Brevet FR2365196A1 — publié le 19780414

Le but de l'invention concerne la réalisation de procédé , dispositif, appareillage concernant de nouveaux moyens de réaliser avantageusement la commatation électrique. Il est connu que les appareillages actuellement construits pour réaliser les fonctions de commutation peuvent être classés soit d'après leur rôle, c'est-à-dire commande ou protection, soit d'après leur principe de fonctionnement, c'estèà-dire électromécanique oa statique. Bn 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 i réaliser des systèmes de commutation statiques è l'aide de semi-conducteurs, et en particulier, des thyristors et des triacs qui ne présentent. pas certains de ces inconvénients, lais qui, par contre, soulèvent de nombreux problè- ses, 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 un critère qui n'a pas de signification réelle, c'est-à-dire leur b longévité mécanique " car celle-ci correspond à un fonction neient è vide, Pour définir la qualité d'un contacteur, actuel liement, il faut tenir compte de très nombreux critères parmi lesquels on peut citer : la longévité réelle, les caractéristiques de réponse ( è l'appel, à la coupure et è l'inversion ), la fiabilité des contacts, la tenue mécanique, l'universalité d'emploi, la tenue aux facteurs extérieurs, mais aussi la probabilité de défail- lance par " ratée de commande ". 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'éloi- gner les contacts constitués par les pôles principaux ou auxiliai- res. 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 contrôler. En contrepartie, il faut évidemment avoir un ressort de rappel équivalent pour provoquer l'ouverture. Le bilan energétique est d'autre part défavorable car seulement une partie de l'énergie est restituée, le reste étant dissipé sous forme de ehaleur ou pour vaincre les frottements. 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 ruptures il faut augmenter le parcours des organes mobiles, ce qui provoque un choc important au moment de la forme ture et donne lieu à des " rebondissements n des contacts, non seu- lement 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 ou pour limiter leurs effets nocifs. Une solution peut 8tre apportée par un fonctionne- ment 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. En effet, pour pallier à ces inconvénients cités, (arcs et rebonds), il est connu que certains inventeurs ont essayé d'obte- nir l'ouverture des contacts par l'introduction d'une pièce isolante en forme de coin et destinée à allonger et à laminer l'arc, mais cette amélioration ne parait pas suffisante. Par contre, dans le dispositif objet de la présente invention, l'un des contacts est noyé dans une matière isolante ne laissant apparaître qu'une faible surface transversale : l'augmen- tation de la surface utile se faisant toujours dans le sens longitudinal. La pièce assurant l'ouverture des contacts possède la forme d'un demi-coin, l'une de ses faces glissant sur la surface de la pièce isolante dans laquelle l'un des contacts est noyé. I1 est évident que l'on peut noyer également un autre contact dans la pièce mobile, qui, dans ce cas, peut avoir une forme parallélépipédique. L'ouverture des contacts s'effectue dans ce cas par glissement entre deux surfaces en contact et donc en absence d'air. Ces pièces pouvant être réalisées avantageu sement dans une matière autolubréfiante, par exemple : en téflon ou dérivés, nais des matériaux en céramique peuvent dgale- ment convenir. Le 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 faible et rapidement éteinte ; et le. rebonds sont supprimés ainsi que leurs effets parasites. L'invention vise également à diminuer notablement la dépendance entre l'organe moteur et les pêles, dans ce sens que l'orga ne moteur peut aussi bien être, selon les cas pratiques, on bien un électro-aimant à simple ou à double effet, ou bien un dlectro- aimant tournant, ou un vibreur, ou un vérin hydraulique ou pnewP matique, 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'on courant alternatif de fréquence plus ou moins élevée, ou encore par impulsions ou par la décharge 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 câblage, De par la conception même de ce dispositif, on est brau- coup 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 eharbon 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 dtune unité fonctionnelle de commutation. A laide d'un organe moteur soit électro-mécanique, soit pneumatique, soit encore purement mécanique, on provoque le déplacement linéaire nu rotatif d'une armature comportant dans demi une ou deux de ses extrémités un coin réalisé en matière isolante. demi Dans le cas cRL l'on doit couper plusieurs circuits, le co comporte des ailettes en matière 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 oeci avec une séparation géométrique minime des contacts du point de vue distancez 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 des 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 réalisa- tion0 La figure 2 est une vue du dispositif d'entrainement à simple effet. La figure 3 correspond è un déplacement suivant deux directions opposées, ce qui permet 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 dtun fluide (figure 4 bis) ou par un électro-aimant à double effet comportant deux bobinages séparés L1 et L2 figure 5). La figure 10 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 6 correspond à une variante de l'invention comportant une roulette ou un rouleau pour faciliter le déplacement du demicoin. La figure 7 représente une autre forme de réalisation de l'inven tion correspondant à l'emploi de techniques pneumatiques et dans laquelle le demi-coin est remplacé par un réservoir déformable lorsqu'il est soumis à une pression interne. La figure 9 montre un ensemble d'éléments correspondant à l'invention dans lequel on a pa incorporer d'autres dispositifs auxi- liaires de contrôle ou de signalisation. La figure 9 bis 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 pour origine les travaux théoriques précédemment faits dans ce sens par Mess@@urs 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 dtun groupe de contacts, mais l'introduction dans la channe 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'étant bloqué. Autrement dit, du point de vue mécanique, le contact est toujours fermé, mais du point de vue électrique, il est conducteur QU non conducteur selon que l'on considère l'existence, dans cette chaî- ne 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 ltautre 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 fontionnement sont très simples : à l'aide d'une force de déplacement quelconque P, on fait pousser vers l'avant une pièce en forme de demi-coin 6, par l'intermédiaire d'une tige 70 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 du ressort 3. 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 figure 3, les mouve- ments des demi-coins isolants 6 et 6t sont opposée en direction et ont la même translation avec un synchronisme absolu. En figures 4 et 52 on montre deux formes classiques dtobte- nir ce déplacement, soit à l'aide dtun 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 ou l'on coupe plusieurs pôles et circuits à la fois, on peut isoler ces différents éléments à l'aide d'entretoi- ses 14 convenablement disposées sur le demi-coin isolant 6, comme indiqué en figure 10. On peut faciliter le mouvement de ce demi-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 filée sur un support isolant 17, à l'aide d'une articulation. Dans ce même socle, on peut fixer un détectent thermique comme par exemple une ther istance 19 ou un bilame pouvant être incorporé dans le circuit de protection0 Cet agencement est indiqué sommai renient de manière très simplifié. en figure 6. En figure 7, nous voyons une autre forme de réalisation de l'invention en faisant appel b des systèmes de commande poeumati- ques et dans ce cas, le demi-coin isolant est remplacé par une enveloppe simple et déformable 21, sous l'influence de la force de pression interne "F". La déformation de cette enveloppe peut servir non seulenent à ouvrir les contacts, mais encore à les protéger contre les arcs. En figure 9, on voit une réalisation d'ensemble comportant l'élément moteur 8, actionnant d'une part un demi-coin 6 destiné à la coupure des piles 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 9, on voit une autre forme de réalisation qui permet l'emploi de relais auxiliaires, des cellules photo-électriques ou des photo-transistors 24, 25, pouvant servir A des réalisations de programmes divers concernant la fermeture ou l'ouverture des circuits principaux. Réalisations de coupures d'arc multiples de facons 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 coupé augmente très rapide nient avec le nombre de coupures en série simultanée, par exemple : une coupure deux coupures trois coupures quatre coupures 0,9 ampères 4 ampères 16 amples 64 amp res ET', ENSUITE dans les mêmes rapports de progression. C'est pourquoi dans notre dispositif , selonlinvention, il suffit de rendre solidaires les articulations porte-roulettes on perte- demi-coin sus décrits pour obtenir en série 4, 6, 8, n... coupures en série 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 Earasitage). Pour palier a' 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 8 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. Le demi-coin doit être en matière isolante, nais il peut être aussi en métal enrobé d'une substance très isolante, cette variante étant destinée à permettre le refroidissement rapide de l'ensemble. Revendications 1. Dispositif de commutation de contacts électriques à deux états, l'un ouvert et l'autre fermé, du genre de ceux qui comportent généralement deux électrodes conductrices suscep tibles de venir au contact l'une de l'autre, pour former un circuit électrique, caractéridé en ce que ledit contact passe de 11 état conducteur à l'état non-conducteur du fait de l'introduction d'un diélectrique entre les deux dites élec trodes, de telle façon que la formation d'arc- soit rendue impossible ainsi que les rebonds. 2. Dispositif selon la revendication 1. caractériêe' par la géo métrie en demi-coin ou biseau du diélectrique introduit. 3. Dispositif selon 1., 2., éliminant effluves et ondes de para sitage, caractérisé par le fait qu'au moins un des contacts est rigoureusement noyé dans une substance diélectrique ne laissant à nu que les surfaces prévues pour le contact exac tement à même niveau. 4. Dispositif selon 1., 2., 3., caractérisé par le fait que lorsque le diélectrique est mobile, il glisse sur une surfa ce également isolante et destinée à enr.ober les contacts. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé par le fait que les pièces destinées à assurer le contact sont de forme très allongée et, par contrA présentent une très faible dimension transversale de façon à éviter les rebonds. 6. Dispositif selon les revendications 1., 2., 3.,,caractérisé en ce que le milieu diélectrique est une pièce isolante consistant en une enveloppe élastique déformable sous l'effet d'une pression intérieure. 7. Dispositif selon les revendications 1. 2. 3. 4. 5., caractéri sé en ce que la pièce isolante mobile est rendue solidaire d'un organe ou système moteur susceptible de provoquer sa translation et son introduction entre les deux électrodes du contact électrique. 8. Dispositif selon 1. 2. 3. 4. 6., caractérisé en ce qu'il comporte deux pièces en forme de demi-coin, de sens opposé, associées symétriquement à un même organe moteur suscepti ble de provoquer un déplacement en translation simultanée des deux pièces, selon un mouvement alternatif. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé par le fait de comporter, en tant que pôles, des contacts en forme de roulettes ou rouleaux. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci dessus, caractérisé par des circuits de commande, de signa lisation, de protection, solidaires, formant ainsi un ensem ble fonctionnel permettant. par exemple des Pelais programmés. 11. Dispositif selon ltensemble des revendications, caractérisé par le fait de rendre solidaires les articulations porte demi-coins ( ou porte-roulettes ) permettant ainsi 2, 4, 6, 8, n... coupures de courants en séries strictement simulta nées. 12. Dispositif selon la'une quelconque ou l'ensemble des revendi cations précédentes, caractérisé en ce que les demi-coins sont. en métal, bien entendu, ces demi-coins sont rec-ouverts d'une ou plusieurs couches de substances très isolantes, afin de créer l'effet radiateur ( capable de refroidir le système en fonction ). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications, carac térisé en ce qu'il consiste en l'introduction d'un milieu isolant dans la chaine de conduction, l'absente ou la pré sence d'un diélectrique faisant le même office qu'une barrit re de potentiel ( dans le cas des semi-conducteurs ), le mode de fonctionnement se rapprochant de celui d'une diode, passant de l'état conducteur à l'état bloqué.