Brevet FR2970595A1 — publié le 20120720

Dispositif d'actionnement pour appareil électrique interrupteur La présente invention se rapporte à un dispositif d'actionnement pour appareil électrique interrupteur. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'actionnement comportant un actionneur électromagnétique et un actionneur piézoélectrique. Pour rappel, un appareil électrique interrupteur de type contacteur, par exemple de type tripolaire, comporte un actionneur électromagnétique doté d'une 1 o bobine de commande, d'une culasse fixe et d'une armature mobile. Lorsqu'un courant suffisant est injecté dans la bobine de commande, l'armature mobile se déplace en direction de la culasse fixe en allant à l'encontre d'un ressort de rappel. Le contacteur comporte en outre un organe mobile mis en mouvement par l'actionneur et portant pour chaque pôle au moins un contact mobile apte à se déplacer par rapport à un 15 contact fixe entre un état ouvert et un état fermé grâce à l'actionneur. A l'état fermé, chaque contact mobile est écrasé contre le contact fixe correspondant à l'aide d'un ressort de pôle. Dans un appareil électrique interrupteur de type contacteur, il est connu que l'usure des pastilles des contacts fixes et mobiles est principalement due aux arcs 20 électriques qui apparaissent entre les contacts à la fermeture ou l'ouverture. Lorsque le contacteur est connecté à un réseau électrique alternatif, la fin de l'arc électrique est conditionnée par le passage à zéro du courant. La durée de l'arc électrique correspond à la durée entre l'instant d'ouverture des contacts et l'instant de passage par zéro du courant. L'instant de passage par zéro du courant dépend du réseau électrique. En 25 revanche l'instant réel d'ouverture est variable en fonction de paramètres physiques tels que par exemple la température, l'usure du ressort, les frottements, la rapidité de l'électronique employé. Il se passe donc un certain temps entre l'ordre d'ouverture des contacts et l'ouverture réelle des contacts, ce qui rend difficile la synchronisation de l'ouverture des contacts avec le passage à zéro du courant. 30 Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'actionnement permettant de réduire la durée entre l'ordre d'ouverture des contacts et l'ouverture réelle des contacts et ainsi de réduire la durée de l'arc électrique et d'augmenter en conséquence la durée de vie des contacts d'un appareil électrique interrupteur. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : les figures 1A, 1B et 1C illustrent schématiquement le principe de fonctionnement d'un appareil électrique interrupteur de type contacteur, les figure 2A et 2B représentent un premier mode de réalisation du dispositif d'actionnement de l'invention et illustrent son fonctionnement, la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif 1 o d'actionnement de l'invention, la figure 4 montre un premier mode de réalisation de l'unité de commande employée dans l'invention, la figure 5 montre un deuxième mode de réalisation de l'unité de commande employée dans l'invention, 15 la figure 6 représente des courbes illustrant le cycle d'ouverture d'un contacteur avec un dispositif d'actionnement classique, la figure 7 représente les mêmes courbes que la figure 6 avec un dispositif d'actionnement conforme à l'invention. 20 Le dispositif d'actionnement de l'invention est décrit ci-dessous dans le cadre de son utilisation dans un appareil électrique interrupteur de type contacteur. Cependant, il faut comprendre que ce dispositif d'actionnement peut être employé dans tout type d'appareil ou système nécessitant un actionnement amélioré. En référence aux figures 1A à Io, un appareil électrique interrupteur de type 25 contacteur comporte de manière connue un actionneur 1 de type électromagnétique, un ou plusieurs pôles (par exemple trois pôles pour un contacteur tripolaire) avec, pour chaque pôle, un organe mobile mis en mouvement par l'actionneur, un ou plusieurs contacts mobiles 21 portés par l'organe mobile et un ou plusieurs contacts fixes 20. L'actionneur 1 comporte plus particulièrement une culasse fixe 10 et une armature 30 mobile 11 apte à se déplacer par rapport à la culasse fixe 10 entre deux positions, une position d'ouverture (figure 1A) et une position de fermeture (figure 1C). L'actionneur électromagnétique comporte également une bobine de commande 3 comportant deux bornes de commande Al, A2 et commandée par une unité de commande 30 (montrée sur la figure 1A) délivrant un courant de commande i en appliquant une tension VA1_A2 entre ses bornes de commande en vue de déplacer l'armature mobile 11 de sa position d'ouverture vers sa position de fermeture et un ressort de rappel 4 positionné entre sa culasse fixe 10 et son armature mobile 11 pour déplacer l'armature mobile 11 de sa position de fermeture vers sa position d'ouverture. Sur les figures 1A à Io, l'organe mobile est par exemple un pont mobile à rupture double rendu solidaire de l'armature mobile 11 par l'intermédiaire d'un ressort de pôle 5 et portant deux contacts mobiles 21 déplaçables entre deux états, un état ouvert et un état fermé selon la 1 o position de l'armature mobile 11 de l'actionneur 1. Pour chaque pôle, l'appareil électrique comporte en effet un ressort de pôle 5 permettant d'écraser les contacts mobiles 21 contre les contacts fixes 20 lorsque l'armature mobile 11 est en position de fermeture. L'invention décrite ci-dessous pourra fonctionner avec un organe mobile de type à rupture simple. 15 Pour des raisons de simplification, les figures 1A à 1C ne montrent qu'un seul pôle de l'appareil électrique interrupteur. Il faut comprendre que l'invention s'applique pour l'ensemble des pôles de l'appareil. Sur la figure 1A, sous l'effet de l'effort exercé par le ressort de rappel 4, l'armature mobile 11 est en position d'ouverture. Sur chaque pôle, les contacts mobiles 20 21 sont alors à l'état ouvert. Sur la figure 1B, l'armature mobile 11 est dans sa course de fermeture par injection d'un courant de commande dans la bobine de commande 3 de l'actionneur 1. Le courant de commande doit être suffisant pour aller à l'encontre de l'effort fourni par le ressort de rappel 4. Sur cette figure, les contacts mobiles 21 sont amenés à l'état 25 fermé grâce à l'actionneur 1 mais le ressort de pôle 5 n'est pas sollicité. Sur la figure 1C, l'armature mobile 11 termine sa course de fermeture et est maintenue dans sa position de fermeture par rapport à la culasse fixe 10 en injectant un courant de commande suffisant dans la bobine de commande 3 de l'actionneur 1. Le ressort de rappel 4 est donc comprimé au maximum entre l'armature mobile 11 et 30 la culasse fixe 10. Sur cette figure 1C, les contacts mobiles 21 sont maintenus à l'état fermé et sont écrasés contre les contacts fixes 20 à l'aide du ressort de pôle 5 qui est comprimé grâce à l'actionneur 1. Lorsqu'un ordre d'ouverture des contacts est envoyé, l'unité de commande coupe le courant de commande qui décroît progressivement. Lorsque l'effort fourni par l'effet électromagnétique devient inférieur à l'effort mécanique exercé par le ressort de rappel 4 et le ressort de pôle 5, l'armature mobile 11 se déplace jusqu'à sa position d'ouverture sous l'effet du ressort de rappel 4. Les courbes représentées sur la figure 6 montrent la variation du courant de commande (i) injecté dans la bobine de commande 3 en fonction du temps, la variation de position (d) des contacts électriques en fonction du temps, la vitesse (v) d'ouverture des contacts et l'état (s) des contacts en fonction du temps. Sur ces courbes, on peut voir que la durée s'écoulant entre l'instant to auquel l'ordre d'ouverture est envoyé à l'actionneur électromagnétique et l'instant t, auquel l'ouverture de l'actionneur électromagnétique 1 débute est particulièrement longue. Cette durée correspond au temps de décharge du courant de commande appliqué à la bobine. Sur la courbe du courant de commande, on peut voir qu'à partir de l'instant to, le courant de commande (i) décroît progressivement jusqu'au début de l'ouverture de l'actionneur électromagnétique 1. L'instant t2 correspond pour sa part au moment où les contacts commencent à être physiquement ouverts et l'instant final tr à celui où les contacts sont entièrement ouverts. L'objectif de l'invention est de proposer une solution permettant de minimiser la durée entre les instants to et t2. Pour cela l'invention consiste à proposer un dispositif d'actionnement dans lequel un actionneur piézoélectrique 6 est employé en plus de l'actionneur électromagnétique 1 classique. Cet actionneur piézoélectrique 6 est employé pour agir sur l'armature mobile 11 lorsqu'un ordre d'ouverture des contacts 20, 21 est envoyé. L'avantage de la solution de l'invention est de conserver les caractéristiques avantageuses d'un actionneur électromagnétique 1 classique, notamment en termes de consommation électrique, et de bénéficier au bon moment des caractéristiques avantageuses de l'actionneur piézoélectrique 6, notamment en matière de dynamique de choc. La phase d'ouverture des contacts est ainsi affinée sans dégrader le fonctionnement classique de l'appareil électrique interrupteur et sans modifier profondément l'appareil. De manière connue, un actionneur piézoélectrique 6 comporte une pastille piézoélectrique apte à se déformer mécaniquement lorsqu'on lui applique une tension électrique. Selon l'invention, l'actionneur piézoélectrique 6 est agencé dans l'appareil électrique interrupteur pour déplacer l'armature mobile 11 de l'actionneur électromagnétique 1. Pour cela, il peut coopérer mécaniquement directement avec l'armature mobile 11 ou coopérer mécaniquement indirectement avec l'armature mobile 11. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 2A et 2B, l'actionneur piézoélectrique 6 est agencé dans l'appareil pour agir indirectement sur l'armature mobile 11 en déplaçant en translation l'actionneur électromagnétique 1 dans son ensemble suivant l'axe de déplacement de l'organe 1 o mobile. L'actionneur piézoélectrique 6 est ainsi positionné et calé entre la culasse fixe 10 de l'actionneur électromagnétique 1 et une partie fixe 70 de l'appareil. Lorsqu'un ordre d'ouverture des contacts est envoyé, l'actionneur piézoélectrique 6 est activé et se déploie pour déplacer l'actionneur électromagnétique 1 dans son ensemble et donc son armature mobile 11 portant l'organe mobile supportant les contacts mobiles 21. 15 Cependant, toujours sous l'effet de l'actionneur électromagnétique 1, les contacts restent alors quasi-fermés. Lorsque l'effort fourni par l'actionneur électromagnétique 1 devient ensuite inférieur à l'effort mécanique fourni par le ressort de rappel 4 et le ressort de pôle 5, l'ouverture de l'actionneur électromagnétique 1 peut débuter, entraînant l'ouverture des contacts 20, 21. Sur la figure 2B, on peut voir que le 20 déploiement de l'actionneur piézoélectrique 6 entraîne un déplacement de l'actionneur électromagnétique 1 de la distance (e). La distance (e) est volontairement exagérée pour faciliter la compréhension de l'invention. En réalité, cette distance vaut seulement quelques microns. 25 Selon l'invention, il est possible que le temps de charge de l'actionneur piézoélectrique 6 soit plus court que le temps de décharge de l'actionneur électromagnétique 1. Il est donc nécessaire de décaler dans le temps l'impulsion mécanique fournie par l'actionneur piézoélectrique 6 à l'actionneur électromagnétique 1. Le deuxième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3 permet de 30 remplir cet objectif. Il consiste à insérer une masselotte 80 entre l'actionneur électromagnétique 1 et l'actionneur piézoélectrique 6. Une lame ressort 81 est également positionnée entre la masselotte 80 et la culasse fixe 10 de l'actionneur électromagnétique 1. A l'opposé de la masselotte 80, l'actionneur piézoélectrique 6 vient en appui contre une pièce 71 solidaire de l'actionneur électromagnétique 1. Cette 35 architecture permet d'employer la masselotte 80 comme projectile permettant de propager l'énergie du choc généré par l'actionnement de l'actionneur piézoélectrique 6 (principe du boulier de Newton) sur l'actionneur électromagnétique 1 afin de conférer une impulsion d'ouverture à l'armature mobile 11 par rapport à la culasse fixe 10. Selon l'invention, d'autres types d'architecture peuvent bien entendu être employés, l'actionneur piézoélectrique pouvant prendre différentes positions pour agir par exemple directement sur le déplacement de l'armature mobile 11. Il peut par exemple être agencé pour exercer un effort de traction ou de poussée directement sur l'armature mobile 11. Selon l'invention, pour synchroniser le fonctionnement entre l'actionneur 1 o électromagnétique 1 et l'actionneur piézoélectrique 6, le dispositif d'actionnement de l'invention consiste également à employer le courant de décharge de l'actionneur électromagnétique 1 immédiatement après l'ordre d'ouverture pour alimenter l'actionneur piézoélectrique 6. Comme décrit précédemment, lorsqu'un ordre d'ouverture des contacts est envoyé, l'unité de commande 30 coupe la fourniture du 15 courant i à la bobine de commande 3. A cet instant le courant i décroît progressivement. Habituellement on se débarrasse de ce courant de décharge en employant une diode de roue libre. Le dispositif d'actionnement de l'invention comporte un circuit de commande 60 de l'actionneur piézoélectrique agencé pour récupérer le courant de décharge de l'actionneur électromagnétique 1 et le réemployer pour activer 20 l'actionneur piézoélectrique 6. Grâce à cette configuration, aucune alimentation spécifique n'est nécessaire pour l'actionneur piézoélectrique 6. Pour cela, le circuit de commande 60 de l'actionneur piézoélectrique est connecté à l'unité de commande 30 de l'actionneur électromagnétique 1 par l'intermédiaire d'un organe de commande S1, par exemple de type MOSFET, 25 commandé selon le niveau de tension présent entre les deux bornes Al, A2 de l'unité de commande 30 de l'actionneur électromagnétique 1. Plus précisément, l'organe de commande S1 du circuit de commande 60 est connecté en série avec la bobine de commande 3 et l'actionneur piézoélectrique 6 est connecté en parallèle de l'organe de commande S1. Selon l'invention, lorsque la tension VA1_A2 entre les deux bornes Al, A2 30 de l'unité de commande 30 passe à zéro, correspondant à l'ordre d'ouverture des contacts, une unité de pilotage 61 du circuit de commande 60 génère un signal de commande (sigl) destiné à bloquer l'organe de commande S1. En bloquant l'organe de commande S1, la surtension créée lors de l'ouverture de la bobine de commande 3 est employée pour commander l'actionneur piézoélectrique 6. La dynamique de 35 déclenchement d'un actionneur piézoélectrique 6 étant plus rapide que celle d'un actionneur électromagnétique 1, l'actionneur piézoélectrique 6 se trouve être activé immédiatement après l'ordre d'ouverture des contacts. L'actionneur piézoélectrique 6 provoque alors un déplacement de l'actionneur électromagnétique au complet (figures 2A et 2B) ou de la masselotte 80 (figure 3) selon le mode de réalisation employé. Dans une variante de réalisation représentée en figure 5, par rapport à la solution décrite précédemment, le circuit de commande 60 comporte en plus un condensateur Cl connecté en parallèle du premier organe de commande S1 et de l'actionneur piézoélectrique 6 et destiné à former une réserve d'énergie pour l'activation de l'actionneur piézoélectrique 6. Selon cette variante de réalisation, le 1 o circuit de commande 60 comporte également un deuxième organe de commande S2, par exemple de type MOSFET, connecté en série avec l'actionneur piézoélectrique 6 et destiné à commander la décharge du condensateur Cl. Le circuit de commande 60 comporte également une unité de pilotage 62 de ce deuxième organe de commande S2 apte à le commander à la fermeture lorsque des conditions condl, cond2 15 prédéfinies sont remplies. Ces conditions cd1, cd2 peuvent être par exemple une temporisation ou un niveau minimum d'énergie disponible dans le condensateur Cl. Comme dans la première réalisation, l'actionnement à l'ouverture du premier organe de commande S1 permet de dériver le courant de décharge. Dans cette variante de réalisation, ce courant de décharge charge le condensateur Cl. Ensuite, lorsque les 20 conditions sont remplies, l'unité de pilotage 62 génère un signal de commande (sig2) destiné à fermer le deuxième organe de commande S2 entraînant alors la décharge du condensateur Cl et ainsi l'activation de l'actionneur piézoélectrique 6. L'actionneur piézoélectrique provoque alors un déplacement de l'actionneur électromagnétique au complet (figures 2A et 2B) ou de la masselotte (figure 3). 25 En référence à la figure 7, on remarque que le dispositif d'actionnement de l'invention permet de faire en sorte que l'instant to correspondant à l'ordre d'ouverture des contacts et l'instant t, correspondant au début d'ouverture physique de l'actionneur électromagnétique 1 sont quasi-simultanés grâce à l'usage de l'actionneur piézoélectrique 6. On remarque également que le courant i décroît très rapidement 30 (quelques dizaines de µs) dès l'ordre d'ouverture des contacts, le courant étant consommé par l'actionneur piézoélectrique 6. Sur cette figure 7, on remarque que le temps total d'ouverture mesuré entre les instants to et tr est bien plus court avec la solution de l'invention. Le dispositif de l'invention peut ainsi permettre d'optimiser la synchronisation entre l'ouverture des contacts 20, 21 et le passage par zéro du 35 courant de puissance commandé par le contacteur, permettant ainsi de réduire la durée de l'arc électrique et par conséquent de préserver les contacts électriques dans le temps. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer 5 d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS1. Dispositif d'actionnement comportant : un actionneur électromagnétique (1) comprenant une culasse fixe (10), une armature mobile (11) solidaire en mouvement de l'organe mobile et une bobine de commande (3) alimentée par un courant de commande (i) pour commander en mouvement l'armature mobile (11) entre une position d'ouverture et une position de fermeture par rapport à la culasse fixe (10), une unité de commande (30) destinée à contrôler le courant de 1 o commande fourni à la bobine de commande (3), caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement comporte : un actionneur piézoélectrique (6) agencé pour déplacer l'armature mobile (1 1), un circuit de commande (60) de l'actionneur piézoélectrique (6) activé lors 15 d'un ordre d'ouverture de l'armature mobile (11) par rapport à la culasse fixe (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur piézoélectrique (6) est agencé pour agir sur l'actionneur électromagnétique (1) afin d'entraîner un déplacement de l'armature mobile (11). 20 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur piézoélectrique (6) est agencé pour agir sur l'armature mobile (11) par un effort de poussée ou de traction sur l'armature mobile (11). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur piézoélectrique (6) est agencé entre une partie solidaire de la culasse fixe (10) et 25 une masselotte (80) positionnée en appui contre la culasse fixe (10) de l'actionneur électromagnétique (1) par l'intermédiaire d'une lame ressort (81). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de commande (60) de l'actionneur piézoélectrique (6) est connecté à l'unité de commande (30) et en ce qu'il comporte un organe de commande (S1) agencé 30 pour dériver le courant de commande (i) de la bobine de commande (3) dans le circuit de commande (60) lors de l'ordre d'ouverture de l'armature mobile (11) par rapport à la culasse fixe (10). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de commande (60) de l'actionneur piézoélectrique (6) comporte un condensateur (Cl) connecté à l'organe de commande (S1) pour récupérer le courant de commande (i) lors de l'activation du circuit de commande (60). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de commande (60) comporte un deuxième organe de commande (S2) connecté au condensateur (Cl) et à l'actionneur piézoélectrique (6) et agencé pour 1 o commander la décharge du condensateur (Cl) lorsqu'au moins une condition (condl , cond2) de fonctionnement est satisfaite. 8. Appareil électrique interrupteur comportant un organe mobile portant au moins un contact mobile (21) apte à se déplacer entre deux états, un état ouvert et un état fermé, par rapport à un contact fixe (20) pour commander un circuit 15 électrique, caractérisé en ce que l'organe mobile est commandé à l'aide d'un dispositif d'actionnement conforme à celui défini dans l'une des revendications 1 à 7. 20