Brevet FR2947667A1 — publié le 20110107

ASSERVISSEMENT VIA UN DISPOSITIF DE COMPENSATION MAGNETIQUE DES FORCES DE REPULSION ET CONTACTEUR COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine de la protection des contacteurs, et notamment de la mise en place de dispositifs permettant de compenser les forces électrodynamiques de répulsion 10 qui ont tendance à provoquer l'ouverture intempestive des contacts générant leur usure, voire leur soudure. L'invention se rapporte à l'optimisation de tels dispositifs de compensation pour que l'encombrement et la consommation électrique des contacteurs soient minimaux tout en permettant qu'ils assurent correctement leur fonction en cas de surcharges dues à des courts-circuits. 15 ETAT DE LA TECHNIQUE Dans un contacteur, pour assurer le passage du courant, un équilibre est établi entre un mécanisme faisant ressort assurant une pression entre les contacts et la force de répulsion 20 générée au niveau des contacts par le passage du courant. Un contacteur est normalement prévu pour supporter des courants efficaces de l'ordre de plusieurs fois, par exemple douze fois, son courant nominal selon la charge commandée ; au-delà, les forces de répulsion prédominent et peuvent surmonter l'action du ressort de pression, si bien que les contacts vont se séparer pour se refermer dès que le courant diminue. Or les chocs entre contacts 25 créent un risque de soudure, ou tout au moins d'usure excessive. Un contacteur est donc classiquement associé à un dispositif de coupure ou de limitation qui évite le passage d'un courant excessif en cas de court-circuit ou de surcharge importante, de sorte que le contacteur n'a en principe pas le temps de subir un dommage. 30 Cependant, si la surcharge correspond à des courants efficaces moins importants (par exemple de l'ordre de quinze fois le courant nominal), le dispositif limiteur n'agit pas, ou pas immédiatement. De fait, il existe une zone de courant de surcharge dans laquelle le 2678 LPu seuil de répulsion des contacts est dépassé sans limitation du courant. Pour compenser l'effet des forces de répulsion électrodynamique pendant l'intervalle de temps séparant l'apposition de la surcharge et l'ouverture du circuit sans augmenter inconsidérément la taille des ressorts de pression, des compensateurs magnétiques ont été proposés, par exemple dans les documents FR 2 517 463, US 3 887 888 ou EP 0 974 997. Un dispositif de compensation, également appelé U magnétique ou � main de fer �, comprend deux pièces magnétiques formant entre elles un entrefer variable et entourant le contact mobile, de sorte à former un électroaimant. Le compensateur magnétique peut être positionné de façon fixe par rapport au boîtier du contacteur, auquel cas il peut gêner la réouverture des contacts et dégrader les performances du contacteur lors de la coupure ; de préférence, l'une des deux pièces en forme de U est donc reliée au mécanisme de support des contacts mobiles. Le compensateur magnétique est dimensionné pour ne pas contribuer d'une manière sensible à la pression de contact en fonctionnement à courant nominal ; lorsqu'une surcharge développe des forces de répulsion notables, le compensateur renforce efficacement la pression de contact, maintenant ainsi leur position fermée. Cependant, le U magnétique agit directement sur la partie mobile de l'électroaimant et, en cas de d'efforts de compensation importants, il peut arracher cette partie mobile, ce notamment pour un électroaimant alimenté en courant alternatif. Pour contrer cet effet, une augmentation du courant de maintien du contacteur serait nécessaire, mais au détriment de son encombrement et de sa consommation électrique. EXPOSE DE L'INVENTION Parmi autres avantages, l'invention vise à pallier des inconvénients des compensateurs magnétiques existants en optimisant leur fonctionnement. En particulier, l'invention concerne une commande du courant de maintien (courant en position fermée) de l'électroaimant, de façon à lui conserver une valeur minimale en fonctionnement normal et à l'augmenter uniquement lorsque l'effort de contact doit être complémenté par le U magnétique. Du fait de cette dissociation, l'effort engendré par la répulsion n'entraîne pas 2678 L.Pu un arrachement de l'actionneur, et la consommation électrique reste minimale en fonctionnement normal, sans sur-dimensionnement de l'actionneur. Sous un de ses aspects, l'invention concerne un contacteur muni d'un dispositif de compensation magnétique et asservi. Le contacteur comprend de préférence au moins un pont mobile de deux contacts, et un actionneur électromagnétique formé d'une bobine et d'une partie mobile solidaire d'un dispositif porte-contacts couplé au pont de contacts pour l'entraîner. Le dispositif de compensation, également objet de l'invention, comprend deux pièces magnétiques mobiles l'une par rapport à l'autre, de préférence une pièce en U et une pièce sensiblement plane fermant l'évidement du U, mais conservant entre elles un entrefer non nul. Entre les deux pièces magnétiques se trouve un support conducteur du contact mobile du contacteur de façon à former un électroaimant ; le support est couplé fonctionnellement à l'une des pièces magnétiques de sorte qu'une diminution de l'entrefer exerce une force en direction de fermeture des contacts. La bobine de l'actionneur du contacteur est munie de moyens d'alimentation pouvant être commandés. Selon une option, la bobine peut comprendre une pluralité d'enroulements, et les moyens d'alimentation comprennent des moyens interrupteurs, comme des transistors, permettant de déconnecter un des enroulements, de façon à modifier le champ créé par la bobine et donc la force générée par l'électroaimant dans les pièces magnétiques en fonction de la commande des moyens interrupteurs. Selon un autre mode de réalisation, la bobine du compensateur magnétique comprend des moyens d'alimentation électroniques, et une commande desdits moyens permet de modifier le courant circulant dans la bobine, par exemple via la fréquence d'un signal modulé, notamment en modulation de tension. Les moyens d'alimentation de la bobine permettent son asservissement, et donc l'asservissement de la force de l'actionneur en fonction de l'action développée par le compensateur ; ils sont associés à des moyens permettant de mesurer une grandeur représentative du courant circulant au sein des deux pièces magnétiques du compensateur, c'est-à-dire entre les contacts du contacteur, et des moyens de comparaison de cette grandeur représentative à un seuil de façon à commander les moyens d'alimentation. Les moyens de mesure peuvent être de différentes natures, et par exemple permettre une 26'78 LPu mesure directe du courant circulant entre les pôles, ou la mesure d'un paramètre dépendant du courant. En particulier, les moyens de mesure comprennent des moyens de mesure du flux magnétique au sein des pièces magnétiques du compensateur. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées. La figure 1 représente le mécanisme d'un contacteur muni d'un dispositif de compensation qui peut être associé à un asservissement selon l'invention. La figure 2 montre les efforts exercés au cours du temps dans un contacteur avec 15 compensateur magnétique selon l'art antérieur en présence d'un court-circuit. La figure 3 illustre l'utilisation d'un compensateur selon un mode de réalisation préféré de l'invention. 20 Les figures 4A et 4B montrent le schéma d'asservissement d'une bobine selon un mode de réalisation d'un contacteur selon l'invention. La figure 5 représente un asservissement pour un autre mode de réalisation d'un contacteur selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE La figure 1 représente schématiquement le mécanisme d'ouverture et fermeture d'un contacteur unipolaire 10. Deux conducteurs 12 portent chacune un contact fixe 14 qui 30 coopère avec un contact mobile 16 entre une position ouverte et une position fermée ; les deux contacts mobiles 16 sont solidarisés entre eux via un pont 18, et sont actionnés par un dispositif électromagnétique 20 comprenant une bobine 22 associée à un dispositif porte- 25 2678 LPu contacts 24 solidaire du support 18 des contacts mobiles 16. Un ressort de pôle 26, logé à l'intérieur du porte-contacts 24 génère une force entre les contacts 14, 16 pour les maintenir fermés ; il détermine la pression de contact F. Le porte-contact 24 supporte par ailleurs un compensateur magnétique 30 comprenant une première pièce magnétique 32 solidaire, par couplage ou simple appui, du pont de contact 18, et une deuxième pièce magnétique 34 en U, les deux pièces étant agencées pour former un orifice traversant dans lequel se trouve le pont de contact 18. Le compensateur magnétique 30 forme ainsi un électroaimant 18, 32, 34 lorsque les contacts 14, 16 sont fermés ; ses composants sont agencés et dimensionnés de sorte qu'un entrefer e non nul subsiste entre les deux pièces magnétiques 32, 34 en position fermée des contacts 14, 16, quel que soit leur degré d'usure. Lorsqu'un courant I circule dans les conducteurs 12, une force de répulsion FR est générée au niveau des contacts 14, 16, les sollicitant en ouverture ; cette force FR est d'autant plus forte que les conducteurs 12 sont en J et donc que le courant circule en sens inverse dans les deux branches au niveau du contact 14, 16. Par ailleurs, un flux magnétique 'b est créé au sein du compensateur 30, dans le circuit magnétique formé par les deux pièces magnétiques 32, 34 ; le flux traverse l'entrefer e et, en conséquence, génère une force de compensation Fc entre le pont 18 et la deuxième pièce en U 34 qui s'ajoute à la force Fp du ressort 26. Comme illustré en figure 2, on note ainsi que dans une première phase de fonctionnement �normal �, notamment sous courant nominal, l'effort de répulsion des contacts FR est minime, comme la force Fc générée par la main de fer 30 : la force Fp du ressort de pôle 26 assure la fermeture des contacts 14, 16. Plus le courant I augmente, alors que la force de pression Fp reste constante, la force de répulsion FR augmente, tout comme la force Fc de la main de fer 30 qui atteint une asymptote F,,,ax correspondant à la saturation du matériau magnétique formant le compensateur 30. L'électroaimant 20 exerce quant à lui une force FE sur les contacts 14, 16. Classiquement, cet effort FE est constant, dépendant du courant circulant dans la bobine 22 pour maintenir 2678 [,Pu l'actionneur 20 fermé, appelé courant de maintien. Au vu de la configuration du compensateur 30, l'électroaimant 20 subit une contrainte F résultant des différentes forces précédentes, et notamment correspondant à la différence entre l'effort de répulsion FR et l'effort de pression Fp + Fc de la main de fer 30 et des ressorts de pôle 26 ; la force F subie par l'actionneur 20 est en forme de �cloche �. Or, le U magnétique 30 agit directement sur la partie mobile 18, 24 de l'actionneur 20 et, en cas de gros effort, la contrainte imposée peut entraîner son arrachement en dépassant l'effort FE que peut soutenir l'actionneur 20 (figure 2). De fait, le courant au sein de la bobine 22 est usuellement maintenu au minimum pour diminuer la consommation tout en assurant la fermeture des contacts 14, 16. Pour éviter l'arrachement, une des solutions serait d'augmenter la force FE de l'actionneur 20, en augmentant le courant, ou de sur-dimensionner la main de fer 30. Selon l'invention, il est proposé de modifier l'effort FE auquel résiste l'actionneur 20 uniquement lorsque ceci s'avère nécessaire. En particulier, il est proposé d'utiliser une bobine 22 dite électronique, et d'asservir son alimentation en fonction du courant I circulant dans les conducteurs 12 : si le courant I dépasse le courant nominal d'un certain seuil, l'alimentation de la bobine 22 est augmentée de sorte que la force FE de l'actionneur 20 dépasse la contrainte résultante F. Il est ainsi possible d'éviter l'arrachement, et de ne pas sur-dimensionner la main de fer 30. En particulier, le seuil Io choisi peut correspondre à la moitié du courant de crête maximum tenu par le contacteur 10, ce qui permet d'anticiper l'augmentation du courant dans la bobine 22 de l'actionneur 20 : par exemple, si le contacteur 10 est adapté pour des courants nominaux de 400 A, c'est-à-dire que les ressorts de pôle 26 sont adaptés pour que les contacts 14, 16 de puissance ne s'ouvrent pas pour des valeurs crêtes de 8000 A toutes les millisecondes bien que le courant I soit considéré en défaut dès 15 x 400 = 6000 A, dès que le courant I atteint Io = 4000 A, un signal indique que le courant de maintien de la bobine 22 doit être augmenté. Cette valeur de seuil Io est appropriée car un courant de court-circuit I de 100 kA atteint la valeur de déclenchement Io environ au bout de 100 �s alors que les ressorts 26 et que, tel qu'illustré en figure 2, le maximum de la force F subie par l'actionneur 20 n'est pas encore atteint. D'autres options sont possibles. 7 LPu Pour asservir la bobine 22, des moyens sont mis en oeuvre pour détecter que le courant I dépasse le seuil I°, ou qu'une grandeur dépendant directement du courant dépasse un seuil. Selon un mode de réalisation, la mesure est directement réalisée par des capteurs de courant présents dans le contacteur 10 : de fait, certains contacteurs 10, notamment de gamme élevée, peuvent utiliser des mesures de courant pour la protection magnéto-thermique électronique. Selon un autre mode de réalisation, le seuil détecté concerne l'effort exercé par le courant I sur les composants du contacteur 10, et notamment sur la deuxième pièce magnétique 34, dotée à cette fin d'un capteur approprié ; par exemple, une jauge de contrainte est insérée entre le compensateur magnétique 30 et l'électroaimant 20, et une électronique de traitement permet, à partir de cette mesure, de déterminer le seuil de déclenchement de l'asservissement du courant dans la bobine 22. Selon un mode de réalisation préféré, pour plus de précision et de sensibilité, la grandeur représentative du courant est déterminée directement sur le compensateur magnétique 30. En particulier, tel qu'illustré en figure 3 pour un autre mode de réalisation d'un contacteur 10' muni d'une main de fer 30, un enroulement 40 exploratoire du flux (D est mis en place autour de la deuxième pièce en U 34. Le courant I passant dans la ligne de courant 12, 18 crée un flux I dans le compensateur 30 ; celui-ci est mesuré par l'enroulement 40 qui en transmet une valeur représentative à des moyens de traitement 42, par exemple des moyens de comparaison par un tableau de valeurs. En particulier, la tension induite est de la forme U = 2n x n x f x (D, avec n nombre de spires de l'enroulement 40 et f fréquence du courant 1. Pour un courant de 4000 A de fréquence f = 50 Hz, le flux sera de 1,25•e-Ô4 Wb, ce qui correspond à une tension induite de 1,98 V si la bobine exploratoire 40 comprend n = 50 spires. Les moyens de traitement 42 peuvent ainsi associer un seuil de 2 V à la tension induite pour déclencher l'asservissement de la bobine 22. Les moyens de traitement 42 associés aux moyens de mesure 40 permettent de détecter rapidement le dépassement d'un seuil I° par le courant d'alimentation I, notamment par dépassement d'une grandeur caractéristique (U, effort...). Des moyens 44 reçoivent alors le signal correspondant au dépassement, et transmettent cette information à l'alimentation de la bobine 22 pour l'asservir. Comme le compensateur 30 est fermé lors de la modification de l'alimentation de la bobine 22, il n'y a pas de latence entre cette modification et 2 678 LPu l'augmentation de la force FE exercée par l'actionneur 20 ; par ailleurs, les moyens d'asservissement 44 sont adaptés pour réagir rapidement, de façon à ce que la force FE de l'actionneur 20 soit supérieure à l'effort F qu'il subit. Dans le mode de réalisation préféré précédent, la crête d'effort F subie par l'actionneur 20 apparaît à environ 0,35 ms : selon l'invention, il est préféré que la modification du régime de la bobine 22 ait lieu auparavant, et de préférence dans les 200 �s suivant le dépassement du seuil Io (ou son équivalent sur la grandeur U, (D,... mesurée). Selon une première variante illustrée en figure 4A, la bobine 22 d'actionnement est de fait un système avec au moins deux enroulements 22A, 22B mis en série, le premier enroulement 22A de maintien ayant une résistance très supérieure au deuxième enroulement 22B d'appel ; par exemple, l'enroulement 22A comprend 2400 spires pour une résistance de 100 S2, et l'enroulement 22B comprend 200 spires pour une résistance de 1,1 SZ. En fonctionnement normal, l'enroulement de maintien 22A est prépondérant, et assure le courant dans la bobine 22. En présence d'un courant de surcharge, les moyens d'asservissement 44 envoient un signal sur les moyens d'interruption 46 de façon à déconnecter l'enroulement de maintien 22A de l'ensemble : l'enroulement d'appel 22B prend le dessus et génère une alimentation supérieure. Pour que le système soit réactif, il est avantageux que les moyens d'interruption 46 soient du type transistor : dès que les moyens d'asservissement 44 reçoivent des moyens de traitement 42 le signal indicateur d'une surcharge, le transistor 46 est sollicité en ouverture pour une augmentation rapide, en moins de 100 �s pour un front de tension U22 (figure 4B). Dans un autre mode de réalisation, la bobine 22 est alimentée de façon électronique, par l'intermédiaire d'un signal de type modulé en impulsion, ou PWM (pour �Pulse Wave Modulation �). En particulier, l'alimentation de la bobine 22 est réalisée directement depuis un dispositif de contrôle commande 48 (figure 3) créant des impulsions de largeur T prédéterminée pour la tension de commande. Tel qu'illustré en figure 5, en régime normal, le signal d'impulsion a une première fréquence f1, par exemple 1 % de la fréquence fixe f, permettant d'obtenir un courant moyen de maintien Il dans la bobine 22, ledit courant moyen Il correspondant à la moyenne du courant qui décroît entre deux impulsions. Dès que les moyens d'asservissement 44 reçoivent des moyens de traitement 42 le signal 2678 LPu indicateur d'une surcharge, ils transmettent au dispositif de contrôle commande 48 un ordre d'augmentation de la fréquence d'impulsion de sorte que le courant moyen I2 obtenu à la deuxième fréquence d'impulsion f2 soit augmenté de façon suffisante pour contrer la force F subie. Il s'avère qu'un doublement de la fréquence, en particulier f2 = 2 % de la fréquence fixe, est suffisant pour l'effet recherché ; ce type de modification dans l'alimentation de la bobine 22 est lui aussi très rapide, et notamment l'actionneur 20 réagit dans les 0,1 ms. L'asservissement de la bobine 22 se poursuit de préférence par un retour au courant de maintien minimal dès que le courant I revient à une valeur nominale, c'est-à-dire que le courant dans la bobine 22 est augmenté pendant les phases de courant transitoire, ou de défaut avant déclenchement des appareils de protection de ligne. Bien que l'invention ait été décrite en référence à un contacteur 10 à pont de contacts 18, elle ne s'y limite pas : d'autres éléments peuvent être concernés par l'invention, en particulier, les inverseurs, relais ou autres dispositifs similaires. De préférence, l'invention est utilisée dans un contacteur 10 de gros calibre, dans lequel le capteur de courant est intégré, le dispositif de compensation 30 et l'asservissement pouvant alors être mis en place dans un contacteur existant. Par ailleurs, d'autres systèmes d'asservissement du courant de la bobine 22 peuvent être prévus, tout comme d'autres moyens de mesure d'une grandeur représentative du dépassement d'un seuil Io par le courant d'alimentation I. Il est également possible de tolérer une ouverture partielle de l'actionneur 20 et donc une action un peu moins rapide dans le processus � mesure de la grandeur / détermination du dépassement de seuil et déclenchement de l'asservissement / asservissement / action réelle sur l'actionneur 20 � : en effet, entre le début d'ouverture de l'actionneur 20 et l'ouverture des contacts 14, 16 s'écoule un temps de latence correspondant à l'écrasement des ressorts de pôle 26 (distance de l'ordre de 4 mm dans le cas précédent). 2678 LPu REVENDICATIONS1. Dispositif de compensation magnétique (30) de la répulsion de contacts (14, 16) d'un appareil électrique (10) muni d'un actionneur électromagnétique (20) des contacts (14, 16) comprenant une bobine (22) dont les moyens d'alimentation (46, 48) sont susceptibles d'être commandés, ledit dispositif (30) comprenant une première pièce magnétique (32) susceptible d'être couplée fonctionnellement à un support conducteur de contact mobile (18) et une deuxième pièce magnétique (34) définissant entre elles un entrefer variable non nul (e) et un passage dans lequel est positionné ledit support de contact mobile (18) de façon à former un électroaimant ; caractérisé par des moyens (40) de mesure d'une grandeur représentative du courant (I) circulant entre les contacts (14, 16), des moyens (42) de traitement de la grandeur représentative du courant (I) circulant entre les contacts (14, 16) pour la comparer à un seuil (Io), des moyens (44) pour commander les moyens d'alimentation (46, 48) de la bobine (22) en fonction du résultat des moyens de traitement (42) de façon au augmenter le courant alimentant dans la bobine (22) lorsque le courant (I) circulant entre les contacts (14, 16) dépasse le seuil (Io). 2. Dispositif de compensation magnétique selon la revendication 1 dans lequel les moyens de mesure d'une grandeur représentative du courant comprennent des moyens de mesure (40) du flux (0) induit par le courant (I) dans les pièces magnétiques (32, 34). 3. Dispositif de compensation magnétique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la deuxième pièce (34) est sous forme d'un U, la première pièce (32) est sous forme de plaque. 4. Appareil électrique (10) comprenant au moins une paire de contacts (14, 16) mobiles l'un par rapport à l'autre, un actionneur électromagnétique (20) des contacts (14, 16) comprenant une bobine (22) dont les moyens d'alimentation (44, 46) sont susceptibles d'être commandés, et un dispositif de compensation magnétique (30) selon l'une des revendications 1 à 3 couplé à un support conducteur (18) d'un contact 10 26^K LPumobile (14) du contacteur (10) et aux moyens d'alimentation (46, 48) de la bobine (22). 5. Appareil électrique (10) comprenant : - au moins une paire de contacts (14, 16) mobiles l'un par rapport à l'autre ; un actionneur (20) électromagnétique des contacts (14, 16) comprenant une bobine (22) formant un électroaimant avec un support conducteur (18) d'un contact mobile (16) ; un dispositif de compensation magnétique (30) de la répulsion de contacts (14, 16) comprenant une première pièce magnétique (32) couplée fonctionnellement au support (18) de contact mobile (16) et une deuxième pièce magnétique (34) définissant entre elles un entrefer variable non nul (e) et un passage dans lequel est positionné ledit support de contact mobile (18) de façon à former un électroaimant ; caractérisé en ce que l'appareil comprend en outre : des moyens d'alimentation (46, 48) de la bobine (22) de l'actionneur (20) susceptibles d'être commandés ; des moyens (40) de mesure d'une grandeur représentative du courant (I) circulant entre les contacts (14, 16) ; des moyens (42) de traitement de la grandeur représentative du courant (I) circulant entre les contacts (14, 16) pour la comparer à un seuil (Io) ; des moyens (44) pour commander les moyens d'alimentation (46, 48) de la bobine (22) en fonction du résultat des moyens de traitement (42) de façon au augmenter le courant alimentant dans la bobine (22) lorsque le courant (I) circulant entre les contacts (14, 16) dépasse le seuil (Io). 6. Appareil électrique selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel la bobine (22) comprend une pluralité d'enroulements (22A, 22B) en série, et les moyens d'alimentation de la bobine (22) comprennent des moyens interrupteurs (46) permettant de déconnecter au moins l'un (22A) des enroulements. 2478 LPu 7. Appareil électrique selon la revendication 6 dans lequel les moyens interrupteurs comprennent un transistor (46) et les moyens de traitement comprennent l'émission d'un signal d'ouverture du transistor (46). 8. Appareil électrique selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel les moyens d'alimentation de la bobine (22) comprennent un dispositif de contrôle commande (48) permettant de moduler la tension d'alimentation de la bobine (22). 9. Appareil électrique selon la revendication 8 dans lequel les moyens de traitement (44) comprennent des moyens permettant de modifier la fréquence de modulation de la tension d'alimentation de la bobine (22). 10. Appareil électrique selon l'une des revendications 4 à 9 comprenant un pont de contacts mobile (18) supportant deux contacts mobiles (16), deux contacts fixes (14), un dispositif porte-contacts (24) associé au pont mobile (18) et solidaire de la partie mobile de l'actionneur électromagnétique (20), dans lequel la deuxième pièce (34) du dispositif de compensation magnétique (30) est associée au dispositif porte-contacts (24) et la première pièce (32) est en appui sur le pont de contact (18). 2678 LPu