Brevet FR2699729A1 — publié le 19940624

DESCRIPTION TECHNIQUE La présente invention a pour objet un disjoncteur. Elle trouve son application dans tous les cas où on doit obtenir une extinction rapide de l'arc qui se manifeste à l'ouverture du contact. La suppression de l'arc à l'ouverture du contact, selon l'art antérieur, s'effectue en soufflant la colonne de plasma CP sur une série de lamelles de cuivre comme représenté sur la figure 2. La projection de la colonne de plasma s'effectue sous l'effet des forces de Laplace. On obtient l'extinction de l'arc par le fait que celui-ci se trouve fractionné à un certain moment par les n lamelles de cuivre de sorte que tous les arcs élémentaires sont mis en série.La tension d'alimentation de cette série de (n-l) arcs est au maximum égale à la tension Uo de la ligne de telle sorte que la tension aux bornes de l'un de ses arcs élémentaires est sensiblement égale à Uo/n-1. Si on a pris n assez élevé cette tension peut être inférieure à la tension U, de maintien de l'arc, qui varie en fonction de la nature des contacts et qui est généralement voisine de 20 volts (voir figure 3) Dans d'autres réalisations, on utilise simplement l'étirement de l'arc. Sa projection, sous l'effet des forces de Laplace, allonge la longueur de la colonne de plasma CP, d'où une augmentation de la résistance série qu'elle constitue et, par suite, une diminution du courant qui tombe en dessous d'une certaine valeur critique de maintien d'arc. Les appareils utilisant ces principes présentent de nombreux inconvénients qui ont pour origine le fait que la colonne de plasma CP n'a pas une vitesse de déplacement suffisamment rapide car son mouvement est contrarié par l'air atmosphérique. On déplore notamment - une usure prématurée des contacts car ils subissent assez longtemps l'érosion du plasma. Cette usure dégrade la qualité du contact (faible résistance série à l'état fermé) - une mauvaise sécurité dans le cas où l'appareil est un disjoncteur destiné à assurer une protection physiologique tels que dans le cas d'un disjoncteur différentiel à usage domestique.En effet, la coupure n'est quelquefois pas assez rapide pour éviter l'électrocution, - une structure qui ne peut pas être étanche car l'arc provoque une forte montée en pression dans le boîtier du disjoncteur, ce qui nécessite des trous d'évent. - une complexité mécanique et un encombrement qu'il serait souhaitable de pouvoir réduire. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Pour cela, elle propose une disposition permettant de ne pas utiliser le phénomène de projection de l'arc. Le fractionnement s'effectuant par une série d'électrodes animées d'un mouvement simultané d'ouverture. De cette façon, une grande quantité d'arc se trouvent, par construction, mis en série. L'invention concerne un disjoncteur à extinction d'arc par fractionnement comportant une certaine quantité de contacts mécaniques C1, C2,...Cn, disposés en série dans le circuit électrique à couper, lesdits contacts Cl,C2,....Cn étant en nombre suffisant pour que l'extinction de l'arc intervienne. Suivant une autre caractéristique, le dispositif comporte un contact mécanique supplémentaire Co, placé en parallèle sur la série de l'arc C1, C2,....Cn, ledit contact Co animé par des moyens convenables (1), (2), (3), (4), (15), (16), (24), (25) pour que son ouverture se produise légèrement avant celle de la série de contacts C1, C2,....Cn. Suivant une autre caractéristique, les moyens mis en oeuvre pour ouvrir les contacts Co, C1, C2 .... Cn, sont constitués par une pièce (2) mise en mouvement par des moyens convenables (1) et comportant des doigts (3) et (4) permettant de pousser lesdits contacts. Suivant une autre caractéristique, les moyens mis en oeuvre pour ouvrir les contacts Co, C1, C2,....Cn sont constitués par: - une plaque fixe (15) comportant des contacts métalliques suivant un dessin convenable, - une plaque mobile (16), animée d'un mouvement de translation, comportant également des contacts qui peuvent avantageusement être constitués par des lamelles souples - des moyens (21) de guidage, - des moyens (12), (13), (14), (22), (32), permettant de provoquer le mouvement d'écartement de la plaque mobile (16) au moment de la disjonction. Suivant une autre caractéristique, les moyens mis en oeuvre pour ouvrir les contacts Co, C1, C2,....Cn sont constitués par - une plaque circulaire fixe (24) comportant des surfaces métalliques (26), convenables pour assurer un bon contact électrique, - une plaque circulaire mobile (25), sensiblement coaxiale à (24), capable d'osciller autour de son axe, d'un certain angle 0, comportant des contacts métalliques (27), analogues à (26), - des moyens (28), (29), (30), (31) permettant la mise en mouvement de rotation de la plaque mobile (25), Suivant une autre caractéristique, les moyens permettant la mise en mouvement des contacts au moment de la disjonction sont constitués par un circuit magnétique en matériau ferromagnétique doux (30) comportant une partie constitué d'un aimant permanent (14), une armature mobile (32) et une bobine de déclenchement (12). Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre explicatif, et bien entendu, nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente le contact d'un disjoncteur et son circuit de charge. La figure 2, déjà évoquée est relative à l'an antérieur. Elle représente un disjoncteur à arc projeté sur des lamelles de fractionnement. La figure 3 représente la caractéristique I.,V d'un arc. La figure 4 représente schématiquement la mise en série de n contacts à ouverture simultanée permettant de fractionner l'arc. La figure 5 représente schématiquement la série d'arc précédente, shuntée par un contact principal. La figure 6 représente un système mécanique permettant d'assurer le synchronisme des ouvertures de contact. La figure 7 représente la coupe axiale d'une réalisation pratique de l'invention. La figure 9 représente les lames souples de contact portées par la plaque mobile. La figure 8 représente le circuit imprimé fixe. La figure 10 représente le détail d'un contact du procédé de guidage de la plaque mobile. La figure 11 représente la sortie des contacts de la plaque de circuit imprimé fixe. La figure 12 représente une réalisation de l'invention dans laquelle on utilise une ouverture des contacts par rotation d'une plaque. En référence à la figure 1, on décrit tout d'abord la fonction du contact C du disjoncteur qui doit couper mécaniquement le circuit alimenté sous une tension Rob par un générateur quelconque, continu ou alternatif, pouvant être le secteur ou toute autre source d'énergie électrique, une charge quelconque RL de nature purement résistive, inductive ou capacitive. L'art antérieur est représenté sur la figure 2 où le courant, avant disjonction, passe par les contacts C1 et C2 pour alimenter la charge qui est ici symbolisée par la résistance RL. Le contact C1, est solidaire d'une lame fixe (5) par laquelle arrive le courant tandis que le contact C2 est solidaire d'une lame mobile (6) mise en mouvement par une bobine (9) agissant sur un noyau plongeur (10) ou par tout autre moyen, qui conduit le courant vers l'utilisation. Les lames (5) et (6) sont prolongées jusqu'à un empilement de n lamelles conductives (8) isolées les unes des autres par des isolateurs (7). La forme de (5) et (6) est convenable pour guider l'arc qui se forme entre C1 et C2 au moment de l'ouverture. La colonne de plasma CP est soumise à une force F, dite de Laplace, ce qui propulse la colonne de plasma entre les lamelles conductives (8). Il en résulte que, à un certain moment la colonne de plasma se trouve fractionnée en n + 1 tronçons, ce qui fait que la tension aux bornes de chaque tronçon vaut sensiblement Uo n +1 Si n est assez élevé, la tension aux bornes de chaque tronçon devient suffisamment faible pour que l'arc ne soit plus entretenu, comme le montre la caractéristique d'arc donnée sur la figure 3. La condition de coupure du courant est donc Uo n +1 Ut dépend du métal utilisé pour réaliser les contacts. Il est de l'ordre d'une dizaine de volts, ce qui montre que pour couper du 220 volts par exemple, on devra utiliser une vingtaine de lames de fractionnement. La mise en mouvement à une certaine vitesse v de la colonne de plasma CP, s'effectue sous l'action des forces de Laplace qui se manifestent chaque fois qu'un courant I est soumis à un champ magnétique B non colinéaire. Le champ B est ici créé par le courant I circulant dans la boucle (5), CP, (6). Dans certains cas, on peut perfectionner le système en appliquant un champ magnétique additionnel, au moyen d'un aimant permanent par exemple. Dans d'autres cas, on utilise une simple plaque de fer doux qui disymétrise le champ régnant autour de la colonne CP, ce qui accentue la force de Laplace. L'ouverture s'effectue par exemple au moyen d'une bobine (9) qui attire un noyau plongeur (10) attirant, la lame souple (6) portant le contact C2. Dans d'autres cas, le déplacement de (6) s'effectuera sous. l'effet d'un ressort bahdé qu'on libère au moment où on souhaite la disjonction. Ce principe présente comme nous l'avons déjà dit, de nombreux inconvénients - la coupure n'est pas rapide, ce qui est très néfaste pour la sécurité et conduit à une usure importante des contacts, - le plasma érode les boîtiers en plastique, ce qui provoque des émanations gazeuses souvent toxiques, - la forte surpression qui se manifeste au moment de la coupure nécessite l'usage de boîtiers ayant des évents ce qui les rend dangereux dans les atmosphères où il y a risque d'explosion, - l'encombrement est généralement assez important. Dans l'invention, le fractionnement de l'arc s'effectue directement à la source comme le montre schématiquement la figure 4. On comprend en effet aisément que si, au lieu d'ouvrir un contact unique on ouvre simultanément de nombreux contacts C1, C2,....Cn, connectés en série avec la charge RL les colonnes de plasma qui vont se manifester dans chaque contact au moment de son ouverture sous le phénomène connu de "pont fondu", vont se trouver tout naturellement mise en série. Ceci signifie qu'on a fractionné l'arc sans qu'il n'ait été nécessaire de le transporter dans une chambre d'extinction à lamelles. On conçoit donc que l'ouverture puisse être beaucoup plus rapide que dans les systèmes classiques. On peut, par exemple obtenir des temps d'ouverture inférieurs à 1 ms. Pour éviter que la série de contact Ci, C2,....Cn ne présente une trop grande résistance pendant le fonctionnement normal du disjoncteur (qui est donc alors en position fermée), on place en parallèle avec la série de contacts Ci, C2 .... Cn, un contact de puissance Co, comme schématisé sur la figure 5. Ainsi pendant tout le temps où le disjoncteur est en position de service (c'est-à-dire contact fermé) l'essentiel du courant passe par le contact Co qui est beaucoup moins résistif que la dérivation C1 Cn. Dès qu'une surintensité ou tout autre cause entrainant la disjonction se manifeste, un système mécanique convenable entraine l'ouverture de tous les contacts. Le mécanisme d'ouverture, tel que celui représenté à titre d'exemple sur la figure 6, agit en ouvrant d'abord Co. On a alors des phénomènes qui se déroulent dans la chronologie suivante - le courant passant par Co se trouve limité à quelques points qui chauffent rapidement provoquant des "ponts fondus" qui explosent remplissant ainsi l'espace entre les contacts de CO d'un gaz métallique partiellement ionisé.La tension aux bornes du contact est alors égale au produit de la résistance R1, R2,....Rn des n contacts en série par le courant 1 de disjonction, ce qui peut être assez faible pour qu'un arc ne puisse ni s'établir, ni même se maintenir dans la vapeur métallique -3 du "pont fondu". Par exemple, avec 20 contacts de 10 n et un courant de 1000 A la tension est de 20 volts, - quelques milli-secondes après l'ouverture de Co les contacts C1, C2,...Cn vont s'ouvrir quasiment simultanément. A ce moment là, toute trace d'ions dans la vapeur métallique a disparu et celle-ci s'est d'ailleurs partiellement condensée sur les contacts. La tension peut donc monter aux bornes de Co sans qu'un arc apparaisse.Dans chaque contact Cl, C2,...Cn le phénomène de "pont fondu" se manifeste mais la tension aux bornes de chacun est limitée à Uo/n ce qui peut être insuffisant pour amorcer un arc. Il y a alors extinction du courant ce qui était le but recherché. Suivant une première réalisation, représentée schématiquement sur la fig 6 l'ouverture des contacts se fait au moyen de poussoirs (3) et (4), supportés par une barre (2), pouvant être isolante, laquelle barre est mise en mouvement par un mécanisme (1), qui peut être soit un ressort bandé libéré au moment de la disjonction par un dispositif électromagnétique ou électrothermique, soit une bobine à noyau plongeur. La figure 6 représente le système au moment où les contacts Ci, C2. .. Cn vont s'ouvrir. Pour armer le système, il suffit d'appliquer la force F. Suivant une deuxième réalisation, donnée elle aussi à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif, le dispositif adopte la disposition de la figure 7. Une coque étanche en plastique injecté (11) est fermée par une membrane élastomère (18). Elle contiens - un circuit magnétique en matériau à haute perméabilité (13) comportant un aimant permanent de polarisation (14). Le circuit est fermé par une armature mobile (32) et comporte une bobine (12). Pour armer le disjoncteur, il suffit d'appuyer sur la tige formant bouton (17), la bobine (12) n'étant pas alimentée, jusqu'à ce que l'armature mobile (32) se colle sur le circuit magnétique (13), (14), en comprimant les ressorts (22) (voir figure 10) qui exercent une force antagoniste. Une couronne en circuit imprimé (15) est fixée autour du circuit magnétique (13). Elle comporte des pistes conductrices (20) comme représenté en vue de gauche sur la figure 8, ainsi que des tiges (21), rivées ou soudées en périphérie. Une plaque mobile (16) peut glisser sur les tiges (21) de façon à comprimer le ressort (22) représenté sur la figure (10). Cette plaque comporte des lames de ressort (19), susceptibles de venir s'appuyer sur les pistes (20) comme schématisé sur la figure 10, réalisant ainsi les contacts Cl, C2,...Cn. Une des languettes est différente des autres ; elle permet de réaliser le contact Co. La courbure est moins importante que les autres ce qui fait que le contact Co se décolle plus tôt que les autres. Dans le cas représenté sur les figures 7, 8, et 9 il y a 14 contacts en série. Suivant un dernier mode de réalisation représenté schématiquement sur la figure 12 en vue éclatée, la commutation s'effectue non plus par un mouvement de translation comme précédemment mais par un mouvement de rotation des plaques (24) et (25) qui portent respectivement les contacts (26) et (27). En appliquant une force F à l'extrémité de l'armature (28) qui est solidaire -du disque mobile (25) on provoque une rotation a qui amène ladite armature (28) à fermer le circuit magnétique (30) qui est fixe. Celui-ci est d'une conception analogue à ce qui a été vu plus haut ; un aimant permanent maintient le circuit magnétique fermé en dépit de la force antagoniste exercée par le ressort (31). La disjonction sera obtenue en appliquant une impulsion sur la bobine (29), annulant l'attraction magnétique, ce qui provoque une rotation a en sens inverse. On applique sur le disque mobile (25) un autre disque (24), fixe celui-là, avec une pression convenable pour que les parties métallisées de ces deux disques fassent bien contact. La figure 12 c représente une coupe de la ligne de contact, suivant une vue déroulée afin de mieux comprendre le mécanisme et la chronologie des contacts. La figure représente la position du disque mobile (25) au moment où les contacts C1, C2 Cn vont s'ouvrir. On peut voir que l'amenée et le départ du courant sur le disjoncteur qui s'effectue par les fils (23), arrivent sur deux plaquettes (26) qui étaient précedemment courtcircuitées par une autre plaquette (27) opposée, appartenant au disque mobile (25) réalisant ainsi le contact Co. Les autres contacts étaient eux aussi fermés de façon analogue, réalisant ainsi une chaîne de contacts C1, C2,....Cn qui vient se mettre en dérivation sur le contact Co suivant le principe déjà évoqué de l'invention. L'invention peut être utilisée comme disjoncteur de sécurité, dans les habitations, ateliers, magasins, etc. Elle peut aussi être utilisée comme relais dans tous les cas où on souhaite couper un courant continu, éviter les parasites, réaliser une coupure rapide. REVENDICATIONS 1. Disjoncteur à extinction d'arc par fractionnement caractérisé en ce qu'il comporte une certaine quantité de contacts mécaniques Cl, C2,....Cn, disposés en série dans le circuit électrique à couper, lesdits contacts Cl, C2,....Cn étant en nombre suffisant pour que l'extinction de l'arc intervienne. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un contact mécanique supplémentaire Co, placé en parallèle sur la série de contacts Cl, C2...Cn, ledit contact Co étant animé par des moyens convenables (1), (2), (3), (4), (15), (16), (24), (25)...pour que son ouverture se produise légèrement avant celle de la série de contacts Cl, C2,....Cn. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens mis en oeuvre pour ouvrir les contacts Co, Ci, C2....Cn, sont constitués par une pièce (2) mise en mouvement par des moyens convenables (1) et comportant des doigts (3) et (4) permettant de pousser lesdits contacts. 4. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens mis en oeuvre pour ouvrir les contacts Co, C1, C2,....Cn, sont constitués par - une plaque fixe (15) comportant des contacts métalliques suivant un dessin convenable, - une plaque mobile (16) animée d'un mouvement de translation, comportant également des contacts qui peuvent avantageusement être constitués par des lamelles souples, - des moyens (21) de guidage, - des moyens (12), (13), (14), (22), (32) permettant de provoquer le mouvement de la plaque mobile (16) au moment de la disjonction. 5. Dispositif suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens mis en oeuvre pour ouvrir les contacts Co, C1, C2 Cn sont constitués par - une plaque circulaire fixe (24) comportant des surfaces métalliques (26), convenables pour assurer un bon contact électrique, - une plaque circulaire mobile (25), sensiblement coaxiale à (24), capable d'osciller autour de son axe d'un certain angle a, comportant des contacts métalliques (27), analogues à (26), - des moyens (28), (29), (30), (31) permettant la mise en mouvement de rotation de la plaque mobile (25). 6. Dispositif suivant les revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens permettant la mise en mouvement des contacts au moment de la disjonction sont constitués par un circuit magnétique en matériau ferromagnétique doux (30) comportant une partie constituée d'un aimant permanent (14), une armature mobile (32) et une bobine de déclenchement (12).