Brevet FR2672424A1 — publié le 19920807

Coupe-circuit rapide pour courants élevés La présente invention concerne un coupe-circuit rapide pour courants élevés. Par courants élevés on entendra des courants d'une valeur typique de l'ordre du mégaampère et même plus. À de tels niveaux de courant, il est difficile de réaliser sur le plan industriel des coupecircuits susceptibles de réagir de façon suffisamment rapide. Le passage de l'état de conduction à l'état de non-conduction doit se faire, dans le cas le plus facile, en quelques dizaines de microsecondes et, dans le cas le plus difficile, en quelques dizaines de nanosecondes (ces valeurs ne sont en aucune façon limitatives et dépendent très largement de l'application envisagée). Pendant assez longtemps on a utilisé, pour les coupures de fortes intensités de courant, des dispositifs basés sur l'autodestruction d'un fil explosif traversé par le courant du circuit à interrompre. Dans ces dispositifs, lorsque le courant atteint une certaine valeur les contraintes subies par le fil sous l'effet de l'intensité traversante produisent une fragmentation explosive soudaine de celui-ci. Ensuite, dans une deuxième phase, le phénomène est différent, car il y a formation d'arc, puis d'un plasma entre les différents fragments, si du moins la tension appliquée aux bornes du fil est suffisante; dans le cas où cette tension est insuffisante, il y a a interruption du courant à la fin de la première phase. Le premier inconvénient, évident, d'un tel dispositif est son caractère autodestructeur, qui empêche tout fonctionnement répétitif, puisque le fil explosif devra être changé après chaque ouverture du circuit. En second lieu, l'instant précis de déclenchement de ce coupe-circuit n'est pas contrôlable avec précision puisqu'il va dépendre de l'intensité parcourant le fil ; ce dispositif n'est donc pas commandable de façon externe. De tels fils explosifs sont décrits par exemple par Nasilovski dans un article publié dans Exploding Wires (W.G. Chase, H.K. Moore editors), Vol. 3, Plenum, New York, 1964, sous le titre Unduloids and Stria tex Disintegration of Wires. Dans une tentative expérimentale, exposée par Ruscak et Bruce dans un article intitulé Multi-Arc Generator et publié dans les IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. PS 15, 1987, page 51, il a été proposé d'éviter la destruction du coupe-circuit en remplaçant le fil par un conducteur segmenté de grand diamètre, les segments successifs étant constitués d'éléments alternativement en cuivre et en aluminium disposés dans un tube de verre. Ce dispositif, qui n'en est resté qu'au stade expérimental, présente cependant un temps de commutation relativement important du fait de la formation du plasma entre les segments, qui a tendance à prolonger le passage du courant dans le fil. En outre, comme dans le cas des fils explosifs, ce dispositif s'autodéclenche dès le franchissement d'un certain seuil de courant, sans possibilité de contrôle externe temporel précis de la coupure. La technique la plus courante actuellement consiste à utiliser des interrupteurs conçus à partir des propriétés des plasmas. Elle s'est concrétisée dans deux types principaux de coupe-circuits : les coupe-circuits à ouverture par érosion de plasma dits PEOS (Plasma Erosion Opening Switches) et les coupe-circuits à écoulement de plasma dits PFS (Plasma Flow Switches). On peut trouver l'état de l'art sur ces coupe-circuits rapides à vide (fast opening vacuum switches) dans le numéro de décembre 1987 des IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. PS 15, qui leur est consacré. Ils sont encore actuellement l'objet de recherches diverses et sont encore des produits de laboratoire, soit orientés vers l'alimentation de circuits de propulsion du type canon électromagnétique, soit vers l'obtention de plasmas pour la recherche en fusion contrôlée. En particulier, le PFS est dérivé du dispositif servant aux expériences de focalisation de plasma (plasma focus) qui ont été et continuent à être des tentatives infructueuses en fusion contrôlée. Vu son principe, le PFS ne permet pas une opération répétitive, du moins sous sa forme usuelle actuellement, car son fonctionnement nécessite l'explosion d'un réseau de fils à l'impact de l'onde électromagnétique. La présente invention propose un dispositif qui vise à obtenir des performances semblables à celles des PEOS, mais selon un principe totalement différent. Le coupe-circuit objet de l'invention autorise le transfert de courants de l'ordre du mégaampère sans aucune destruction du dispositif - donc avec possibilité de déclenchement récurrent -' le déclenchement étant contrôlé de façon externe indépendamment du niveau de courant traversant le dispositif. n permet aussi un isolement galvanique complet entre le circuit où le courant passait avant son fonctionnement et le circuit où il passe après son fonctionnement. Le dispositif proposé est ainsi un véritable commutateur. On verra en outre que la structure de l'invention autorise une commutation extrêmement rapide, compatible avec des temps de coupure typiques de l'ordre de quelques microsecondes ou inférieurs à la microseconde. Enfin, du point de vue énergétique, comme tout coupe-circuit le dispositif de l'invention devra inévitablement dissiper une certaine quantité d'énergie pour provoquer le transfert du courant vers une autre branche de circuit. Toutefois, comme on le verra, dans le cas de l'invention, cette énergie de commutation - et donc la dissipation de chaleur - est répartie sur un nombre important d'arcs de coupure au lieu d'être concentrée sur un seul arc comme avec les coupe-circuits classiques. Grâce à cette caractéristique, on minimisera la fusion et l'érosion des pièces de contact, autorisant ainsi un fonctionnement pendant un nombre plus important de cycles. Le principe de l'invention repose sur l'utilisation de la force d'Ampère entre éléments de courant. Ce concept avait été proposé au siècle dernier (voir notamment A.-M. Ampère, Mémoire sur la détermination de la formule qui représente l'action mutuelle de deux portions infiniment petites de conducteurs voltaïques, lu à l'Académie des Sciences le 10 juin 1822) sur des bases empiriques, mais son existence n'avait pas été confortée par la théorie, compte tenu en particulier du fait que l'on avait jusqu'à présent cru qu'il contredisait les lois de Maxwell. Or les lois proposées par Ampère, qui permettaient d'expliciter les forces mises en jeu entre des éléments de courant, viennent de se révéler parfaitement compatibles avec la théorie de la Relativité (force de Lorentz). L'absence de contradiction - et donc la réalité probable des forces d'Ampère - vient en effet d'être reconnue par M. Rambaut et J. P.Vigier comme ne contredisant pas la Relativité, dans trois articles de Physics Letters A, l'un dans le volume 142, n" 8-9 du 25 décembre 1989, page 447 et intitulé The Simultaneous Existence ofEM Grassmann-Lorentz Forces (Acting on Charged Particles) and Ampère Forces (Acting on Charged Conducting Elements) Does not Contradict Relativity Theory, l'autre dans le volume 148, n" 5 du 20 août 1990 et intitulé Ampère Forces Considered as Collective Non-relativistic Limit of the Sum of All Lorentz Interactions Acting on Individual Current Elements :: Possible Consequences for Electromagnetic Discharge Stability and Tokamak Behaviour, et le troisième étant programmé pour être publié sous le nom de M. Rambaut et intitulé Macroscopic Non-relativistic Ampère EM Interactions between Current Elements Reflet the Conducting Electrons Accelerations by the Ion's Electric Field. On pourra également se référer sur ce sujet à l'étude de Peter Graneau intitulée Ampère-Neumann Electrodynamics of Metallic Conductors, publiée chez Hadronic Press, à Nonantum, Massachusetts, USA, 1985. Comme cela a été démontré dans ces documents, dans un conducteur donné la force d'Ampère produit une attraction transversale entre éléments de courants parallèles et, surtout, une répulsion longitudinale entre éléments de courants colinéaires. En particulier, c'est ce dernier effet qui sera utilisé dans le dispositif de l'invention pour produire, par voie purement électrique et sans destruction d'aucun élément, une force susceptible de séparer des éléments de circuit pour produire ainsi la coupure de ce circuit. Plus précisément, selon l'invention, le coupe-circuit comprend une pluralité de pièces de contact disposées en un empilement où chaque pièce vient en contact mécanique et électrique avec la pièce adjacente, chacune des des pièces de contact d'extrémité étant électriquement reliée à un pôle respectif du coupe-circuit; des moyens de guidage des pièces de contact en translation axiale, suivant la direction de l'empilement ; des moyens actionneurs, reliés à l'une des pièces de contact d'extrémité, propres à solliciter mécaniquement l'empilement dans le sens de la compression; et des moyens de déclenchement du coupe-circuit, coopérant avec les moyens actionneurs de manière à, en position fermée, activer les moyens actionneurs de manière à exercer sur l'empilement une compression axiale suffisante pour surmonter les efforts axiaux résultant des forces d'Ampère produites par le courant traversant l'empilement et, en position ouverte, relâcher les moyens actionneurs de manière à permettre aux différentes pièces de contact de s'écarter axialement les unes des autres sous l'effet desdites forces d'Ampère, formant ainsi, entre les différentes paires successives de pièces de contact, une pluralité d'arcs dissipant de façon répartie l'énergie de commutation. Très avantageusement, ce coupe-circuit comprend une enveloppe formée de deux tubes cylindriques conducteurs mis bout à bout et séparés par une bague intercalaire isolante, chacun des tubes étant relié à un pôle respectif du coupe-circuit, et l'enveloppe entourant coaxialement, à distance de celles-ci, les pièces de contact de l'empilement. 0 D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 montre le circuit équivalent d'un dispositif selon l'invention associant en un même dispositif un organe d'ouverture du circuit du générateur et un organe de fermeture du circuit de la charge. La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation du coupe-circuit de l'invention. 0 À titre liminaire, il y a lieu de noter que, bien que l'invention soit décrite ci-dessous dans le cadre d'un circuit d'alimentation d'un dispositif de type canon-rail (railgun), cette application n'est cependant donnée qu'à titre purement illustratif et le coupe-circuit de l'invention peut trouver des applications dans des domaines extrêmement divers, en particulier chaque fois qu'il y a lieu de délivrer une énergie élevée sous forme d'impulsions rapides. Tel est le cas des canons-rails, des canons à arcs dans l'eau (water-arc guns), des circuits d'alimentation de puissance des radars, etc. L'invention peut également trouver des applications comme organe de sécurité, chaque fois qu'il y a lieu d'interrompre de façon parfaitement contrôlée des courants importants. Dans le circuit illustré figure 1, on utilise un générateur G fermé sur une inductance de stockage d'énergie L par l'intermédiaire d'un organe de coupure K1 maintenu normalement à l'état fermé (coupecircuit). Le schéma comprend également, comme illustré, un organe de commutation K2, maintenu normalement à l'état ouvert, en série avec une charge Z (organe d'utilisation à faible impédance) pour fermer le circuit de cette dernière (on verra par la suite que les deux organes K1 et K2 sont en fait associés en un seul dispositif 1 et opèrent simultanément et soudainement les deux commutations) ainsi que, éventuellement, un autre organe de fermeture K3, qui peut être à fermeture lente, en série avec l'inductance L. Si le courant traversant l'ensemble générateur-inductance peut être rapidement dérivé vers la charge Z par ouverture de K1 et fermeture simultanée de K2, l'ensemble de l'énergie stockée sera transféré sous forme d'une impulsion rapide vers cette charge Z. En particulier, l'ouverture de K1 engendre un arc ou une série d'arcs créant une tension de commutation inverse relativement importante ayant pour effet de forcer le courant à passer par la branche contenant l'organe à faible impédance, c'est-à-dire la charge Z. Le générateur G peut notamment être une génératrice homopolaire, dispositif susceptible de délivrer en quelques dizaines de millisecondes, à forte intensité et tension réduite, des énergies de l'ordre de quelques dizaines de mégajoules - caractéristiques convenant parfaitement à un accélérateur de canon-rail. Lorsque le courant (continu) circule dans cette boucle générateur-inductance, une partie de l'énergie se trouve accumulée sous forme d'énergie cinétique du rotor, le reste étant accumulé sous forme d'énergie magnétique dans l'inductance. Le coupe-circuit proposé par l'invention présente la structure générale illustrée figure 2, où l'on retrouve le générateur G, I'inductance de stockage L et la charge Z, constituée par l'accélérateur de canon-rail avec un projectile métallique 2 court-circuitant deux rails longitudinaux 3 et 4 formant glissières. L'élément principal du coupe-circuit 1 est un empilement de pièces cylindriques de contact, qui sont au nombre de dix dans l'exemple illustré (pièces référencées 6 à 15), et dont on empêche le déplacement transversal au moyen d'une tige centrale 16 en matériau diélectrique, par exemple en céramique d'alumine. L'empilement repose par la pièce inférieure 15 sur une base 17 en matériau métallique, électriquement reliée à une première borne 18 du coupecircuit. La pièce supérieure 6 de l'empilement, quant à elle, est électriquement reliée à l'autre borne 19 du coupe-circuit et mécaniquement reliée à un actionneur 20 permettant, par l'intermédiaire de la tige ou biellette 21, de forcer cette pièce supérieure 6 contre la pièce adjacente 7 et, de proche en proche, d'exercer ainsi une sollicitation de l'empilement dans le sens de la compression. L'actionneur 20 peut être un actionneur pneumatique ou hydraulique, un actionneur mécanique à came entraînée par un moteur, ou tout autre dispositif connu approprié permettant de remplir la fonction voulue. Une région déformable 22 permet à la pièce 6 d'être en permanence électriquement reliée à la borne 19 du dispositif. Les pièces de contact sont logées dans un tube conducteur cylindrique coaxial comprenant une moitié supérieure 23 et une moitié inférieure 24 séparées par une bague diélectrique 25 formant barrière d'isolement. Les rails 3 et 4 du canon-rail sont reliés à ces deux moitiés de tube respectives 23, 24. La moitié supérieure 23 comporte de préférence une lèvre péri phérique 26 formant butée, pour limiter la course de la pièce de contact supérieure 6 déplacée par l'actionneur par venue en contact avec un épaulement 27 de cette pièce. On va maintenant décrire le fonctionnement de ce coupe-circuit. Initialement, le coupe-circuit est dans la position illustrée figure 2, correspondant à un état ouvert entre les bornes 18 et 19. En effet, la pièce de contact supérieure 6 est en position haute, donc séparée de la pièce adjacente 7 par un intervalle 28 dimensionné de façon appropriée (par exemple d'1 cm dans l'application envisagée). On active alors l'actionneur 20 de façon à abaisser la pièce de contact supérieure 6, venant ainsi mettre en contact celle-ci avec les autres pièces de l'empilement et basculer le coupe-circuit à l'état fermé. Le conducteur interne constitué par l'empilement des pièces de contact 6 à 15 se trouve isolé en tout point de la partie supérieure 23 du tube conducteur coaxial, et donc du rail 3 du canon-rail qui lui est relié. Au fur et à mesure de l'accroissement du courant de charge dans la boucle constituée par le générateur G, l'inductance de stockage L et le coupe-circuit 1, les forces d'Ampère, qui sont, comme on l'a expliqué plus haut, des forces électrodynamiques longitudinales, vont augmenter progressivement et tendre à éloigner les unes des autres, en direction axiale, les diverses pièces de contact. On notera que l'effet des forces d'Ampère est d'autant plus marqué ici que, du fait de la géométrie de l'empilement, les lignes de courant sont essentiellement parallèles à l'axe du tube La pression exercée par l'actionneur 20 sur l'empilement est toutefois suffisante pour empêcher la séparation des différentes pièces de contact sous l'effet des forces d'Ampère. Une fois achevée la charge de l'inductance L, on envoie à l'actionneur 20 une commande qui aura pour effet de supprimer la pression exercée sur l'empilement par celui-ci et même, très avantageusement, de solliciter activement vers le haut la pièce de contact supérieure 6 jusqu'en butée contre l'épaulement 26. Cette commande pourra être réalisée dans un intervalle qui, typiquement, pourra être de l'ordre de 10 à 50 lls suivant la commande de commutation. Pendant cette brève période vont se former dix arcs de commutation (entre chacune des dix pièces de contact, et entre la pièce inférieure 15 et la base 17) sous l'action des forces d'Ampère longitudinales. L'effet collectif de ces arcs sera d'établir une tension de commutation inverse relativement élevée entre les deux bornes 18 et 19 du coupe-circuit, donc de transférer l'énergie accumulée dans l'induc- tance (énergie magnétique) et dans la génératrice (énergie cinétique) vers la charge à faible impédance Z constituée par le canon-rail, permettant ainsi le tir du projectile 2. La rapidité à laquelle a lieu le transfert de courant dépend essentiellement des trois facteurs suivants: - l'inductance du circuit d'alimentation, formant stockage d'é nergie inductif, ainsi que celle du coupe-circuit, qui tendront à maintenir un courant constant dans celui-ci, - l'inductance propre de la charge, qui s'opposera au transfert du courant, et - I'inductance mutuelle entre le coupe-circuit et la charge, qui s'opposera au développement des f.é.m. autoinduites dans ces deux branches de circuit. On notera que, avec la géométrie coaxiale proposée, les f.é.m. autoinduites sont largement annulées par les f.é.m. mutuellement induites. Et la faible inductance effective de la structure coaxiale du dispositif va permettre un transfert de courant très rapide. Lorsque la commutation est achevée, les arcs formés entre les pièces de contact s'éteignent tous et l'empilement revient à la position illustrée figure 2. Le coupe-circuit reste à l'état entièrement ouvert, jusqu'à réception de la commande de charge suivante appliquée à l'actionneur 20. Le cycle de fonctionnement complet peut être extrêmement bref, ce qui autorise des temps de récurrence aussi faibles que quelques millisecondes, valeur tout à fait compatibles, notamment, avec un fonctionnement à une fréquence secteur de 50 ou 60 Hz. Dans le cas d'un tel fonctionnement répétitif à cadence élevée, il peut être nécessaire de prévoir des systèmes de refroidissement appropriés, réalisés selon des technologies en elles-mêmes classiques. On notera par ailleurs que, sur le plan énergétique, le dispositif de l'invention permet de répartir l'énergie de commutation sur un nombre important d'arcs de coupure, entre les diverses pièces de contact, au lieu d'être concentrée sur un seul arc comme avec les coupe-circuits classiques à éclateur. L'érosion des pièces s'en trouve notablement réduite et la longévité du dispositif en est accrue d'autant. REVENDICATIONS I. Un coupe-circuit (1) rapide pour courants élevés, caractérisé en ce qu'il comprend: - une pluralité de pièces de contact (6-15) disposées en un empi lement où chaque pièce vient en contact mécanique et électri que avec la pièce adjacente, chacune des des pièces de contact d'extrémité (6, 15) étant électriquement reliée à un pôle res pectif (19, 18) du coupe-circuit, - des moyens (16) de guidage des pièces de contact en transla tion axiale, suivant la direction de l'empilement, - des moyens actionneurs (20), reliés à l'une (6) des pièces de contact d'extrémité, propres à solliciter mécaniquement l'empilement dans le sens de la compression, et - des moyens de déclenchement du coupe-circuit, coopérant avec les moyens actionneurs de manière à:: en position fermée, activer les moyens actionneurs de manière à exercer sur l'empilement une compression axiale suffisante pour surmonter les efforts axiaux résultant des forces d'Ampère produites par le courant traversant l'empi lement, et en position ouverte, relâcher les moyens actionneurs de manière à permettre aux différentes pièces de contact de s'écarter axialement les unes des autres sous l'effet desdites forces d'Ampère, formant ainsi, entre les différentes paires successives de pièces de contact, une pluralité d'arcs dissi pant de façon répartie l'énergie de commutation. 2. Le coupe-circuit de la revendication 1, comprenant une enveloppe formée de deux tubes cylindriques conducteurs (23, 24) mis bout à bout et séparés par une bague intercalaire isolante (25), chacun des tubes étant relié à un pôle respectif (19, 18) du coupe-circuit, et l'enveloppe entourant coaxialement, à distance de celles-ci, les pièces de contact de l'empilement. 3. Le coupe-circuit de la revendication 1, dans lequel lesdits moyens actionneurs sont des moyens à double effet et lesdits moyens de déclenchement du coupe-circuit coopèrent, lors du passage de la position fermée à la position ouverte, avec ces moyens actionneurs en activant ceux-ci de manière à solliciter activement la pièce de contact d'extrémité reliée à ces derniers dans le sens de l'éloignement axial par rapport aux autres pièces de contact. 4. Le coupe-circuit de la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de guidage comprennent une tige (16) en matériau isolant traversant axialement les pièces successives de l'empilement.