Brevet FR2954620A1 — publié le 20110624

DISPOSITIF D'INVERSION DE PHASES A PINCES ROTATIVES DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif permettant l'inversion du sens de marche d'un moteur électrique triphasé en inversant la connexion entre deux phases. Plus généralement, l'invention a trait à un dispositif mécanique d'inversion de la connexion entre paires de conducteurs. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour respecter leurs limites de fonctionnement, les moteurs sont associés à des systèmes de protection qui permettent, par exemple, d'isoler le moteur du réseau en actionnant un organe de coupure en cas de détection d'un court-circuit ou d'une surcharge. Des fusibles, disjoncteurs, relais de surcharge, ou des appareils offrant conjointement plusieurs types de protection ont ainsi été développés pour être associés aux départs des moteurs. Par ailleurs, dans un moteur électrique triphasé, le sens de rotation du moteur est déterminé par la séquence des phases de la source d'alimentation électrique. Or, dans certaines applications, le moteur doit pouvoir fonctionner dans les deux sens, par exemple pour une vanne ou une pompe, un convoyeur ou un ascenseur, ou autre machine-outil. Pour obtenir le sens souhaité de démarrage du moteur, des dispositifs ont été conçus afin d'inverser la connexion entre deux des phases, la troisième restant inchangée. Une solution est ainsi l'intégration de la fonction d'inversion dans le dispositif de commutation ou de protection : deux contacteurs/disjoncteurs conventionnels sont associés à l'aide d'une condamnation mécanique les verrouillant l'un et l'autre afin que l'activation simultanée des deux contacteurs soit interdite : voir par exemple FR 2 373 320. Cette solution nécessite cependant un nombre de pièces important, avec doublement des dispositifs de coupure et système de verrouillage. 2713 LPu Pour la plupart des utilisations, le dispositif de coupure qui assure le démarrage et la protection du moteur est conservé, simplement associé en aval à un dispositif inverseur de phases (voir par exemple FR 2 586 325) ; il importe alors que le dispositif d'inversion n'empêche pas le redémarrage après activation des moyens de coupure et correction du défaut. En référence à la figure 1, le circuit 1 d'alimentation triphasée L1, L2, L3 du moteur 2, qui est muni dans le cadre illustré d'un dispositif de coupure amont 4, comprend trois bornes 6 de raccordement sur lesquels viennent se connecter trois bornes 8 du moteur 2 alimentant chacune des phases Ti, T2, T3. Pour permettre une inversion du sens de rotation du moteur 2, un dispositif 10 inverseur se raccorde aux bornes 6, 8 de chaque ligne, et comprend des contacts 12, 14 à double ou simple coupure qui permettent, en fonction de leur position, de croiser deux des trois phases L1, L2 et Ti, T2, l'une des phases L3-T3 étant conservée. Pour interdire l'inversion des phases sous charge, l'inverseur 10 est usuellement commandé par des contacts auxiliaires 16 du dispositif de coupure 4 présent en amont et dont la position autorise ou non la commande 18 de l'inversion de phase, c'est-à-dire du mouvement des contacts 12, 14. Pour assurer le passage du courant nominal du départ moteur et les tenues aux chocs et vibrations, les contacts 12, 14 du dispositif d'inversion 10 peuvent être munis de pastilles d'argent, et ils sont classiquement asservis par des ressorts. Qui plus est, comme les courants de forte intensité, et notamment les courants de court-circuit, ont tendance à écarter les pôles reliant les lignes d'alimentation L et de transmission T, pour assurer le fonctionnement en court-circuit, les contacts 12, 14 sont également pourvus d'un dispositif électromagnétique qui, sous l'effet du passage du courant de court-circuit entraîne une augmentation de la pression sur les contacts d'inversion de phases : voir par exemple FR 2 795 226. Cette architecture nécessite ainsi un grand nombre de pièces et induit, de fait, un coût de revient élevé. EXPOSE DE L'INVENTION 2713 LPu Parmi autres avantages, l'invention vise à optimiser la conception de dispositifs inverseurs de phase et notamment à diminuer le nombre de pièces afin de réduire leur coût. En dépit de cette simplification dans la conception, l'invention vise à conserver la tenue de l'inverseur à des courts-circuits de 10 kA, voire 50 kA, et notamment à tolérer des passages de courant de court-circuit pendant 2,5 ms. Un dispositif inverseur selon l'invention comprend ainsi au moins deux bornes d'entrée de deux bornes de sortie qui sont reliées à un ensemble d'inversion ; une troisième borne d'entrée et une troisième borne de sortie reliées de façon fixe par un conducteur peuvent être présentes. L'ensemble d'inversion comprend des pinces de serrage conductrices destinées à relier des plages conductrices raccordées aux bornes d'entrée et de sortie. Les plages conductrices de raccordement sont mises en place sur des supports isolants adaptés pour être enserrés par les pinces, elles-mêmes reliées deux à deux pour former des ponts conducteurs. Les ponts sont associés à des moyens d'entraînement leur permettant de prendre une première position dans laquelle ils assurent le raccordement entre deux plages du support, et une deuxième position dans laquelle ils assurent le raccordement entre deux autres plages du support ; les plages sont quant à elles agencées pour qu'entre la première et la deuxième position, il y ait inversion du raccordement entre bornes d'entrée et de sortie. De préférence, les moyens d'entraînement des ponts comprennent un ou deux barreaux rotatifs autour d'un axe, lesdits barreaux étant avantageusement munis de cavités logeant une portion non active des pinces et des liaisons entre deux pinces pour former lesdits ponts. Les plages conductrices sont mises en place sur un support isolant par barreau ; le support est tel que, quelle que soit la position relative en rotation du barreau, il est enserré entre les pinces des ponts de raccordement. Dans le mode de réalisation préféré, deux barreaux comprennent chacun un pont de pinces, avantageusement diamétralement opposées, et séparés l'un de l'autre par un arbre rotatif le long de l'axe. Les deux supports sont chacun munis de trois plages conductrices : une des trois plages est adaptée pour être en contact avec une pince du pont dans la première et 2`13LPu dans la deuxième position ; les deux autres plages conductrices du premier barreau sont reliées, avantageusement par un conducteur fixe, aux deux autres plages conductrices du deuxième barreau pour un raccordement à la même borne. L'ensemble d'inversion est couplé à des moyens d'actionnement dans un dispositif selon l'invention. Selon des modes de réalisation préférés, les moyens d'actionnement du(des) barreau(x) sont rotatifs et unidirectionnels, la première et la deuxième position des ponts de pinces sont séparées de 90° l'une de l'autre. Les moyens d'actionnement sont avantageusement couplés à des moyens de commande du dispositif d'inversion, et/ou à des capteurs permettant d'assurer la sécurité et/ou l'optimisation de l'inversion. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit 15 de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées. La figure 1, déjà décrite, illustre un départ-moteur muni d'un inverseur de phase. 20 Les figures 2A et 2B montrent la première et la deuxième position d'un ensemble d'inversion pour un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente un ensemble d'inversion selon un autre mode de réalisation. 25 La figure 4 montre un dispositif d'inversion selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE Dans un dispositif inverseur 200 selon l'invention, les contacts entre les conducteurs L;, Ti 30 de phase sont réalisés par l'intermédiaire de pinces 205, ce qui permet, sans ajouter de pièces supplémentaires, d'assurer une pression de contact lors du passage du courant. 2713 LPu Les pinces 205, schématisées en figure 3, peuvent être de conception classique, tel que par exemple utilisées dans FR 2 668 851: le choix de cette solution permet ainsi de diminuer les coûts logistiques. Qui plus est, peu sensibles aux chocs et vibrations, les pinces 205 de longueur L et d'écartement d voient leur effort de contact augmenter en cas de courant de court-circuit Icc selon la formule F = (12/4)x(µo•L• r.d). Ceci permet de se dispenser de tout ressort ou autre destiné à éviter la réouverture des contacts lors de répulsion due au passage de courant de court-circuit ; en particulier, le coût des bobine ou autre circuit magnétique disparaît. Selon l'invention, les pinces 205 assurant le contact ne sont pas sollicitées en ouverture/fermeture lors des changements de phase, ce qui permet d'optimiser leur durée de vie, de diminuer l'usure des composants en contact, et de maîtriser la pression de contact à un niveau suffisant au passage du courant nominal. Le principe d'inversion selon l'invention repose sur un glissement entre les pinces 205 d'une alternance de secteurs conducteurs et isolants d'une même pièce ; cette solution offre pour autre avantage une réduction de coût générée par le fait que les pinces et les secteurs conducteurs sont dépourvus de pastilles d'argent. En particulier, les bornes 206, 208 de l'inverseur 200, c'est-à-dire les phases à inverser, sont couplés à un circuit conducteur fixe de l'élément d'inversion 210 selon l'invention, qui comprend en outre les pinces de contact 205, mises en place sur un élément mobile permettant, selon sa position, de raccorder entre elles des plages conductrices différentes du circuit. Ainsi, tel qu'illustré schématiquement en figures 2 et 3, les pinces 205 peuvent tourner autour d'un axe AA et sont associées par paires pour former des ponts de contact 215 ; selon la position autour de l'axe AA, les ponts 2151, 2152 couplent deux phases ou deux autres phases. Les moyens permettant d'entraîner les pinces 205 en rotation comprennent au moins un barreau isolant 220 rotatif autour de l'axe AA ; avantageusement, les pinces 205 sont logées dans des cavités adaptées 222 du barreau 220, et les ponts 215 sont formés par un conducteur de connexion 224 entre deux pinces 205 ; le conducteur 224 peut être intégré au barreau 220 ou surfacique ; le conducteur de liaison 224 peut être unitaire avec les 2713 LPu pinces 205 (voir figure 3). Suivant l'encombrement souhaité, la puissance de l'inverseur 200 et les distances d'isolement à respecter, les pinces 205 peuvent faire partie d'un (figure 2) ou de deux (figure 3) barreaux 220. Dans le cas où deux barreaux 2201, 2202 sont choisis, il est avantageux de les séparer le long de l'axe AA par un arbre 226, de façon à accroître les distances d'isolement. L'ensemble d'inversion 210 selon l'invention est complété par un support 230 par barreau 220 de pinces 205, ledit support 230 étant traversé par le barreau 220, enserré par les pinces 205 et adapté pour permettre leur rotation. Les supports 230 sont isolants et munis de plages conductrices 232 qui sont raccordées aux phases à inverser ; les plages conductrices 232 sont séparées l'une de l'autre d'une distance d'isolement suffisante, mais restent suffisamment proches de l'axe AA pour que les pinces 205 des ponts 215 puissent les enserrer deux à deux. Avantageusement, l'isolant 230 est du polytétrafluoroéthylène afin de diminuer le frottement, les plages 232 sont en cuivre, et le support 230 présente une surface sensiblement plane malgré sa double composition afin de réduire l'usure des pinces 205 et/ou plages 232. Il est avantageux que la rotation d'un quart de tour du barreau 220 entraîne l'inversion de phase. En présence d'un seul barreau 220 (figures 2), les pinces 205 forment alors des ponts 2151, 2152 couvrant un quart de cercle du barreau 220, et le support 230 peut ainsi être muni de quatre plages conductrices 232 à 90° l'une de l'autre, sensiblement au niveau de l'extrémité de serrage des pinces 205, et alternativement couplées par des conducteurs aux bornes d'entrée et sortie. Ainsi, tel qu'illustré dans la figure 2A, dans une première position du barreau 220, le premier pont de pinces 2151 relie les plages conductrices correspondant aux phases LI d'alimentation et Ti du moteur 2, et le deuxième pont 2152 relie les plages conductrices correspondant aux phases L2 d'alimentation et T2 du moteur 2. Dans la deuxième position illustrée en figure 2B, le premier pont 2151 relie la phase L1 d'alimentation à la phase T2 du moteur 2, et le deuxième pont 2152 relie la phase L2 d'alimentation à la phase Ti du moteur 2. Ainsi, entre la première et la deuxième position, il y a eu inversion de la connexion entre les phases ; pour revenir à la première position, il est possible d'actionner le barreau 220 dans le sens inverse ou de poursuivre la rotation dans le même sens d'un quart de tour. 271.3 LPu Dans le mode de réalisation préféré illustré en figure 3 et dans lequel deux barreaux coaxiaux 2201, 2202 sont chacun munis de deux pinces 205, celles-ci sont avantageusement sensiblement diamétralement opposées, et les deux supports 2301, 2302, eux aussi munis de quatre zones conductrices à 90° l'une de l'autre, comprennent en outre une zone de raccordement 234 reliant entre elles deux zones conductrices adjacentes, de façon à former une partie conductrice 232' qui est enserrée par une pince 205 quelle que soit la position relative du pont de contact 220, et à conserver deux plages conductrices 232A, 232B, isolées l'une de l'autre, qui sont enserrées par une pince 205 dans une seule des deux positions. Les plages conductrices 232A, 232B de chaque support 230 sont reliées, par un premier conducteur 236, aux bornes d'entrée 206 (respectivement de sortie) de l'inverseur 200, et chaque borne de sortie 208; (respectivement d'entrée) de l'inverseur 200 est raccordée par un deuxième conducteur, de préférence de même type, à la partie conductrice 232' d'un support 230. Les bornes d'entrée 206; (respectivement de sortie) sont ainsi reliées à deux plages conductrices 232A;, 232B; de deux supports 2301, 2302 différents : un élément de type tige conductrice 238A, 238B peut effectuer ce raccordement au niveau des supports 230;, mais d'autres moyens sont possibles. Par analogie avec les figures 2, dans la première position illustrée, le premier pont de pinces 2151 relie la première partie conductrice 232'1 raccordée à la phase d'alimentation L1 et la première plage conductrice 232A1 correspondant à la phase Ti du moteur 2 ; le deuxième pont 2152 relie la deuxième partie conductrice 232'2 correspondant à la phase L2 et la deuxième plage conductrice 232' correspondant à la phase T2 du moteur 2. Dans la deuxième position (non illustrée), le premier pont 2151 relie la première partie conductrice 232'1 correspondant à la phase L1 et la deuxième plage conductrice 232B1 correspondant à la phase T2 du moteur 2 ; le deuxième pont 2152 relie la deuxième partie conductrice 232'2 correspondant à la phase L2 et la plage conductrice 232B2 correspondant à la phase Tl du moteur 2. Ici encore, il se produit une inversion de la connexion entre les phases entre la première et la deuxième position ; le retour de la deuxième à la première position peut également s'effectuer par rotation en sens inverse ou poursuite de la rotation dans le même sens. 2'7 k_Pu Il est à noter que les configurations illustrées peuvent être modifiées. Notamment, contrairement au schéma de la figure 3, les deux ponts de pinces 215 peuvent être orthogonaux, en particulier selon les facilités de montage des conducteurs 236, 238 ; de même, les pinces 205 peuvent ne pas être diamétralement opposées. Plus généralement, une rotation de 120° ou autre peut être envisagée pour passer de la première à la deuxième position, le nombre de plages conductrices étant adapté en conséquence. La rotation autour de l'axe AA peut être réalisée par tout moyen de type moteur ou électroaimant ; le moyen d'actionnement 240 peut être bistable, ou il peut être monostable 10 et éventuellement combiné avec un système de type roue à hochet et crémaillère. En outre, la pression exercée par les pinces 205 est très faiblement dépendante de la capacité de tenue au court-circuit, ce qui permet d'utiliser un actionneur 240 à faible effort. En particulier, dans un mode de réalisation préféré illustré en figure 4, l'entraînement est réalisé par un électroaimant bistable couplé à une crémaillère. 15 Tel qu'illustré en figure 4, l'ensemble d'inversion 210 est logé dans un boîtier 242, qui est de préférence de forme et taille similaires à celles des appareils de protection 10 de la ligne 1 et de même système de montage, notamment un rail DIN. Le boîtier 242 comprend, de façon classique, trois bornes d'entrée 206 et trois bornes de sortie 208 ; une borne d'entrée 20 2063 et une borne de sortie 2083 sont reliées entre elles par un conducteur fixe 244, par exemple une tresse ou une lamelle de cuivre les autres bornes 2061, 2062, 2081, 2082 sont reliées aux plages conductrices 232 de l'ensemble d'inversion 210. Les conducteurs 236 reliant les bornes 206, 208 de l'inverseur 200 sont montés fixes par rapport au boîtier 242, et l'arbre 226 est mis en place au niveau d'un système de guidage 246 permettant une 25 stabilité de l'ensemble d'inversion 210. De préférence, les supports 230 de l'ensemble d'inversion 210 sont proches de chaque paroi latérale du boîtier 242 pour augmenter les distances d'isolement et libérer le maximum de place au centre du boîtier 242. La conception du contact selon l'invention, par pinces serrantes 205, permet de se 30 dispenser de tout ressort, ou autre, destiné à éviter la réouverture des contacts lors de répulsion due au passage de courant de court-circuit ; en particulier, le coût des bobine ou autre circuit magnétique disparaît. Par ailleurs, le moyen d'actionnement 240 de l'inverseur 271.3 LPu 0 peut être de taille réduite, et localisé dans l'espace résiduel entre les deux barreaux 220: il est ainsi possible d'intégrer l'ensemble d'inversion 210 selon l'invention dans un boîtier 242 de largeur 1 = 45 mm pour des applications jusqu'à 50 kA. Le boîtier 242 de l'inverseur 200 selon l'invention comprend avantageusement un système de commande électronique 250 permettant d'activer les moyens d'actionnement 240 des barreaux 220 de façon contrôlée. La simplicité du mouvement impliquant l'inversion de phase permet une gestion optimale du temps d'inversion, de sorte que l'alimentation des moyens d'actionnement 240 et leur consommation peuvent être rationnalisées. Il est possible en outre d'intégrer des capteurs 252 permettant de refléter la situation de l'inverseur 200 (position des pinces 205, état de charge sur les lignes 236, 244) et d'agir sur les moyens d'actionnement et/ou de commande, notamment en empêchant les inversions en charge à la manière des contacts auxiliaires. Par exemple, un capteur de position 252 directement manoeuvré par des cames présentes sur l'arbre rotatif 226 peut donner la position relative des pinces 205 par la détermination de la rotation. Le dispositif 200 selon l'invention permet ainsi de réaliser une fonction d'inversion de deux phases par un nombre limité de composants, associé à un nombre restreint de pièces en mouvement relatif, diminuant le coût de montage du dispositif. Qui plus est, la conception permet l'utilisation de pièces de formes simples, qui peuvent être utilisées plusieurs fois, ce qui réduit encore les coûts de réalisation Bien que l'invention ait été décrite en référence à un dispositif pour inverser deux phases au démarrage d'un moteur triphasé, elle ne s'y limite pas : d'autres éléments peuvent être concernés par l'invention. En particulier, le dispositif selon l'invention est adapté pour les inversions du sens de marche des moteurs asynchrones triphasés. Le dispositif selon l'invention peut également être adapté, par exemple par addition d'un troisième pont de pinces et d'un troisième barreau, pour les passages de la configuration « étoile » à la configuration « triangle » de démarrage des moteurs triphasés ou pour le passage sur une seconde source de tension ; inversement, la conception du dispositif selon l'invention est adaptée pour une inversion du courant en courant continu, en supprimant la troisième phase. 2713 LPu REVENDICATIONS1. Dispositif d'inversion de phase (200) comprenant : - une première et une deuxième borne d'entrée (206;) ; une première et une deuxième borne de sortie (208;) ; un élément d'inversion (210) comprenant deux ponts (215) de deux pinces de serrage conductrices (205), au moins un support isolant (230) adapté pour être serré entre les pinces (205) des ponts (215), et des moyens (220) permettant d'entraîner les ponts (215) en rotation autour d'un axe (AA), les pinces (205) restant serrées autour du support (230) ; - des plages conductrices (232) localisées sur le au moins un support (230) de sorte à pouvoir être enserrées par les pinces de serrage (205) ; - des conducteurs (236) raccordant les bornes (206;, 208;) aux plages conductrices (232) ; - des moyens d'actionnement (240) pour les moyens d'entraînement (220) des ponts (215); l'ensemble d'inversion (210) étant adapté pour que les ponts (215) prennent une première position dans laquelle le premier, respectivement deuxième, pont (2151) raccorde une première et une deuxième plage conductrice (232', 232A) et une deuxième position dans laquelle le premier, respectivement deuxième, pont (2151) raccorde une première et une troisième plage conductrice (232', 232B), ladite troisième plage (232B) étant différente de la deuxième plage (232A). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la première et la deuxième position sont séparées par 90°. 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel les moyens d'actionnement (240) comprennent un moteur rotatif unidirectionnel. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'élément d'inversion (210) comprend deux barreaux (2201, 2202) coaxiaux, chaque barreau (220;) 10 2713 LPusupportant une paire de pinces (215i), et deux supports (230i) dotés chacun de trois plages conductrices (232Ai, 232Bi, 232'i). 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel deux plages conductrices (232A1, 232B1) du premier support (2301) sont raccordées par un conducteur fixe (238A, 238B) à deux plages conductrices (232A2, 232B2) du deuxième support (2302). 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel les pinces (205) de chaque pont (215) sont diamétralement opposées et logées dans des cavités (222) de chaque barreau (220). 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6 dans lequel les deux barreaux (220i) sont reliés par un arbre (226) et les moyens d'actionnement (240) sont couplés à l'arbre (226) entre les deux barreaux (220i). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant en outre une troisième borne d'entrée (2063) et une troisième borne de sortie (2083) reliées entre elles par un conducteur (244). 20 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant en outre des moyens de commande (250) des moyens d'actionnement (240). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 comprenant en outre un capteur (252) permettant de déterminer la position des pinces (205) autour de l'axe (AA). 25 2713 LPu