ACTUATEUR PIEZOELECTRIQUE

L'invention se rapporte à un disjoncteur-contacteur comprenant plus particulièrement un ou deux contacts fixes, un contact mobile par rapport au contacts fixes entre une position de fermeture et une position d'ouverture, un moyen de déplacement du contact mobile dans la position de fermeture, et un moyen de déplacement du contact mobile dans la position d'ouverture.

Un disjoncteur-contacteur de ce type est connu notamment du document EP-A-1 058322. Le moyen de déplacement du contact mobile en fermeture est un actuateur piézoélectrique. Sous l'effet d'une anomalie détectée dans le circuit principal sur lequel est disposé le disjoncteur-contacteur, une unité électronique de contrôle-commande agit sur l'actuateur piézoélectrique pour déclencher l'ouverture des contacts à un instant précis, par exemple au moment où l'intensité ou la tension dans le circuit principal passe par un point d'intensité ou de tension nulle, dit point zéro.

Dans ce disjoncteur-contacteur, l'actuateur piézoélectrique maintient le contact mobile dans la position de fermeture aussi longtemps que le disjoncteur- contacteur est fermé. Il a été constaté que pour une obtenir une coupure rapide lorsque la pression de contact entre les contacts fixes et le contact mobile est élevée, il est nécessaire de disposer d'un actuateur piézoélectrique puissant, c'est à dire encore relativement coûteux à l'heure actuelle.

L'un des buts de l'invention est de concevoir un disjoncteur-contacteur qui pallie cet inconvénient.

A cet effet, l'invention a pour objet un disjoncteur-contacteur comprenant un ou deux contacts fixes, un contact mobile par rapport aux contacts fixes entre une position de fermeture et une position d'ouverture, un moyen de déplacement du contact mobile dans la position de fermeture, un moyen de déplacement du contact mobile dans la position d'ouverture, ainsi qu'un moyen de blocage du contact mobile dans la position de fermeture, un actuateur piézoélectrique se déformant d'une position de repos à une position de travail pour déplacer le moyen de blocage afin de permettre au contact mobile d'être déplacé

BESTATIGUNGSKOPIE

dans la position d'ouverture par le moyen de déplacement en ouverture, et une unité électronique d'alimentation et de contrôle-commande alimentant et commandant en déformation l'actuateur piézoélectrique dans la position de travail pour déplacer le moyen de blocage jusqu'à débloquer le contact mobile, en réponse à une intensité électrique détectée dans le ou les contacts fixes.

L'idée est de provoquer l'ouverture du circuit principal en libérant l'énergie potentielle d'un puissant moyen élastique, par exemple un ressort, par le déplacement du moyen de blocage du contact mobile. L'énergie potentielle du ressort a été accumulée pendant le déplacement du contact mobile dans la position de fermeture. La libération de cette énergie potentielle provoque une ouverture extrêmement rapide du disjoncteur-contacteur.

Le moyen de blocage est par exemple un cliquet ou une gâchette. Il peut être intégré à l'actuateur piézoélectrique de sorte que ce dernier agit directement sur le contact mobile. De préférence, le moyen de blocage n'est pas intégré à l'actuateur piézoélectrique mais est conçu sous la forme d'un levier pour amplifier la déformation de l'actuateur piézoélectrique.

L'expérience a montré qu'au bout d'environ deux millisecondes, le circuit principal est suffisamment ouvert et que le délai de réaction de l'actuateur piézoélectrique est aussi de l'ordre de deux millisecondes. Ainsi, l'unité électronique de contrôle-commande peut fonctionner pour permettre au disjoncteur-contacteur de s'ouvrir très exactement à un moment où, par exemple, l'intensité est proche de zéro, sans qu'il ne soit provoqué d'arc ou d'étincelle susceptible de nuire à la vie du disjoncteur-contacteur et au fonctionnement des systèmes électroniques disposés en aval ou en amont.

D'autres avantages apparaîtront à la lumière de la description de deux modes de réalisation de l'invention illustrée par les dessins.

La figure 1 est une vue en perspective d'un disjoncteur-contacteur selon un premier mode de réalisation de l'invention.

La figure 2 est représente un oscillogramme illustrant la coupure à point zéro du disjoncteur-contacteur illustré par la figure 1.

La figure 3 est un vue schématique d'un disjoncteur-contacteur selon un deuxième mode d'exécution, en position fermée.

La figure 4 est un vue schématique du disjoncteur-contacteur selon le deuxième mode d'exécution, en position ouverte.

La figure 5 montre le schéma d'une commande électronique du disjoncteur-contacteur.

La figure 6 montre un moyen de déplacement à pression de vapeur de liquide, en position de repos.

La figure 7 montre le moyen de déplacement à pression de vapeur de liquide, en position de travail.

La figure 8 montre un moyen de déplacement à pression de gaz, en position de repos.

La figure 9 montre le moyen de déplacement à pression de gaz, en position de travail.

En référence à la figure 1 , un disjoncteur-contacteur comprend deux contacts 1 ,3 fixes l'un par rapport à l'autre, un contact 5 mobile par rapport au contacts fixes 1 ,3 entre une position de fermeture et une position d'ouverture, et un moyen 7 de déplacement du contact mobile 5 dans la position de fermeture.

Le disjoncteur-contacteur comprend également un moyen 11 de blocage du contact mobile 5 dans la position de fermeture, un actuateur piézoélectrique 13 se déformant pour déplacer le moyen de blocage 11 jusqu'à débloquer le contact mobile 5 et permettre son déplacement dans la position d'ouverture, et une unité électronique de contrôle-commande 15 commandant en déformation l'actuateur piézoélectrique 13 en réponse à une intensité électrique détectée dans les contacts fixes 1 ,3.

L'ensemble des éléments décrits précédemment est disposé dans un boîtier en matière isolante de petite dimension, schématiquement représenté sur la figure 1 par la référence 17. Le boîtier a par exemple les dimensions suivantes : longueur, 65 mm ; profondeur, 30mm ; hauteur, 50 mm. En particulier, les contacts 1 et 3 sont fixes par rapport au boîtier 17.

Le ∞ntact mobile 5 est porté par un bras porteur 19 monté en rotation autour d'un axe 21. Un ressort 9 est disposé de chaque côté du bras porteur 19 autour de l'axe 21. Il s'appuie sur une butée 23 du bras porteur 19 pour être déformé en torsion autour de l'axe 21 lorsque le bras porteur 19 est déplacé en rotation par la manette 7 servant de moyen manuel de déplacement.

Le moyen de blocage 11 a la forme d'un bras de levier et agit par un cliquet 27 sur un bec de verrouillage 25 fixé au bras porteur 19 pour bloquer le contact mobile 5 dans la position de fermeture. Dans la position de prise avec le bec de verrouillage 25, le cliquet 27 reprend la force exercée par les ressorts 9 déformés en torsion autour de l'axe 21.

Dans le mode de réalisation illustré par la figure 1 , l'actuateur piézoélectrique 13 comprend un cadre en forme d'ellipse 29 à l'intérieur duquel des éléments piézoélectriques 31 sont disposés. Par effet piézoélectrique, le grand axe 33 de l'ellipse est allongé tandis que le petit axe 35 est raccourci par rapport à une positon de repos. Dans cette position de travail, l'actuateur piézoélectrique 13 soulève le bras de levier 11 , solidaire du cadre 29 de l'actuateur piézoélectrique 13 par un point d'attache 39 disposé suivant le petit axe 35. Un lest 37 est prévu à l'opposé du point d'attache 39 suivant le petit axe 35 pour créer une condition de résonance libre - libre à une fréquence de résonance de l'ordre de 1000 Hz.

Pour ouvrir le disjoncteur-contacteur, l'actuateur piézoélectrique 13 est déformé pendant un temps très court pour déplacer le bras de levier 11 monté pivotant par rapport au boîtier 17 autour d'une liaison 24 fixe par rapport au boîtier 17. Le bras de levier permet d'amplifier la déformation de l'actuateur piézoélectrique 13. L'actuateur piézoélectrique 13 soulève ainsi le cliquet 27 au dessus du bec de verrouillage 25 jusqu'à débloquer la rotation du bras porteur 19 sous l'action de la force emmagasinée par les ressorts de torsion 9. Le contact mobile 5 est entraîné en rotation par le bras porteur 19 pour ouvrir le disjoncteur-contacteur.

Dans ce premier mode d'exécution, l'actuateur piézoélectrique 13 n'agit que pour libérer le verrouillage, c'est à dire pour déplacer le moyen de blocage 11 jusqu'à débloquer le contact mobile 5 de la position de fermeture sous l'action de la force emmagasinée par le moyen élastique 9. La fermeture du disjoncteur- contacteur est effectuée par la manette 7 pour déplacer le bras porteur 19 et provoquer en même temps le verrouillage du contact mobile 5 dans la position de

fermeture. Autrement dit, pour réarmer le disjoncteur-contacteur, le cliquet 27 est entraîné en déplacement par le bec de verrouillage 25 jusqu'à venir en prise avec ce dernier. Au cours de ce déplacement, on joue sur la flexion du bras de levier entre le cliquet 27 et le point d'attache 39, tandis que l'actuateur piézoélectrique 13 est dans la position de repos.

On a pu constater expérimentalement qu'un tel disjoncteur-contacteur est, du point de vue de la coupure, à un niveau élevé de performance, puisqu'il permet la coupure à point zéro, ce qui est illustré par l'oscillogramme illustré par la figure 2, obtenu au cours d'essais. On voit en effet sur cette photographie que l'intensité 16 et le tension 18 s'annulent au point zéro, sous l'effet d'une anomalie 22 déclenchée au point zéro juste précédent.

Ce qu'il faut retenir, c'est que l'éloignement du contact mobile 5 par rapport aux contacts fixes 1 ,3 à 3 mm, après 2,5 millisecondes est largement suffisant pour interrompre un arc ou une étincelle pour des tensions de 220 à 230 Volts. Les délais de libération du cliquet 27 sont de 0,5 millisecondes et le délai de perte de contact de 0,8 millisecondes. Au total, entre l'impulsion donnée dix millisecondes avant le point zéro, un retard de l'ordre de 6 à 8 millisecondes suffit après l'ordre pour aboutir à une ouverture du circuit principal à un moment correct.

La rapidité d'intervention de la coupure est un élément considérable de sécurité dans le fonctionnement du disjoncteur-contacteur et dans le rôle qu'il joue pour la protection des circuits alimentés à travers lui.

Les figures 3 et 4 illustrent un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments communs aux deux modes d'exécution conservent la même référence.

Le disjoncteur-contacteur est connecté au circuit du courant principal par une ligne 2 reliée au contact fixe 1 et par un câble souple 4 relié au contact mobile 5.

Par différence avec le premier mode d'exécution, le moyen de déplacement 7 se déplace avec un premier bras de levier intermédiaire 6 entre le bras porteur 19 et le moyen de blocage 11. Le cliquet 25 n'est plus fixé au bras porteur 19 mais à ce bras de levier intermédiaire 6 mobile autour d'un axe de rotation 22 fixe par rapport au boîtier 17. Le moyen de blocage 11 est un bras de

levier monté en pivot autour d'un axe de rotation 24 fixe par rapport au boîtier 17. Le ressort 9 est solidaire du contact mobile 5 en étant fixé au bras porteur 19 par une extrémité et au boîtier 17 par une extrémité opposée pour se déformer en élongation. L'actuateur piézoélectrique 13 est relié au moyen de blocage 11 par un deuxième bras de levier intermédiaire 10, monté en rotation autour d'un axe de rotation 26 et solidaire de l'actuateur piézoélectrique 13 par un point d'appui 38. Un bras de transmission 12 relie le moyen de blocage 11 au deuxième bras intermédiaire 10.

Figure 3, le disjoncteur-contacteur est dans la position de fermeture. Par la prise entre le bec de verrouillage 27 porté par le moyen de blocage 11 et le cliquet 25 porté par le bras de levier intermédiaire 6, le moyen de blocage 11 bloque la rotation du bras 19 porteur du contact mobile 5 autour de l'axe de rotation

21. Un ressort 8 est fixé au deuxième bras intermédiaire 10 par une extrémité et au boîtier 17 par une extrémité opposée pour maintenir le moyen de blocage en position de blocage. L'actuateur piézoélectrique 13 est dans la position de repos.

Figure 4, le disjoncteur-contacteur est en position d'ouverture. Pour l'ouverture, l'actuateur piézoélectrique 13 s'est déformé pendant un temps très court dans la position de travail, allongeant le petit axe 35 du cadre elliptique 29 et contractant le grand axe 33. Il en est résulté un déplacement du deuxième bras de levier intermédiaire 10 en pivotement autour de l'axe de rotation 26, lequel a déplacé le moyen de blocage 11 en pivotement autour de l'axe de rotation 24 pour soulever le cliquet 27 au dessus du bec de verrouillage 25. Au cours de ces déplacements, le deuxième ressort 8, solidaire du bras de levier intermédiaire 10, s'est comprimé. Le déverrouillage du cliquet 27 a libéré le premier bras de levier intermédiaire 6 en rotation autour de l'axe de rotation 22 et libéré le bras porteur 19 en rotation autour de l'axe de rotation 21 , sous l'action de la détente du ressort 9 solidaire du bras 19 porteur du contact mobile 5.

Pour réarmer le disjoncteur-contacteur dans la position de fermeture, on agit manuellement sur le moyen de déplacement 7 pour déplacer le premier bras intermédiaire 6 autour de l'axe de rotation 22. Au cours de ce déplacement, le ressort 9, solidaire du bras 19 porteur du contact mobile 5, est comprimé. L'actuateur piézoélectrique 13, qui était retourné dans la position de repos, est à nouveau déformé pendant un temps très court dans la position de travail. Il en résulte un déplacement du deuxième bras intermédiaire 10 en rotation autour de

l'axe de rotation 26, lequel déplace le moyen de blocage 11 en pivotement autour de l'axe de rotation 24 pour à nouveau soulever le cliquet 27 au dessus du bec de verrouillage 25. Au cours de ces déplacements, le deuxième ressort 8, solidaire du bras de levier intermédiaire 10, est comprimé. Lorsque l'actuateur piézoélectrique 13 retourne dans la position de repos, le ressort 8 se détend en provoquant la rotation en sens opposé, à la fois du bras intermédiaire 10 autour de l'axe de rotation 26 et du bras de levier 11 autour de l'axe de rotation 24, jusqu'à ce que le cliquet 27 vienne à nouveau en prise avec le bec de verrouillage 25 pour bloquer le contact mobile 5 dans la position de fermeture.

Dans le premier mode d'exécution, l'actuateur piézoélectrique 13 n'est utilisé que pour soulever le moyen de blocage 11 lors de l'ouverture du disjoncteur- contacteur. Dans l'état ouvert, l'actuateur piézoélectrique, n'étant plus alimenté, retourne dans sa position de repos. Pour réarmer le disjoncteur-contacteur, on joue sur la flexion du bras de levier entre le cliquet 27 et le point d'attache 39, comme indiqué précédemment.

Dans le deuxième mode d'exécution, l'actuacteur piézoélectrique 13 est également utilisé pour soulever le moyen de blocage 11 lors de l'ouverture du disjoncteur-contacteur. Et là encore, dans l'état ouvert, l'actuateur piézoélectrique 13 retourne dans sa position de repos. Mais pour réarmer le disjoncteur-contacteur, il est nécessaire de le déformer à nouveau dans sa position de travail pour soulever à nouveau le moyen de blocage 11 pendant un temps nécessaire pour permettre de laisser passer le deuxième bras intermédiaire 6 en dessous du cliquet 27.

Il importe maintenant d'examiner les conditions dans lesquelles intervient l'ordre de déverrouillage.

La commande de coupure à point zéro est mise en oeuvre par un circuit électronique dont la logique est illustrée par la figure 5. Cette commande est décrite dans le brevet européen cité en introduction. Elle comprend :

- un moyen 41 , par exemple constitué par une boucle inductive, de mesure de l'intensité ou de la tension du courant dans le circuit sur lequel est installé le disjoncteur-contacteur.

- deux chaînes électroniques alimentées par ce moyen de mesure :

La première chaîne comprend séquence suivante :

- un redresseur de courant 43,

- comparateur 45 permettant de comparer l'intensité instantanée avec un niveau de seuil réglable, par exemple, par un potentiomètre 47. Ce comparateur peut être complété pour prendre en compte une baisse de tension, un défaut de masse ou un défaut d'équilibre du courant en amont et en aval des contacts,

- en 49, un pas logique de fonction OU permettant d'introduire soit un ordre immédiat soit un ordre provenant d'un moyen retardateur 51 , par exemple, un bilame ou un circuit analogique fonctionnant comme un bilame,

- une mémoire 53 alimentée par le défaut constaté lors des étapes antérieures.

La deuxième chaîne parallèle comprend la séquence suivante :

- un moyen de filtrage 55 pour éliminer les anomalies, tels les bruits électriques,

- un détecteur de passage à zéro 57,

- un moyen retardateur 59 permettant de retarder le déclenchement du disjoncteur jusqu'à un point retard. Le retard est ajusté pour tenir compte du temps d'activation de l'actuateur piézoélectrique et de déplacement du contact mobile au delà d'une certaine distance du ou des contacts fixes. Autrement dit, si l'on tient compte du fait que le temps d'activation de l'actuateur piézoélectrique 13 est de deux millisecondes et que le temps de déplacement du contact mobile 5 au-delà d'une distance d'ouverture de 1 millimètre par rapport au contact fixe 1 , est de trois millisecondes, il faut retarder la commande d'ouverture de cinq millisecondes pour déclencher l'ouverture dix millisecondes après le point zéro juste précédent. Ces dix millisecondes correspondent à une demi-période d'un courant alternatif de fréquence égal à 50 Hertz. Par conséquent, l'unité de contrôle-commande 15 déclenche l'ouverture du disjoncteur-contacteur exactement au point zéro.

Les deux chaînes électroniques sont reliées en 61 à un circuit logique ET. Le signal passant est alors ajusté et amplifié en 63. Ce signal commande alors l'actuateur piézoélectrique 13 pour l'ouverture du disjoncteur-contacteur.

Cette commande peut être complétée par des signaux ou commandes suivants :

- un signal fonctionnel annonçant que le circuit est fermé et ou que le courant passe dans les contacts.

- un signal de défaut en cas de surintensité ou tout autre défaut susceptible d'activer le disjoncteur.

- un signal indiquant que les contacts sont ouverts.

Le déverrouillage est ainsi contrôlé électroniquement pour provoquer le déclenchement de l'actuateur piézoélectrique et l'ouverture du disjoncteur- contacteur. Ainsi, l'ouverture du disjoncteur-contacteur s'effectue sous les deux conditions suivantes :

- existence d'une anomalie constatée et mémorisée par la première chaîne électronique, et

- commande en ouverture du disjoncteur-contacteur à l'aide de la deuxième chaîne électronique pour que l'ouverture s'effectue lorsque l'intensité ou la tension en courant alternatif est nulle, c'est-à-dire passe par le point zéro.

Dans les modes d'exécution décrits précédemment, la fermeture du disjoncteur-contacteur est effectuée manuellement grâce à la manette 7. Mais la fermeture peut aussi être commandée de manière électrique par un deuxième actuateur piézoélectrique ou par un actuateur électromagnétique, constitué par exemple d'un électro-aimant fonctionnant uniquement pendant la phase de fermeture, de sorte à ce que, le disjoncteur-contacteur étant fermé, la consommation d'énergie soit nulle.

Pour des intensités élevées, on peut aussi agir par pression pneumatique, hydraulique ou par pression de vapeur enfermée dans une enceinte, de même que le ressort 9 agissant lors de l'ouverture du disjoncteur-contacteur circuit peut être remplacé par de tels autres systèmes analogues.

Figure 4, un solénoïde 65 agit sur le moyen de déplacement 7 du bras 19 porteur du contact mobile 5 pour permettre la fermeture du disjoncteur- contacteur, grâce à la translation d'une tige mobile 67. Figure 3, le solénoïde 65 est retourné dans une position de repos.

On comprend que selon l'invention, on peut mettre en oeuvre simultanément ou non, des moyens de déplacement, du contact mobile en ouverture, à action hydraulique, pneumatique ou à pression de vapeur pouvant se substituer au ressort 9. Ces moyens de déplacement sont commandés par l'unité électronique de contrôle-commande 15 et le leur commande est coordonnée avec la commande de l'actuateur piézoélectrique 13 déplaçant le moyen de blocage 11 jusqu'au déblocage du contact mobile 5.

Un moyen de déplacement à pression de vapeur est décrit schématiquement en figures 6 et 7. Le moyen de commande comprend une enceinte fermée 69 contenant deux électrodes 71 et un liquide conducteur 73 vaporisable lorsque les électrodes 71 sont alimentées électriquement 75. Son fonctionnement est le suivant :

- à gauche, figure 6, en l'absence de vapeur, un soufflet extensible 77 est en position basse.

- à droite, figure 7, lorsque de la vapeur est produite par un échauffement dû au passage d'un courant, le soufflet 77 est en position haute et son mouvement a provoqué le déplacement d'une tige 67 agissant sur le moyen de déplacement 7 du bras 19 porteur du contact mobile 5.

Dans une telle enceinte, figures 8 et 9, l'eau peut être remplacée par un gaz 74 qui, sous l'effet d'un échauffement, produit par exemple par une résistance électrique 79 provoque le déplacement du soufflet 77, lequel à son tour agit pour provoquer la fermeture des contacts en lieu et place du solénoïde comme décrit en référence aux figures précédentes 6 et 7.

De tels moyens de commande sont bistables et dans ces conditions, si l'alimentation du solénoïde ou des moyens de commande qui peuvent lui être substitués, est coupée lorsque son action est terminée, la consommation d'énergie est nulle en dehors des périodes de fonctionnement.

L'enclenchement peut être effectué à un moment quelconque du temps si la pression des contacts est telle que des rebonds au moment du contact sont très limités. On prévoit une coordination dans le temps de l'action du solénoïde 65 agissant sur le moyen de déplacement du bras 19 porteur du contact mobile 5 lors de la fermeture, et de l'action de l'actuateur piézoélectrique 13 pour permettre le

passage du bec de verrouillage 25 en dessous du cliquet 27. Avantageusement, la fermeture ou l'ouverture du disjoncteur-contacteur peut être commandée à distance par tout moyen manuel ou automatique.

Il convient d'observer que tous les modes de fonctionnement du disjoncteur-contacteur ont été conçus pour permettre aux actuateurs piézoélectriques ou autres de ne fonctionner que de manière très brève pendant l'ouverture ou la fermeture du disjoncteur-contacteur.

Un disjoncteur-contacteur selon l'invention peut être miniaturisé, ce qui lui permet d'utiliser par exemple un actuateur piézoélectrique pour la fermeture et un autre pour l'ouverture et l'autorise à fonctionner très rapidement et donc à des fréquences plus élevées. Le disjoncteur-contacteur est ainsi susceptible de commander les séquences de fonctionnement de faisceaux à rayons X ou laser utilisés en particulier dans des scanners médicaux, tels ceux décrit dans les demandes de brevets FR 04.06497 et FR 04.52677.