Disjoncteur hyper rapide assisté par un circuit de commande

Abstract

 Disjoncteur hyper rapide assisté par un circuit de commande à semi-conducteurs, comportant une bobine de répulsion, un disque de répulsion (37) associé à un pont de contact (39) portant les contacts mobiles (41), ledit disque de répulsion (37) collaborant avec ladite bobine de répulsion (35), et un moyen de maintien des contact à l'état fermé, caractérisé en ce que le moyen de maintien consiste en un ressort de maintien (27) agissant sur le disque de répulsion (37) associé au pont de contact (39) via un moyen de retenue (33) agissant sur le disque de répulsion (37) associé au pont de contact (39), moyen de retenue (27) qui exerce une pression suffisante pour ré­sister à une pression de contact imposée et qui est agencé de manière rétractable lors de la répulsion du disque (37) sous l'effet de la bobine de répulsion (35).

Description

Objet de l'invention

[0001] Cette invention est relative à un disjoncteur hy­per rapide limiteur de courant utilisable en moyenne tension et plus particulièrement adapté à la traction électrique, dans le matériel roulant ou le matériel fi­xe.

Résumé de l'état de la technique

[0002] Il est bien connu que les réseaux électriques tels que ceux utilisés en traction comme en industrie deviennent de plus en plus complexes et puissants. La conception des appareils de coupure doit évoluer pour couper des courants de plus en plus grands et réduire les frais de maintenance. Un appareil de coupure de la nouvelle génération doit être rapide pour limiter le courant et diminuer les sollicitations mécaniques et thermiques de toute l'installation ainsi que l'usure de ses contacts et de sa boîte de soufflage. Actuellement, les appareils de coupure comportent des mécanismes ul­tra-rapides pour l'ouverture des contacts et une boîte de soufflage dans laquelle l'arc créé est confiné et re­froidi. Ces appareils entraînent des frais significatifs dus aux interventions d'entretien et aux remplacements des pièces d'usure.

[0003] Diverses associations entre des mécanismes et des circuits de commande à semi-conducteurs ont été propo­sées.

[0004] Les brevets US 3723922 et US 3764944 décrivent un mécanisme destiné à un appareil de coupure synchrone, pour réseau alternatif, dans lequel le déplacement axial d'un disque relié à un pont de contact mobile par un ar­ bre central est obtenu par répulsion à l'aide de bobines de forme spirale excitées par un courant important pro­venant de la décharge d'un condensateur spécialement prévu pour cet usage. Cet appareil, conçu pour la haute tension en courant alternatif, travaille sous un vide poussé. Il utilise des bobines d'excitation de fabrica­tion complexe et des dispositifs particuliers de décélé­ration de l'arbre central.

[0005] La demande de brevet européen No.85 870 134.5 dé­crit un appareil dans lequel la coupure, sans arc signi­ficatif, est obtenue grâce à l'adjonction d'un circuit oscillant, commandé par semi-conducteurs et dont la self est utilisée comme bobine de répulsion, à un mécanisme hyper rapide à maintien électromagnétique dans lequel un même élément fait à la fois office de disque de répul­sion et de pont de contact mobile..

[0006] Le mécanisme est associé à un circuit oscillant par l'intermédiaire de semi-conducteurs de puissance et comprend notamment :
- une bobine de répulsion de forme spirale, située dans une masse isolante et faisant office de self du cir­cuit oscillant,
- un disque métallique faisant office de pont de contact et collaborant avec la bobine de répulsion,
- un ensemble mobile à mouvement alternatif,
- un aimant permanent ou un bobinage de maintien et une culasse magnétique insérés dans cet ensemble mobile,
- une armature collaborant avec la culasse magnétique en liaison avec le disque.

[0007] Dans le cas de l'appareillage qui y est décrit, on obtient un effort de répulsion qui prend très vite une importance considérable sans pour cela nécessiter un stockage important d'énergie sous forme mécanique (par exemple la déformation de ressorts ou la mise sous pres­sion d'un fluide).

[0008] On a ensuite tenté d'améliorer l'efficacité à la coupure de ce type d'appareillage par un circuit de com­ mande plus performant qui empêche essentiellement la formation d'arc et qui permet, de ce fait, une durée de vie prolongée et/ou un espacement prolongé des entre­tiens.

[0009] Il est toutefois apparu que dans certains cas d'application, la partie mécanique du disjoncteur hyper rapide accuse un retard à l'ouverture trop inportant et une vitesse d'ouverture trop peu élevée. Le retard à l'ouverture se définit comme étant le laps de temps qui s'écoule entre le début de l'ordre d'ouverture et l'in­stant où les contacts mobiles commencent à s'écarter des contacts fixes.

[0010] La vitesse d'ouverture doit surtout être impor­tante en début de course pour obtenir rapidement une distance suffisante.

[0011] Cet inconvénient du disjoncteur du type susmen­tionné est essentiellement dû au fait que la partie mo­bile présente un moment d'inertie assez important puis­qu'elle doit être magnétique afin de tenir sur un aimant permanent ou un électro-aimant pour le maintien des con­tacts à l'état fermé et assurer une pression de contact déterminée entre le pont portant les contacts mobiles et les contacts fixes.

Buts de l'invention

[0012] Le but de la présente invention consiste à four­nir un disjoncteur hyper rapide convenant pour les moyennes et hautes tensions, assisté par un circuit de commande, qui comporte une partie mécanique particuliè­rement performante.

[0013] Un but complémentaire de la présente invention consiste à fournir un disjoncteur hyper rapide du type susmentionné dont les parties mobiles présentant un mo­ment d'inertie réduit par rapport à ce qui est connu dans l'état de la technique.

[0014] Un autre but complémentaire de la présente inven­ tion vise à fournir un disjoncteur hyper rapide perfor­mant, de construction particulièrement simple qui est robuste et malgré tout peu onereux.

Principe de l'invention

[0015] Selon la présente invention, le disjoncteur hyper rapide assité par un circuit de commande à semi-conduc­teurs, comportant une bobine de répulsion, un disque de répulsion associé à un pont de contact portant les con­tacts mobiles, ledit disque de répulsion collaborant avec ladite bobine de répulsion, et un moyen de maintien des contacts à l'état fermé, est caractérisé en ce que le moyen de maintien consiste en un ressort de maintien agissant sur la disque de répulsion associé au pont de contact via un moyen de retenue agissant sur ledit dis­que de répulsion, moyen de retenue qui exerce une pres­sion suffisante pour résister à une pression de contact imposée et qui est agencé de manière rétractable lors de la répulsion du disque sous l'effet de la bobine de ré­pulsion.

[0016] Lors de l'armement le ressort de maintien est écrasé et le disjoncteur est armé par l'action d'air comprimé. Dès la fin de l'armement, le ressort de main­tien peut libérer toute son énergie pour appliquer le pont de contact et donc les contacts mobiles contre les contacts fixes. Il est bien évident que pour vaincre la répulsion électro-dynamique et en vue de limiter la for­mation de pré-arcs entre les contacts fixes et mobiles, il y a lieu de prévoir un ressort, de préférence pre­comprimé, suffisamment puissant.

[0017] Selon une forme d'exécution de la présente inven­tion, le disque de répulsion comporte, du côté opposé à celui qui est associé au pont de contact, une queue sur laquelle agit le moyen de retenue.

[0018] Avantageusement, le moyen de retenue consiste en une pluralité de billes ou galets, de préférence deux ou quatre billes ou galets, appliqués sous pression, éven­tuellement à l'aide d'un ressort, contre ladite queue solidaire du disque de répulsion de préférence selon des axes orientés perpendiculairement à l'axe de la queue.

[0019] Selon une forme d'exécution préférée, la queue comporte une surface tronconique allant en augmentant en s'écartant du disque de répulsion, ou des plans inclinés s'écartant de l'axe de ladite queue en s'éloignant du disque de répulsion, l'extrémité de la surface tronconi­que ou des plans inclinés, proche du disque de répulsion étant munie d'un épaulement servant de butée de logement des billes ou galets, et l'extrémité de la surface tron­conique ou des plans inclinés, éloignée du disque de ré­pulsion comportant une gorge de logement des billes ou galets, la distance séparant l'épaulement de la gorge correspondant essentiellement à la course des contacts mobiles.

[0020] On constate aisément que la pièce mobile qui doit être soumise à des accélérations importantes lors de la rupture des contacts, par exemple en cas de court-cir­cuit, se réduit à une pièce légère de faible moment d'i­nertie comportant simplement le disque de répulsion as­socié au pont de contact et à la queue. On peut évidem­ment encore améliorer la comportement de cette pièce mo­bile en choisissant un matériau métallique léger appro­prié.

[0021] Avantageusement, le dispositif selon la présente invention comporte un moyen d'amortissement qui amortit le mouvement brusque du disque de répulsion associé à sa queue, lors de la coupure du circuit électrique, c'est-­à-dire lors de la répulsion par la bobine de répulsion. En effet, si avec les disjoncteurs du type connu, on at­teignait des accélérations importantes de la partie mo­bile, on a atteint, lors d'essais prélmiminaires du dis­joncteur conforme à la présente invention, des accéléra­tions supérieures à 30.000 g. On comprend alors aisément que, en vue d'éviter une destruction de l'appareil, il est nécessaire de prévoir au moins un amortisseur adé­quat.

[0022] À l'état de repos, c'est-à-dire contacts ouverts disjoncteur non armé, le ressort de maintien est précom­primé alors que le disque de répulsion se trouve en po­sition écartée des contacts fixes, c'est-à-dire que les billes ou galets sont appliqués sur la queue, à proximi­té du disque de répulsion, à savoir contre l'épaulement servant de butée de logement. Pour armer le disjoncteur représenté à titre exemplatif dans les figures, on in­troduit de l'air sous pression dans une chambre adéqua­te, qui comprime le ressort de maintien et déplace les billes ou galets de retenue le long de la surface tron­conique ou le long des plans inclinés, le disque de ré­pulsion étant retenu par une butée, jusqu'à ce que cel­les-ci ou ceux-ci s'engagent dans la gorge de logement à l'extrémité libre de la queue solidaire dudit disque de répulsion.

[0023] La fermeture du circuit électrique, c'est-à-dire la fermeture du disjoncteur doit s'effectuer de manière rapide et avec une force relativement importante en vue d'éviter la formation de pré-arcs et en vue de vaincre les forces de répulsion électro-dynamiques. Grâce à la libération de l'air comprimé, de préférence par mise à l'atmosphère, le ressort de maintien libère tout son é­nergie et applique le pont de contact avec ses contacts mobiles contre les contacts fixes par l'intermdiaire des billes ou galets logées dans ladite gorge de logement en bout de queue.

[0024] Lorsque la bobine de répulsion est excitée, les contacts fixes et mobiles sont séparés brusquement grâce à l'écartement brusque du disque de répulsion dont la queue s'appuie sur un moyen d'amortissement, les billes ou galets étant brusquement écartés et délogés de la gorge pour venir se loger, en fin de course du disque contre l'épaulement proche du disque de répulsion. Le ressort de maintien n'est pas sollicité par la répulsion car la partie mobile s'échappe du système de maintien de la pression. L'inertie des parties en mouvement est donc différente selon le sens du mouvement; grande lorsque les contacts se ferment, minimale à leur ouverture.

Brève description des figures

[0025] 

- la figure 1 représente le disjoncteur conforme à la présente invention, en coupe longitudina­le, en positio de repos; et

- la figure 2 est une coupe longitudinale analogue à la précédente, la partie gauche étant repré­sentée à l'état armé et la partie droite à l'état fermé.

Description détaillée d'une forme d'exécution préférée

[0026] Dans les figures, des repères de références iden­tiques représentent des éléments identiques ou analo­gues.

[0027] Le disjoncteur 1 conforme à la présente invention comporte un cylindre 3 obturé à une extrémité par un couvercle de fond 5 qui y est fixé par l'intermédiaire d'une bride 7, d'une bague 9 logée dans une gorge cor­respondante 11 dudit cylindre, le couvercle étant serré moyennant des vis ou adéquats 13, et obturé à l'autre extrémité par un deuxième couvercle 15 qui y est fixé de manière analogue par une bride 17, une bague 19 et des vis ou boulons 21.

[0028] Ledit cyclindre 3 comporte, à l'intérieur, un piston 25 qui peut coulisser dans celui-ci, et une res­sort de maintien 27 qui s'appuie sur le couvercle de fond 5 et sur un épaulement 29 pratiqué dans ledit pis­ton. Ledit piston est surmonté d'un fourreau 31 qui tra­verse le couvercle 15 dans son ouverture centrale cor­respondante 16. Ledit fourreau 31 est surmonté, à son extrémité libre, du moyen de retenue portant le repère général 33.

[0029] Le disjoncteur conforme à la présente invention est surmonté d'une bobine de répulsion 35 avantageuse­ment coulée dans une résine 35′, le tout étant assemblé par des boulons ou tiges filetées 36.

[0030] Il comporte encore un disque de répulsion 37 as­socié à un pont de contact 39 portant les contacts mobi­les 41, et à une queue 43 décrite plus en détail ci-­après.

[0031] Le moyen de retenue 33 monté sur l'extrémité du fourreau 31 par vissage par exemple comporte une plura­lité de billes ou galets 51 qui sont appliqués contre la queue 43 du disque de répulsion 37 moyennant une pres­sion réglable. En effet, un pousseur 53 actionné par un ressort 55 logé dans un guide 57, de préférence cylin­drique, obturé par un couvercle 59, et muni d'une butée 61 empêchant l'enfoncement du pousseur, appuie sur une bille ou galet 51.

[0032] La queue 43 est rendue solidaire du disque de ré­pulsion 37. Selon une première forme d'exécution, la queue 43 se présente sous forme d'une surface tronconi­que 61 munie à l'extrémité proche du disque de répulsion 37 d'un épaulement 63 et, à l'extrémité libre, d'une gorge 65. Dans cette forme d'exécution utilisée en asso­ciation avec des billes 51, le disque de répulsion est libre de tourner autour de son axe 38, ce qui permet de réduire l'usure locale des contacts mobiles 41.

[0033] Selon une autre forme d'exécution, la queue 43 comporte de préférence 4 plans inclinés 61 qui s'écar­tent de l'axe 38 en s'éloignant du disque de répulsion 37. Dans cette forme d'exécution utilisée en association avec des galets 51, la pression spécifique par le moyen de retenue est diminée. Si, en outre, on désire réduire l'usure des contacts mobiles, on peut, après un certain nombre de manoeuvre tourner le disque de 90° par exem­ple, si quatre galets ont été prévus.

[0034] Dans la forme d'exécution représentée, le dis­ joncteur comporte encore un amortisseur monté à l'inté­rieur d'un guide axial 69 solidarisé au couvercle de fond 5.

[0035] A l'état de repos (figure 1), le ressort 27 qui est de préférence précomprimé maintient le piston 23 et, de ce fait, le fourreau 31 en position haute, le disque de répulsion se trouvant en position basse, éloigné de la bobine de répulsion, en s'appuyant sur les billes ou galets 51 moyennant l'épaulement 63.

[0036] Pour armer le disjoncteur conforme à la présente invention (partie gauche de la figure 2), il y a lieu d'introduire de l'air sous pression par le ou les con­duits 75 pratiqués dans le couvercle 15. La chambre dé­limitée par la paroi du cylindre 3, le couvercle 15 et le piston 25 se remplit d'air comprimé et sous la pres­sion ainsi exercée, le ressort de maintien 27 se compri­me et le piston 25 est abaissé entraînant avec lui le fourreau 31 et le moyen de retenue 33. Un joint d'étan­chéité 77 maintient l'étanchéité entre le fourreau 31 et le couvercle 15. Un autre joint d'étanchéité 79 est des­tiné à maintenir l'étanchéité entre le piston 25 et le cylindre 3.

[0037] Afin d'empêcher que le moyen de retenue 33 n'en­traîne avec lui le disque de répulsion 37, vu la pres­sion des billes ou galets 51 sur une surface inclinée 61 par rapport à l'axe 38, ledit disque 37 est retenu par des butées fixes 83.

[0038] Il y a lieu de noter que la paroi cylindrique du piston 25 joue également le rôle de butée mécanique du ressort 27 empêchant que celui-ci soit comprimé à spires jointives. La paroi cylindrique est encore dimensionnée de manière telle que, lorsque le ressort 27 est comprimé au maximum, les billes ou galets 51 s'engagent dans la gorge annulaire 65.

[0039] Pour fermer le disjoncteur 1 conforme à la pré­sente invention dans les meilleures conditions, c'est-­à-dire relativement rapidement, il y a lieu de veiller à ce que le ressort de maintien 27 puisse rapidement libé­rer l'énergie emmagasinée. Pour ce faire, on peut mettre l'air comprimé à l'atmosphère par des conduits d'échap­pement 85. Dans ce cas, on limite la formation de pré-­arcs.

[0040] Le fourreau 31 solidaire dudit piston 25 entraîne avec lui, via le moyen de retenue, et plus particulière­ment les billes ou galets 51, la queue 43 et, partant, le disque de répulsion 37 jusqu'à ce que le pont de con­tact portant les contacts mobiles entre en contact avec les contacts fixes.

[0041] La force du ressort 55 doit donc être suffissante pour maintenir les billes ou galets 51 dans la gorge 65 durant cette étape et pour assurer une pression de con­tact optimale.

[0042] Supposons à présent que le courant croît de ma­nière inadmissible dans le circuit électrique dans le­quel est inséré le disjoncteur conforme à la présente invention. Dans ce cas, le circuit éléctrique de comman­de envoie une ogive de courant dans la bobine de répul­sion 35. Il en résulte l'établissement d'une force de répulsion particulièrement élevée agissant sur le disque 37. Cette force élevée permet de déloger les billes ou galets 51 de la gorge 65 par écrasement du ressort 55. Le disque de répulsion associé au pont de contact 39 et à la queue 43 subit ainsi une accélération particulière­ment élevée; ce qui réduit le risque de formation d'arc et d'usure des contacts.

[0043] Le disque de répulsion ainsi accéleré doit égale­ment être freiné. Le rôle de freinage est joué par l'a­mortisseur 67 et par les billes ou galets 51 qui permet­tent également un logement du disque 37 dans la position de repos de la figure 1 grâce à l'épaulement 63.

[0044] Dans les figures, on a représenté un pont de con­tact associé au disque de répulsion moyennant un pied 91. Dans ce cas, la bobine de répulsion 35 présente avantageusement un diamètre proche de celui du disque de répulsion. Dans la mesure où l'on désire une self plus importante, on peut prévoir une bobine 35 surdimension­née par rapport au diamètre du disque de répulsion 37.

[0045] On peut toutefois également prévoir que le pont de contact et le disque de répulsion ne font qu'une seu­le pièce, les contacts mobils étant alors agencés sur la périphérie du disque de répulsion.

[0046] Il y a évidemment lieu de prévoir les tolérances et jeu nécessaires à un bon fonctionnement. Dans cet or­dre d'idée, on peut citer un jeu 93 destiné à rattraper l'usure des contacts.

[0047] Le disjoncteur conforme à la présente invention peut être associé à tout circuit de commande électroni­que comportant une self servant de bobine de répulsion.

Revendications

1. Disjoncteur hyper rapide assisté par un cir­cuit de commande à semi-conducteurs, comportant une bo­bine de répulsion, un disque de répulsion (37) associé à un pont de contact (39) portant les contacts mobiles 41), ledit disque de répulsion (37) collaborant avec ladite bobine de répulsion (35), et un moyen de maintien des contact à l'état fermé, caractérisé en ce que le moyen de maintien consiste en un ressort de maintien (27) agissant sur le disque de répulsion (37) associé au pont de contact (39) via un moyen de retenue (33) agis­sant sur le disque de répulsion (37) associé au pont de contact (39), moyen de retenue (37) qui exerce une pres­sion suffisante pour résister à une pression de contact imposée et qui est agencé de manière rétractable lors de la répulsion du disque (37) sous l'effet de la bobine de répulsion (35).

2. Disjoncteur selon la revendication 1 caracté­risé en ce que le disque de répulsion (37) comporte, du côté opposé à celui qui est associé au pont de contact (39), une queue (43) sur laquelle agit le moyen de rete­nue (33).

3. Disjoncteur selon la revendication 2 caracté­risé en ce que le moyen de retenue (33) consiste en une pluralité de billes ou galets (51) appliqués sous pres­sion contre la queue (43) solidaire du disque de répul­sion (37), de préférence selon des axes orientés perpen­diculairement à l'axe (38) de ladite queue (43).

4. Disjoncteur selon l'une quelconque des reven­dications 2 ou 3 caractérisé en ce que la queue (43) as­sociée au disque de répulsion (37) comporte une surface tronconique (61) allant en augmentation en s'écartant du disque (37), ou des plans inclinés (61) par rapport à l'axe (38) s'écartant de celui-ci en s'éloignant dudit disque (37), l'extrémité de la surface tronconique ou des plans inclinés, proche du disque de répulsion (37) étant munie d'un épaulement (63) et l'extrémité opposée éloignée dudit disque comportant une gorge de logement (65) des billes ou galets (51), la distance séparant l'épaulement (63) de la gorge (65) correspondant essen­tiellement à la course des contacts mobiles (41).

5. Disjoncteur selon l'une quelconque des reven­dications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre (3) obturé par un couvercle de fond (5) et par un couvercle (15) muni d'une ouverture axiale (16), un piston (25) surmonté d'un fourreau (31) traversant ladite ouverture axiale (16) et portant le moyen de re­tenue (33), un ressort de maintien (27) étant agencé en­tre le couvercle de fond (5) et un épualement (29) du piston et étant écrasable par l'action d'air comprimé dans l'espace compris entre la paroi du cylindre (3), le couvercle (15) comportant au moins un conduit d'admis­sion (75) et au moins un conduit d'échappement (85), et le piston (25), ledit espace comportant des joints d'é­tanchéité (79, 77) et au moins une butée d'amortissement (81), éventuellement de forme annulaire munie d'une ou­verture de passage radiale.

6. Disjoncteur selon l'une quelconque des reven­dications précédentes caractérisé en ce que le disque de répulsion fait office de pont de contact et porte les contacts mobiles.

7. Disjoncteur selon l'une quelconque des reven­dications là 5 caractérisé en ce que le pont de contact (39) est rendu solidaire du disque de répulsion (37) par l'intermédiaire d'un pied (91).

8. Disjoncteur selon l'une quelconque des reven­dications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'amortissement (67), collaborant avec la queue (43).

9. Disjoncteur selon l'une quelconque des reven­dications précédentes caractérisé en ce que la bobine de répulsion (35) est coulée dans une résine isolante (35′).

10. Disjoncteur selon la revendication 8 caracté­risé en ce que la queue (43) du contact mobile est elle-­même la partie mobile de l'amortisseur.

Dessins