Brevet FR2465340A1 — publié le 19810320

1. La présente invention concerne des circuits de pro- tection contre les surcharges ou les défauts et, plus parti- culièrement, un système de commutation rapide perfectionné permettant la coupure de courants électriques d'intensité élevée en cas de surcharge. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.215.896 au nom de D.P. Shattuck et autres du 2 novembre 1965, on décrit un circuit de protection contre les surchar- ges à réponse rapide qui comprend un thyristor au silicium qui est rendu conducteur en réponse à un signal d'erreur, ce qui provoque l'actionnement d'un fusible placé en série avec la charge. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.493.815 au nom de R. L. Hurtle du 3 février 1970, on décrit un système de protection électrique comprenant un fusible qui est actionné par un thyristor au silicium en réponse à un courant de défaut. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.525.019 au nom de J. Lansch du 18 août 1970, on décrit un circuit de protection de puissance qui comprend un relais répondant à un moyen de détection de tension d'erreur pour couper des triacs et ouvrir les lignes de charge. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.868.552 du 25 février 1975 au nom de A. Wickson, on décrit 2. un interrupteur de circuit électrique o un signal d'erreur déclenche un thyristor au silicium, qui provoque la circula- tion d'un courant plus grand dans le secondaire d'un trans- formateur et dans des fusibles, ce qui a pour effet de rédui- re la durée nécessaire à l'ouverture d'un circuit en ré- ponse à des perturbations électriques. Dans le brevet-:des Etats-Unis d'Amérique n0 3.957.329 au nom de L. D. McConnell du 18 mai 1976, on décrit un limiteur de courant de défaut qui comprend un fusible connecté en parallèle avec le contact normalement ouvert d'un commutateur sous-vide. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3.987.340 au nom de F. W. Kussy du 19 octobre 1976, on décrit un contrôleur de moteur constitué d'éléments chauffants de relais de surcharge, de contacteurs électromagnétiques, de disjoncteurs de circuit, et d'éléments fusibles en parallèle avec des résistances. Dans l'industrie on est de plus en plus intéressé à l'utilisation d'onduleurs pour faire varier la vitesse des moteurs à induction. Cependant, un problème important se trouve soulevé lors de l'utilisation de ces onduleurs lors- gu'une partie des dispositifs de commutation à semi-conduc- teurs entrant dans l'onduleur ne procèdent pas à une commuta- tion ni à une coupure. Cela provoque l'application d'un court- circuit aux bornes du moteur, avec production d'un courant de courtcircuit et d'un couple négatif, ou effet de freinage, important. Dans des machines telles que les turbo-compres- seurs centrifuges o l'accouplement entre moteur et train d'entraînement est maintenu par un couple positif sur un ar- bre fileté, l'effet de freinage peut provoquer des avaries par suite de la désolidarisation par dévissage entre moteur et train d'entraînement. Ainsi, il est souhaitable de dis- poser d'un système de commutation permettant d'interrompre très rapidement les courants de façon à déconnecter le mo- teur de l'onduleur avant qu'un couple négatif ne soit déve- loppé ayant une valeur suffisante pour provoquer le dévissa- ge. 3. La présente invention a pour objet de prévoir un système de commutation rapide perfectionné permettant la déconnexion de courants électriques d'intensité élevée d'une charge en réponse à une surcharge. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un système de commutation rapide qui comprend un interrupteur sous-vide ayant une pluralité de contacts supportant le courant de pleine charge et une pluralité de fusibles connectés en parallèle aux contacts pour ne sup- porter que le courant de défaut. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un système de commutation rapide qui comprend une pluralité de fusibles de faible calibre répondant à une surcharge pour interrompre très rapidement une charge appli- quée à une ligne polyphasée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un système de commutation rapide qui comprend un dé- tecteur de défaut, un semi-conducteur, une bobine de répul- sion, un interrupteur sous vide et des fusibles à rupture, tous connectés de façon à débrancher très rapidement une charge d'une source d'énergie. Un autre objet de la présente invention est de pré- voir un système de commutation rapide de construction rela- tivement simple et de fabrication facile. Selon la présente invention, on prévoit un systè- me de commutation rapide permettant de déconnecter des cou- rants électriques d'intensité élevée dans un circuit si- tué entre une source d'énergie et un circuit de charge comprenant un moyen de détection, un moyen de commutation à semi-conducteur, un dispositif de commutation rapide un moyen d'excitation, et un moyen d'interrupteur de circuit en réponse à une surintensité. Le moyen de détection est con- necté à une source d'énergie pour la détection d'une sur- charge et fournir un signal de déclenchement. Le moyen de commutation à semi-conducteur comporte une borne de comman- de qui est couplé au moyen de détection pour déclencher ce- lui-ci en réponse au signal de déclenchement. Des contacts 4. normalement fermés du dispositif de commutation rapide sont connectés en série avec le circuit de transport de courant. Le moyen d'excitation est connecté en série avec le moyen de commutation à semi-conducteur pour actionner le disposi- tif de commutation. Le moyen d'interrupteur est couplé en parallèle avec le moyen de commutation pour interrompre la circulation de courant dans le circuit de transport de cou- rant de façon à déconnecter la charge de la source d'éner- gie lorsqu'une surcharge est détectée par le moyen de dé- tection. Lors de la production d'un courant de défaut par le moyen de détection, dépassant une valeur prédéterminée, le moyen de commutation actionne le moyen d'excitation de façon à provoquer l'ouverture des contacts normalement fermés du moyen de commutation et permettre au moyen d'inter- rupteur de couper le circuit de transport de courant. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec le dessin unique ci joint dans lequel la figure représente-un schéma fonctionnel d'un système de commutation rapide selon la pré- sente invention. Dans la figure, on a représenté un schéma fonc- tionnel d'un système de commutation rapide 10 selon la pré- sente invention qui est connecté entre une source d'énergie triphasée, telle qu'un onduleur 12 et un circuit de charge comprenant un moteur triphasé 14. Les bornes de sortie 18, et 22 de l'onduleur 12 sont reliées à des lignes polypha- sées respectives 24, 26 et 28. Les bornes d'entrée 30,32 et 34 du moteur 14 sont connectées à des lignes polyphasées respectives 36, 38 et 40. Le système de commutation rapide 10 comprend un moyen d'interrupteur de circuit 42, répondant à une surin- tensité, et un circuit de commutation 44. Le moyen d'inter- rupteur 42 comprend une pluralité de bornes de fusibles 46, 48; 50,52; et 54, 56 qui sont disposées à une certaine dis- tance les unes et les autres. Des conducteurs 58, 60 et 62 sont connectés respectivement entre les bornes 46, 50, 54 et les lignes polyphasées 28, 26, 24. Des conducteurs 64, 5. 66 et 68 sont connectés respectivement entre les bornes 48, 52, 56 et les lignes polyphasées 40, 38, 36. Des conducteurs à coupure, ou fusibles 70, 72 et 74 sont fixés et couplés entre les bornes 46, 48; 50, 52; et 54, 56, respectivement. Le circuit de commutation 44 comprend un moyen de commutation à semi-conducteur 76 tel qu'un thyristor au si- licium, un moyen d'excitation 78, un moyen de commutation ra- pide 80 et unnoyen d'alimentation en énergie 82. On a égale- ment prévu un moyen de détection tel qu'un détecteur de défaut 84 qui est connecté à l'onduleur 12 par des conduc- teurs 86 et 88 pour la mesure du courant absorbé par le mo- teur 14 ou d'un courant excessif circulant dans l'onduleur 12. Le thyristor 76 est disposé de façon à être déclenché par la sortie du détecteur 84 couplée aux bornes de la ga- chette et de la cathode 90, 92 du thyristor par l'intermé- diaire de conducteurs 94, 96. Le moyen d'alimentation en énergie 82 comprend une source de tension alternative 98, connectée à l'enroule- ment primaire 100 d'un transformateur 102. La tension al- ternative à l'enroulement secondaire 104 du transformateur 102 est redressée par demi-alternances par une diode 106 et une résistance 108, pour charger un condensateur 110 à un niveau de tension continu souhaité. Cette tension continue du condensateur 110 est appliquée à un côté du moyen d'excita- tion 78 ayant la forme d'une bobine de-répulsion. Une diode 112 est connectée aux bornes du condensateur 110 de façon à éviter sa polarisation inverse. L'autre côté de la bobine 78 est connecté à l'anode du thyristor 76. La bobine est utilisée pour créer un champ magnétique destiné à provoquer le fonctionnement du dispositif de commutation 80, lequel est en pratique un commutateur-interrupteur sous vide clas- sique comportant une pluralité de contacts a, b et c. Chaque contact a,b et cnornalement fermé, est situé dans les lignes de transport de courant. On notera que les contacts respectifs a, b et c sont disposés en parallèle aux fusibles respec- tifs 70, 72, 74. Le détecteur de défaut 84 est de préférence un dé- 6. tecteur de courant continu et de courant alternatif sans contact d'un type fabriqué et vendu par la société dite F. W. Bell Inc. sous la marque IF-5000M. On trouvera une description détaillée de la théorie de fonctionnement et des caractéristiques de la bobine de répulsion 78 dans l'arti- cle intitulé "Analysis of a Fast Acting Circuit Breaker Mechanism" de S. Basu et K.D. Srivastava, présenté à la Réunion d'été de l'IEEE et au Symposium international sur les essais en haute puissance, Portland, Oregon, 18-23 juil- let, 1971. L'interrupteur sous vide peut être d'un type fa- briqué par la société dite ITT Jennings et désigné sous le no RP 157-1 dont le temps de réponse typique est de 0,3 mil- liseconde. Les fusibles 70, 72 et 74 peuvent être d'un type que l'on rencontre dans le commerce, l'intensité nominale 1S spécifique des fusibles étant sélectionnée de façon à être adaptée à l'application souhaitée. En fonctionnement, lors de l'apparition d'une sur- charge, un courant de défaut d'une valeur supérieure à une valeur prédéterminée sera détecté par le détecteur de dé- faut 84 et celui-ci produira un signal de sortie de déclen- chement qui sera appliqué à la borne decraxnde 90 du thym ristor 76. Un tel signal provoquera le déclenchement du thyristor au silicium, ce qui le fera passer à l'état con- ducteur. Dans cet état, le courant traversera l'anode du thyristor, et excitera la bobine de répulsion 78. La mise en oeuvre de la bobine aura pour effet de créer un champ ma- gnétique qui entraînera l'ouverture des contacts normale- ment fermés a, b et c de l'interrupteur sous vide 80 et le passage du courant de charge principal provenant de l'ondu- leur dans les fusibles 70, 72 et 74. Le courant de charge continuera à circuler vers le moteur 14 pendant une période relativement courte nécessaire à la fusion des fusibles et à l'ouverture du circuit, ce qui aura pour effet de décon- necter la charge 14 de la source 12. Dans un cas particulier d'application de la présen- te invention, le courant de défaut maximum mesuré aux bornes , 32 et 34 du moteur 14 était égal à 4.000 ou 2.828 ampê- 7. res efficaces. En fonctionnement normal, le courant de-plei- ne charge du moteur est typiquement de 450 ampères. On a également déterminé par des essais que le temps de coupure (total du temps de fusion et du temps d'extinction de l'arc) du système de commutation utilisé devait être inférieur à 2 millisecondes pour éviter le dévissage ou le désaccouple- ment de l'arbre du moteur du train d'entraînement. Un fusi- ble de 500 ampères aurait un temps de fusion juste inférieur à une seconde pour un fonctionnement en 60 périodes. Ainsi, toute tentative de fusion normale avec un fusible de 500 ampères n'assurerait pas une protection convenable contre le dévissage, étant donné que l'ouverture du circuit est trop lente et qu'ainsi un courant trop important est absorbé par le moteur. Cependant, une durée beaucoup plus courte pour dé- connecter la source d'énergie 12 de la charge 14 est obtenue dans la présente invention grâce au fait que le courant de pleine charge de 450 ampères traverse les contacts a, b et c de l'interrupteur sous vide 80 dans les conditions norma- les et ne traverse pas les fusibles 70, 72 et 74. En d'au- tres termes, les fusibles sont shuntés par les contacts dans les conditions normales de fonctionnement et ne sont-utili- sés que pour le passage des intensités élevées de surcharge. Par conséquent, des fusibles beaucoup plus petits ou des fu- sibles à intensité nominale relativement faible peuvent être choisis pour être montés dans le circuit et donner un temps de coupure beaucoup plus court. Si un fusible de 20 ampères ayant une capacité de coupure de 200. 000 ampères est utilisé, le temps de coupure dans le cas o le courant de défaut est de 4.000 ampères serait approximativement de 0,89 milliseconde, après l'ouverture des contacts de l'inter- rupteur 80. D'après ce qui précède, on peut voir que la pré- sente invention prévoit un dispositif de commutation rapide perfectionné qui comprend des fusibles de faible intensité pour déconnecter le moteur de l'onduleur dans un laps de temps relativement court. En outre, le système de commu- 8. tation rapide comprend un thyristor au silicium, une bobine de répulsion et un interrupteur sous vide pour dévier le courant de défaut vers les fusibles. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 9. REVENDICAT IONS 1 - Système de commutation rapide pour la coupure de courants électriques d'intensité élevée dans un circuit de transport de courant entre une source d'énergie et un circuit de charge, caractérisé en ce qu'il comprend: - un moyen de détection (84) connecté a une source d'énergie pour détecter des conditions de surcharge et pro- duire un signal de déclenchement; - un moyen de commutation à semiconducteur (76) comportant une borne de commande. couplée au moyen de détec- tion pour le déclenchement du moyen de commutation en répon- se au signal de déclenchement; - un dispositif de commutation rapide (80) com- portant des contacts normalement fermés qui sont connectés en série avec le circuit de transport de courant; - un moyen d'excitation(78) connecté en série au moyen de commutation à semi-conducteur pour l'actionnement du dispositif de commutation; et - des moyens d'interrupteur de circuit répondant à une surintensité (70, 72, 74)connectés en parallèle avec le dispositif de commutation pour interrompre la circulation de courant dans le circuit de transport de courant de façon à déconnecter le circuit de charge de la source d'énergie lorsqu'une surcharge est détectée par le moyen de détection, le moyen de commutation actionnant le moyen d'excitation lorsque le courant de défaut provenant du moyen de détec- tion dépasse une valeur prédéterminée, pour provoquer l'ou- verture des contacts normalement fermés du moyen de commuta- tion et permettre au moyen d'interrupteur d'interrompre le circuit de transport de courant. 2 - Système de commutation rapide selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le moyen de détection com- prend un détecteur de défaut (84). 3 - Système de commutation rapide selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation à semi-conducteur comprend un thyristor au silicium (76). 4 - Système de commutation rapide selon la revendi- 10. cation 1, caractérisé en ce que le dispositif de commutation comprend un interrupteur sous vide (80). - Système de commutation rapide selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le moyen d'excitation com- prend une bobine de répulsion (78). 6 - Système de commutation rapide selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le moyen d'interrupteur comprend une pluralité de fusibles à faible intensité (70, 72, 74) qui sont fixés à des bornes distantes les unes des au- tres.