Brevet FR2338561A1 — publié le 19770812

Le but de l'invention concerne la réalisation de procédé, dispositif, appareillage concernant de nouveaux moyens de réaliser avantageusement la commutation électrique. I1 est connu que les appareillages actuellement construits pour réaliser les fonctions de commutation peuvent être classes soit d'après leur rôle, c'est-à-dire commande ou protection, soit d'après leur principe de fonctionnement, ctest- -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 impose 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, clest-à-dire leur "longévité mécanique" car celle-ei correspond à un fonctionnement à vide. Pour définir la qualité d'un contracteur, actuellement, 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'universalité d'emploi, la tenue aux facteurs exterieurs, mais aussi la probabilité de defaillance par "ratée de commande". Les contacteurs électromécaniques sont conçus comme etant une association etroite entre un organe moteur constitué par un électro-aimant et une armature mobile susceptible de rapprocher ou d'éloigner les contacts constitués par les pèles principaux ou auxiliaires. Cette manière de voir implique une certaine puissance et une dimension considérable de la part de l'organe moteur, ce qui implique des temps de fermeture de plus en plus grands en fonction de la puissance à contrôleur. En contrepartie, il faut évidemment avoir un ressort de rappel équivalent pour provoquer l'ouverture. Le bilan énergétique 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" 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 l-imiter 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 plupart 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 GRABOWSKI. Cette invention a en premier lieu pour objet un dispositif de commutation basé sur une toute autre technique : qui consiste dans l'introduction d'un coin en matériau 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'est-à-dire lorsque la surface de contact est très grande), d'une valeur infiniment plus fable et rapidement éteinte. D'ailleurs, pour pallier à 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 latéralement au lieu de l'être en profondeur. Voir figure 9, Planche II. L'invention vise également à diminuer notablement la dépendance entre l'organe moteur et les pèles, dans ce sens que ltorgane-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 vérin hydraulique 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 elevée, ou encore par impulsions ou par la decharge d'un condensateur. L'invention vise encore à 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 par la conception même de ce dispositif, on est beaucoup plus libre pour le choix des matériaux à employer pour la réalisation des contacts, pouvant faire appel, si nécessaire par exemple à 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 d'un organe moteur soit électromécanique, soit pneumatique, soit encore purement mécanique, on provoque 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 ou l'on doit couper plusieurs circuits, le coin comporte des ailettes en matiere isolante destinées à éviter la formation d'arcs latéraux. L'action du déplacement axial ou rotatif de ce coin provoque l'écartement des contacts tout en introduisant entre eux un diélectrique qui interdit le passage du courant et ceci avec une séparation géométrique minime des contacts du point de vue distance, ce qui 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 par dés roulettes ou des rouleaux. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront 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 réalisation. La figure 2 est une vue du dispositif d'entrainement à simple effet. La figure 3 correspond à un déplacement suivant deux directions opposées, ce qui permet d'obtenir facilement un verrouillage mécanique de très grande fia bilité. Ce double mouvement peut être obtenu par exemple à l'aide d'un piston commande par la pression d'un fluide (figure 3 bis) ou par un électro-aimant a double effet comportant deux bobinages séparés L1 et L2 (figure 3 ter). La figure 4 représente l'incorporation d'entretoises pour séparer électrique- ment 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 l'invention correspon- dant à 1' emploi de techniques pneumatiques et dans laquelle le coin est remplacé par un réservoir déformable lorsqu'il est soumis à une pression interne. La figure 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 possibilite d'associer au circuit principal une série de dispositifs auxiliaires. Comme déjà indiqué préàédent, en, l'idée de base d'ou découle cette invention a pour origine les travaux théoriques précédemment faits dans ce sens par Messieurs GRABOWSKI et BERARD qui ont étudié le processus de remplacement de l'air en tant que diélectrique par d'autres matériaux. Le principe de commutation devient non plus l'ouverture ou la fermeture d'un groupe de contacts, mais l'introduction dans la chaine de conduction d'un milieu isolant, ce qui se trouve bien plus près du mode de fonctionnement par exemple d'une diode qui passe de l'état conducteur à l'état bloqué. Autrement dit, du point de vue mécanique, le contact est toujours fermé, mais du point de vue électrique, il est conducteur ou non conducteur selon que l'on considère l'existence, dans cette chaîne de conduction, de la présence ou l'absence d'un diélectrique faisant le même office qu'une barrière de potentiel 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 dispositif et son principe de fonctionnement sont très simples à l'aide d'une force de déplacement quel- conque F, on fait pousser vers l'avant une piece en forme de coin 6, par l'intermédiaire d'une tige 7. Cette piece isolante 6 vient se placer entre les deux contacts 5 et 5i 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 11 aide d'un élément moteur 8 et de ce fait, comme indiqué en figure 3, les mouvements des coins isolants 6 et 6' sont opposés en direction et ont la même translation avec un synchronisme absolu. En figures 3 bis et 3 ter, on montre deux formes classiques d'obtenir ce déplacement, soit à l'aide d'un système pneumatique comportant un piston central 10 et deux amenées de fluide il et 12, soit à l'aide de deux selfs opposées pouvant agir sur un noyau magnétique 13. Dans le cas ou l'on coupe plusieurs pèles et circuits à la fois, on peut isoler ces différents éléments à l'aide d'entretoises 14 convenablement 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 soit une roulette soit un rouleau 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 articulation. Dans ce même socle, on peut fixer un détecteur thermique comme par exemple une thermistance 19 ou un bilame pouvant etre incorporé dans le circuit de protection. Cet agencement est indiqué sommairement de manière très simplifiée en figure 5. En figure 6, 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 deformable 21, sous l'influence de la force de pression interne "F". 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 fils de commande 23 et 23', actionnant d'une part un coin 6 destine à la coupure des pèles principaux par exemple et d'autre part, une pièce ou un ensemble de pièces 24 et 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 1' emploi de relais auxiliaires, des cellules photo-électriques ou des photos-transistors 26, 27, pouvant servir à des réalisations de programmes divers concernant la fermeture ou l'ouverture des circuits principaux. Réalisations de coupures d'arc multiples de façons simultanées : s'il est actuellement possible de faire des contacteurs avec double coupure (pour diminuer la valeur d'arc), il est pratiquement presqu'impossible d'augmenter ce nombre de coupures et de telles coupures ne sont alors pas exactement simultanées. Or, on sait que la valeur du courant coupe augmente très rapidement avec le nombre de coupures en série simultanée, par exemple une coupure deux coupures trois coupures quatre coupures 0,9 ampères 4 ampères 16 amperes 64 ampères et ensuite dans les mêmes rapports de progression. C'est pourquoi dans notre dispositif, selon l'invention, il suffit de rendre solidaires les articulations porte-roulettes ou porte-coin sus décrits pour obtenir en série 4, 6, 8, n... coupures en serie strictement simultanée. D'autre part, lorsque les coupures se font dans l'air ionisé, il peut se produire des effluves ou aigrettes nuisibles (par production de parasitage). Pour obvier à cet inconvénient classique majeur, une variante préférentielle sur tous nos dispositifs de contacteurs consiste à les noyer dans une substance qui soit un bon diélectrique en ne laissant à nu, bien entendu, que la surface de contact, mais par contre, enrobant aussi les fils ou câbles d'admission et de sortie du courant à couper. Revendications 1. Procédé de commutation d'un contact électrique à deux états, l'un ouvert et l'autre fermé, du genre de ceux qui comportent de façon générale deux électro des conductrices susceptibles de venir au contact l'une de l'autre pour fer mer un circuit électrique, caractérisé en ce que l'on fait passer ledit contact de l'état conducteur à l'état non conducteur, en introduisant un milieu diélectrique entre les deux dites électrodes. 2. Procéde de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu diélectrique est une pièce isolante préférentiellement en forme de coin. 3. Procédé de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu diélectrique est une piece isolante consistant en une enveloppe élastique déformable sous l'effet d'une pression intérieure. 4. Dispositif de commutation d'un contact électrique à deux états pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce isolante bobilX est rendue solidaire d'un organe moteur susceptible de provoquer sa translation et son introduction entre les deux électrodes du contact électrique. 5. Dispositif de commutation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte deux pièces en forme de coin, de sens opposé associés symétriquement à un même organe moteur susceptible de provoquer un deplacement en transla tion simultanée des deux pieces selon un mouvement alternatif. 6. Systeme de commutation suivant l'ensemble des revendications précédentes 1, 2, 3, 4, caractérisé par le fait de comporter en tant que polies, des contacts sous forme de roulettes ou de rouleaux. 7. Systeme de commutation selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 comportant des circuits de commande, de signalisation et de protection, solidaires, formant ainsi un ensemble fonctionnel. 8. Dispositif permettant de réaliser 2, 4, 6, 8, n... coupures de courant en série strictement simultanée : p par le fait de rendre solidaires les articula- tions porte-roulette (ou porte-coin) des contacteurs. 9. Dispositif éliminant les effluves et leurs ondes de parasitage consistant à noyer les contacts dans un diélectrique ne laissant nues que les surfaces de contacts, mais enrobant aussi bien entendu les câbles d'admissiou et de sortie du courant destiné à être coupe.