Brevet FR2224909A1 — publié le 19741031

La présente Invention due à Qions-eur Pierre GAFFE consiste en un dispositif pour protéger un élément supra- ou hyperconducteur, alimenté en courant variable, notamment périodiquej contre les conséquences d'au moras un accroissement local, acci dentel, de sa résistance. On utilise couramment, à l'heure actuelle, des compo- sants et des circuits qui, lorsqu'ils sont maintenus en équilibre thermique à une température appropriée, très basse, présentent une résistance électrique pratiquement nulle (éléments supra-conducteurs), ou très faible (éléments hyper-conducteurs). Lorsque l'équilibre thermique dtun tel élément est perturbé, de .façon locale et accidentelle, par exemple par suite d'un défaut dans son installation de réfrigération ou dans son isolation thermique, sa résistance électrique subit un accroissement local relativement important, à partir de sa valeur pratiquement nulle, ou très faible-, correspondant à l'équilibre thermique; un tel accroissement local, accidentel, de la résistance dtun élément supra- ou hyper-conducteur, en fonctionnement, peut avoir des conséquences extrmement graves en raison du dégagement de chaleur par effet Joule, qui en résulte, et qui peut entraîner une dé-terioration de I?élément supra- ou hyper-conducteur, ou même déclencher un accident grave, et éventuellement dangereux (par exemple, dans le cas d'une enceinte cryogénique, où une grande quantité du fluide réfrigérant est vaporisée, il peut en résulter une augmentationdelapression dans cette enceinte, telle quelle explose). On pourrait imaginer de déceler un accroissement local, accidentel, de la résistance d'un élément supra- ou hyperconducteur, en fonctionnement, simplement en contrôlant de façon continue la tension aux bornes de cet élément, mais cette méthode ne serait pas suffisamment sensible. Pour les éléments supra- ou hyper-conducteurs, alimentés en courant continu, on a déjà imaginé d'insérer l'élément à protéger dans deux branches d'un pont, dont les deux autres branches sont constituées par une résistance de mesures On pourrait imaginer de transposer un tel dispositif à la protection des éléments supra- ou hyper-conducteurs, alimentés en courant périodique, selon le schéma électrique illustré sur la figure 1 du dessin annexé;- sur cette figure 1, une inductance supra conductrice 1 est alimentée, par 11 intermédiaire de ses bornes A et B, à partir d'une source de courant alternatif de fréquence industrielle; une résistance de mesure 2 est connectée en parallèle sur l'inductance supra-conductrice 1, et un instrument de mesure 3 est connecté entre les points médians respectifs des composants 1 et 2. En cas d'augmentation accidentelle de la résistance de l'une des deux moitiés de la bobine supraconductrice 1, l'instrument de mesure 3 indique que le pont ainsi formé est déséquilibré. Cependant, les capacités parasites du circuit de la figure 1, dont certaines sont les capacités propres de l'inductance supra-conductrice 1, ont un effet perturbateur très gênant, produisant des déséquilibres intempestifs du pont, notamment lorsque l'inductance supraconductrice 1 et ses fils d'amenée de courant sont déplacés. En outre, le circuit de la figure 1 serait insensible à des accroissements simultanés et égaux des résistances électriques respectives des deux moitiés de l'inductance supra-conductrice t. Le dispositif selon la présente invention est du type indiqué initialement, et il est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens détecteurs pour déceler une variation de l'angle de déphasage entre le courant d'alimentation et la tension aux bornes de l'élément supra- ou hyper-conducteur à protéger, et au moins un disJoncteur, commandé a' partir desdits moyens detecteurs pour déconnecter l'élément à protéger. Les moyens détecteurs du dispositif selon la présen- te invention sont susceptibles de nombreuses formes de réalisatien, qui permettent de déceler toute variation de l'angle de déphasage avec une précision très élevée, de manière a' assurer une protection très efficace de l'élément supra- ou hyper-conducteur en cas d'accroissement local, accidentel, de sa résistance. Le dispositif selon la présente invention est applicable à tous les composants supra- et hyper-conducteurs, alimentés en courant variable, et notamment en courant périodique; il peut s'agir par exemple d'inductances ou d'enroulements supra- ou hyper-conducteurs, en particulier d'enroulements de transformateurs ou de machines tournantes. A titre d'exemples, on a décrit ci-dessous et illustré scht'matiquement au dessin annex deux formes de réalisation du dispositif de protection selon la présente invention. La figure 2 est le schéma électrique, par blocs, de la première forme de réalisation. La figure 3 est le schéma électrique de la seconde forme de réalisation. La figure 4 est un diagramme vectoriel destiné à expliquer le fonctionnement du dispositif de la figure 3. Sur la figure 2, 7 désigne une inductance supraconductrice, dans laquelle une source 4 envoie un courant alternatif, de fréquence industrielle, par exemple 50 Hz, par ltintermédiaire d'un contact 5a d'un disjoncteur 5. On n'appas représenté l'installation cryogénique qui permet de maintenir l'inductance 1 à l'état supra-conducteur, car une telle installation est bien connue, et ne rentre pas dans le cadre de la présente invention. 1a résigne une bobine qui est couplée inductivement avec l'inductance supra-conductrice 1; par exemple, elle peut être bobinée sur le mêe noyau que l'inductance 1, et être ainsi maintenue en équilibre thermique avec elle, par l'installation cryogénique; dans ce dernier cas, il est de peu d'importance pour la présente invention que le conducteur constituant la bobine la soit ou non supra-conducteur à la température à laquelle est maintenue ladite bobine, dans la mesure où celle-ci présente toujours une faible résistance. 01 et Ola représentent les formes d'onde respectives des tensions aux bornes de l'inductance supra-conductrice 1 et de la bobine ta; ces deux tensions périodiques sont en opposition de phase, puisque la première est propor- tionnelle à LdI/dt, tandis que la seconde est proportionnelle à - MdI/dt, I désignant le courant qui traverse l'inductan- ce supra-conductrice 1 de valeur L, tandis que M désigne le coefficient d'inductanee n,utuelle des composants 1 et 1a, couplés indctiverent. Pour rendre les tensions prélevées respectivement aux bornes des doux composants 1 et 1a, sensiblement égales en amplitude, et indépendantes des conditions régnant dans le circuit d'alimentation de l'inductance supra-conductrice 1, ces deux tensions sont appliquées respectivement aux entrées de deux amplificateurs, 6 et 6a, qui produisent sur leurssorties des tensions dont les amplitudes respectives sont égales à des niveaux fixes, égaux l'un à l'autre; OC et OSa représentent les formes d'onde de ces tensions de sortie des am.plificateurs 6 et 6a.Ces tensions sont ensuite appliquées aux entrées de filtres ou d'amplificateurs sélectifs, 7 et 7a respectivement, accordés sur la fréquence du courant produit par la source 4; les formes d'onde, 07 et 07a des tensions de sortie des amplificateurs sélectifs 7 et 7a sont donc sensiblement sinusoidales. La tension de sortie de l'amplificateur sélectif 7a est ensuite appliquée à l'entrée d'un circuit déphaseur de 180 degrés, Sa, dont la forme d'onde de sortie est représentée en 08a. Les tensions de sortie des circuits 7 et 8a sont appliquées respectivement aux entrées de convertisseurs 9 et 9a, qui transforment ces deux tensions sinusoldales d'entrée en deux trains d'impulsions rectangulaires dememe périodicité, 09 et 09a, lesquels sont transmis respectivemènt à la première et à la se conde entrée E1 et E2 d'un amplificateur différentiel 10.Les gains des deux branches, précédemment décrites, du circuit de la figure 2 sont choisis pour que les amplitudes des impulsions rectangulaires 09 et 09a soient toujours égales les unes aux autres, et supérieures aux niveaux-de saturation des deux entrées de l'amplificateur différentiel 10; d'autre part, dans le cas, précédemment considéré, où l'inductance 1 est parfaitement supra-conductrice en tous ses points, les deux trains d'impulsion rectangulaires 09 et 09a sont par faitement en phase l'un avec l'autre, Par suite de l'action du déphaseur de 180 degrés, 8a, si bien qu'une tension nulle apparats sur la sortie de l'amplificateur différentiel 10. Dans le cas, par contre, où une partie au moins de l'inductance 1, par exemple une ou plusieurs spires, cesse accidentellement entre supra-conductrice, à la chute de tension réactive entre les bornes de l'inductance 1 s'ajoute une chute de tension active, c'est-à-dire en phase avec le courant I qui la traverse, si bien que les tensions aux bornes des deux composants i et la cessent d'être exactement en opposition de phase; par suite, les deux trains d'ftpulsions rectan gulaires 09 et 09a cessent d'être exactement en phase et il apparat à la sortie de l'amplificateur différentiel 10 des impulsions de polarités alternées, qui ont toutes la mssme amplitude et la meme largeur, cette dernière dépendant toutefois du déphasage produit par la composante active de l'impédance 1; ces impulsions rectangulaires sont présentées en 010, et elles sont appliquees à l'entrée d'un circuit redresseur 11; les impulsions redressées 011 sont ensuite appliquées à entrée d'un circuit intégrateur 12, dont la sortie produit une tension continue U, de niveau proportionnel à la largeur des impulsions 011, et par suite au déphasage.Cette tension continue go est comparée à un niveau de référence UO, réglable (par des moyens bien connus, non représentés), dans un comparateur 13, dont la sortie produit une tension différentielle u, laquelle est utilisée pour alimenter la bobine du disjoncteur 5 par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance 14. Le réglage du seuil de tension UO permet évidemment d'ajuster l'amplitude du déphasaxre pour laquelle le comparateur 13 actionne le disjoncteur 5, de telle façon que son contact a s'ouvre et déconnecte ainsi l'inductance supra-conductrice 1 de latsource 4, afin d'interrompre le fonctionnement de ladite inductance 1 et d'éviter ainsi les conséquences néfastes qui pourraient résulter de la poursuite de son fonctionnement. Sur la figure 3, on a désigné les éléments homologues de ceux de la figure 2, par les mêmes références que sur cette dernière figure. C'est ainsi que la tension aux bornes de l1inductance supra-conductrice 1, est tout d'abord amenée à un niveau fixe par un amplificateur 6, puis filtrée par un amplificateur sélectif 7, accordé sur la fréquence du courant que la source 4 envoie dans ladite inductance 1. Un shunt purement résistif, 15, est monté en série avec l'inductance supra-conductrice 1, et la tension prélevée à ses bornes, qui est proportionnelle à, et en phase avec le courant traversant ladite inductance 1 est appliquée à entrée d'un amplificateur Ca, qui l'amène à un niveau fixe, puis à l'entrée d'un amplificateur sélectif 7a, analogue à l'amplificateur sélectif 7.Les tensions sinusodaies, et de mel:lt amplitudes, fixes, qui apparaissent respectivement sur les sortios des amplificateurs sélectifs 7 et 7a sont appliquées respectivement à la première et à la seconde entrée, El et E2, d'un détecteur synchrone 16.Lorsque l'inductance 1 se trouve entièrement à l'état sunra-conducteur, les deux tensions sinusoïdales qui apparaissent sur les sorties des amplificateurs sélectifs 7 et 7a sont exactement en quadrature, ce qui est indispensable pour le fonctionnement, à décrire, du détecteur synchrone 16; cependant, il est avantageux d'insérer un déphaseur réglable 5, par exemple entre la sortie de l'amplificateur sélectif 7 et,la première entrée E1 du détecteur synchrone 16, pour pouvoir ajuster le déphasage entre les tensions appliquées aux deux entrées E7 et E2, à une valeur toujours suffisamment voisine de 900 pour assurer un fonctionnement optimum du détecteur synchrone 16. Le détecteur synchrone 16 est constitué essentiellement par deux transformateurs, 17 et 18, dont les enroulements primaires sont connectés respectivement à ses première et seconde entrées, El et E2; l'une des extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur 17 est reliée directement au point médian de l'enroulement secondaire du transformateur 18, dont les deux extrémités sont reliées respectivement aux anodes de diodes 19a et 19b; les cathodes de ces diodes 19a et 19b sont reliées respectivement à l'autre extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur 17 à travers des résistances 20a et 20b, sur lesquelles sont montés en parallèle des condensateurs 21a et 21b. Les rapports de transformation et les sens des enroulements -des transformateurs 17 et 18 sont choisis de tulle sorte que leurs tensions secondaires respectives, ul et 2u2 ont les polarités indiquées par des flèches sur la figure 3, 2u2 ayant d'autre part une amplitude très supérieure à ul. Le diagramme vectoriel a) de la figure 4 montre que, lorsque les tensions appliquées aux entrées El et 2 du détecteur synchrone 16 sont parfaitement en quadrature, les condensateurs 21a et 21b sont chargés respectivement aux valeurs de cette des tensions sinusoldales ul + u2 et ul - u2, qui sont représentees, sur le diagramme vectoriel mentionné, par les segments 02 et 0a, d'égales longueurs; les deux bornes de sortie A et B dii détecteur synchrone 16 sont donc alors portées à la même tension continue par rapport au point médian 0, dans la mesure où les deux résistances 20a, 20b d'une part, et les deux condensateurs, 21a et 21b d'autre part, ont les mêmes valeurs électriques, si bien que la tension de sortie est nulle. Dans le cas par contre où une partie de l'inductance supra-conductrice 1 reprend l'état normal, il apparaît ainsi entre ses bornes une tension active, en phase avec le courant qui la traverse, si bien quelea tension prélevée aux bornes du shunt 15 cesse d'être exactement en quadrature avec celle prélevée aux bornes de l'inductance supra-conductri- ce 1; le diagramme vectoriel b) de la liure 4 montre que, dans ce cas, les vecteurs représentatifs des tensions sinusol-deles u'2 et -u'2 ne sont plus exactement per endi- culaires au vecteur représentatif de la tension u'1, si bien que les tensions de crête auxquelles sont charsé2s les deux condensateurs 21a et 21b, matérialisées par les longueurs des segments OA et OB, ne sont plus égales;; il apparait par suite entre les bornes d sortie A et 3 du détecteur synchrone 16 une tension continue dont l'amXpli- tude dépend du déphasage créé par l'accroissement, à partir d'une valeur pratiquement nulle, de la résistance de l'induc- tance 1.Cette tension continue est amplifiée par un amplificateur 22, dont la tension de sortie U est comparée a un niveau de référence, réglable, UO, par un comparateur 13; le courant de sortie de ce dernier, amplifié par un amplificateur de puissance 14, alimente la bobine du disjoncteur 5, de manière que l'ouverture du contact Sa de ce dernier provoque la déconnexion de l'inductance upraconductrice 1, de façon à la mettre à l'abri des consé- quences fâcheuses que pourrait avoir la poursuite de son fonctionnement dans les conditions accidentelles qui ont été ainsi décelées. Le dispositif selon la présente invention est susceptible de nombreuses variantes, entrant toutes dans le cadre de l'invention. Les moyens détenteurs utilisés, selon la pressente invention, pour déceler une variation de l'angle de déphasage entre le courant d'alimentation et la tension aux bornes de I'loment à protéger, sont susceptibles de formes de réalisation connues, différentes de celles illustrées sur les figures 2 et 3; tous ces moyens détecteurs connus comportent une première et une seconde entrée, et une sortie sur laquelle un signal nul n'apparat que pour un déphasage déterminé entre les deux signaux d'entrée (déphasage nul dans le cas de l'amplificateur différentiel 10, fonctionnant à saturation, sur la figure 2; déphasage de 900 dans le cas du détecteur synchrone 16, sur la figure 3).Comme par ailleurs les deux tensions dont on dispose pour attaquer les moyens détecteurs mentionnés, peuvent être en opposition de phase (cas de la figure 2), en quadrature (cas de la figure 3) ou bien encore présente un déphasage fixe, différent de 90 degrés et de 180 et dépendant des moyens utilisés pour prélever les deux tensions considérées, il est avantageux, selon une caractéristique de la présente invention, de monter un déphaseur, de préférence réglable, en avant de l'une des deux entrées des moyens détecteurs. Cependant, il entre aussi dans le cadre de l'invention d'utiliser des moyens détecteurs produisant un signal de sortie non nul lorsque l'élément à protéger se trouve dans ses conditions normales de fonctionnement, c'est-a-dire à l'état supra- ou hyper-conducteur; dans ce cas, des moyens connus peuvent titre utilisés pour compenser ce signal de sortie non nul, de manière à obtenir un signal différentiel, nul dans les conditions normales de fonctionnement. il est aussi possible d'exDloi- ter la variation du signal de sortie des moyens détecteurs lorsque les conditions de fonctionnement de l'élément à protéger s'écartent des conditions no m ales. RL\rtNDI CATI ONS 10 Dispositif pour protéger un élément supraou hyper-conducteur, alimenté en courant variable, notamment periodique, contre les conséquences d'au moins un accroissement local, accidentel, de sa resistance, caractérisé en ce qutil comporte des moyens détecteurs pour déceler une variation de l'angle de déphasage entre le courant d'alimentation et la tension aux bornes de l'élément à protéger, et au moins un disjoncteur, commandé à partir desdits moyens détecteurs pour déconnecter l'élément à protéger. 20 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens détecteurs comprennent une première entrée, pour recevoir une tension proportionnelle à celle aux bornes de l'élément à protéger, et une seconde entrée, pour recevoir, par l'intermédiaire d'un déphaseur de 180 , une tension proportionnelle à celle aux bornes d'une bobine couplée inductivement avec ltelément à a protéger. 30 Dispositif suivant la revendication i, caractérisé en ce que les moyens détecteurs comprennent une première entrée, pour recevoir une tension proportionnelle à celle aux bornes de l'élément à protéger, et une seconde entrée, pour recevoir une tension proportionnelle à celle aux bornes d'un shunt purement résistif, monté en série avec l'élément à protéger. 40 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 7 à 3, caractérisé en ce que les moyens détecteurs comprennent un amplificateur différentiel travaillant a saturation, des moyens étant prévus pour amener ses deux tensions périodiques d'entrée à des niveaux fixes, de saturation, et pour les transformer respectivement en deux trains dtim.pulsions rectangulaires de même périodicité, en pliase l'un avec l'autre en l'absence d'accroissement de la résistance de l'élément à protéger. 5 Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le signal de sortie de l'amplificateur différentiel traverse successivement un redresseur puis un intégra teur. 60 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens détecteurs comprennent un détecteur synchronie, des moyens étant eventuel- lement prévus pour mettre en quadrature ses doux tensions d'entrée, et de préférence aussi pour les amener à des niveaux fixes. 70 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1à 6, caractérisé en ce pu'un déphaseur, de préférence réglable, est monté en avant de l'une des deux entrées des moyens détecteurs. SO Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1à 7, caractérisé en ce que le signal produit par les moyens détecteurs est comparé à un niveau de référence réglable, par un comparateur, dont le signal de sortie commande le disjoncteur, par l'intereédiaire d'un amplificateur de puissance.