Titre de l'invention : CONTACTEUR DE PUISSANCE COMPRENANT UN ACTIONNEUR PYROTECHNIQUE

Domaine Technique

La présente invention se rapporte au domaine général des organes de protection électrique, comme les contacteurs électromécaniques et les contacteurs électriques, et plus particulièrement au déclenchement d'ouverture de ces organes de protection.

Technique antérieure

Les contacteurs de puissance sont des organes de protection électrique généralement constitués d'une partie fixe et d'une partie mobile pouvant être ou non en contact avec la partie fixe.

Pour fermer un contacteur, et donc mettre en contact la partie mobile sur la partie fixe pour qu'un courant électrique puisse circuler entre la partie fixe et la partie mobile, on alimente le moteur du contacteur qui va permettre d'appliquer une force sur la partie mobile, et ainsi permettre la circulation d'un courant électrique entre la partie mobile et la partie fixe.

Quand le courant circulant entre les deux parties dépasse le seuil défini, des efforts électromagnétiques de répulsion vont s'appliquer sur la partie mobile et compenser, voire dépasser, la force appliquée par le moteur sur la partie mobile. Cela entraine une lévitation du contacteur, c'est-à-dire une ouverture non désirée du contacteur entre les parties fixe et mobile. De plus, lors de cette phase, c'est-à-dire durant l'application des forces de répulsion avant la lévitation, la résistance de contact entre la partie fixe et la partie mobile du contacteur augmente et crée un échauffement local (proportionnel à la résistance de contact au carré multipliée par le courant) qui peut entraîner la destruction de la partie mobile, un endommagement irréversible du contacteur et/ou la soudure de la partie mobile sur la partie fixe si la partie mobile retombe sur la partie fixe. Actuellement pour éviter l'endommagement des contacteurs en cas de sur-courant ou de court-circuit, plusieurs solutions existent :

- Des mesures du courant circulant dans le circuit sont réalisées et un moyen de traitement détecte les courants supérieurs à un seuil prédéterminé pour ouvrir le contacteur avant qu'il ne lévite. Cependant, les durées d'acquisition des mesures, de traitement et d'action ne sont pas toujours compatibles avec la dynamique de courant qui peut être extrêmement rapide selon l'impédance de la source ou du court-circuit.

- Le contacteur peut comprendre un élément de disjonction mais cela complexifie la structure du contacteur.

- L'ouverture du contacteur peut être déclenchée par un moyen d'actionnement rapide, par exemple de type pyro-switch, mais le système d'actionnement et de détection du courant peut également être trop lent selon certaines dynamiques de courant.

Il est donc souhaitable de disposer d'un nouveau contacteur de puissance dont le déclenchement d'ouverture est accéléré et les risques d'endommagement réduits en cas de sur-courant.

Exposé de l'invention

L'invention concerne un contacteur de puissance comprenant :

- une partie fixe ;

- une partie mobile apte à venir en contact avec la partie fixe et à se déplacer entre une position d'ouverture et une position de fermeture du contacteur, la partie mobile comprenant au moins un contact de puissance ;

- un contact auxiliaire et un actionneur pyrotechnique, le contact auxiliaire et l'actionneur pyrotechnique étant placés en parallèle du contact de puissance, et l'actionneur pyrotechnique étant configuré pour se déclencher lors d'une lévitation du contacteur de manière à faire passer le contacteur en position d'ouverture, et un moteur configuré pour actionner la partie mobile et la mettre en contact avec la partie fixe, caractérisé en ce que le contact de puissance et le contact auxiliaire sont désynchronisés de manière à ce que lors de la fermeture du contacteur, le contact de puissance vienne en contact avec la partie fixe avant le contact auxiliaire et lors de l'ouverture du contacteur, le contact auxiliaire s'ouvre avant le contact de puissance.

La présence de l'actionneur pyrotechnique permet d'ouvrir rapidement, par exemple en moins de 2 millisecondes, le contact de puissance en cas de lévitation du contacteur.

Grâce à la désynchronisation du contact de puissance et du contact auxiliaire, on peut alimenter l'actionneur pyrotechnique via le contact auxiliaire sans risquer de déclencher ou de faire fondre l'actionneur pyrotechnique en fonctionnement nominal du contacteur. Ainsi, il est possible d'utiliser le contacteur de l'invention avec une source haute tension, par exemple une source délivrant une tension de 800 V.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, le contacteur comprend également une diode de suppression de tensions transitoires en parallèle de l'actionneur pyrotechnique.

La diode de suppression de tensions transitoires, appelée également diode transil ou diode transzorb, permet de limiter la tension aux bornes de l'actionneur pyrotechnique et de le protéger dans les cas où la tension augmenterait trop vite aux bornes du contact de puissance.

Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'actionneur pyrotechnique comprend un inflammateur et un piston, l'inflammateur étant configuré pour déclencher l'actionneur pyrotechnique en fondant et libérer le piston pour ouvrir le contacteur.

Un autre objet de l'invention est un procédé de fermeture d'un contacteur de puissance en position d'ouverture selon l'invention, comprenant la mise en contact du contact de puissance avec la partie fixe puis la mise en contact du contact auxiliaire avec la partie fixe. Un autre objet de l'invention est un procédé d'ouverture d'un contacteur de puissance en position de fermeture selon l'invention, comprenant l'ouverture du contact entre le contact auxiliaire et la partie fixe, puis l'ouverture du contact entre le contact de puissance et la partie fixe.

Grâce au procédé de fermeture de l'invention, quand le contact de puissance est fermé, le courant circule dans ce contact et non pas dans l'actionneur pyrotechnique. La tension dans la branche comprenant le contact de puissance est égale à la chute de tension du contact de puissance (de l'ordre de la centaine de millivolts). Puis à la fermeture du contact auxiliaire, une faible partie du courant circule dans l'actionneur pyrotechnique, car la tension est imposée par la branche parallèle comprenant le contact de puissance. Ce courant n'est donc pas suffisant pour déclencher l'actionneur pyrotechnique.

A l'ouverture du contacteur, le contact auxiliaire s'ouvre en premier pour pouvoir isoler l'actionneur pyrotechnique, puis le contact de puissance s'ouvre et des arcs électriques se créent. La tension monte progressivement dans les deux branches parallèles à la tension de la source électrique connectée au contacteur, mais la tension aux bornes de l'actionneur pyrotechnique reste faible.

Lorsque le contacteur est fermé, c'est-à-dire les contacts de puissance et auxiliaire sont fermés, et que le courant électrique est trop important, il est possible que le contacteur lévite, c'est-à-dire que le contact de puissance se soulève. Des arcs électriques peuvent se créent et une tension d'arc apparaît. Le courant dans la branche comprenant l'actionneur pyrotechnique augmente et déclenche l'actionneur pyrotechnique qui va ouvrir le contact de puissance. En ouvrant le contact de puissance lors de la lévitation du contacteur, on évite, entre autre, que le contact de puissance se referme et se soude à la partie fixe à cause de réchauffement local créé par l'augmentation du courant, ce qui permet de limiter l'endommagement du contacteur.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.

[Fig. IA] La figure IA représente, de manière schématique et partielle, un contacteur de puissance en position d'ouverture selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. IB] La figure IB représente, de manière schématique et partielle, un contacteur de puissance entre une position d'ouverture et une position de fermeture selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. IC] La figure IC représente, de manière schématique et partielle, un contacteur de puissance en position de fermeture selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 1D] La figure 1D représente, de manière schématique et partielle, un contacteur de puissance en position d'ouverture selon un mode de réalisation.

[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, un contacteur de puissance en position d'ouverture suite au déclenchement de l'actionneur pyrotechnique selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique, un procédé de fermeture d'un contacteur de puissance selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 4] La figure 4 représente, de manière schématique, un procédé d'ouverture d'un contacteur de puissance selon un mode de réalisation de l'invention.

Description des modes de réalisation

Les figures IA, IB, IC, 1D et 2 représentent, de manière schématique et partielle, un contacteur de puissance 100 dans différentes positions : en position d'ouverture, lors d'un fonctionnement nominal du contacteur, en figures IA et 1D, en position de fermeture en figure IC, entre une position d'ouverture et de fermeture en figure IB et en position d'ouverture en figure 2 suite au déclenchement de l'actionneur pyrotechnique 130. Sur ces figures, les objets sont désignés par la même référence numérique.

Le contacteur de puissance 100 comprend une partie fixe 108 et une partie mobile 109 apte à venir en contact avec la partie fixe et à se déplacer entre une position d'ouverture et une position de fermeture du contacteur 100. La partie mobile du contacteur 100 comprend un contact mobile de puissance 110, un contact auxiliaire 120. Le contacteur 100 comprend également un actionneur pyrotechnique 130 comprenant un inflammateur. Le contact auxiliaire 120 et l'actionneur pyrotechnique 130, et plus particulièrement le contact auxiliaire 120 et l'inflammateur (c'est-à-dire le déclencheur) de l'actionneur pyrotechnique 130 sont placés en parallèle du contact mobile de puissance 110. De plus, la partie mobile peut également comprendre une résistance 140 placée en série entre le contact auxiliaire 120 et l'actionneur pyrotechnique 130.

L'actionneur pyrotechnique 130 est configuré pour se déclencher lors d'une lévitation du contacteur 100, c'est-à-dire lors de la formation d'arcs électriques entre la partie mobile et la partie fixe et du soulèvement de la partie mobile quand le courant électrique traversant le contacteur 100 est trop important, de manière à percuter directement toute la partie mobile 109 ou le contact mobile de puissance 110 seul pour ouvrir le contacteur 100. Par exemple, l'actionneur pyrotechnique 130 peut être configuré pour se déclencher à des courants supérieurs ou égaux à 10 A.

Le contacteur 100 comprend également un moteur 170, représenté sur la figure 1D, configuré pour actionner la partie mobile et la mettre en contact avec la partie fixe. Le moteur est par exemple un moteur mécanique à déplacement linéaire.

Une charge électrique 160 peut être reliée au contacteur 100

Le contacteur 100 peut être placé entre une source de tension 150 et une charge 160. La source de tension 150 peut être une source haute tension qui délivre par exemple une tension de 800 V.

En position d'ouverture en fonctionnement nominal du contacteur 100, représenté à la figure IA, la partie fixe et la partie mobile ne sont pas en contact et aucun courant électrique ne circule entre les deux. Autrement dit, les contacts auxiliaires 120 et de puissance 110 sont ouverts et aucun courant électrique ne peut circuler entre la source 150 et la charge 160. La tension AU dans les deux branches (celle comprenant le contact de puissance 110 et celle comprenant le contact auxiliaire 120 et l'actionneur pyrotechnique 130) du contacteur 100 est égale à celle de la source de tension 150.

Lors de la fermeture du contacteur 100, les contacts de puissance 110 et auxiliaire 120 ne se ferment pas en même temps. Plus particulièrement, le contact de puissance 110 vient en contact avec la partie fixe du contacteur 100 avant le contact auxiliaire 120 lors de la fermeture du contacteur 100. De même, lors de l'ouverture du contacteur 100, les contacts de puissance 110 et auxiliaire 120 ne s'ouvrent pas en même temps. Plus particulièrement, le contact auxiliaire 120 s'ouvre avant le contact de puissance 110. Autrement dit, les contacts de puissance 110 et auxiliaire 120 sont désynchronisés. Cet état du contacteur 100, entre ouverture et fermeture, est illustré sur la figure IB.

La désynchronisation du contact de puissance 110 et du contact auxiliaire 120 est par exemple réalisée en plaçant ces contacts à des distances différentes de la partie fixe 108. En position d'ouverture du contacteur, le contact de puissance est par exemple placé à une distance dl de la partie fixe et le contact auxiliaire est placé à une distance d2 de la partie fixe, la distance d2 étant supérieure à la distance dl.

En position de fermeture du contacteur 100, représenté à la figure IC, la partie fixe et la partie mobile sont en contact de manière à ce qu'un courant électrique circule entre les deux parties. Autrement dit, les contacts auxiliaires 120 et de puissance 110 sont fermés et le courant électrique circule dans les deux branches du contacteur 100.

Lors de la fermeture du contacteur 100, la tension dans la branche comprenant le contact de puissance 110 est égale à la chute de tension du contact de puissance 110, c'est-à-dire de l'ordre de la centaine de millivolts. Puis le contact auxiliaire 120 se ferme et la tension dans la branche comprenant l'actionneur pyrotechnique 130 est également d'une centaine de millivolts. La valeur de la résistance 140 est choisie de manière à ce que le courant circulant dans l'actionneur pyrotechnique 130 reste inférieur au courant seuil déclencheur de l'actionneur pyrotechnique 130. Par exemple, la résistance 140 est de 2 Ohms.

Lors de l'ouverture du contacteur 100, le contact auxiliaire 120 s'ouvre en premier et permet d'isoler l'inflammateur de l'actionneur pyrotechnique 130. Puis le contact de puissance 110 s'ouvre, des arcs électriques se créent sur ce contact 110 et la tension monte progressivement dans les deux branches du contacteur 100 jusqu'à atteindre la tension de la source de tension 150. Ainsi la tension aux bornes de l'actionneur pyrotechnique 130 et le courant le traversant sont nuis grâce à l'ouverture préliminaire du contact auxiliaire 120.

Grâce à la désynchronisation des contacts 110 et 120, l'inflammateur de l'actionneur pyrotechnique 130 n'est jamais soumis à la tension de la source de tension 150, et il est ainsi protégé et ne risque pas de prendre feu ou de se déclencher à tort.

Lorsque le contacteur 100 est fermé et que le courant devient trop important, par exemple atteint 2 kA, le contact de puissance 110 peut se soulever et faire léviter le contacteur 100. Cela crée des arcs électriques et une tension d'arc apparaît. La tension dans les deux branches parallèles du contacteur 100 augmente, ainsi que le courant circulant dans l'inflammateur de l'actionneur pyrotechnique 130. Cela a pour effet de déclencher l'actionneur pyrotechnique 130 qui va ouvrir ou empêcher la fermeture du contact de puissance 110. Le déclenchement de l'ouverture du contacteur 100, en cas de lévitation, est ainsi plus rapide que l'art antérieur, car elle ne nécessite aucun moyen de mesure de courant ou de tension. Le déclenchement de l'ouverture présente par exemple un gain de rapidité d'une milliseconde par rapport à l'art antérieur.

Dans cet exemple de réalisation, l'actionneur pyrotechnique 130 comprend un inflammateur 132 et un piston 131. Quand le courant circulant dans l'actionneur pyrotechnique 130 augmente, l'inflammateur 132 fond et déclenche l'actionneur pyrotechnique 130 en libérant le piston 131. Etant libéré, le piston 131 empêche le contact de puissance 110 de se refermer, comme illustré sur la figure 2. Cela permet de ne pas faire retomber le contact de puissance 110 sur la partie fixe et de le souder à la partie fixe suite à la lévitation du contacteur 100. Ainsi, on évite l'endommagement du contacteur 100. Le contacteur 100 peut également comprendre une diode de suppression de tensions transitoires (appelée également diode transil ou diode transzorb), placée en parallèle de l'actionneur pyrotechique 130 et de la résistance 140. Cette diode permet de limiter la tension pour protéger l'inflammateur 132 et la résistance 140, notamment si la tension augmente trop vite aux bornes du contact de puissance 110.

De plus, le contacteur 100 a été décrit avec un seul contact de puissance 110 et un seul contact auxiliaire 120, mais il peut comprendre deux ou plus contacts de puissance qui seront toujours désynchronisés par rapport au contact auxiliaire 120. Dans ce cas, le contact auxiliaire 120 est toujours connecté au même actionneur pyrotechnique 130 et l'actionneur pyrotechnique 130 actionne les différents contacts de puissance de façon synchronisée.

La figure 3 représente, de manière schématique, un procédé 300 de fermeture d'un contacteur de puissance selon un mode de réalisation de l'invention.

Le contacteur est initialement en position d'ouverture 310, donc les contacts fixe et mobile ne sont pas en contact et aucun courant électrique ne circule entre ces deux parties.

Pour que le contacteur passe en position de fermeture 320, le moteur est alimenté de manière à appliquer une force de pression sur la partie mobile du contacteur, et le contact de puissance est d'abord mis en contact avec la partie fixe (étape 301), puis le contact auxiliaire est mis en contact avec la partie fixe (étape 302).

La figure 4 représente, de manière schématique, un procédé 400 d'ouverture d'un contacteur de puissance selon un mode de réalisation de l'invention.

Le contacteur est initialement en position de fermeture 410, donc les parties fixe et mobile sont en contact et un courant électrique circule entre ces deux parties.

Pour que le contacteur passe en position d'ouverture 420, l'alimentation du moteur est coupée et le contact auxiliaire s'ouvre d'abord (étape 401). Donc il n'est plus en contact avec la partie fixe du contacteur, puis le contact de puissance s'ouvre (étape 402).