître. La portion de courbe - p2 p3 - restitue l'allure de cette décroissance.
Lorsqu'à l'instant - t3 - le courant atteint une valeur
- i3 - correspondant à celle qui est déterminée par le coude de la caractéristique de la résistance 17,- le courant qui diminue résulte de la décharge du condensateur, et la tension baisse moins rapidement jusqu'au moment où celle-ci atteint une valeur égale à celle de la tension instantanée entre les bornes 2 et 3.
Les bonnes performances du circuit interrupteur qui vient d'être présenté tiennent pour part au choix d'une résistance limitatrice de tension, comprenant une céramique à base d'oxyde de Zinc ; bien que les caractéristiques de ces maté- riaux dans lesquels l'intensité admissible est estimée à environ 1 m A/ cm , ne semblent pas les destiner à des circuits de protections contre les surintensités de courant, le niveau élevé de leur tension de seuil ainsi que leur faculté de bien se comporter lors d'une courte surcharge énergétique concourrent à l'obtention d'un résultat satis¬ faisant ; il est clair que l'association d'un tel moyen de limitation de tension avec un interrupteur statique implique que celui-ci soit choisi pour supporter une tension de l'ordre de 1 KV ; de cette manière la ligne se trouve proté¬ gée avec une grande efficacité comme en témoigne la figure 10, où la courbe IV représente le phénomène de limitation d'un appareil interrupteur selon l'invention.
Parallèlement à ce choix, la mise en œuvre d'une résistance limitatrice de courant faisant appel à des polymères char¬ gés, par exemple de carbone, de façon à les. rendre conduc¬ teurs, permet un excellent transfert et une limitation de courant grâce à l'exploitation des intéressantes propriétés de ce matériau, dans lequel le phénomène de percolation développé lors de la circulation d'un courant important (et dont l'apparition est accidentelle) fait apparaître des phénomènes réversibles.
Selon un mode de réalisation particulier visible à la figure 4, 1*électro-aimant 16, l'interrupteur 13 et la résistance 10 pourraient être disposés dans un sous-ensemble amovible 70 présentant des bornes 71, 72, 73, 74 de façon à pouvoir coopérer avec des bornes correspondantes placées sur un boîtier 75 d'appareil interrupteur 1_.
Une telle mesure peut se justifier si l'appareil 1 est destiné à l'alimentation et à la protection d'une charge de nature particulière où une surintensité instantanée ne peut apparaître. Compte tenu des conditions dans lesquelles sont effectuées les ouvertures et fermetures de l'interrupteur 13, la taille de l'électro-aimant peut être très notablement réduite par rapport à celle qui serait nécessaire pour effectuer ces opérations en présence de courants et d'inten¬ sités nominaux.
Les organes 76, 77 représentent symboliquement des moyens de signalisation aptes à informer un opérateur ou le personnel de surveillance sur la nature des défauts apparus.
Les moyens 78, 79, 29 illustrent symboliquement des organes de réglage des circuits qui leur sont reliés et respective- ment, un organe permettant de sélectionner un mode de fonctionnement particulier.

Claims

Revendications de brevet.
1. Appareil interrupteur électrique ayant entre deux bornes d'entrée et de sortie un composant semi-conducteur apte à établir et interrompre le passage du courant entre ces bornes lorsqu'une électrode de commande de composant reçoit des signaux appropriés qui sont fournis par. un circuit de commande recevant, d'une part, des ordres de conduction ou d'interruption correspondant à un fonctionne¬ ment normal et, d'autre part, des ordres de blocage qui sont émis lorsque l'intensité du courant, qui est mesurée par des moyens de détection placés en série entre ces bornes, subit une élévation anormale, caractérisé en ce que dans une première branche conductrice (8) placée en parallèle sur l'anode (A) et la cathode (K) de ce composant, qui appartient à l'une des familles dites GTO, respectivement IGT et GTR, est placé en parallèle : une résistance ou varistance (17) à seuil de tension- élevé apte à limiter la tension entre cette anode (A) et cette cathode (K) et à supporter de façon réversible une impulsion d'éner¬ gie importante, grâce à un transfert de courant s'opérant d'une branche (9), où s'effectue la charge d'un condensateur (20) , vers cette, première branche lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint ce seuil.
2. Appareil interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en parallèle sur la première branche (8) est placée une troisième branche (7) comprenant en série une résistance li itatrice de courant (10) apte à supporter une importante impulsion de courant et des contacts (11, 12) d'un interrupteur mécanique (13) non répulsif, qui est normalement ouvert, et dont la fermeture peut être établie par un relais rapide (16) , la bobine (15) de ce relais n'étant alimentée que lors de l'apparition d'un premier type de défaut de durée limitée, pour lequel l'intensité présumée est sensiblement comprise entre 1,25 fois et 6 fois l'inten- site nominale, et avant que soit transmis à l'électrode de commande (G) de l'interrupteur statique un signal de blocage - g -, tandis que cette bobine n'est pas alimentée et qu'un signal de blocage permanent est immédiatement fourni à cette électrode lorsqu'apparaît un gradient de courant supérieur à environ six fois le gradient de courant nominal - P - signa- lant l'apparition d'un second type de défaut.
3. Appareil interrupteur selon la revendication 1 ou
2, caractérisé en ce qu'un circuit (9) respectivement (80), apte à protéger l'interrupteur statique (5, 5p, 5n) contre
* les gradients de tension, et comprenant une résistance (18,
87) et un condensateur (20, 85) associés à des moyens de charge unidirectionnels (19, 81), est placé en parallèle sur l'anode et la cathode de l'interrupteur statique (5) respec- tivement (5p, 5n) .
4. Appareil interrupteur selon la revendication 3 et mettant en œuvre un seul interrupteur statique,
' caractérisé en ce que ce circuit (9) 'comporte une résistance (18) montée en série avec un condensateur (20) , une diode (19) étant placée en parallèle sur cette résistance dans le même sens de conduction que l'interrupteur statique (5).
5. Appareil interrupteur selon la revendication 3, et mettant en œuvre deux interrupteurs statiques placés en tête-bêche, caractérisé en ce que les anodes et cathodes (AK) sont reliées aux sommets (82, 83), d'un pont de GRAETZ (81) à quatre diodes (D1...D4) dont la diagonale (84) comprend en parallèle, d'une part, un condensateur (85) et, d'autre part, un montage série d'une résistance (87) et d'un semi¬ conducteur commandé (86) , un seul dispositif de transfert de courant (7) et un seul dispositif limiteur de tension (8) étant placés en parallèle sur les anodes et cathodes. 6. Appareil interrupteur selon l'une des revendica¬ tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'un dispositif de protection à fusible calibré (100) est placé en série avec l'interrupteur stati- 5 que (5) , la tension aux bornes de ce fusible servant à l'élaboration d'une image du courant à travers le circuit (2, 3).
7. Appareil interrupteur selon l'une des revendica- 10 tions 1 à 6, caractérisé en ce que l'interrupteur de transfert (13) comporte des moyens (28) propres à empêcher une répulsion électro-dynamique de son contact mobile (12) .
15 8. Appareil interrupteur selon l'une des revendica¬ tions 1 à 7, caractétrisé en ce que l'interrupteur de transfert (13) et
:son électro-aimant (16) ainsi que la résistance de transfert
(10) sont disposés dans un module amovible (70) susceptible
20 de s'associer au boîtier (75) de -l'appareil.
9. Appareil interrupteur selon l'une des revendica¬ tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'information de courant - i - émise
25. par un détecteur de courant (21, 100) placé en série dans le circuit général (2, 3) est analysée par un circuit deriva¬ teur (41) , un circuit intégrateur (47) et un circuit discri¬ minateur de niveaux' (37) dont les signaux sont traités et logiquement combinés pour définir le mode de fonctionnement
30 de l'interrupteur statique.
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