Brevet FR2989129A1 — publié le 20131011

Les appareils de coupure du courant électrique, tels que les disjoncteurs, dont la conception nécessite un dispositif puissant et rapide pour déplacer les contacts et également, très souvent, pour créer une pression de soufflage de l'arc électrique lorsqu'un gaz est utilisé comme moyen d'extinction de l'arc électrique, utilisent un organe de manoeuvre, fournisseur d'énergie mécanique, appelé « commande ». Les organes de commande connus à ce jour délivrent de l'énergie mécanique, soit à partir d'un fluide sous pression, liquide ou gazeux, soit à partir de ressorts, dont on libère l'énergie en déverrouillant des accrochages. Les commandes à fluide sous pression sont onéreuses quand de fortes puissances sont requises. Les commandes à 10- ressorts, elles, ne délivrent que de faibles puissances. Les industriels de l'appareillage électrique ont donc préféré développer des chambres de coupure ne nécessitant qu'une énergie réduite en utilisant le SF6 comme gaz d'extinction et en procédant-à une sophistication des chambres de coupure, qui sont alors elles-mêmes devenues très onéreuses. Dans le but, premièrement, de s'affranchir du SF6 qui est 15 un gaz très nocif pour l'environnement (effet de serre) et, deuxièmement, de diminuer le coût des disjoncteurs, la présente invention concerne une commande délivrant une grande énergie mécanique pour un coût réduit, permettant alors de l'associer à des chambres de coupure de conception plus simples, pouvant utiliser des gaz non nocifs tels que l'air comprimé sec. La commande selon l'invention 20 comprend une source d'énergie qui est un volant d'inertie. Ce volant peut communiquer, via, éventuellement, un dispositif réducteur de vitesse, son mouvement à deux disques par l'intermédiaire d'un système d'engrenages différentiel. Le premier disque, appelé disque pilote, est solidaire du premier planétaire. Le deuxième disque, appelé disque moteur, est solidaire du second 25 planétaire. Si wo est la vitesse angulaire du volant d'inertie, coi celle du disque pilote et (02 celle du disque moteur, on a la relation suivante : a coi + b W2 = 2(0 o a et b pouvant être des coefficients fractionnaires. Lorsque le disjoncteur est au repos, en position enclenchée, le disque moteur est à l'arrêt et w2 = 0, le disque pilote tournant à vide, d'où, d'après la relation ci- dessus, co2 = 2coo / a . Lorsqu'un 30 ordre de déclenchement est envoyé au disjoncteur, un système ultra-rapide bloque le disque pilote et coi prend la valeur zéro ; il en résulté que co2 prend la valeur 2coo / b; le disque moteur se met donc à tourner, recevant-l'énergie cinétique du -2- volant d'inertie. Il est relié par un embiellage à la tige porte- contacts du disjoncteur et lui communique un mouvement d'ouverture. Le système de blocage du disque pilote peut être un frein à disque ou une cale autobloquante, sans que ces systèmes soient limitatifs. Lorsque le mouvement d'ouverture est proche de son terminus, la tige porte-contacts franchit un accrochage empêchant son retour en arrière sous 'l'effet du ressort, dit d'enclenchement. Continuant encore sa course, le disque moteur, muni d'un ergot approprié, libère le dispositif de blocage du disque pilote qui reprend sa vitesse de rotation. Le disque moteur, n'étant plus alimenté en énergie, s'arrête, étant bloqué par une butée de fin de course. Le volant d'inertie, source d'énergie est solidaire d'un moteur, généralement électrique, qui lui redonne l'énergie perdue pendant la manoeuvre. Pour enclencher le disjoncteur, on libère l'accrochage qui maintenait la tige porte-contacts Gt celle-ci repart vers la position enclenchée, replaçant le disque moteur dans la position de départ, par l'intermédiaire de la bielle qui la relie à ce disque. La Figure 1 de la planche unique, est une vue en coupe transversale, contenant l'axe de rotation du système d'engrenages différentiel, montrant les disques pilote et moteur. Cette disposition n'est pas limitative car d'autres dispositions sont possibles, comme les « ponts arrières » d'automobiles par exemples. La figure 2 est une vue en coupe perpendiculairement à l'axe, le disque pilote étant 20 sur l'arrière et le disque moteur n'étant pas représenté, étant sur l'avant. La Figure 3 est une représentation du disque moteur avec l'embiellage entraînant la tige porte-contacts. En référence à La Figure 1, le volant d'inertie (1), dont l'axe est solidaire, par l'intermédiaire éventuellement d'un engrenage réducteur de vitesse (2), du porte- 25 satellites (3), est mis en vitesse par le moteur (4). Les satellites (5) entraînent un pignon planétaire (6) à denture intérieure. Le second pignon planétaire (7) est, lui, à denture extérieure et est solidaire du disque pilote (8) qu'un frein à disque (9), mu par un électroaimant (10) peut bloquer. D'autres types possibles de systèmes de blocage ne sont pas représentés. Le planétaire(6)est solidaire du disque moteur (11). 30 En référence à la Figure 2, un électroaimant (12) attire un coin triangulaire (13), qui vient se coincer entre le disque pilote (8) et le bâti fixe(14). Ce dispositif est autobloquant puisque s'engageant dans le sens de rotation du disque pilote (8).Un -3- ressort de rappel (15) remet le coin (13) en sa position initiale, après avoir été débloqué par un moyen adéquat. Là aussi, le système de blocage est non limitatif. En référence à la Figure 3, la tige porte-contacts (16) est représentée en position enclenchée ; le point d'attache (17) de la bielle (18) reliant le disque moteur (11) à la tige porte-contacts (16), étant en position A . Quand, dans la rotation le point d'attache (17), arrive en B , la tige porte-contacts (16) a atteint le point de séparation d'avec les contacts fixes dans la chambre de coupure. Ensuite, quand, continuant sa rotation, le point (17) arrive en position C , l'extinction de l'arc électrique est acquise dans la chambre de coupure, mais le mouvement se poursuit 10- pour créer une distance d'isolement. En D , la tige porte-contacts (16) franchit un accrochage (20), l'empêchant de repartir ultérieurement en arrière, sous la pression du ressort d'enclenchement (19) , fournissant, par exemple, un effort de 2000 N. En E un.ergot (21) débloque le coin (13) (ou le frein à disque si ce système est retenu). L'ergot(21) fait également basculer un bloc multi-contacts appelés 15 «contacts signaux », provoquant, entre autre, la coupure de l'alimentation électrique de l'électroaimant (12) qui active le blocage du disque pilote (8) et l'envoi de signaux de position. A partir de cet instant, le disque moteur (11), ne reçoit plus d'énergie en provenance du volant d'inertie (1) ; il continue sa rotation par inertie, mais est stoppé par une butée (22). Il est à noter que le besoin en énergie est 20 maximum entre les positions B et C correspondant à la séquence de soufflage de l'arc électrique dans la chambre de coupure qui provoque un freinage sévère de la tige porte-contacts (16). L'exemple numérique ci-après n'est absolument pas limitatif, mais uniquement démonstratif : En supposant une masse de 10 Kg pour la tige porte-contacts (16) et l'équivalant en inertie du disque moteur (11), avec une 25 course de 50 mm jusqu'à la séparation des contacts et ce, en un temps de 0,01 seconde, soit une accélération de 1000 m/s/s, l'effort à fournir pour déplacer la tige porte-contacts (16) est de 10 000 N. S'ajoute à cela l'effort de 2000 N du ressort d'enclenchement (19), soit un total de 12 000 N. A la sortie des contacts la vitesse de la tige porte-contacts (16) est donc de 10 m/s. Le point B se trouvant sur le 30 disque moteur(11) sous un angle de 45°, par rapport à la verticale donnée par la tige porte-contacts (16), sur la figure 3 , sans que cette valeur soit limitative, la vitesse tangentielle en B est en conséquence de 10x.Nr2= 14 m/s et l'effort tangentiel de -4- 12 000/-\/2 = 8500 N environ. En prenant un diamètre de 0,45 m, valeur aussi non limitative, pour le disque moteur (11), avec 14mJs de vitesse tangentielle, la vitesse angulaire Cil 2 est alors de 63 radians par seconde, soit 600 tours/minute environ. En donnant, par construction, un diamètre de la denture intérieure du planétaire (6) égal à celui du disque moteur (11) et un diamètre du disque pilote (8 ) cinq fois supérieur à celui de son planétaire (7), au démarrage, l'effort tangentiel de blocage - du disque pilote (8) est cinq fois inférieur à l'effort tangentiel exercé par la bielle (18) sur le disque moteur(11) car les satellites (5), libres en rotation, équilibrent les efforts tangentiels suries planétaires (6) et (7) indépendamment de leur diamètre. A 10 l'effort tangentiel exercé par le coin(13), il faut ajouter l'effort à fournir pour absorber l'énergie cinétique du disque pilote (8), d'environ 2000 J. La course de freinage, pendant 0,01 seconde étant d'environ 0,3 m sur la périphérie du disque pilote (8), l'effort tangentiel correspondant est donc de 2000/0,3 =6600 N environ. Le coin (ou le frein à disque) doit donc être capable de créer un effort de 8500/5 + 15 6600 = 8300 N que doit pouvoir supporter aussi le disque pilote (8). Entre les positions B et C se produit la séquence de coupure dans la chambre de coupure, induisant dans la tige porte-contacts un effort pouvant aller jusqu'à 100 000 N ; l'effort de retenu du disque pilote peut donc s'élever jusqu'à 100 000/5 = 20 000 N. L'énergie fournie par le disque moteur (11) est la somme de l'énergie cinétique de 20 l'ensemble disque moteur (11), tige porte-contacts (16) et bielle (18), du travail de l'effort de compression du ressort d'enclenchement et de l'énergie de coupure, soit, au total, de 15 à 20 000 joules. Cette énergie est prélevée sur l'énergie cinétique du volant d'inertie (1). Pour enclencher le système, on libère l'accrochage (20) du ressort (19); La tige porte-contacts repart vers sa position initiale, remettant alors, 25 par l'intermédiaire de la bielle (18), le disque moteur (11) dans sa position initiale également. Il arrive que le cahier des charges des disjoncteurs demande la séquence suivante : Ouverture - 0,3 seconde - Fermeture-Ouverture immédiate - 3 secondes - Fermeture-Ouverture immédiate - 30 secondes - Fermeture-Ouverture immédiate - 3 minutes - Fermeture-Ouverture immédiate. Cela 30 correspond à des tentatives pour restaurer la tension du réseau en comptant sur une extinction naturelle du défaut sur la ligne. Pendant les 3 dernières minutes le moteur (4) a le temps de fournir 20 000 Joules au volant d'inertie (1) ; il suffit qu'il ait -5- pour ce faire une puissançe de 125 watts. Mais les 4 premiers cycles doivent être prélevés sur l'énergie cinétique du volant d'inertie (1), qui doit donc fournir 20 000 x 4 = 80 000 J sans ralentir de plus de 10% (on admet que la coupure de l'arc électrique peut encore se faire correctement avec une vitesse de sortie des contacts de 9 m/s). Il en ressort que l'énergie initiale du volant d'inertie (1) doit être de 400 000 J, l'énergie étant proportionnelle au carré de la vitesse de rotation (400 000 x (1- 0,92) = 80 000). La masse M d'un volant étant donnée par W= 1/2 M w2 r2 (W=énergie, r = rayon du volant d'inertie). Dans le cas présent 400 000 = 1/2 M x 6,4 x 104 (onsait que -0)2 r2 est égal au rapport de la contrainte admissible dans le matériau de la périphérie d'un volant par la masse spécifique de ce matériau qui est, dans l'exemple présent, de l'acier, où ce rapport peut être pris égal à 6,4 x 104), d'où M = 12,5 Kg. En choisissant un rayon i= 0,3m pour le volant d'inertie (11), on obtient w = 649 radians par secondes soit environ 6200 tours par minute. Le moteur électrique (4) peut être du type sans balais ( brushless), nécessitant donc une alimentation à fréquence variable ou bien du type classique à courant continu. Dans ce dernier cas on peut envisager des balais rétractables ou un embrayage quand aucune puissance n'est demandée au moteur qui n'est appelé à fonctionner que quelques minutes par jour. Pour enclencher le système, il est également possible d'utiliser, au lieu d'un ressort, le système tel qu'il vient être décrit. Sauf dans les cas où une grande énergie d'enclenchement est requise, cette disposition est onéreuse. La commande selon l'invention peut entraîner tous types de disjoncteurs, à isolation extérieure, à enveloppe métallique ou autres. La commande selon l'invention peut également transmettre son effort à l'aide d'une crémaillère au lieu de la bielle (18), le disque moteur (11) étant alors pourvu d'une denture. Elle peut également recevoir des applications pour tous types de machines requérant une forte puissance en un temps très bref, telles que presses, cisailles poinçonneuse ou autres. REVENDICATIONS1)système mécanique pouvant délivrer en un temps très bref une grande énergie prélevée sur l'énergie cinétique d'un volant d'inertie, comprenant : - Un porte satellites (3) solidaire d'un volant d'inertie (1) par l'intermédiaire d'un train d'engrenages réducteur de vitesse(2). - Un ensemble différentiel d'engrenages avec satellites (5), planétaires (6) et (7). - Un disque pilote (8) solidaire du planétaire (7). - Un disque moteur (11) solidaire du planétaire (6). - Un dispositif de blocage du disque pilote (8) commandé par un électroaimant. - Un moyen de transmission de l'effort fourni par le disque moteur (11) à un organe récepteur d'énergie. Caractérisé par le fait que lorsque le disque pilote (8) est stoppé par un dispositif de blocage qui coopère avec lui, le disque moteur(11) se met à tourner, féurnissant à un organe récepteur l'énergie désirée prélevée sur l'énergie cinétique du volant d'inertie(1). 2) Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le moyen de transmission entre le disque moteur (11) et l'organe récepteur est une bielle (18). 3) Système selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'organe récepteur d'énergie est la tige porte-contacts (16) d'un disjoncteur électrique. 4) Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le moyen de 20 transmission de l'énergie est une crémaillère coopérant avec une denture implantée sur le disque moteur (11). 5) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ressort d'enclenchement (19), caractérisé par le fait qu'au cours de sa rotation le disque moteur (11), par l'intermédiaire du moyen de transmission d'énergie, 25 comprime ce ressort (19) jusqu'à ce qu'un accrochage (20) soit atteint. 6) Système selon la revendication 5, où, lorsque cet accrochage (20) libère le ressort (19), le point d'attache (17) de la bielle (18) repart en arrière, franchissant les points D,C,B et A, caractérisé par le fait que tout le système revient alors à l'état initial. 30 7) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un ergot (21) solidaire du disque moteur (11), caractérisé par le fait qu'en fin de la-7- rotation de travail du disque moteur (11) cet ergot (21) déverrouille le dispositif de blocage immobilisant le disque pilote (8) et coupe l'alimentation électrique de l'électroaimant qui l'actionnait en provoquant également le basculement d'un bloc multi-contacts dits « contacts signaux » envoyant des informations de position. 8) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'une butée (22) arrête la rotation du disque moteur (11) en fin de cycle. 9) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, délivrant de fortes puissances pendant un temps très bref, caractérisé par le fait qu'il peut actionner, de ce fait, divers types de machines, telles que presse, cisailles ou poinçonneuses, requérant de telles impulsions d'énergie.