Brevet FR2849984A1 — publié le 20040716

i La présente invention concerne des systèmes de connexion de modules électriques à courants forts, par exemple du type bras d'onduleurs à semi-conducteurs, à une barre bus fixe. Le type d'application se situe par conséquent dans le domaine de l'électronique de puissance, et sera préférentiellement illustré par l'exemple des onduleurs de tension, notamment utilisés pour la commande de moteurs en variation de vitesse. Les bras d'onduleurs correspondent alors aux cellules de commutation implantées entre la source d'énergie et 1i0 la charge (le moteur), qui sont basées sur des transistors semi- conducteurs de type IGBT ou autres utilisés en commutation, permettant de générer des courants de commande décalés pour les trois phases dans l'exemple de la commande d'un moteur. Dans ce domaine, les courants utilisés sont fréquemment supérieurs à 15 100 A, et la configuration des circuits obéit dès lors au souci constant de limiter au maximum les inductances parasites que leur conception même (géométrie, agencement) peut générer. La réalisation d'une cellule de commutation, pour un bras d'onduleur, impose par exemple la prise en compte de contraintes électriques 20 (surtensions de commutation) se traduisant par la nécessité de réduire les inductances parasites de connexion qui sont générées entre les semiconducteurs de puissance et les condensateurs qui équipent un tel circuit. Il en découle des contraintes de réalisation physiques, notamment d'ordre mécanique et géométrique. En effet, l'inductance parasite générée 25 tend à créer des surtensions sur les semi-conducteurs de puissance, d'une part par le gradient de courant (U = L parasite x di/dt), et d'autre part par transfert de l'énergie stockée de l'inductance vers le condensateur. Lorsque la tension dépasse la tension directe nominale du composant à l'état bloqué, celui-ci se détruit par effet d'avalanche. En matière de conception des convertisseurs, le savoir-faire réside par conséquent principalement dans la maîtrise des surtensions par: réduction des éléments parasites par un câblage étudié; surdimensionnement en tension du semi-conducteur. Toutefois, cette deuxième solution entraîne un surcot en silicium, ainsi 35 qu'une augmentation des pertes de commutation des semi-conducteurs qui sont liées aux charges stockées et à l'épaisseur du silicium dans le composant et sont d'autant plus importantes que la tenue en tension du composant est élevée. Le surdimensionnement conduit donc à un surcot et à une diminution des performances du convertisseur. En ce qui concerne la mise au point d'un câblage approprié, la conception d'un raccordement à faible inductance implique une géométrie particulière, privilégiant pour les conducteurs d'aller et de retour du courant des configurations géométriques ayant des surfaces aussi larges et aussi 5 proches que possible, notamment en vue de réduire la surface de la boucle créée par chaque conducteur. En pratique, le courant chemine dans des barres bus auxquelles sont fixés les différents éléments participant au circuit, les barres de polarité différente étant séparées par des couches isolantes. C'est cette technologie qui est utilisée pour les connexions 10 directes entre condensateurs et modules transistors. Ces considérations restent vraies lorsque le circuit comporte des connecteurs visant à permettre la séparation de différentes parties d'un module de type bras d'onduleur. L'existence de connecteurs est une quasinécessité dans ce domaine technique, car on constate une différence de 15 fiabilité entre différents éléments constituant par exemple un bras d'onduleur, qui implique dès lors un démontage plus fréquent de certains d'entre eux. Elle résulte également du fait que les éléments considérés présentent un poids qui est loin d'être négligeable, du fait des dimensionnements des 20 composants, conducteurs, etc... compatibles avec les ampérages précités. Ainsi, pour qu'une personne seule puisse faire face à des opérations de maintenance élémentaires, c'est-à-dire manipuler des pièces dont le poids reste raisonnable, on a également été amené à subdiviser les circuits en plusieurs éléments. Dans cette logique de subdivision des circuits, les modules bras d'onduleur à transistors sont par exemple fixés mécaniquement à des pattes dépassant desdits bus. Chaque remplacement nécessite dès lors l'utilisation d'outils, et par conséquent le remplacement hors tension de l'élément défectueux. Par la suite, il a été proposé d'utiliser des connecteurs, et de séparer la barre bus en deux parties, l'une étant dévolue aux bancs de condensateurs, alors que l'autre permettait le raccordement des modules de commutation à semi-conducteurs. Le raccordement était alors réalisé soit par deux bornes de connexion, 35 une borne positive et une borne négative, soit, de préférence, par une succession de contacts alternés afin de réduire l'inductance de la boucle créée par chacun des contacts positif et négatif. Dans ce cas, chaque contact peut être constitué d'un connecteur unipolaire classique. La solution utilisant la succession de contacts alternés n'optimise cependant pas l'inductance de l'ensemble de la barre bus, et elle pose en outre le problème de l'isolement des polarités, qui sont imbriquées pour réduire l'inductance et qui se retrouvent alors proches les unes des autres. Cette technique impose de plus des contraintes importantes en termes de construction mécanique des ensembles mobiles (modules; bancs) et de l'ensemble fixe (barre bus), en particulier afin de garantir le positionnement relatif des connecteurs mâles et femelles, ainsi qu'une force d'insertion élevée. La solution mise en oeuvre dans la présente invention s'affranchit des inconvénients précités. Elle est en effet facile à mettre en oeuvre, et ne nécessite pas de positionnement mécanique précis des éléments brochables / débrochables par rapport aux barres bus. Le développement qui fait l'objet de l'invention concerne de plus des 15 connecteurs qui sont brochables / débrochables sans outil, de telle manière que l'opérateur chargé de la maintenance puisse les enlever et les remettre en un temps limité, compatible avec les exigences industrielles actuelles et les impératifs économiques dont elles découlent. Cette solution se caractérise à titre essentiel en ce que, pour chaque 20 polarité, l'une de la barre d'alimentation ou de la barre bus fixe est équipée d'une bande de contacts à lamelles constituée d'une succession de lamelles disposées transversalement sur un support longitudinal et inclinées de telle sorte qu'un de leurs côtés soit au contact permanent de la barre qu'elle équipe, l'autre côté étant surélevé pour entrer en contact avec 25 l'autre barre, le support des lamelles autorisant une rotation relative élastique desdits côtés dans le sens d'une mise à plat des lamelles lorsque des moyens de pressage s'exercent sur lesdites barres pour les maintenir au contact l'une de l'autre dans la zone de connexion. La solution de l'invention réalise en fait un contact sur une grande 30 longueur, sur chacune des polarités de la barre bus. Surtout, elle ne modifie pas les principes de base de construction d'une telle barre bus à faible inductance. La faible valeur de l'inductance est garantie par la construction traditionnelle en larges plaques séparées par un film isolant de faible épaisseur, qu'il est tout à fait possible de préserver dans la 35 solution de l'invention. La qualité du contact électrique est notamment donnée par la pression appliquée sur le contact, pression exercée par lesdits moyens de pressage. Elle résulte bien entendu également du choix des métaux de contact mis en oeuvre. Les lamelles, privilégiant une mise en contact de type glissant, améliorent de plus la qualité de brochabilité / débrochabilité, qui ne nécessite plus qu'une faible force d'insertion / extraction, précisément du fait de la possibilité de glissement. Le système de l'invention permet de plus d'accepter des tolérances d'alignement mécanique élevées. Dans les bandes de contacts à lamelles, les côtés destinés à établir les contacts sont les grands côtés latéraux desdites lamelles, qui sont constitués de barrettes dont les surfaces d'allure parallèle au support longitudinal des lamelles sont sensiblement planes pour réaliser le contact 10 avec les barres. Dans une même bande, il y a donc une alternance régulière de contacts avec l'une des barres et de contacts avec l'autre barre, chaque alternance étant individuellement réalisée par une lamelle inclinée. De préférence, la barrette formant le côté au contact permanent de l'une 15 des barres est intégrée dans une rainure pratiquée dans cette barre, dont dépasse cependant la barrette formant le côté surélevé. Ce mode de fixation permet à une portion de chaque lamelle inclinée de dépasser de la surface de la barre dans laquelle la bande de contacts est fixée, pour assurer, voire améliorer la qualité du contact électrique avec 20 l'autre barre. Selon une possibilité, ladite rainure est en queue d'aronde, dans laquelle coulissent les barrettes au contact permanent d'une des barres, dont la forme est par conséquent prévue pour ce coulissement. La longueur des barrettes formant les côtés surélevés est de plus prévue inférieure à la 25 largeur de l'ouverture de ladite rainure. Ainsi, au moment o les moyens de pressage exercent leur action, le côté latéral surélevé, dépassant de la rainure, peut subir une rotation l'amenant éventuellement au moins partiellement dans le volume de la rainure, les propriétés élastiques du support garantissant une bonne 30 qualité du contact électrique avec la barre mobile. De préférence, la bande de contacts à lamelles est intégrée à la barre bus fixe. En fonctionnement bipolaire, les barres positive et négative d'alimentation des modules et les barres correspondantes du bus fixe sont 35 séparées par une couche isolante mince et forment respectivement un ensemble mobile et un ensemble fixe présentant une configuration étagée en escalier inverse l'une de l'autre pour permettre leur connexion à l'aide des moyens de pressage. En d'autres termes, dans un schéma de connexion horizontale, si la barre de polarité négative du bus fixe dépasse en position inférieure, elle va coopérer avec la barre mobile de même polarité, dès lors également située en partie inférieure mais de longueur inférieure à la barre de polarité positive du bus d'alimentation. De préférence, pour des raisons tenant notamment à la conception des moyens de pressage, l'ensemble mobile est prévu souple. Pour assurer un bon fonctionnement électrique, le décalage entre la couche isolante et la barre de moins grande longueur présente une 10 longueur au moins égale à la distance prévue par la norme pour empêcher la création de courants de fuites pour les valeurs maximales de tensions prévues. Les couches isolantes fournissent donc un repère lors du brochage. Il n'y a en effet aucun isolant autre que lesdites couches équipant les 15 ensembles fixe et mobile entre l'ensemble fixe et l'ensemble mobile dans la direction du brochage / débrochage. Selon une configuration possible, les moyens de pressage comportent une mâchoire fixe supportant, dans la zone de connexion, l'ensemble fixe, et une mâchoire mobile disposée en regard, rappelée en position 20 d'ouverture stable par des moyens ressort, et munie de moyens de fermeture manuels dans la direction de la mâchoire fixe. Plus précisément, les mâchoires peuvent par exemple être réalisées par des profilés en U dont les jambages sont orientés perpendiculairement aux barres à connecter, et localisés au niveau des lames de contacts à 25 lamelles. Cette configuration permet d'améliorer l'efficacité de la pression en limitant la surface d'action au niveau des zones de connexion, c'est-àdire au droit des bandes de contact à lamelles. Selon une possibilité, les moyens de fermeture sont constitués d'un 30 mécanisme à came rotative dont la rotation permet le déplacement de la mâchoire mobile, la position stable fermée étant obtenue par arcboutement de l'extrémité de la came sur la mâchoire mobile. Le contact est assuré par les moyens de pressage qui viennent déformer l'ensemble mobile souple, c'est-à-dire l'ensemble comprenant les 35 barres d'alimentation des modules démontables, afin de mettre en contact les polarités correspondantes. Parmi les avantages majeurs de la conception objet de la présente invention, on peut citer le fait que l'insertion de la partie mobile dans la partie fixe ne nécessite aucun alignement particulier, et supprime par conséquent les contraintes d'usinage liées aux tolérances généralement nécessaires pour des ensembles débrochables de grande dimension. Cette absence de contrainte d'alignement mécanique permet en outre aux ensembles mobiles de supporter des déformations provenant de 5 contraintes type chocs, vibrations, sans répercuter d'efforts sur les parties adjacentes. L'invention va à présent être décrite plus en détail par référence aux dessins annexés, pour lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique de l'assemblage d'un 10 ensemble de barres d'alimentation mobiles sur un ensemble de barres bus fixes; - la figure 2 montre une vue de dessus d'une bande de contacts à lamelles utilisée dans le cadre de l'invention; - la figure 3 est une vue de côté de la bande de la figure 2; - la figure 4 montre, en section transversale, l'intégration d'une telle bande dans l'ensemble fixe et au contact de l'ensemble de barres mobile; et - les figures 5a à 5c représentent les étapes d'insertion et de mise en pression d'un ensemble de barres d'alimentation mobiles au contact 20 d'un ensemble de barres bus fixes. En référence à la figure 1, les configurations formant les ensembles des barres d'alimentation (1) mobiles d'une part, et des barres fixes (2) d'autre part sont montrées superposées, en position relative apte à la connexion mais avant pressage, la distance séparant les deux ensembles (1, 2) étant 25 volontairement exagérés pour identifier clairement les deux ensembles (1, 2). L'ensemble (1) comprenant les barres d'alimentation reliées aux modules démontables est constitué en l'occurrence d'une barre supérieure (3) de polarité positive, d'une couche mince isolante (4) et d'une barre 30 inférieure (5) de polarité négative, décalée en escalier. Cet ensemble (1) , constitué en matériau conducteur (métallique) ou isolant souple, est par exemple fixé au circuit des composants semi-conducteurs et à leurs moyens de refroidissement. L'ensemble fixe (2) comprend également une barre bus (6) de polarité 35 positive, une couche mince isolante (7) et une barre bus (8) de polarité négative, configuré en escalier inversé par rapport au précédent. A leur extrémité gauche, les barres bus (6, 8) sont munies de moyens de contact (9, 10), en l'espèce des barres de contact à lamelles telles qu'elles apparaissent dans les figures 2 et 3. Dans leur position de raccordement telle que représentée en figure 1, les barres les plus courtes (5, 6) sont espacées d'une distance (1) permettant de garantir qu'aucun cheminement horizontal de courant ne se produira dans les conditions d'utilisation définies. La figure 2 montre, en vue de dessus, une bande de contact à lamelles telle qu'implantée aux extrémités des barres bus (6, 8). La géométrie de telles bandes est mieux comprise également en référence aux figures 3 et 4, qui en donnent une vue de côté et une vue transversale. A titre principal, ces bandes sont constituées de lamelles successives 10 (11), chacune constituée d'une surface centrale (12) encadrée de deux barrettes latérales (13, 14). Ces lamelles sont fixées sur une colonne vertébrale constituée d'un support (15) muni d'éléments en croix reliés les uns aux autres, et dotés de branches transversales (16) dont les extrémités (17) limitent les surfaces (12). Ces branches (16) présentent une légère 15 torsion, et les lamelles qui sont fixées sur elles sont par conséquent inclinées. Leur inclinaison est telle que les barrettes latérales (13) sont, dans une vision horizontale, situées à un niveau inférieur aux barrettes (14), légèrement surélevées. Cette inclinaison est essentielle au fonctionnement, 20 parce qu'elle assure notamment la qualité des contacts à l'aide des propriétés d'élasticité de la colonne vertébrale (15), qui rappelle les barrettes (14) en position surélevée suite à une pression exercée sur elles. En référence à la figure 4, les barrettes latérales (13) sont insérées dans une rainure en queue d'aronde (18) pratiquée dans la barre bus (8), la 25 forme notamment extérieure de ladite barrette (13) étant adaptée à coulisser dans ladite rainure (18). Intégrée à cette rainure (18), chaque barrette comporte deux zones planes de contact statique avec la barre conductrice (18). Ces zones sont séparées par un espace de passage pour la colonne vertébrale (15). La barrette supérieure (14) comporte une zone supérieure unique plane (21) de contact dynamique avec la barre conductrice (5). Lorsqu'une pression est exercée sur la barre conductrice (5), dans le sens de la flèche F, par les moyens de pressage (voir figures 5a à 5c), le contact est assuré entre les deux barres (5, 8) par l'intermédiaire des barrettes (13, 14) et de la 35 surface de contact (16). Ces différents éléments étant réalisés en cuivre argenté, ils permettent des densités de courant élevées, et par conséquent la transmission de courants forts. Ceci est d'autant plus vrai que la pression exercée est grande. La bande support (15), formant la colonne vertébrale de la bande de contact à lamelles, est quant à elle réalisée en cuivre béryllium affiné de manière à offrir les meilleures propriétés élastiques, indépendamment de la transmission du courant. La figure 5a montre l'ensemble (1) mobile (dont le sens d'insertion est 5 figuré par la flèche I), constitué de barres de barres d'alimentation (3, 5) souples, séparées par un isolant (4), et relié à une portion du module (22), par exemple un bras d'onduleur à semi-conducteurs. L'ensemble fixe (2), constitué de ces barres bus (6, 8) entre lesquelles est interposée une couche isolante (7), est disposée sur la mâchoire fixe 10 (23) des moyens de pression (M). Cette mâchoire fixe (23) est constituée d'un profilé en U, dont les jambages sont positionnés au droit des bandes à lamelles de contact (9, 10). De la même manière, une mâchoire mobile (24), constituée également d'un profilé en U inversé, peut être mise en pression, en direction de 15 l'ensemble fixe (2), par un mécanisme rotatif à came (25). Des ressorts (26) permettent de garder les mâchoires ouvertes en position de repos. Le fonctionnement, représenté aux figures 5b et 5c, est le suivant: l'ensemble mobile (1) est inséré entre les deux mâchoires (23, 24) de telle sorte que les extrémités des barres (3, 5) soient positionnées 20 respectivement en regard des bandes de raccordement à lamelles (9, 10) (voir figure 5b). - le mécanisme à came rotatif est alors actionné, permettant la descente de la mâchoire mobile (24) en direction de la mâchoire fixe (23), et aboutissant à comprimer l'ensemble mobile (1) contre 25 l'ensemble fixe (2), déformant au passage notamment la barre d'alimentation (3) et la couche isolante (4) (voir figure 5c). La connexion est alors réalisée, et les surfaces d'appui des lamelles de la bande de contact (15) créent un contact électrique de qualité suffisante pour permettre le passage de hautes densités de courant. Une 30 manipulation supplémentaire sur le mécanisme à came (25) permet le déverrouillage de la liaison, et le débrochage de la partie mobile (1). La description ci-dessus, faisant référence aux figures annexées, ne constitue qu'un exemple qui n'est nullement exhaustif de l'invention. Celleci englobe au contraire les variantes de formes et de configurations qui sont 35 à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Système de connexion de modules électriques à courants forts, du type bras d'onduleurs à semi-conducteurs ou bancs de condensateurs, 5 pour le raccordement d'une barre d'alimentation desdits modules à une barre bus fixe, la connexion étant brochable / débrochable sans outil, caractérisé en ce que, pour chaque polarité, l'une de la barre d'alimentation ou de la barre bus fixe est équipée d'une bande de contacts à lamelles constituée d'une succession de lamelles disposées 10 transversalement sur un support longitudinal et inclinées de telle sorte qu'un de leurs côtés soit au contact permanent de la barre qu'elle équipe, l'autre côté étant surélevé pour entrer en contact avec l'autre barre, le support des lamelles autorisant une rotation relative élastique desdits côtés dans le sens d'une mise à plat des lamelles lorsque des moyens de 15 pressage s'exercent sur lesdites barres pour les maintenir au contact l'une de l'autre dans la zone de connexion. 2. Système de connexion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les côtés destinés à former les contacts sont lesdits grands côtés latéraux, qui sont constitués de barrettes dont les surfaces 20 d'allure parallèle au support longitudinal sont sensiblement planes pour réaliser le contact avec les barres. 3. Système de connexion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la barrette formant le côté au contact permanent de l'une des barres est intégrée à une rainure pratiquée dans cette dernière, 25 dont dépasse la barrette formant le côté surélevé. 4. Système de connexion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite rainure est en queue d'aronde, dans laquelle coulissent les barrettes au contact permanent d'une des barres, dont la forme est prévue pour ce coulissement, la longueur des barrettes formant 30 les côtés surélevés étant inférieure à la largueur de l'ouverture de ladite rainure. 5. Système de connexion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande de contact à lamelles est intégrée à la barre bus fixe. 6. Système de connexion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, en fonctionnement bipolaire, les barres positive et négative d'alimentation des modules et les barres correspondantes du bus fixe sont séparées par une couche isolante mince et forment respectivement un ensemble mobile et un ensemble fixe présentant une configuration étagée en escalier inverse l'une de l'autre pour permettre leur connexion à l'aide des moyens de pressage. 7. Système de connexion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'ensemble mobile est prévu souple. 8. Système de connexion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le décalage entre la couche isolante et la barre de moins grande longueur présente une longueur au moins égale à la distance prévue par la norme pour empêcher la création de courants de fuite pour les valeurs maximales de tensions prévues. 9. Système de connexion selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les moyens de pressage comportent une mâchoire fixe supportant, dans la zone de connexion, l'ensemble fixe, et une mâchoire mobile disposée en regard, rappelée en position d'ouverture stable par des moyens ressort, et munie de moyens de fermeture manuels 15 dans la direction de la mâchoire fixe. 10. Système de connexion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les mâchoires sont réalisées par des profilés en U dont les jambages sont orientés perpendiculairement aux barres à connecter, et localisés au niveau des lames de contacts à lamelles. 11. Système de connexion selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les moyens de fermeture sont constitués d'un mécanisme à came rotative dont la rotation permet le déplacement de la mâchoire mobile, la position stable fermée étant obtenue par arcboutement de l'extrémité de la came sur la mâchoire mobile.