Brevet FR2574984A1 — publié le 19860620

La présente invention concerne un dispositif d'extinction d'arc pour un interrupteur électrique. I1 existe dans l'art antérieur une technique de coupure de circuit "sans arc dans laquelle on utilise un élément de commutation à semiconducteur pour transférer le courant vers un circuit ne passant pas par les contacts en cours de séparation. L'élément de commutation à semiconducn teur comprend un transistor qui est placé à l'état conducteur par un transformateur de courant à circuit magnétique saturable, et qui est bloqué lorsque le circuit magnétique du transformateur de courant atteint l'état de saturation. On pourra étudier cette technique pour bieti comprendre la relation entre le courant total traversant un système protégé, et la tension du système en fonction du temps, qui est sous la commande de l'élément de commutation à semiconducteur. Les brevets britanniques 1 072 267 et 1 152 903 concernent le sujet de l'invention, du fait qu'ils décrivent l'utilisation d'une résistance dépendant de la tension pour commuter un thyristor aux bornes d'une paire de contacts en cours de séparation. Ces deux brevets britanniques sont incorporés ici à titre de références. Le brevet des E.U.A. nO 3 904 931 décrit l'utilisation d'un thyristor branché en shunt sur un dispositif protégé, avec l'utilisation d'une diode zener pour commuter le thyristor au moment de l'apparition d'une condition de surtension dans le circuit. Le brevet des E.U.A. nO 3 887 849 décrit i'utili- d'un élément de commutation à semiconducteur en série entre un disjoncteur et une charge pour retarder l'application de la tension de la source à la charge pendant une durée supérieure à la durée de déclenchement du disjoncteur. On utilise une diode zener pour déclencher le passage à l'état conducteur de l'élément de commutation à semiconducteur. Ce brevet est incorporé ici à titre de référence. L'utilisation d'un élément de commutation à semiconducteur entre des contacts de coupure de circuit, avec diverses configurations de circuit destinées à transférer le courant vers un circuit autre que celui passant par les contacts1 est une technique connue. La demanderesse connaît également l'utilisation d'un commutateur actionné sous la dépendance de la position, comme une structure de commutateur unipolaire à deux positions utilisée en combinaison avec un condensateur et une résistance constituant un circuit RC d'extinction d'arc, dans laquelle une paire de contacts auxiliaire dérive simultanément le courant des contacts principaux vers le circuit RC pour éteinre l'arc qui se forme entre les contacts principaux.La demanderesse ne connaît cependant pas l'utilisation d'une combinaison d'éléments dépendant de la tension, associés de la manière décrite ici, pour transférer un courant vers un premier élément de circuit pendant une durée permettant la désionisation du plasma d'arc initial et le refroidissement des surfaces de contact jusqu'à une température inférieure à la température d'émission thermoélectronique, et ensuite vers un second élément de circuit pendant une durée suffisante pour dissiper l'énergie emmaga sinée dans l'inductance du circuit emprunté par le courant, et pour faire diminuer le courant jusqu'à une valeur suffisamment faible pour permettre son interruption. L'invention consiste en un dispositif d'extinction d'arc à semiconducteur utilisant une commutation d'arc, dans lequel un élément de commutation à semiconducteur et une résistance dépendant de la tension sont connectés en parallèle sur une paire de contacts séparables. Une diode zener est branchée de façon à amorcer l'élément de commutation à semiconducteur lorsque la tension d'arc entre les contacts séparés atteint une tension prédéterminée. Un condensateur connecté aux bornes de la résistance dépendant de la tension se charge jusqu'à la tension de limitation de la résistance dépendant de la tension, et cette dernière devient alors conductrice de façon à transférer le courant vers un circuit ne passant pas par l'élément de commutation à semiconducteur. On choisit pour la tension de limitation une valeur supérieure à la tension du système, grâce à quoi le courant diminue jusqu'à une valeur faible et il est possible d'ouvrir le circuit. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement Figure 1 : un schéma du dispositif d'extinction d'arc de l'invention Figure 2 : une représentation graphique de la variation en fonction du temps de la tension entre les contacts dans le dispositif d'extinction d'arc représenté sur la figure 1 ; et Figure 3 : une représentation graphique en fonction du temps du courant qui circule dans le circuit représenté sur la figure 1. La figure 1 montre un circuit protégé 10 constitué par une source de tension alternative 9 fournissant l'énergie nécessaire à l'alimentation d'une charge représentée par là combinaison de la résistance Rs et de l'inductance Ls, par l'intermédiaire d'un interrupteur 11 qui connecte une paire de conducteurs de ligne omnibus d'alimentation 14, 15 et de contacts correspondants 12, 13. Pour éteindre l'arc qui apparaît au moment de la séparation des contacts 12, 13, un dispositif d'extinction d'arc 16 est connecté en parallèle sur les contacts.Le dispositif d'extinction d'arc comprend un élément de commutation à semiconducteur à avalanche tel qu'un thyristor ou un triac Q1 en série avec un condensateur C1, connectés entre les contacts. Unevaristance ou une d de zener bidirectionnelle Z1 est connectée entre la gâchette du triac et le conducteur 14 de la ligne omnibus d'alimentation, par l'intermédiaire d'une résistance RG Dans certaines applications, la diode zener peut être connectée entre la gâchette du triac et la borne principale 20 opposée à la gâchette, au lieu d'être connectée au conducteur d'alimentation. Lorsque les contacts 12, 13 sont fermés, aucun courant ne circule vers la gâchette du triac, ce dernier demeure dans son état bloqué, et le condensateur C1 est complètement déchargé par la résistance RD Lorsque les contacts sont ouverts, un arc apparaît entre eux et un courant circule dans la diode zener lorsque la tension d'arc atteint une première valeur prédéterminée, par exemple environ 100 volts, ce qui provoque la conduction du triac.Le courant est transféré de l'arc vers le condensateur, ce qui permet le refroidissement des contacts, et le condensateur se charge jusqu'à une seconde tension prédéterminée, d'environ 1000 volts, qui est la tension de limita mon de la vajristance MOV du type à oxyde métallique ou au carbure de silicium, dont la résistance dépend de la tension. a va- rist-anceMOV devient alors conductrice et le courant est transféré de façon à circuler dans la vans tance . Du fait que la tension de limitation est supérieure à la tension du système, V0, le courant diminue rapidement jusqu'à une valeur proche de zéro, ce qui achève le processus de coupure du courant. Lorsqu'on utilise un thyristor à la place du triac dans le circuit de la figure 1, un redresseur en pont est nécessaire entre la source alternative et le thyristor, comme c'est la cas dans une configuration de circuit alternatif de l'art antérieur. Lorsqu'on utilise une source de tension continue à la place de la source de tension alternative 9, on peut employer un thyristor à la place du triac, et la diode zener fait alors passer le thyristor à l'état conducteur lorsque la tension aux bornes de cette diode atteint la pre mière valeur prédéterminée. Dans une telle application en continu, on peut utiliser une diode à 4 couches, comme une diode Shockley à deux bornes, pour remplacer à la fois la diode zener et le thyristor. On choisit la tension aux bornes de la diode elle-même pour provoquer la conduction de la diode.Dans des applications en alternatif, une diode à 4 couches bidirectionnelle et dont les caractéristiques dépendent de la tension remplace la diode zener aussi bien que le thyristor, du fait que le passage de la diode à l'état conducteur ne nécessite pas une gâchette. On peut citer à titre d'exemple d'une telle diode bidirectionnelle dépendant de la tension un "Sidac", qui est une marque de la firme Unitrode Company. La tension V aux bornes de l'interrupteur est re s présentée en 17 sur la figure 2 pour les séquences temporelles suivantes.Les contacts commencent à se séparer à t01 et à cet instant il apparaît une'tension d'arc qui atteint la V2 tension zener V2 à l'instant tl, auquel la diode zener bidi- rectionnelle devient conductrice, ce qui transfère le courant de l'arc vers le condensateur C1, par l'intermédiaire du triac.A l'instant t2, la tension V3 aux bornes du condensateur dépasse la tension de limitation de la varistance MOV,- ce qui transfère le courant vers cette dernière.Al'instant t3, le courant traversant le circuit est complètement interrompu et la tension aux bornes de l'interrupteur est égale à la tension de la source, VO La figure 3 représente le courant 18 circulant dans le système, en correspondance avec les incréments de temps représentés sur la figure 2 pour la tension 17 aux bornes de l'interrupteur. On note que le courant ne diminue que légèrement pendant l'incrément de temps allant de t auquel les contacts commencent à s'ouvrir, jusqu a l'instant t2 auquelll varisbance MOV commence à devenir conductrice. Xe courant diminue ensuite rapidement dans la varistance SOV jusqu'à l'instant t3 auquel le courant cesse de circuler. On peut remplacer le condensateur C1 par une résistance à coefficient de température positif. Une résistan ce à coefficient de température positif présente une valeur de résistance relativement faible à des températures de fonctionnement basses, et une résistance très élevée à des températures de fonctionnement plus élevées. Pour qu'une telle résistance fonctionne efficacement dans le circuit décrit dans l'invention, le rapport de la résistance à chaud à la résistance à froid doit être de l'ordre de 1000 à 1. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'extinction d'arc caractérisé en ce qu'il comprend : une paire de contacts séparables (12, 13) destinés a interrompre la circulation du courant dans un circuit ; un élément semiconducteur commutable (Q1) connecté en série avec un élément de stockage de tension (C1), l'élément semiconducteur commutable (Q1) et l'élément de stockage de tension (C1) étant connectés entre les contacts séparables (12, 13) pour transférer le courant vers un circuit autre que celui passant par ces contacts ; et un premier élément dépendant de la tension (Zl) connecté à l'élément semiconducteur commutable (Q1) pour faire passer l'élément semiconducteur commutable à l'état conducteur lorsqu'une première tension prédéterminée apparaît entre les contacts (12, 13). 2. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second élément dépendant de la tension (MOV) connecté entre les contacts (12, 13) pour transférer le courant vers un circuit ne passant pas par l'élément de stockage de tension (C1), lorsqu'une seconde tension prédéterminée apparaît entre les contacts (12, 13). 3. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance à coefficient de température positif à la place de l'élément de stockage de tension (C1), pour transférer le courant vers un circuit ne passant pas par les contacts (12, 13). 4. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément semiconducteur commutable consiste en un élément à avalanche ou en un transistor. 5. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second élément dépendant de la tension (MOV) consiste en unie varistanceàoxyde métallique ou au carbure de silicium. 6. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendi cation 4, caractérisé en ce que l'élément à avalanche consiste en un thyristor ou en un triac (Q1), 7. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément dépendant de la tension (Z1) consiste en une diode ou une varistance. 8. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de stockage de tension consiste en un condensateur (C1). 9. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément semiconducteur commutable consiste en un triac (Q1) et en ce que le premier élément dépendant de la tension (Z1) est connecté entre une gâchette du triac (Q1) et l'un des contacts (12). 10. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une résistance de limitation de courant (RG) en série avec le premier élément dépendant de la tension (Z1). 11. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une résistance (RD) en parallèle avec l'élément de stockage de tension (C1). 12. Dispositif d'extinction d'arc caractérisé en ce qu'il comprend : une paire de contacts séparables (12, 13) destinés à interrompre la circulation du courant dans un circuit ; un élément semiconducteur dépendant de la tension connecté en série avec un élément de stockage de tension (C1), l'élément semiconducteur dépendant de la tension et l'élément de stockage de tension (C1) étant connectés entre les contacts séparables (12, 13), pour transférer le courant vers un circuit ne passant pas par ces contacts, lorsqu'une première tension prédéterminée apparaît entre les contacts (12, 13) ; et un élément dépendant de la tension (MOV) connecté à l'élément semiconducteur dépendant de la tension, pour transférer le courant vers un circuit ne passant pas par l'élément de stockage de tension (C1), lorsqu'une secon de tension prédéterminée apparaît entre les contacts (12,13). 13. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément semiconducteur dépendant de la tension consiste en une diode à 4 couches. 14. Dispositif d'extinction d'arc selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément dépendant de la tension (MOV) consiste en une rias'nce à oxyde métallique ou au carbure de silicium.