(19)
(11)EP 3 218 916 B1

(12)FASCICULE DE BREVET EUROPEEN

(45)Mention de la délivrance du brevet:
07.11.2018  Bulletin  2018/45

(21)Numéro de dépôt: 15804887.6

(22)Date de dépôt:  10.11.2015
(51)Int. Cl.: 
H01H 83/14  (2006.01)
H01H 71/30  (2006.01)
(86)Numéro de dépôt:
PCT/FR2015/053039
(87)Numéro de publication internationale:
WO 2016/075403 (19.05.2016 Gazette  2016/20)

(54)

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE À BOBINES MULTIPLES

ELEKTROMAGNETISCHER AKTUATOR MIT MEHREREN WICKLUNGEN

ELECTROMAGNETIC ACTUATOR WITH MULTIPLE WINDINGS


(84)Etats contractants désignés:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorité: 14.11.2014 FR 1460979

(43)Date de publication de la demande:
20.09.2017  Bulletin  2017/38

(73)Titulaire: HAGER-ELECTRO SAS
67210 Obernai (FR)

(72)Inventeur:
  • CHAMAGNE, Alexandre
    67140 Eichhoffen (FR)

(74)Mandataire: Nuss, Laurent et al
Cabinet Nuss 10, rue Jacques Kablé
67080 Strasbourg Cedex
67080 Strasbourg Cedex (FR)


(56)Documents cités: : 
EP-A1- 0 962 952
DE-C- 531 282
  
      
    Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen).


    Description

    DOMAINE DE L'INVENTION



    [0001] La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique dont l'immunité aux chocs électriques a été renforcée. Elle concerne en particulier les actionneurs électromécaniques qui sont utilisés en association avec des serrures de déclenchement d'appareils électriques de protection de lignes, par exemple des appareils différentiels et/ou de disjonction dépendants de la tension secteur.

    [0002] Ces appareils doivent déclencher dans des conditions bien particulières, typiquement lorsqu'il se produit un déséquilibre entre la somme des courants entrants et la somme des courants sortants de la ligne protégée par l'appareil en question, ce qui correspond à une protection « différentielle » suite à un défaut différentiel, ou lorsque l'intensité du courant est anormalement élevée, ce qui correspond à une protection « magnétique » suite à un défaut de court-circuit.

    [0003] Un actionneur comporte classiquement des bobines entourant un noyau magnétique mobile susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines. Plus précisément, il comporte :
    • une bobine dite « différentielle » générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ;
    • une bobine dite « magnétique » générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger.


    [0004] Il s'agit en réalité d'un actionneur à enroulement multiple, qui consiste en une solution compacte permettant d'assurer différents types de protections avec un même actionneur.

    ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION



    [0005] Le problème que se propose de résoudre cette invention est le suivant : les circuits protégés par des appareils électriques tels que ceux mentionnés auparavant subissent des tests et sont soumis à des essais de compatibilité électromagnétique (CEM), afin de vérifier s'ils sont suffisamment immunisés contre les perturbations provenant des autres équipements, ou plus généralement de l'environnement.

    [0006] Ces essais sont normés, et consistent à envoyer plusieurs ondes de courant 8/20µs, puis une onde de tension 1,2/50µs dans l'appareil électrique. Ce dernier ne doit pas déclencher dans ces conditions. Cela signifie qu'en appliquant de telles ondes, il ne doit pas survenir de claquage diélectrique, ni de détérioration de composant à l'intérieur de l'appareil.

    [0007] Il est d'usage qu'un tel actionneur soit piloté par un élément de commande, par exemple un thyristor, lui-même activé lorsque le circuit de détection de l'appareil détecte un défaut. Une varistance protège l'élément de commande en cas d'onde de surtension comme une onde de tension 1,2/50µs. Cette varistance devient passante au-delà d'un seuil de tension défini et permet ainsi de limiter la tension aux bornes de l'élément de commande à une valeur inférieure à la tension de claquage de l'élément de commande.

    [0008] Lorsqu'une onde de tension 1,2/50µs circule dans la bobine différentielle, elle peut provoquer un déclenchement intempestif de l'appareil sous 2kV, alors que la norme exige que l'actionneur soit capable de supporter des chocs sans déclenchement en dessous de 2kV.

    [0009] Lorsqu'une onde de courant 8/20µs circule dans la bobine magnétique, et si les spires de la bobine différentielle sont imbriquées dans les spires de la seconde bobine magnétique, par couplage électromagnétique, apparaît une importante tension induite aux bornes de la première bobine différentielle, ce qui provoque des claquages diélectriques avec une destruction de la protection différentielle.

    [0010] Pour pallier à ces deux problèmes, une solution actuelle consiste à placer une varistance additionnelle aux bornes de la bobine différentielle. Cette solution permet d'éviter les claquages en onde de courant 8/20µs, mais a pour inconvénient d'augmenter la tension (de l'ordre de 1000V) aux bornes de l'élément de commande lors d'une onde de tension 1,2/50µs à cause du très fort courant (de l'ordre de 1000A) drainé par les deux varistances en série. L'élément de commande, pour ne pas se dégrader prématurément, doit donc être capable de supporter une telle tension. Il consistera donc, par exemple, en un thyristor 1200V ou un IGBT, c'est-à-dire un composant relativement cher.

    [0011] Il est possible d'ajouter une résistance en amont de la bobine différentielle afin de limiter le courant qui traverse les varistances, mais cela remet en cause la compacité de l'actionneur, et l'élément de commande sera tout de même choisi parmi des composants chers pour supporter à la fois les ondes de tension 1,2/50µs et les ondes de courant 8/20µs.

    [0012] La solution employée actuellement s'avère donc relativement coûteuse.

    [0013] Le document EP0962952 décrit un actionneur selon le préambule de la revendication 1.

    RÉSUMÉ DE L'INVENTION



    [0014] L'objectif poursuivi, dans le cadre de la présente invention, réside donc à développer un actionneur électromagnétique capable de supporter des chocs provoqués par des surtensions brèves non provoquées par un dysfonctionnement du circuit proprement dit, sans induire de déclenchement de l'appareil dans lequel l'actionneur est intégré. La fabrication d'un tel actionneur électromagnétique devra de plus être simple de mise en oeuvre et peu coûteuse.

    [0015] L'actionneur électromagnétique selon l'invention comporte, de façon classique :
    • une bobine différentielle générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ;
    • une bobine magnétique, imbriquée avec la bobine différentielle, et générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger.


    [0016] Cet actionneur se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte également une troisième bobine enroulée en court-circuit et imbriquée avec lesdites bobines différentielle et magnétique, générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine magnétique.

    [0017] L'idée principale de cette invention consiste à prévoir une bobine supplémentaire court-circuitée au lieu d'une varistance supplémentaire comme cela était le cas dans l'art antérieur. Cette solution est autant avantageuse d'un point de vue économique, puisqu'une bobine est moins coûteuse qu'une varistance, que d'un point de vue compacité, car la bobine supplémentaire est imbriquée dans le volume défini par les bobines déjà existantes et ne prend donc pas de place supplémentaire.

    [0018] Lorsque la bobine magnétique est traversée par une onde de courant 8/20µs, elle génère un champ magnétique. La bobine court-circuitée capte ce champ magnétique de par son positionnement au voisinage de la bobine magnétique, et créé naturellement, par couplage magnétique, un courant induit qui la traverse dans le sens opposé au courant qui circule dans la bobine magnétique. Ce courant induit créée alors un champ magnétique qui s'oppose à celui créé par la bobine magnétique. Le champ magnétique résultant est nettement inférieur à celui initialement créé par la bobine magnétique, ce qui permet de réduire la tension induite sur la bobine différentielle.

    [0019] Cette configuration permet d'éviter les claquages provoqués par les ondes de courant 8/20µs, sans influencer sur le bon fonctionnement de l'actionneur lors d'une onde de tension 1,2/50µs.

    [0020] De plus, puisque la tension induite sur la bobine différentielle est réduite, les composants situés en aval, c'est-à-dire la varistance aux bornes de l'élément de commande et l'élément de commande, peuvent être sélectionnés dans une gamme inférieure et donc moins coûteuse.

    [0021] L'invention est axée sur le fait que les trois bobines sont localisées dans un même espace défini afin d'avoir un couplage magnétique entre elles. Les trois bobines peuvent même être coaxiales afin de simplifier leur bobinage et leur positionnement au sein de l'actionneur. Cette configuration permet d'assurer une compacité maximale de l'actionneur.

    [0022] Selon une possibilité, la troisième bobine court-circuitée et la bobine différentielle ont un point en commun pour le bobinage, par exemple au niveau d'une broche d'une chemise cylindrique autour de laquelle sont enroulées simultanément les spires des deux bobines lors de l'étape de bobinage pendant la fabrication de l'actionneur. Ce point commun permet ainsi de faciliter le bobinage simultané des deux bobines et l'intégration de la bobine court-circuitée au sein de l'actionneur.

    [0023] De manière générale, la bobine court-circuitée est dimensionnée de sorte à ce qu'elle n'interfère pas sur le fonctionnement normal des bobines magnétique et différentielles.

    [0024] L'invention protège également un appareil électrique de protection de ligne comprenant un actionneur électromagnétique tel que décrit ci-dessus.

    [0025] La présente invention va être mieux comprise à partir de la description détaillée ci-après et des dessins annexés qui sont fournis à titre d'illustration uniquement, sans limiter la présente invention.

    BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES



    [0026] L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées, pour lesquelles :
    • la figure 1 représente une vue schématique de l'actionneur selon l'invention ;
    • la figure 2 consiste en un graphique montrant l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur lors d'une onde de courant 8/20µs.


    [0027] L'actionneur de l'invention tel qu'illustré en figure 1 comporte une bobine magnétique (1) et une bobine différentielle (2) connectées en parallèle dans la ligne protégée, c'est-à-dire typiquement entre phase Ph et neutre N. Cet actionneur est placé classiquement en amont d'une charge présente sur la ligne à protéger.

    [0028] Ces bobines (1, 2) entourent un noyau magnétique mobile (non représenté) susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines (1, 2), de manière à fermer ou ouvrir les contacts (8) positionnés en amont de la charge.

    [0029] Cet actionneur est piloté par un élément de commande (5), un thyristor en l'occurrence, lui-même activé lorsque le circuit de détection (non représenté) de l'appareil détecte un défaut. Ce thyristor (5) est placé en aval de la bobine différentielle (2) entre la phase Ph et le neutre N.

    [0030] Une varistance (4), connectée en parallèle du thyristor (5), protège ce dernier en cas d'onde de surtension.

    [0031] Cet actionneur comporte de plus une bobine court-circuitée (3) sur elle-même. Les trois bobines (1, 2, 3) sont séparées les unes des autres sur la figure 1, mais sont en réalité imbriquées les unes dans les autres de manière à générer un couplage magnétique.

    [0032] La bobine (3), de par sa formation en court-circuit, générera toujours un champ magnétique opposé au champ généré par la bobine magnétique (1) lors d'une onde de courant 8/20µs, et ce peu importe le sens de bobinage. Par conséquent, la tension aux bornes de la bobine différentielle (2) est réduite, ce qui permet d'éviter les claquages diélectriques et la détérioration de la varistance et du thyristor adjacents.

    [0033] La bobine court-circuitée (3) et la bobine différentielle (2) peuvent être reliées au niveau d'un point commun (7), qui se trouve alors au potentiel phase. La liaison est représentée en pointillé sur la figure 1. Elle sert de point d'ancrage pour le bobinage simultané des deux bobines (2, 3).

    [0034] La figure 2 permet d'illustrer la réduction de la tension induite sur la bobine différentielle lors d'une onde de courant 8/20µs de 3000A. Dans cet exemple, la bobine magnétique comporte 7 spires, et la bobine différentielle comporte 1000 spires.

    [0035] La courbe (10) montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur de l'art antérieur tel que décrit précédemment, sans varistance additionnelle. La tension induite présente un pic qui grimpe au-delà de 12000V.

    [0036] La courbe (11) montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur selon l'invention, avec une troisième bobine ayant 100 spires mises en court-circuit et imbriquées dans les deux autres bobines. Par rapport à la courbe (10), la tension induite est divisée par 3, et monte à 4000V au maximum.

    [0037] La courbe (12) enfin montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur selon l'invention, avec une troisième bobine ayant 200 spires mises en court-circuit et imbriquées dans les deux autres bobines. L'augmentation du nombre de spires en court-circuit permet encore de diminuer la tension induite, et cette dernière s'élève à moins de 3000V.


    Revendications

    1. Actionneur électromagnétique de protection de ligne, comprenant plusieurs bobines entourant un noyau magnétique mobile susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines, et comportant :

    - une bobine différentielle (2) générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ;

    - une bobine magnétique (1), caractérisé en ce que ladite bobine magnétique (1) est imbriquée avec la bobine différentielle (2), et génére un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger ;

    et en ce que l'actionneur électromagnetique comporte également une troisième bobine (3) enroulée en court-circuit et imbriquée avec lesdites bobines différentielle (2) et magnétique (1), générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine magnétique (1).
     
    2. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les trois bobines (1, 2, 3) sont coaxiales.
     
    3. Actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la troisième bobine (3) court-circuitée et la bobine différentielle (2) ont un point en commun (7) pour le bobinage.
     
    4. Appareil électrique de protection de ligne comprenant un actionneur électromagnétique tel que décrit dans les revendications précédentes.
     


    Ansprüche

    1. Elektromagnetischer Aktuator zum Leitungsschutz, der mehrere Spulen umfasst, die einen beweglichen magnetischen Kern umgeben, der sich von einer Ruheposition zu einer Betätigungsposition unter der Einwirkung des Magnetfelds, das von den Spulen erzeugt wird, bewegen kann, und der Folgendes umfasst:

    - eine Differenzspule (2), die ein Magnetfeld als Reaktion auf einen Fehler vom differenziellen Typ auf der zu schützenden Stromleitung erzeugt;

    - eine Magnetspule (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (1) mit der Differenzspule (2) verschachtelt ist und ein Magnetfeld als Reaktion auf einen Fehler vom Typ Kurzschluss auf der zu schützenden Stromleitung erzeugt;
    und dass der elektromagnetische Aktuator auch eine dritte Spule (3) umfasst, die in Kurzschluss gewickelt und mit der Differenzspule (2) und der Magnetspule (1) verschachtelt ist, die ein Magnetfeld erzeugt, das dem Magnetfeld, das von der Magnetspule (1) geschaffen wird, entgegengesetzt ist.


     
    2. Elektromagnetischer Aktuator nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die drei Spulen (1, 2, 3) koaxial sind.
     
    3. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die kurz geschlossene dritte Spule (3) und die Differenzspule (2) einen gemeinsamen Punkt (7) für das Wickeln haben.
     
    4. Elektrisches Leitungsschutzgerät, das einen elektromagnetischen Aktuator wie in den vorhergehenden Ansprüchen beschrieben umfasst.
     


    Claims

    1. Electromagnetic line protection actuator comprising a plurality of coils surrounding a movable magnetic core capable of moving from a rest position to an actuating position under the effect of the magnetic field created by the coils and comprising:

    - a differential coil (2) generating a magnetic field in response to a differential type fault on the current line to be protected;

    - a magnetic coil (1) characterised in that said magnetic coil (1) is imbricated with the differential coil (2) and generates a magnetic field in response to a short circuit type fault on the current line to be protected, and in that the electromagnetic actuator also comprises a third coil (3) wound in a short circuit and imbricated with said differential coil (2) and said magnetic coil (1), generating a magnetic field opposite to the magnetic field created by the magnetic coil (1).


     
    2. Electromagnetic actuator according to the preceding claim, characterised in that the three coils (1, 2, 3) are coaxial.
     
    3. Electromagnetic actuator as claimed in any of preceding claims, characterised in that the short-circuited third coil (3) and the differential coil (2) have a common point (7) for the winding.
     
    4. Electric line protection device comprising an electromagnetic actuator as described in the preceding claims.
     




    Dessins






    RÉFÉRENCES CITÉES DANS LA DESCRIPTION



    Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.

    Documents brevets cités dans la description