DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention concerne le domaine de la protection des contacteurs, et notamment de
la mise en place de dispositifs permettant de compenser les forces électrodynamiques
de répulsion qui ont tendance à provoquer l'ouverture intempestive des contacts générant
leur usure, voire leur soudure. L'invention se rapporte à l'optimisation de tels dispositifs
de compensation pour que l'encombrement et la consommation électrique des contacteurs
soient minimaux tout en permettant qu'ils assurent correctement leur fonction en cas
de surcharges dues à des courts-circuits.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0002] Dans un contacteur, pour assurer le passage du courant, un équilibre est établi entre
un mécanisme faisant ressort assurant une pression entre les contacts et la force
de répulsion générée au niveau des contacts par le passage du courant. Un contacteur
est normalement prévu pour supporter des courants efficaces de l'ordre de plusieurs
fois, par exemple douze fois, son courant nominal selon la charge commandée ; au-delà,
les forces de répulsion prédominent et peuvent surmonter l'action du ressort de pression,
si bien que les contacts vont se séparer pour se refermer dès que le courant diminue.
Or les chocs entre contacts créent un risque de soudure, ou tout au moins d'usure
excessive. Un contacteur est donc classiquement associé à un dispositif de coupure
ou de limitation qui évite le passage d'un courant excessif en cas de court-circuit
ou de surcharge importante, de sorte que le contacteur n'a en principe pas le temps
de subir un dommage.
[0003] Cependant, si la surcharge correspond à des courants efficaces moins importants (par
exemple de l'ordre de quinze fois le courant nominal), le dispositif limiteur n'agit
pas, ou pas immédiatement. De fait, il existe une zone de courant de surcharge dans
laquelle le seuil de répulsion des contacts est dépassé sans limitation du courant.
Pour compenser l'effet des forces de répulsion électrodynamique pendant l'intervalle
de temps séparant l'apposition de la surcharge et l'ouverture du circuit sans augmenter
inconsidérément la taille des ressorts de pression, des compensateurs magnétiques
ont été proposés, par exemple dans les documents
FR 2 517 463,
US 3 887 888 ou
EP 0 974 997. Un dispositif de compensation, également appelé U magnétique ou « main de fer »,
comprend deux pièces magnétiques formant entre elles un entrefer variable et entourant
le contact mobile, de sorte à former un électroaimant.
[0004] Le compensateur magnétique peut être positionné de façon fixe par rapport au boîtier
du contacteur, auquel cas il peut gêner la réouverture des contacts et dégrader les
performances du contacteur lors de la coupure ; de préférence, l'une des deux pièces
en forme de U est donc reliée au mécanisme de support des contacts mobiles. Le compensateur
magnétique est dimensionné pour ne pas contribuer d'une manière sensible à la pression
de contact en fonctionnement à courant nominal ; lorsqu'une surcharge développe des
forces de répulsion notables, le compensateur renforce efficacement la pression de
contact, maintenant ainsi leur position fermée.
[0005] Cependant, le U magnétique agit directement sur la partie mobile de l'électroaimant
et, en cas de d'efforts de compensation importants, il peut arracher cette partie
mobile, ce notamment pour un électroaimant alimenté en courant alternatif. Pour contrer
cet effet, une augmentation du courant de maintien du contacteur serait nécessaire,
mais au détriment de son encombrement et de sa consommation électrique.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0006] Parmi autres avantages, l'invention vise à pallier des inconvénients des compensateurs
magnétiques existants en optimisant leur fonctionnement. En particulier, l'invention
concerne une commande du courant de maintien (courant en position fermée) de l'électroaimant,
de façon à lui conserver une valeur minimale en fonctionnement normal et à l'augmenter
uniquement lorsque l'effort de contact doit être complémenté par le U magnétique.
Du fait de cette dissociation, l'effort engendré par la répulsion n'entraîne pas un
arrachement de l'actionneur, et la consommation électrique reste minimale en fonctionnement
normal, sans sur-dimensionnement de l'actionneur.
[0007] Sous un de ses aspects, l'invention concerne un contacteur muni d'un dispositif de
compensation magnétique et asservi. Le contacteur comprend de préférence au moins
un pont mobile de deux contacts, et un actionneur électromagnétique formé d'une bobine
et d'une partie mobile solidaire d'un dispositif porte-contacts couplé au pont de
contacts pour l'entraîner. Le dispositif de compensation, également objet de l'invention,
comprend deux pièces magnétiques mobiles l'une par rapport à l'autre, de préférence
une pièce en U et une pièce sensiblement plane fermant l'évidement du U, mais conservant
entre elles un entrefer non nul. Entre les deux pièces magnétiques se trouve un support
conducteur du contact mobile du contacteur de façon à former un électroaimant ; le
support est couplé fonctionnellement à l'une des pièces magnétiques de sorte qu'une
diminution de l'entrefer exerce une force en direction de la fermeture des contacts.
[0008] La bobine de l'actionneur du contacteur est munie de moyens d'alimentation pouvant
être commandés. Selon une option, la bobine peut comprendre une pluralité d'enroulements,
et les moyens d'alimentation comprennent des moyens interrupteurs, comme des transistors,
permettant de déconnecter un des enroulements, de façon à modifier le champ créé par
la bobine et donc la force générée par l'électroaimant dans les pièces magnétiques
en fonction de la commande des moyens interrupteurs. Selon un autre mode de réalisation,
la bobine du compensateur magnétique comprend des moyens d'alimentation électroniques,
et une commande desdits moyens permet de modifier le courant circulant dans la bobine,
par exemple via la fréquence d'un signal modulé, notamment en modulation de tension.
[0009] Les moyens d'alimentation de la bobine permettent son asservissement, et donc l'asservissement
de la force de l'actionneur en fonction de l'action développée par le compensateur
; ils sont associés à des moyens permettant de mesurer une grandeur représentative
du courant circulant au sein des deux pièces magnétiques du compensateur, c'est-à-dire
entre les contacts du contacteur, et des moyens de comparaison de cette grandeur représentative
à un seuil de façon à commander les moyens d'alimentation. Les moyens de mesure peuvent
être de différentes natures, et par exemple permettre une mesure directe du courant
circulant entre les pôles, ou la mesure d'un paramètre dépendant du courant. En particulier,
les moyens de mesure comprennent des moyens de mesure du flux magnétique au sein des
pièces magnétiques du compensateur.
[0010] Plus généralement, l'invention est relative à un appareil électrique comprenant :
- au moins une paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre ;
- un actionneur électromagnétique des contacts comprenant une bobine formant un électroaimant
avec un support conducteur d'un contact mobile ;
- un dispositif de compensation magnétique de la répulsion de contacts comprenant une
première pièce magnétique couplée fonctionnellement au support de contact mobile et
une deuxième pièce magnétique définissant entre elles un entrefer variable non nul
et un passage dans lequel est positionné ledit support de contact mobile de façon
à former un électroaimant ;
caractérisé en ce que l'appareil comprend en outre : des moyens d'alimentation de la bobine de l'actionneur
susceptibles d'être commandés ; des moyens de mesure d'une grandeur représentative
du courant circulant entre les contacts ; des moyens de traitement de la grandeur
représentative du courant circulant entre les contacts pour la comparer à un seuil
; et des moyens pour commander les moyens d'alimentation de la bobine en fonction
du résultat des moyens de traitement de façon au augmenter le courant alimentant dans
la bobine lorsque le courant circulant entre les contacts dépasse le seuil.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0011] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description
qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif
et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées.
La figure 1 représente le mécanisme d'un contacteur muni d'un dispositif de compensation
qui peut être associé à un asservissement selon l'invention.
La figure 2 montre les efforts exercés au cours du temps dans un contacteur avec compensateur
magnétique selon l'art antérieur en présence d'un court-circuit.
La figure 3 illustre l'utilisation d'un compensateur selon un mode de réalisation
préféré de l'invention.
Les figures 4A et 4B montrent le schéma d'asservissement d'une bobine selon un mode
de réalisation d'un contacteur selon l'invention.
La figure 5 représente un asservissement pour un autre mode de réalisation d'un contacteur
selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE
[0012] La figure 1 représente schématiquement le mécanisme d'ouverture et fermeture d'un
contacteur unipolaire 10. Deux conducteurs 12 portent chacune un contact fixe 14 qui
coopère avec un contact mobile 16 entre une position ouverte et une position fermée
; les deux contacts mobiles 16 sont solidarisés entre eux via un pont 18, et sont
actionnés par un dispositif électromagnétique 20 comprenant une bobine 22 associée
à un dispositif porte-contacts 24 solidaire du support 18 des contacts mobiles 16.
Un ressort de pôle 26, logé à l'intérieur du porte-contacts 24 génère une force entre
les contacts 14, 16 pour les maintenir fermés ; il détermine la pression de contact
F
P.
[0013] Le porte-contact 24 supporte par ailleurs un compensateur magnétique 30 comprenant
une première pièce magnétique 32 solidaire, par couplage ou simple appui, du pont
de contact 18, et une deuxième pièce magnétique 34 en U, les deux pièces étant agencées
pour former un orifice traversant dans lequel se trouve le pont de contact 18. Le
compensateur magnétique 30 forme ainsi un électroaimant 18, 32, 34 lorsque les contacts
14, 16 sont fermés ; ses composants sont agencés et dimensionnés de sorte qu'un entrefer
e non nul subsiste entre les deux pièces magnétiques 32, 34 en position fermée des
contacts 14, 16, quel que soit leur degré d'usure.
[0014] Lorsqu'un courant I circule dans les conducteurs 12, une force de répulsion F
R est générée au niveau des contacts 14, 16, les sollicitant en ouverture ; cette force
F
R est d'autant plus forte que les conducteurs 12 sont en J et donc que le courant circule
en sens inverse dans les deux branches au niveau du contact 14, 16. Par ailleurs,
un flux magnétique Φ est créé au sein du compensateur 30, dans le circuit magnétique
formé par les deux pièces magnétiques 32, 34 ; le flux traverse l'entrefer e et, en
conséquence, génère une force de compensation F
C entre le pont 18 et la deuxième pièce en U 34 qui s'ajoute à la force F
P du ressort 26.
[0015] Comme illustré en figure 2, on note ainsi que dans une première phase de fonctionnement
« normal », notamment sous courant nominal, l'effort de répulsion des contacts F
R est minime, comme la force F
C générée par la main de fer 30 : la force F
P du ressort de pôle 26 assure la fermeture des contacts 14, 16. Plus le courant I
augmente, alors que la force de pression F
P reste constante, plus la force de répulsion F
R augmente, tout comme la force F
C de la main de fer 30 qui atteint une asymptote F
max correspondant à la saturation du matériau magnétique formant le compensateur 30.
[0016] L'électroaimant 20 exerce quant à lui une force F
E sur les contacts 14, 16. Classiquement, cet effort F
E est constant, dépendant du courant circulant dans la bobine 22 pour maintenir l'actionneur
20 fermé, appelé courant de maintien. Au vu de la configuration du compensateur 30,
l'électroaimant 20 subit une contrainte F résultant des différentes forces précédentes,
et notamment correspondant à la différence entre l'effort de répulsion F
R et l'effort de pression F
P + F
C de la main de fer 30 et des ressorts de pôle 26 ; la force F subie par l'actionneur
20 est en forme de « cloche ». Or, le U magnétique 30 agit directement sur la partie
mobile 18, 24 de l'actionneur 20 et, en cas de gros effort, la contrainte imposée
F peut entraîner son arrachement en dépassant l'effort F
E que peut soutenir l'actionneur 20 (figure 2). De fait, le courant au sein de la bobine
22 est usuellement maintenu au minimum pour diminuer la consommation tout en assurant
la fermeture des contacts 14, 16. Pour éviter l'arrachement, une des solutions serait
d'augmenter la force F
E de l'actionneur 20, en augmentant le courant, ou de sur-dimensionner la main de fer
30.
[0017] Selon l'invention, il est proposé de modifier l'effort F
E auquel résiste l'actionneur 20 uniquement lorsque ceci s'avère nécessaire. En particulier,
il est proposé d'utiliser une bobine 22 dite électronique, et d'asservir son alimentation
en fonction du courant I circulant dans les conducteurs 12 : si le courant I dépasse
le courant nominal d'un certain seuil, l'alimentation de la bobine 22 est augmentée
de sorte que la force F
E de l'actionneur 20 dépasse la contrainte résultante F. Il est ainsi possible d'éviter
l'arrachement, et de ne pas sur-dimensionner la main de fer 30.
[0018] En particulier, le seuil I
0 choisi peut correspondre à la moitié du courant de crête maximum tenu par le contacteur
10, ce qui permet d'anticiper l'augmentation du courant dans la bobine 22 de l'actionneur
20 : par exemple, si le contacteur 10 est adapté pour des courants nominaux de 400
A, c'est-à-dire que les ressorts de pôle 26 sont adaptés pour que les contacts 14,
16 de puissance ne s'ouvrent pas pour des valeurs crêtes de 8000 A toutes les millisecondes
bien que le courant I soit considéré en défaut dès 15 × 400 = 6000 A, dès que le courant
I atteint I
0 = 4000 A, un signal indique que le courant de maintien de la bobine 22 doit être
augmenté. Cette valeur de seuil I
0 est appropriée car un courant de court-circuit I de 100 kA atteint la valeur de déclenchement
I
0 environ au bout de 100 µs alors que les ressorts 26 maintiennent le contacteur fermé
environ 200 µs et que, tel qu'illustré en figure 2, le maximum de la force F subie
par l'actionneur 20 n'est pas encore atteint. D'autres options sont possibles.
[0019] Pour asservir la bobine 22, des moyens sont mis en oeuvre pour détecter que le courant
I dépasse le seuil I
0, ou qu'une grandeur dépendant directement du courant dépasse un seuil. Selon un mode
de réalisation, la mesure est directement réalisée par des capteurs de courant présents
dans le contacteur 10 : de fait, certains contacteurs 10, notamment de gamme élevée,
peuvent utiliser des mesures de courant pour la protection magnéto-thermique électronique.
Selon un autre mode de réalisation, le seuil détecté concerne l'effort exercé par
le courant I sur les composants du contacteur 10, et notamment sur la deuxième pièce
magnétique 34, dotée à cette fin d'un capteur approprié ; par exemple, une jauge de
contrainte est insérée entre le compensateur magnétique 30 et l'électroaimant 20,
et une électronique de traitement permet, à partir de cette mesure, de déterminer
le seuil de déclenchement de l'asservissement du courant dans la bobine 22.
[0020] Selon un mode de réalisation préféré, pour plus de précision et de sensibilité, la
grandeur représentative du courant est déterminée directement sur le compensateur
magnétique 30. En particulier, tel qu'illustré en figure 3 pour un autre mode de réalisation
d'un contacteur 10' muni d'une main de fer 30, un enroulement 40 exploratoire du flux
Φ est mis en place autour de la deuxième pièce en U 34. Le courant I passant dans
la ligne de courant 12, 18 crée un flux Φ dans le compensateur 30 ; celui-ci est mesuré
par l'enroulement 40 qui en transmet une valeur représentative à des moyens de traitement
42, par exemple des moyens de comparaison par un tableau de valeurs. En particulier,
la tension induite est de la forme U = 2n × π × f × Φ, avec n nombre de spires de
l'enroulement 40 et f fréquence du courant I. Pour un courant de 4000 A de fréquence
f = 50 Hz, le flux sera de 1,25·e
-04 Wb, ce qui correspond à une tension induite de 1,98 V si la bobine exploratoire 40
comprend n = 50 spires. Les moyens de traitement 42 peuvent ainsi associer un seuil
de 2 V à la tension induite pour déclencher l'asservissement de la bobine 22.
[0021] Les moyens de traitement 42 associés aux moyens de mesure 40 permettent de détecter
rapidement le dépassement d'un seuil I
0 par le courant d'alimentation I, notamment par dépassement d'une grandeur caractéristique
(U, effort...). Des moyens 44 reçoivent alors le signal correspondant au dépassement,
et transmettent cette information à l'alimentation de la bobine 22 pour l'asservir.
Comme le compensateur 30 est fermé lors de la modification de l'alimentation de la
bobine 22, il n'y a pas de latence entre cette modification et l'augmentation de la
force F
E exercée par l'actionneur 20 ; par ailleurs, les moyens d'asservissement 44 sont adaptés
pour réagir rapidement, de façon à ce que la force F
E de l'actionneur 20 soit supérieure à l'effort F qu'il subit. Dans le mode de réalisation
préféré précédent, la crête d'effort F subie par l'actionneur 20 apparaît à environ
0,35 ms : selon l'invention, il est préféré que la modification du régime de la bobine
22 ait lieu auparavant, et de préférence dans les 200 µs suivant le dépassement du
seuil I
0 (ou son équivalent sur la grandeur U, Φ,... mesurée).
[0022] Selon une première variante illustrée en figure 4A, la bobine 22 d'actionnement est
de fait un système avec au moins deux enroulements 22A, 22B mis en série, le premier
enroulement 22A de maintien ayant une résistance très supérieure au deuxième enroulement
22B d'appel ; par exemple, l'enroulement 22A comprend 2400 spires pour une résistance
de 100 Ω, et l'enroulement 22B comprend 200 spires pour une résistance de 1,1 Ω. En
fonctionnement normal, l'enroulement de maintien 22A est prépondérant, et assure le
courant dans la bobine 22. En présence d'un courant de surcharge, les moyens d'asservissement
44 envoient un signal sur les moyens d'interruption 46 de façon à déconnecter l'enroulement
de maintien 22A de l'ensemble : l'enroulement d'appel 22B prend le dessus et génère
une alimentation supérieure. Pour que le système soit réactif, il est avantageux que
les moyens d'interruption 46 soient du type transistor : dès que les moyens d'asservissement
44 reçoivent des moyens de traitement 42 le signal indicateur d'une surcharge, le
transistor 46 est sollicité en ouverture pour une augmentation rapide, en moins de
100 µs pour un front de tension U
22 (figure 4B).
[0023] Dans un autre mode de réalisation, la bobine 22 est alimentée de façon électronique,
par l'intermédiaire d'un signal de type modulé en impulsion, ou PWM (pour
« Pulse Wave Modulation »). En particulier, l'alimentation de la bobine 22 est réalisée directement depuis
un dispositif de contrôle commande 48 (figure 3) créant des impulsions de largeur
T prédéterminée pour la tension de commande. Tel qu'illustré en figure 5, en régime
normal, le signal d'impulsion a une première fréquence f
1, par exemple 1 % de la fréquence fixe f, permettant d'obtenir un courant moyen de
maintien I
1 dans la bobine 22, ledit courant moyen I
1 correspondant à la moyenne du courant qui décroît entre deux impulsions. Dès que
les moyens d'asservissement 44 reçoivent des moyens de traitement 42 le signal indicateur
d'une surcharge, ils transmettent au dispositif de contrôle commande 48 un ordre d'augmentation
de la fréquence d'impulsion de sorte que le courant moyen I
2 obtenu à la deuxième fréquence d'impulsion f
2 soit augmenté de façon suffisante pour contrer la force F subie. Il s'avère qu'un
doublement de la fréquence, en particulier f
2 = 2 % de la fréquence fixe, est suffisant pour l'effet recherché ; ce type de modification
dans l'alimentation de la bobine 22 est lui aussi très rapide, et notamment l'actionneur
20 réagit dans les 0,1 ms.
[0024] L'asservissement de la bobine 22 se poursuit de préférence par un retour au courant
de maintien minimal dès que le courant I revient à une valeur nominale, c'est-à-dire
que le courant dans la bobine 22 est augmenté pendant les phases de courant transitoire,
ou de défaut avant déclenchement des appareils de protection de ligne.
[0025] Bien que l'invention ait été décrite en référence à un contacteur 10 à pont de contacts
18, elle ne s'y limite pas : d'autres éléments peuvent être concernés par l'invention,
en particulier, les inverseurs, relais ou autres dispositifs similaires. De préférence,
l'invention est utilisée dans un contacteur 10 de gros calibre, dans lequel le capteur
de courant est intégré, le dispositif de compensation 30 et l'asservissement pouvant
alors être mis en place dans un contacteur existant. Par ailleurs, d'autres systèmes
d'asservissement du courant de la bobine 22 peuvent être prévus, tout comme d'autres
moyens de mesure d'une grandeur représentative du dépassement d'un seuil I
0 par le courant d'alimentation I. Il est également possible de tolérer une ouverture
partielle de l'actionneur 20 et donc une action un peu moins rapide dans le processus
« mesure de la grandeur / détermination du dépassement de seuil et déclenchement de
l'asservissement / asservissement / action réelle sur l'actionneur 20 » : en effet,
entre le début d'ouverture de l'actionneur 20 et l'ouverture des contacts 14, 16 s'écoule
un temps de latence correspondant à l'écrasement des ressorts de pôle 26 (distance
de l'ordre de 4 mm dans le cas précédent).
1. Dispositif de compensation magnétique (30) de la répulsion de contacts (14, 16) d'un
appareil électrique (10) muni d'un actionneur électromagnétique (20) des contacts
(14, 16) comprenant une bobine (22) dont les moyens d'alimentation (46, 48) sont susceptibles
d'être commandés, ledit dispositif (30) comprenant une première pièce magnétique (32)
susceptible d'être couplée fonctionnellement à un support conducteur de contact mobile
(18) et une deuxième pièce magnétique (34) définissant entre elles un entrefer variable
non nul (e) et un passage dans lequel est positionné ledit support de contact mobile
(18) de façon à former un électroaimant ;
caractérisé par des moyens (40) de mesure d'une grandeur représentative du courant (I) circulant
entre les contacts (14, 16), des moyens (42) de traitement de la grandeur représentative
du courant (I) circulant entre les contacts (14, 16) pour la comparer à un seuil (I0), des moyens (44) pour commander les moyens d'alimentation (46, 48) de la bobine
(22) en fonction du résultat des moyens de traitement (42) de façon au augmenter le
courant alimentant dans la bobine (22) lorsque le courant (I) circulant entre les
contacts (14, 16) dépasse le seuil (I0).
2. Dispositif de compensation magnétique selon la revendication 1 dans lequel les moyens
de mesure d'une grandeur représentative du courant comprennent des moyens de mesure
(40) du flux (Φ) induit par le courant (I) dans les pièces magnétiques (32, 34).
3. Dispositif de compensation magnétique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel
la deuxième pièce (34) est sous forme d'un U, la première pièce (32) est sous forme
de plaque.
4. Appareil électrique (10) comprenant au moins une paire de contacts (14, 16) mobiles
l'un par rapport à l'autre, un actionneur électromagnétique (20) des contacts (14,
16) comprenant une bobine (22) dont les moyens d'alimentation (44, 46) sont susceptibles
d'être commandés, et un dispositif de compensation magnétique (30) selon l'une des
revendications 1 à 3 couplé à un support conducteur (18) d'un contact mobile (14)
du contacteur (10) et aux moyens d'alimentation (46, 48) de la bobine (22).
5. Appareil électrique selon la revendication 4 dans lequel la bobine (22) comprend une
pluralité d'enroulements (22A, 22B) en série, et les moyens d'alimentation de la bobine
(22) comprennent des moyens interrupteurs (46) permettant de déconnecter au moins
l'un (22A) des enroulements.
6. Appareil électrique selon la revendication 5 dans lequel les moyens interrupteurs
comprennent un transistor (46) et les moyens de traitement comprennent l'émission
d'un signal d'ouverture du transistor (46).
7. Appareil électrique selon la revendication 4 dans lequel les moyens d'alimentation
de la bobine (22) comprennent un dispositif de contrôle commande (48) permettant de
moduler la tension d'alimentation de la bobine (22).
8. Appareil électrique selon la revendication 7 dans lequel les moyens de traitement
(44) comprennent des moyens permettant de modifier la fréquence de modulation de la
tension d'alimentation de la bobine (22).
9. Appareil électrique selon l'une des revendications 4 à 8 comprenant un pont de contacts
mobile (18) supportant deux contacts mobiles (16), deux contacts fixes (14), un dispositif
porte-contacts (24) associé au pont mobile (18) et solidaire de la partie mobile de
l'actionneur électromagnétique (20), dans lequel la deuxième pièce (34) du dispositif
de compensation magnétique (30) est associée au dispositif porte-contacts (24) et
la première pièce (32) est en appui sur le pont de contact (18).