La connexion et la déconnexion des charges sur un circuit électrique sont assurées par des systèmes de commutation parmi lesquels on trouve les commutateurs électriques, les relais électromécaniques, les relais hybrides, et les disjoncteurs pour la protection du réseau.

La mise sous tension ou hors tension des charges sur un circuit électrique sous tension produit des phénomènes pouvant perturber le circuit électrique et dégrader le système de commutation. Par exemple, la commutation par un relais électromécanique des charges sur un circuit électrique sous tension, et particulièrement lorsque les charges sont inductives, produit des arcs entre les contacts du relais au moment de leur ouverture ou de leur fermeture. A la fermeture lorsque le courant s'établit dans le circuit électrique et à l'ouverture lors de l'interruption du courant dans le mme circuit.

Ces arcs de commutation dégradent la qualité et diminuent la fiabilité des contacts par l'accroissement de leur résistance de contact produisant un échauffement anormal voir une destruction des contacts par le passage du courant.

La fermeture des contacts électriques à déplacement mécanique d'un commutateur, suite à un ordre de commutation, peut s'effectuer à un instant quelconque d'une période de la tension du circuit électrique ou dans le cas d'une ouverture du contact, à un instant quelconque d'une période du courant électrique dans le circuit. Ces fermetures et ouvertures à un moment aléatoire au cours d'une période respectivement de tension et de courant, produit, dans des cas défavorables de commutation, des forts arcs électriques entre les contacts. Par exemple la fermeture du contact électrique, lorsque la tension du circuit électrique est

proche de son maximum, produira un ou plusieurs forts arcs électriques qui auront comme conséquence d'une part la degradation rapide des contacts électriques du relais par étincelage et d'autre part des fortes perturbations du circuit pouvant avoir des effets nuisibles pour les charges connectées sur ce circuit. Un phénomène semblable se produit à l'ouverture du contact au moment de l'interruption du courant dans le circuit électrique.

Un dispositif de détection d'inversion de courant dans un contact électrique à déplacement mécanique comporte des moyens pour générer, lorsque le contact électrique est fermé, un premier signal logique changeant d'état lorsque la tension résiduelle aux bornes du contact électrique, produite par le passage du courant dans le contact, change de polarité.

Le dispositif permet, lorsque le contact électrique est fermé, de détecter le passage du courant dans le circuit électrique et par conséquent dans le contact électrique, par une valeur sensiblement égale à 0 ampère.

En effet, le contact électrique fermé présente une résistance très faible mais non nulle. Cette résistance de contact produit une chute de tension électrique résiduelle Vc aux bornes du contact sensiblement proportionnelle au courant parcourant le contact. C'est cet effet qui sera exploité pour déterminer l'inversion du courant dans le circuit électrique et son passage par une valeur sensiblement nulle lors du changement de polarité.

De plus, on peut utiliser la tension résiduelle aux bornes du contact pour faire une mesure du courant circulant dans la charge. A cet effet le dispositif de détection comporte en outre une sortie analogique fournissant, lorsque le contact est fermé, par rapport à une référence de tension, une tension Vs proportionnelle à la tension résiduelle de contact Vc soit proportionnelle au courant circulant dans le contact et dans le circuit électrique.

Les dits moyens fournissent, lorsque le contact électrique est ouvert, un second signal logique changeant d'état lorsque la tension du circuit électrique aux bornes du contact électrique change de polarité.

Le dispositif de détection peut tre associé à un microcontrôleur recevant la tension aux bornes du contact électrique à déplacement mécanique afin de réaliser selon l'invention un système de diagnostic du contact électrique.

Dans une réalisation du systeme de diagnostic, les premier et second signaux logiques sont fournis sur une mme sortie du dispositif de détection.

Le système de diagnostic selon l'invention comportant un tel dispositif de détection du passage par zéro de courant trouve une application particulièrement intéressante dans le diagnostique de systèmes de commutation électriques tels que les contacteurs électromécaniques, relais électromécaniques, relais électromécaniques dont le contact est assisté par semi-conducteurs (relais hybrides) ou tout autre dispositif comportant un contact électrique à déplacement mécanique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemple de réalisation de systèmes de diagnostic selon l'invention dans lesquels : -les figures 1a, 1b et 1c représentent un schéma de principe d'un système de diagnostic selon l'invention ayant un dispositif de détection de courant connecté aux bomes d'un contact électrique.

-les figures 2a et 2b représentent en fonction du temps t respectivement la tension aux bomes du contact électrique ouvert et le second signal logique en sortie des moyens de détection.

-les figures 3a, 3b et 3c représentent en fonction du temps t respectivement le courant dans le contact électrique fermé, le premier signal logique en sortie des moyens de détection et la tension aux bomes du contact fermé.

-la figure 4 représente un schéma de principe d'un relais hybride comportant le système de diagnostic selon l'invention.

La figure 1a représente un schéma de principe d'un système de diagnostic selon l'invention ayant un dispositif de détection 10 de courant connecté en parallèle sur les deux bomes A et B d'un contact électrique 12 en position ouvert. La figure 1b représente le mme schéma de principe de la figure 1a avec le contact électrique en position fermé. Le contact électrique 12 est inséré en série avec une charge 14 dans un circuit électrique CE à courant alternatif sous une tension U appliquée à deux bornes d'alimentation C1 et C2 du circuit électrique.

Les moyens du dispositif de détection 10 comportent une résistance de limitation R1 en série avec deux diodes D1 et D2 montées en parallèle tte-bche et un comparateur 16 ayant deux entrées différentielles E1 et E2

connectées aux bornes des diodes D1 et D2, une sortie logique SO du comparateur 16 fournissant un signal logique changeant d'état avec le changement de la polarité d'une tension Vd aux bornes des diodes D1 et D2.

Nous allons par la suite décrire le principe de fonctionnement du dispositif de détection connecté aux bornes A et B du contact électrique 12.

Lorsque le contact électrique 12 est ouvert (figure 1a) le courant I dans le circuit électrique sera considéré comme de valeur négligeable par rapport à un courant Ich lorsque le contact 12 est fermé alimentant la charge 14. Dans le cas du contact électrique ouvert, la tension V aux bornes du contact électrique est sensiblement identique à la tension U du circuit électrique.

La tension V aux bornes du contact produit un courant alternatif i1 dans les diodes D1 et D2 limité par la résistance de limitation R1. Le courant i1 parcourt dans un sens une des deux diodes en parallèle tte-bche, lors d'une des deux alternances de la tension V aux bornes du contact électrique 12, et dans l'autre sens l'autre diode lors de l'autre alternance de la tension V aux bornes du contact. A chaque alternance les diodes D1 et D2 seront altemativement l'une à l'état passant et l'autre à t'état bloqué. La tension Vd aux bornes des diodes appliquée aux entrées différentielles E1 et E2 du comparateur 16 sera sensiblement la tension de seuil de conduction des diodes soit environ 0,7 volts pour une diode au silicium.

Lors d'une altemance de tension, la tension de seuil des diodes appliquée aux entrées différentielles E1 et E2 du comparateur est d'une polarité telle que la sortie du comparateur fournit un signal dans un état logique (0,1) et lors de l'autre altemance de polarité opposée la tension de seuil étant inversée le comparateur fournit t'état logique complémentaire. Les figures 2a et 2b montrent en fonction du temps t respectivement la tension V aux bomes du contact électrique et la tension en sortie logique SO du comparateur. Un front de montée se produisant à la sortie logique SO du comparateur lors d'un changement de polarité de la tension V dans un sens, puis un front de descente lors du changement de polarité suivant, de la mme tension V, dans l'autre sens.

Lorsque le contact électrique est fermé (figure 1b), un courant électrique Ich alimentant la charge s'établit dans le circuit électrique à travers le contact électrique 12. Le contact électrique 12 présente une résistance r

de contact dont la valeur est liée à différents paramètres parmi lesquels on peut citer, la pression et la surface de contact, le type de métal en contact ou t'état de charbonnage du contac. Le charbonnage du contact électrique à déplacement mécanique se traduit par I'apparition de particules carbonisées sur les plots du contact produites par la combustion des poussières et autres particules lors des arcs de commutation. Le charbonnage produit une augmentation de la résistance r du contact et par conséquent un échauffement du contact lors du passage du courant. Un mme courant Ich dans le contact produit une tension résiduelle Vc aux bornes du contact plus importante lorsque le niveau du charbonnage augmente.

Cette résistance r de faible valeur produit au passage du courant une différence de potentiel résiduelle de contact Vc entre les bornes du contact électrique telle que : Vc = r. lch La résistance de contact r peut tre admise comme purement résistive aux fréquences de fonctionnement habituelles des circuits électriques de l'ordre de 50 à 400 Hz.

Dans un fonctionnement habituel du contact fermé traversé par le courant électrique, le potentiel Vd aux bornes des diodes D1, D2 appliqué aux entrées différentielles E1 et E2 du comparateur 16 sera sensiblement identique au potentiel résiduel de contact Vc, ce potentiel Vc étant inférieur à la tension de seuil des diodes D1 et D2 mais de niveau suffisant pour effectuer le basculement du comparateur avec changement d'état à sa sortie logique SO lors du changement de polarité du potentiel résiduel de contact Vc aux bomes du contact.

A titre d'exemple, la tension résiduelle Vc aux bornes du contact électrique fermé d'un relais de puissance parcouru par un courant maximal de 20 ampères est de l'ordre de150 millivolts.

Dans cette configuration contact fermé, le changement d'état logique (0 et 1) en sortie du comparateur 16 se produit lors de changement de polarité du potentiel résiduel de contact Vc soit lors du changement du sens du courant dans le circuit électrique puisque ce potentiel résiduel Vc de contact est proportionnel au courant Ich dans le circuit électrique (Vc = r. lch).

Les figures 3a et 3b montrent en fonction du temps t respectivement, la tension résiduelle Vc aux bornes du contact, image du courant Ich dans le

circuit électrique CE (et dans le contact 12), et la tension logique en sortie SO du comparateur. Un front de montée se produit à la sortie logique SO du comparateur lors d'un changement de polarité dans un sens du courant Ich puis un front de descente lors du changement de polarité suivant dans l'autre sens.

Le dispositif de détection 10 fournit à une mme sortie logique SO du comparateur 16 d'une part, lorsque le contact est ouvert, un premier signal logique changeant d'état à chaque passage sensiblement par 0 volt de la tension U du circuit électrique, le dispositif détectant les 0 de tension du circuit électrique, et d'autre part, lorsque le contact est fermé, un second signal logique changeant d'état à chaque passage par sensiblement 0 ampère du courant dans la charge, le dispositif détectant les 0 de courant dans la charge.

Le dispositif de diagnostic selon l'invention, utilise la tension résiduelle Vc aux bornes du contact fermé pour faire une mesure du courant circulant dans la charge. A cet effet, le dispositif de détection comporte une sortie analogique SA prise au point de jonction de la résistance de limitation R1 et les diodes D1, D2. Cette sortie analogique SA fournit, lorsque le contact est fermé, par rapport à un potentiel de référence Rf, une tension Vs proportionnelle à la tension résiduelle de contact Vc soit, proportionnelle au courant Ich circulant dans le contact et dans le circuit électrique. La figure 3c montre la tension Vs aux bornes du contact fermé, en fonction du temps.

Le dispositif de détection 10 est associé à un microcontrôleur 18 afin de réaliser le système de diagnostic du contact électrique.

Le microcontrôteur 18, représenté aux figures 1a et 1b, re, coit à une entrée analogique 20 la tension Vs en sortie analogique SA du dispositif de détection et à une entrée logique 22 le niveau logique en sortie SO du comparateur fournissant au microcontrôleur l'information de passage par 0 de courant du circuit électrique.

Le microcontrôteur comporte des premiers moyens pour effectuer, lorsque le contact est fermé, une acquisition du niveau de la tension maximum analogique Vsm aux bornes du contact 12 à chaque alternance au moment du passage par un maximum du courant dans la charge 14 ; a cet effet, I'acquisition par le microcontrôleur de la tension maximun Vsm correspondant à une tension résiduelle maximun Vcm aux bornes du contact

et à un courant maximun dans le circuit électrique, est effectuée après un délai d'attente dT commençant au passage par un zéro de courant, le délai d'attente dT étant sensiblement égal au quart de la période T du courant altematif dans le circuit.

La valeur analogique de la tension maximum Vsm aux bornes du contact peut tre interprétée de plusieurs façons.

Si la tension maximum Vsm dépasse une valeur prédéfinie : <BR> <BR> <BR> -soit le courant que parcourt le contact est trop important ;<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> -soit la résistance de contact a augmenté par usure ; -soit c'est le produit des deux.

Si la tension analogique Vsm est inférieure à la valeur prédéfinie : -soit le contact est en bon état et le courant est inférieur ou égal au maximum autorisé ; -soit le contact est un peu usé et le courant est inférieur au maximum autorisé.

De plus, au cours d'une période de fermeture du contact, le microcontrôteur peut, par acquisitions successives du courant dans le temps, surveiller l'évolution du courant dans la charge et enclencher une action de disjonction du circuit électrique. A cet effet le microcontrôleur comporte des seconds moyens pour mémoriser des acquisitions successives du courant maximum dans le temps et effectuer une ouverture du contact électrique commandé par une bobine d'actionnement 24 du contact 12, lorsque t'évotution du courant sort de t'épure d'une courbe de fumée.

Plusieurs actions peuvent tre menées suite aux observations faites précédemment : -soit, on considère le défaut mineur (par exemple, début d'usure des contacts) et la seule action à mener sera l'activation d'une information témoin d'usure signalant la nécessité d'une action préventive de remplacement du relais.

-soit le défaut est majeur (usure avancée des contacts, surcharge importante) et le microcontrôleur effectue une action commandant l'ouverture du contact, équivalent à une disjonction.

Dans une configuration hautement fiabitisée, une information de température peut également tre prise en compte par le microcontrôteur et interprétée conjointement aux autres informations.

Un tel système comportant le microcontrôleur exploitant entre autre les informations fournies par le dispositif de détection selon l'invention permet de réaliser des fonctions de diagnostic de I'état des contacts électriques et faire éventuellement une détection de surcharge du circuit électrique et des actions induites de coupure.

L'évolution de t'état du contact peut tre suivie très précisément en utilisant une information supplémentaire de courant Ich dans le circuit électrique CE. Cette mesuré de courant est effectué par un moyen supplémentaire 26 de mesure classique de courant autre que la mesure de la tension résiduelle Vc aux bornes du contact, par exemple à I'aide d'un shunt, un capteur à effet hall ou outres. La comparaison entre le courant mesuré par cet autre moyen 26 et celui résultant de la mesure de la tension résiduelle Vc aux bornes du contact électrique 12 permet de déterminer t'état du contact et son évolution. Par exemple on peut ainsi déterminer le niveau de « charbonnage du contact.

La figure 1c représente le dispositif de la figure 1 b comportant le moyen supplémentaire 26 de mesure du courant Ich.

Dans ce dispositif de la figure 1cl le microcontrôleur 18 reçoit du moyen supplémentaire 26, à une autre entrée analogique 28, une information supplémentaire Isp de courant Ich dans le circuit électrique, le microcontrôleur comportant en plus des premiers moyens d'acquisition du courant maximum dans la charge à partir de la tension résiduelle Vc, des moyens d'acquisition du courant maximum mesuré par le moyen supplémentaire 26.

Le microcontrôleur comporte en outre des moyens de calcul de l'écart entre les deux mesures de courant, le courant mesuré par le moyen supplémentaire 26 d'une part et celui résultant de la mesure de la tension résiduelle Vc aux bornes du contact d'autre part. Cet écart de courant peut tre utilisé pour déterminer, par exemple par rapport à un seuil qui peut tre fonction du niveau du courant maximum, si le contact est défectueux et déclencher une alarme ou effectuer l'ouverture du contact électrique 12.

Les relais de type électromécanique comportent un ou plusieurs contacts électriques à déplacement mécanique couples à un élément mobile du circuit magnétique d'un électroaimant. La commande de l'électroaimant est effectuée par I'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 t'étectroaimant par l'alimentation de sa bobine et la fermeture ou l'ouverture effective de son contact électrique. Ces retards sont principalement dus à l'inertie de t'élément mobile du relais.

Certains systèmes de commande des relais électromécaniques prennent en compte ces retards à la fermeture ou à l'ouverture des contacts afin d'effectuer une commutation à des moments favorables de tension ou de courant dans le circuit électrique.

Ces temps de retard sont susceptibles de varier dans le temps par le vieillissement, l'usure du mécanisme du relais ou par d'autres causes. Ces variations des temps de retard peuvent tre assez importantes pour que les fermetures et les ouvertures du contact électrique se produisent à des instants trop éloignés des instants favorables de commutation initialement prévus. Le dispositif de détection selon l'invention associé au microcontrôleur permet par la mesure de la tension aux bornes du contact électrique de déterminer le moment de la fermeture et de l'ouverture du contact et en déduire le temps de retard réel existant entre le moment de sa commande et l'instant de la fermeture ou de l'ouverture du contact. A cet effet, le microcontrôleur 18 comporte des troisièmes moyens de mesure d'une part, du temps de retard de fermeture dTF entre le moment de I'alimentation de la bobine d'actionnement 24 du contact 12 et l'instant de fermeture du contact et d'autre part, du temps de retard d'ouverture dTO entre le moment de l'interruption de I'alimentation de la bobine d'actionnement du contact et l'instant d'ouverture du contact.

Le dispositif de détection peut tre utilisé dans des systèmes de commutation comportant un contact électrique à déplacement mécanique pour détecter le passage par zéro de tension et de courant dans le circuit électrique dans lequel le relais se trouve inséré. L'information de passage par zéro fournie par le dispositif de détection sera utilisée par le système de commande du relais utilisant le microcontrôleur comportant des quatrièmes moyens pour effectuer la fermeture du contact à un instant proche d'un passage par zéro de la tension aux bornes du contact et son ouverture à un instant proche d'un passage par zéro de courant dans le circuit.

Le système de diagnostic décrit sera programmé par un logiciel pour le mirocontrôleur 18 utilisé pour le diagnostic du contact électrique dans le circuit électrique CE, le logiciel comprenant des moyens pour faire exécuter par le microcontrôleur les opérations successives suivantes : -acquisition du niveau de la tension maximum analogique Vsm aux bornes du contact 12, image du courant maximum dans le circuit électrique CE ; -mémorisation des acquisitions successives du courant maximum dans le temps ; -foumiture d'une information sur t'état du contact en fonction des dites acquisitions.

Le logiciel peut aussi comporter en outre une étape de commande d'ouverture par le microcontrôleur du contact électrique par une bobine d'actionnement, lorsque l'évolution du courant maximum dépasse les limites définies par une courbe de courant maximum en fonction du temps d'ouverture du contact électrique ; cette courbe est couramment appelée « courbe de fumée ».

Le système de diagnostic selon l'invention dispositif de détection est particulièrement adapté aux utilisations dans les systèmes de commutation, par exemple dans un relais électromécanique comportant un contact électrique ci déplacement mécanique, un circuit de commande du relais utilisant le premier signal logique du dispositif de détection. Un microcontrôleur du circuit de commande du relais électromécanique peut utiliser le premier signal logique pour calculer un instant de génération d'une commande d'ouverture du contact.

Dans une variante du relais électromécanique le contact comporte un triac en parallèle commandé par le microcontrôleur à un instant calculé en fonction dudit premier signal logique.

A titre d'exemple la figure 4 montre un schéma d'un relais électromécanique comportant un système de diagnostic selon l'invention ayant un dispositif de détection 30, un contact électrique 32 assisté à la commutation par un triac 34, et un circuit de commande du relais utilisant un microcontrôteur 36.

Le contact 32 du relais électromécanique est inséré en série avec une impédance de charge 38 dans un réseau électrique RE sous la tension U

alternative entre deux bornes d'alimentation C3 et C4. Le triac 34, en parallèle sur le contact 32 est commandé à t'état passant par le circuit de commande, lors des fermetures ou des ouvertures du contact supprimant en grande partie les arcs de commutation aux bornes du contact.

Une alimentation régulée 40 fournit, à partir de la tension U du réseau électrique RE et par rapport à une ligne L1 reliée à la borne C4 du réseau, une tension d'alimentation Va1 d'une bobine 42 d'actionnement du contact 32 et une alimentation régulée Va2 du dispositif de détection 30 selon l'invention et du microcontrôteur 36. La ligne L1 est dans ce cas considérée comme étant au potentiel de référence du dispositif de détection.

Un signal de commande logique Xr est appliqué à une entrée logique de contrôle 44 du microcontrôleur 36 à travers un photo-coupleur 46 d'isolement galvanique relié à une entrée de commande du relais EC. Un état logique du signal de commande logique Xr provoque la fermeture du relais et t'état logique complémentaire son ouverture.

Le microcontrôleur 36 foumit d'une part, par une première sortie logique 48 à travers un optotriac 50 un signal de mise en conduction du triac 34 et d'autre part par une deuxième sortie logique 52, à travers un transistor suiveur T1 un courant d'alimentation de la bobine 42 actionnant le contact électrique 32.

Le dispositif de détection 30 comporte la résistance de limitation R1 en série avec en série avec les deux diodes D1 et D2 montées en parallèle tte-bche et un comparateur 56 comportant deux entrées différentielles.

L'entrée inverseuse (-) du comparateur 56 à entrées differentielles est connectée à travers une résistance d'entrée R2 au point de connexion des diodes D1 et D2 et de la résistance de limitation R1, et la sortie non inverseuse (+) au point de potentiel variable d'un pont diviseur résistif comportant un potentiomètre P1 en série avec une résistance de talon R4, le pont diviseur étant connecté du côté du potentiomètre à l'alimentation régulée Va2 et du côté de la résistance talon au potentiel de référence (ligne L1). Une résistance de contre-réaction R5 relie la sortie logique SO du comparateur à t'entrée non inverseuse du comparateur 56.

La sortie logique SO du dispositif de détection 30 de passage par zéro de courant et de tension est connectée à une entrée logique de détection 58 du microcontrôteur 36.

Un côté des diodes D1, D2 en parallèle tte-bche, du dispositif de détection 30, est connecté à la borne du contact 32 reliée au potentiel de référence (C4), 1'autre côté des diodes étant relié à travers la résistance de limitation R1 et une résistance de ballast R6 à t'autre borne du contact 32. Le point de jonction de la résistance de limitation R1 et la résistance de ballast R6 étant connecté au potentiel de référence (ligne L1) par une diode zéner Z1 limitant à la tension de zéner Vz la tension aux bornes du dispositif de détection lorsque l'interrupteur est ouvert et le circuit électrique sous tension.

Le dispositif de détection fournit au microcontrôleur, comme cela a été décrit précédemment, une information de passage par 0 volt de la tension du circuit électrique, lorsque le contact est ouvert et une information de passage par 0 ampère du courant dans le mme circuit, lorsque le contact est fermé.

Ces informations pourront ainsi tre utilisées par le microcontrôleur pour effectuer la fermeture et l'ouverture du contact électrique aux moments les plus favorables pour éviter les arcs entre ses bornes. Par exemple le microcontrôleur peut effectuer une fermeture du contact 32 lorsque la tension aux bornes du contact est proche de 0 volt et une ouverture lorsque le courant dans le circuit électrique est proche de 0 ampère.

Une entrée analogique 60 du microcontrôleur est connectée, à travers une résistance de protection R7, aux bornes des diodes reliées à la résistance de limitation R1. L'entrée analogique 60 reçoit, lorsque le contact 32 est fermé, la tension résiduelle Vc aux bornes du contact produite par le passage du courant (avec Vc = r. lch, Ich étant le courant dans l'impédance 38).

Cette tension analogique Résiduelle Vc est exploitée par le microcontrôleur 36 afin de faire des diagnostiques sur t'état du contact 32, effectuer des disjonctions (ouverture du contact) selon des critères de tension maximum et de vitesse de variation de cette tension ou autres fonctions possibles.

Le système de diagnostic selon l'invention, permet : -une surveillance de l'usure des contacts par la mesure de leur résistance de contact par le dispositif de détection et la possibilité de faire des diagnostics prédictifs et autotests ; -la réalisation de fonctions de disjonction en fonction d'une courbe de fumée intégrée dans un calculateur (ou un microcontrôleur) ;

-la détection de la fermeture du contact par la détection du passage de la tension de seuil des diodes ; -la détection de l'ouverture des contacts par la détection d'une tension inférieure au seuil des diodes ;