Brevet FR2298179A1 — publié le 19760813

Le but de l'invention concerne la réalisation de procédé, dispositif, appareillage concernant de nouveaux moyens de réaliser avantaveusement la commutation éléctrique. I7 est connu que les appareillages actuellement cons Frll'tS polir réaliser les fonctions de com-utat5.on peuvent être classés soit d'après leur rôle, c'est-à-dire, commande ou protection, soit d'après leur principe de fonctionnement, ctest-à-dire, électromécanique ou statique. En général, pour réaliser une opération de commutation on associe différents éléments ou appareils de base dont la compatibilité n'est pas toujours ni facile, ni totale. Le développement des automatismes aussi bien électroniques que pneumatiques ou hydrauliques imposent des critères nouveaux pour Juger de la qualité des contacteurs. L'extension systématique des automatismes de production nécessite de ces appareils une sécurité de fonctionnement beaucoup plus élevée, associée à une précision et à une cadence de manipulations pratiquement incompatibles avec la conception actuelle des contacteurs. Cet état de choses a conduit les industriels à réaliser des systèmes de commutation statiques à l'aide de semi-conducteurs et, en particulier, des thyristors et des triacs qui ne présentent pas certains de ces inconvénients, mais qui, par contre, soulèvent de nombreux problèmes et, en particulier, dans le domaine des parasites industriels, ce qui limite son domaine d'emploi en dehors d'un prix bien plus élevé. Les contacteurs classiques sont parfois définis par rapport à un critère qui n' a pas de signification réelle, c'est a-dire, à leur " longévité mécanique n car celle-ci correspond à un fonctionnement à vide. Pour définir la qualité d'un contact teur actuellsment, il faut tenir compte de très nombreux critères parmi lesquels on peut citer : la longévité réelle, les caractéristiques de réponse ( à l'appel, à la coupure et à l'inversion) la fiabilité des contacts, la tenue mécanique,l'uPiversalité d'emploi, la tenue aux facteurs extérieurs, intis aussi la probabilité de défaillance par n ratée de commande n. Les contacteurs électromécaniques sont conçus comme étant une association étroite entre un organe moteur constitué par un électro-aimant et une armature mobile susceptible de rapprocher ou d'éloigner les contacts constitués par less pôles principaux ou auxiliaires. Cette manière de voir imnlioue une certaine puissance et une dimension considérable de la part de i 'organe moteur, ce aui implique des temns de fermeture de plus en plus grands en fonction de la puissance à contrôler. En contrepartie, il faut évidemment avoir un ressort de rappel équivalent pour nrovoquer l'ouverture. Le bilan énergétioue est d'autre part défavorable car seulement une partie de l'énergie est restituée, le reste étant dissipé sous forme de chaleur. D'autre part, pour obtenir un bon contact, il est nécessaire d'obtenir une pression élevée, et pour lutter contre l'apparition de l'arc de rupture il faut augmenter le parcours des organes mobiles, ce qui provoque un choc important au moment de la fermeture et donne lieu à des " rebondissements 1t des contacts, non seulement nuisibles, mais encore incompatibles avec les systèmes de-commande électroniques. L'apparition de l'arc est en effet la conséquence la plus néfaste de cette manière de procéder et il faut employer des dispositifs auxiliaires pour éteindre ces arcs.et pour limiter leurs effets nocifs. Une solution peut être apportée par un fonctionnement des contacteurs, soit sous vide, soit en atmosphère inerte, mais au prix d'une complication dans la plu- part des cas faisant prohiber cette forme d'appareillage, soit pour des raisons techniques, soit pour des raisons de prix. La présente invention est basée sur les conceptions originales de Monsieur Antoine BERARD et les contrôles de Monsieur Bogdan GRABOWSEI.Cette invention a en premier lieu pour objet un dispositif de commutation basé sur un tout autre principe : qui consiste dens l'introduction d'un coin en maté- riau isolant entre les contacts soumis à une pression constante. De ce fait, l'apparition de l'arc est devenue dans la plupart des cas impossible et dans les cas les plus défavorables,(c'està-dire, lorsque la surface de contact est très grande)d'une valeur infiniment plus faible et rapidement éteinte. D'ailleurs, pour pallier a cet inconvénient de possibilité de fonction d'arc,(dans le cas de très grandes surfaces de contact) dans un exemple de réalisation de l'invention, cette surface peut être augmentée lateralement au lieu de l'être en profondeur. Voir fifre 9, Planche II. L'invention vise également à diminuer notablement la dépendance entre l'organe moteur et les pâles, dans ce sens que l'organe moteur peut aussi bien être, selon les cas pratiques, ou bien un électro-aimant à simple ou à double effet, ou bien un électro-aimant tournant, ou un vibreur, ou un verin hydrau- lieue ou pneumatique, ou encore un dispositif de manoeuvre purement mécanique. Cet organe moteur, s'il est électrique, peut être utilisé aussi bien en courant qu' en tension, en courant continu qu'en courant alternatif de fréquence plus ou moins élevée, ou encore par impulsions ou par la décharne d'un condensateur. L'invention vise encore R réaliser un ensemble de contacts ayant une fonction logique bien définie en assurant en même temps le verrouillage électrique et le verrouillage mécanique. D'autre part, dans la réalisation de cette unité fonctionnelle on peut sans peine incorporer les circuits auxiliaires de commande, de signalisation ou de protection thermique ou encore magnétique, de manière à constituer un ensemble cohérent et en supprimant les opérations de cablage. De car la concention même de ce dispositif on est beaucoup plus libre pour le choix des matériaux a employer pour la réalisation des contacts, nouvent faire appel si nécessaire par exemple H des frotteurs en charbon dont les avantages sont évidents. Un premier mode de réalisation d'un dispositif de commutation suivant l'invention est conçu de la façon suivante, sous forme d'une unité fonctionnelle de commutation. A l'aide ^'un organe moteur soit électromécanioue, soit Bneumatique, soit encore purement mécanique on provoaue le déplacement linéaire ou rotatif d'une armature comportant dans une ou deux de ses extrémités un coin réalisé en matière isolante.Dans le cas où l'on doit couver plusieurs circuits le coin comporte des ailettes destinées à éviter la formation d'arcs latéraux. L'action du dépZacement axial ou rotatif de ce coin provoque l'écartement des contacts tout en introduisant entre eux un di électrique qui interdit le passage du courant et ceci avec une séparation géométrique minime des contacts du point de vue distance, ce oui provoque une variation faible de la pression de contact. Les contacts auront une forme appropriée pour faciliter le glissement du coin et dans une forme de réalisation de l'invention ils peuvent être constitués nar des roulettes ou des rouleaux. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au.cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple La figure 1 est un schéma très simplifié du dispositif de rupture de contact, le tout réalisé selon un premier mode de réali- station.* La figure 2 est une vue du dispositif d'entraînement à simple effet. La figure 3 correspond à un déplacement suivant deux directions opposées ce qui nermet d'obtenir facilement un verrouillage mécanique de très grande-fiabilité. Ce double mouvement peut être obtenu par exemple à l'aide d'un piston commande par la pression d'un fluide ( fig. 3 bis ) Qu par un électro-aimant à double effet comportant deux bobinages séparés T1 et 12 ( fig. 3 ter ). La figure 4 représente l'incorporation d'entretoises pour séparer électriquement les différents circuits et éviter la formation d'arc ou un effet de blindage électrostatique. La figure 5 correspond à une variante de l'invention comportant une roulette ou un rouleau pour faciliter le déplacement du coin. La figure 6 représente une autre forme de réalisation de ltin- vention correspondant à l'emtloi de techniques pneumatiques et dans laquelle le coin est remplacé par un réservoir déformable lorsqu'il est soumis. à une pression interne. La-fire 7 montre un ensemble d'éléments correspondant à l'invention dans lequel on a pu incorporer d'autres dispositifs auxiliaires de contrôle ou de signalisation. La figure 8 également montre la possibilité d'associer au circuit principal une série de dispositifs auxiliaires. Comme déJà indiqué précédemment, l'idée de base d'où découle cette invention a nour origine les travaux théoriques précédemment faits dans ce sens nar Messieurs GRABOWSKI et BERARD qui ont étudié le processus de remplacement de l'air en tant aue diélectrique par d'autres matériaux. Le principe de commutation devient non nlus ltouver- ture ou la fermeture d'u.n groune de contacts mais l'introduction dans la chaine de conduction d'un milieu isolant, ce oui se trouve bien plus près du mode de fonctionnement par. exemple d'une diode oui tasse de 11 état conducteur à l'état bloqué. Autrement dit, du point de vue mécanique, le contact est tou Jours fermé, mais du point de vue électrique, il est conducteur ou non conducteur selon que l'on considère l'existence, dans cette chaine de conductiin, de la présence ou l'absence d'un diélectrique faisant le mâme office qu'une barrière de potenti dans le cas des semi-conducteurs. Les avantages de cette manière de procéder sont multiples car la pression des contacts reste pratiquement constante, la distance de séparation, même dans le cas de courants forts, ne sera que de quelques millimètres, au lieu de plusieurs centimètres, l'usure des contacts devient minime ainsi que la puissance de commande nécessaire. D'autre part, la commande dans un sens ou dans l'autre se fait à l'aide d'un courant d'appel et non par l'intermédiaire d'un ressort antagoniste. Il est facile d'ajouter au dispositif de base correspondant à la figure 1 un certain nombre de dispositifs auxiliaires et de perfectionnements. Pour revenir à cette figure 1, nous voyons que le principe de fonctionnement est très simple : à l'aide d'une force de déplacement quelconque F on fait pousser vers l'avant une pièce en dorme de-coin, 6, par l'intermédiaire d'une tige 7. Cette pièce isolante,6, vient se placer entre les deux contacts 5 et 5', et, de ce fait, coupe le circuit électrique établi au repos entre les conducteurs 1 et 2. La force de pression, pour obtenir un bon contact électrique, est obtenue à l'aide des ressorts,3 et 4. Dans la figure 2 : on voit qu'un mode d'action simple pour obtenir cette poussée axiale est obtenu à l'aide d'un élément moteur, 8, et , de ce fait, comme indiqué en fig 3 les mouvements des.coins isolants 6, et 6', sont opposés en signe et ont la même valeur avec un svnchronisme absolu. En figures 3 bis et 3 ter, on montre deux formes classiques d'obtenir ce déplacement, fiOit à l'aide d'un système pneumatique comportant un piston central 10, et deux amenées de fluide 11, et 12, soit à l'aide de deux selfs opposées pouvant agir sur un noyau magnétique 13. Dans le cas où l'on coupe plusieurs p8les et circuits à la vis, on peut isoler ces différents éléments à l'aide d'entretoises/conven-lement disposées sur le coin isolant 6. On peut faciliter le mouvement de ce coin et diminuer le frottement ( et donc la puissance de commande nécessaire) en employant une roulette ou unroubeau en tant qu'électrode 15, cette roulette prend son appui grâce à un ressort 16, et elle est fixée sur un support isolant 17, à l'aide d'une articulatiax Dans ce même socle, on peut fixer un détecteur thermique comme par exemple une thermistance 19 ou un bilame pouvant être incorporé dans le circuit de protection Cet agencement est indiqué sommairement de manière très simplifiée en figure 5. En figure 5, nous voyons une autre forme de réalisation de l'invention en faisant appel à des systèmes de commande pneumatiques et dans ce cas le coin isolant est remplacé par une enveloppe simple et déformable 21, sous l'influence de la force de pression interne Fol'. La déformation de cette enveloppe peut servir non seulement à ouvrir les contacts mais encore à les protéger contre les arcs. En figure 7, on voit une réalisation d'ensemble comportant l'élément moteur 8, avec les tilts de commande 23 et 23', actionnant d'une part un coin 6,.destiné à la coupure des pôles principaux par exemple, et d'autre part, une pièce ou un ensemble de pièces 24, et 25, pouvant avoir des formes diverses et qui défilent devant un élément de contrôle 25, qui peut comporter des détecteurs magnétiques ou optiques ou des lecteurs de code lus. De la même manière en figure 8, on voit une autre forme de réalisation qui permet l'emploi de relais auxiliaires, des cellules photo-électriques ou des photo-transistors 26, 27, pouvant servir à des réalisations de programmes divers concernant la fermeture ou l'ouverture des circuits principaux. Revendications 1 - Procédé et dispositif formant système de mommut2tion carac térisé par le fait que l'interruption dtun circuit électri oue ne s'obtient pas par l'éloignement classique des contacts dans l'air ou dans un autre milieu, mais par la modifica tion du circuit, restant fermé, grâce à l'incorporation dans ledit circuit d'un diélectrique. 2 - Système de commutation suivant la revendication 1 caracté risé T)ar le fait que pour couper le circuit, on fait glisser entre les contacts une pièce isolante, en forme de coin ou une enveloppe élastique déformable. 3 - Système de commutation suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'élément mobile peut être soli daire d'un élément moteur électrique, pneumatioue, hydrau tique ou encore mécanique. 4 - Système de commutation suivant les revendications 1, 2 et 3, pouvant comnorter un élément moteur commun actionnant deux éléments mobiles de mouvements opposés. 5 - Système de commutation suivant l'ensemble des revendications précédentes 1, 2, )7, 4, caractérisé par le fait de compor ter en tant que polies, des contacts sous forme de roulettes ou de rouleaux. 6 - Système de commutation selon les revendications 1, 2, 3, 4, 57 comportant des circuits de commande, de signalisation et de protection solidaires, formant ainsi un ensemble fonction nel.