Brevet FR3007191A1 — publié le 20141219

Contexte technique L'invention s'inscrit dans le domaine des équipements électriques, notamment les équipements pour réseaux électriques à courant continu et tensions élevées (réseaux HVDC pour « High Voltage Direct Current»), tels que ceux que l'on trouve à bord des aéronefs comme les avions ou les hélicoptères ou aussi pour 10 réseaux électriques à courant alternatif. Elle s'intéresse plus précisément à des organes de coupure et/ou de commutation, qui ont souvent une fonction de protection d'un circuit (disjoncteurs). Ces organes peuvent être utilisés avec du courant continu ou continu modulé (MLI pour modulation de largeur d'impulsion) ou du courant alternatif. 15 Dans ce domaine, on connait des organes électromécaniques de coupure et commutation de type contacteur ou disjoncteur. Ces organes sont relativement lents, et de plus ils s'usent par érosion du fait de la formation d'arcs électriques au niveau des contacts lors de l'ouverture du circuit électrique. On connaît aussi des contacteurs et disjoncteurs statiques appelés contrôleurs de 20 puissance à l'état solide (« Solid State Power Controller» ou SSPC). Ces composants remplacent parfois les organes électromécaniques classiques, et sont basés sur une structure de matériaux semi-conducteurs. Ils sont beaucoup plus rapides que les organes électromécaniques, puisqu'ils sont en en mesure de couper ou établir le courant en quelques microsecondes, contre quelques 25 millisecondes. Qui plus est, l'absence de matériaux de contact et de formation d'arc électrique implique une usure moins rapide. Enfin, ils ont des fonctions électriques plus fines, comme le respect de courbes de déclenchement en fonction de l'évolution du courant dans le circuit à protéger ou la régulation de la tension ou du courant. Et naturellement, ils sont moins lourds, ce qui est un enjeu majeur 30 dans le domaine aéronautique, et consomment moins d'énergie, ce qui est également un avantage considérable. Même si leur résistance à l'état passant est parfois assez élevée, il existe des matériaux semi-conducteurs, tels le SiC qui ont une résistance plus faible et qui sont donc potentiellement compatibles avec les tensions présentes sur les circuits primaires. Malheureusement, les composants statiques n'ont guère de propriétés d'isolation galvanique, ce qui pose un problème dans les circuits à forte tension, et également dans les circuits à forte intensité de courant. Actuellement, ils sont donc cantonnés, dans les aéronefs, à certains circuits secondaires où la puissance consommée n'est pas trop importante. Il a été proposé d'associer des systèmes électromécaniques et des composants 10 statiques, en parallèle et en série, mais pour le moment les solutions proposées sont lourdes, encombrantes et difficiles à commander. Définition de l'invention et avantages associés Pour résoudre les difficultés évoquées ci-dessus, il est proposé un organe hybride de coupure pour circuit électrique comprenant un composant de coupure statique 15 et un composant de coupure électromécanique, caractérisé en ce que le composant statique est fixé sur un support portant des contacts électriques pour le composant statique, ledit support étant configuré pour se mouvoir, à réception d'une commande de coupure, de manière à retirer au moins un desdits contacts électriques de sa broche respective, formant ainsi ledit composant de coupure 20 électromécanique. Un tel organe est particulièrement facile à intégrer dans un circuit, et ses deux composantes, statique et électromécanique, peuvent être commandées de manière commune, centralisée. Il permet de se passer de fusible et donc de gagner en impédance, de programmer des séquences de coupure adaptées aux 25 situations à risque rencontrées, et même de gérer des reconfigurations de circuit et de réseau, pour surmonter des pannes, par exemple. Dans un mode de réalisation, le support est configuré pour se mouvoir en rotation, ce qui permet de concevoir un organe compact et peu sensibles aux conditions extérieures, notamment l'inclinaison. 30 Dans un autre mode de réalisation, le support est configuré pour se mouvoir en translation, ce qui permet de concevoir un organe pouvant couper des courants importants sans que l'usure des contacts empêche son bon fonctionnement. Dans ce mode de réalisation, il est avantageux que le mouvement du support soit amorti pour éviter les rebonds, et ainsi éviter la formation d'arcs électriques secondaires. Le système peut de plus comprendre un système d'extinction d'arc électrique, 5 éventuellement basé sur une chambre de coupure polarisée par un aimant, et éventuellement mettant en oeuvre un gaz à haute rigidité diélectrique ou une extinction dans le vide. Il est proposé que le composant statique soit configuré (ou commandé) pour couper des courants nominaux ou de faibles courants le composant de coupure 10 électromécanique étant configuré (ou commander) pour couper des courants de court-circuit ou de surcharge et assurer l'isolement galvanique. Notamment, il est proposé une séquence de coupure, pour un courant de court-circuit, au cours de laquelle le composant statique est actionné après un temps d'attente après l'ouverture électromécanique, permettant ainsi de dissiper une 15 partie de l'énergie de coupure dans un arc électrique avant de faire agir le composant statique, qui peut donc être de petite taille. La séquence permet néanmoins de couper très rapidement des courants élevés. Il est aussi proposé une séquence de coupure, pour un courant nominal ou de faible intensité, au cours de laquelle le composant statique est actionné avant 20 l'ouverture électromécanique, ce qui permet une coupure très rapide, conjuguée à une isolation galvanique effective une fois le circuit ouvert. L'invention porte aussi sur un circuit électrique en courant continu ou en courant alternatif comprenant un organe de coupure tel qu'évoqué. Dans ce cas, le mouvement du support se fait entre deux positions de contact 25 correspondant à deux configurations du circuit distinctes. L'invention porte aussi sur un réseau électrique en courant continu ou en courant alternatif pour aéronef comprenant un circuit électrique tel qu'évoqué, l'organe de coupure étant placé dans le circuit primaire du réseau, ou dans un circuit secondaire du réseau. 30 Liste des figures La figure 1 présente une architecture envisagée pour les réseaux électriques aéronautiques. 3007 1 9 1 4 La figure 2 présente un mode de réalisation d'un organe hybride de coupure selon l'invention, en position courant passant. La figure 3 présente le même organe de coupure, en cours d'actionnement. La figure 4 présente une architecture de réseau électrique aéronautique utilisant le 5 mode de réalisation présenté en figures 2 et 3. La figure 5 présente un deuxième mode de réalisation d'un organe hybride de coupure selon l'invention La figure 6 présente une architecture de réseau électrique aéronautique utilisant le mode de réalisation présenté en figure 5 et une utilisation de cet organe de 10 coupure pour reconfigurer ce réseau. La figure 7 présente une utilisation de l'organe de coupure des figures 3 et 4 pour reconfigurer le réseau des figures 4 et 6. L'invention va maintenant être décrite en relation avec les figures, qui sont présentées à des fins illustratives, et non limitatives. 15 Description détaillée En figure 1, une architecture de réseau électrique aéronautique est représentée. Elle implique un générateur 10 fournissant une tension alternative à 230 V, et un disjoncteur principal 20 protégeant l'aval du circuit, soit en premier lieu un convertisseur AC/DC 30. Celui-ci convertit la tension alternative en une tension 20 continue, par exemple à 270 V. Celle-ci est ensuite distribuée à trois circuits parallèles permettant l'alimentation de trois charges 51, 52 et 53. Ces charges sont protégées chacune par un organe de coupure de type composant statique 41, 42 et 43, ainsi que par un fusible 46, 47 et 48, placé en série avec l'organe de coupure 41, 42 et 43. Une telle architecture est basée sur un fonctionnement 25 normal au cours duquel c'est le composant statique qui protège les charges, mais prévoit que le fusible permet un isolement en cas de défaillance du composant statique afin d'isoler le défaut (la charge) du reste du réseau électrique. Une telle architecture a l'intérêt d'avoir une conception intégrée, car le fusible peut être placé sur le circuit imprimé du composant statique, mais elle implique une 30 augmentation de l'impédance de ligne du fait de la résistance du fusible, ainsi qu'un risque de déclenchement lent ou inopérant si le courant de court-circuit est proche du courant de nominal. Qui plus est, si le fusible doit entrer en action, il 3007 1 9 1 est nécessaire qu'une intervention soit ensuite menée pour remettre le circuit en fonctionnement, en remplaçant le fusible. L'invention est présentée en lien avec le réseau électrique de la figure 1, qui est à courant continu, mais elle s'applique aussi à un réseau électrique à courant 5 alternatif. En figure 2, on a représenté un organe de coupure intégré 100 comme celui évoqué en relation avec la figure 1, mais qui résout les difficultés évoquées ci-dessus. Un composant statique 101 est placé sur un support 110 plan rectangulaire disposant en ses deux extrémités des contacts électriques 111 et 112 permettant le passage d'un courant électrique au travers du composant statique 101. Ces contacts 111 et 112 sont insérables dans deux broches 121 et 122 amont et aval du circuit électrique dans lequel l'organe de coupure est à insérer. Ces broches assurent la fonction de contact électrique, mais l'insertion des contacts 111 et 112 est réversible, le composant statique et son support, qui constituent l'organe de coupure intégré 100, étant ainsi embrochables ou débrochables dans le circuit électrique. Le composant statique 101 est de manière générale un composant semi- conducteur de commutation, tel un transistor, un composant MOSFET (transistor à effet de champ à grille métal-oxyde), un IGBT (transistor bipolaire à grille isolée), et il est de préférence encapsulé pour sa protection. Un actionneur 130, par exemple un électroaimant, permet de faire tourner le support 110 autour de son point central, dans son plan, dans un sens ou dans l'autre, provoquant alors l'embrochage du composant statique ou son débrochage. L'actionneur 130 reçoit un ordre de commande en fonction du courant ou de la tension mesuré. Deux pôles électriques 141 et 142 positionnés par rapport aux broches 121 et 122 à un angle de 90° autour de l'axe de rotation permettent d'accueillir les contacts électriques 111 et 112 après une rotation de 90° du composant statique et, si ces pôles sont connectés à un circuit, d'opérer une commutation de circuit, comme cela sera discuté en relation avec la figure 8. Entre chacun des pôles 121 et 122 et les pôles 141 et 142 sont installées des chambres de coupure 151, 152, 153 et 3007 1 9 1 6 154, comprenant par exemple des ailettes de coupure, et un mélange gazeux favorisant l'extinction des arcs électriques, comme le diazote (N2). Un système mettant en oeuvre un gaz à haute rigidité diélectrique ou une extinction dans le vide peut également être utilisé. 5 Si le courant est encore en train de passer quand la partie électromécanique est actionnée, des arcs électriques sont créés, soufflés et fragmentés dans les chambres de coupure dans lesquelles les contacts 111 et 112 sont déplacés après leur débrochage des pôles 121 et 122. On préfère utiliser des chambres de coupure polarisées afin que la vitesse de 10 soufflage de l'arc électrique soit assez rapide et ait comme conséquence d'augmenter l'efficacité de la coupure du courant. La polarisation est représentée en figure 3, où l'on a figuré le champ magnétique, qui est perpendiculaire au plan du support 110 du composant statique 101, c'est-à-dire aussi perpendiculaire au plan de rotation. On a figuré précisément un 15 champ magnétique B1 dans la chambre de coupure 151 entre les pôles 121 et 142, et un champ magnétique B2 dans la chambre de coupure 153 entre les pôles 141 et 122. Les champs B1 et B2 sont à contresens l'un de l'autre. Le courant électrique arrive quant à lui par le contact 121, comme indiqué par les flèches il et i2. 20 Sur cette figure, est également représenté le mouvement du support 110 lors de l'ouverture de la partie électromécanique de l'organe de coupure. Le contact 111 se déplace du pôle 121 vers le pôle 142 et le contact 112 se déplace du pôle 122 vers le pôle 141. Des arcs électriques apparaissent entre le contact 111 et le pôle 121 et entre le contact 112 et le pôle 122. Ces arcs sont soufflés et fragmentés 25 dans les chambres de coupure 151 et 153, grâce à la polarisation de celles- ci, ainsi qu'aux ailettes métalliques de fragmentation. Les flèches 161 et 162 montrent la direction et l'orientation du soufflage des deux arcs électriques, soit vers l'extérieur du dispositif. Une telle situation dans laquelle le courant passe au moment de l'activation de la 30 partie électromécanique est intéressante à mettre en oeuvre pour des courants élevés, comme des courants de court-circuit ou des courants dont l'intensité dépasse un seuil, ou dont la dérivée est très élevée. Egalement, on applique cette stratégie si la chambre de coupure est efficace pour fragmenter l'arc électrique, ce qui dépend des caractéristiques de la chambre de coupure et de l'intensité du courant. Dans un tel cas, il est proposé d'actionner la partie électromécanique à l'aide d'une 5 commande adressée à l'actionneur 130, qui provoque les mouvements présentés en figure 3. Puis quelques instants plus tard, une commande est adressée au composant statique 101 pour qu'il coupe également le passage du courant. Physiquement, la séquence implique la création des arcs électriques présentés en figure 3, avec une tension d'arc d'autant plus élevée que la chambre de coupure 10 joue son rôle efficacement. La puissance P fournie par le générateur 10 est alors dissipée en partie voire en totalité dans les arcs électriques, et l'intensité du courant suit la loi I = P/U, U étant la tension d'arc, qui est maximisée par la chambre de coupure. On obtient un courant qui diminue donc rapidement, pour disparaître, dans l'hypothèse où le composant statique 101 n'est pas actionné, en 15 l'espace d'une milliseconde. Néanmoins, l'invention propose d'actionner le composant statique 101 au bout de par exemple 100 ou 400 ps, en fonction de la puissance électrique en jeu. Une telle séquence permet de dissiper une partie de l'énergie électrique dans l'arc électrique sans créer de forte érosion des contacts électriques 121, 111, 122 et 112. Elle permet aussi de ne dimensionner le 20 composant statique 101 que pour couper des courants d'intensité limitée, ce qui permet de conserver un dispositif compact. Enfin, le temps de coupure global est court par rapport à un organe électromécanique classique, puisqu'on peut obtenir un facteur 10 entre les temps de coupure habituellement obtenus avec des dispositifs électromécaniques classiques et les organes hybrides présentés ici et 25 utilisant la séquence évoquée. Par ailleurs, on propose, si besoin est, d'adapter la séquence à l'état thermique du composant statique. Mais le même organe de coupure intégré 100 présenté en figure 2 peut aussi être utilisé pour couper des courants nominaux ou de très faible intensité. Par contre, 30 dans ce cas, la commande du dispositif se fait selon une séquence inversée, car pour de tels courants, la chambre de coupure serait peu efficace et le temps de coupure au final long. Ainsi, la commande commence par activer le composant 3007 1 9 1 8 statique 101, puis active la partie électromécanique du système, pour assurer le sectionnement physique du circuit électrique. Le composant statique 101 permet d'obtenir un temps de coupure très court. Il n'a pas besoin d'être dimensionné de manière trop encombrante, dans la mesure où seuls des courants à couper faibles sont concernés. La figure 4 présente un circuit électrique aéronautique dans lequel le dispositif de coupure 100 est inséré. On reconnait la plupart des éléments du circuit de la figure 1, mais les couples fusibles + composant statique 41, 46 d'une part, 42, 47 d'autre part et enfin 43, 48 sont remplacés respectivement par des dispositifs de coupure hybride 100. Le fait que ceux-ci soient embrochables ou débrochables est représenté par des doubles flèches. Le premier des dispositifs de coupure hybride est représenté en position commuté, puisque les contacts sont coupés et que le support est basculé de 90°. L'organe de coupure hybride 100 présentés ci-dessus est basé sur un support 110 15 en rotation autour d'un axe. Il a l'avantage de pouvoir être conçu de manière compacte et de fonctionner de manière fiable dans de nombreuses conditions et orientations. En figure 5, il est présenté un autre exemple de réalisation de l'invention, basé cette fois-ci sur un support 510 en translation. Il s'agit d'un organe de coupure 20 hybride 500. De manière très similaire à ce qui a été présenté en relation avec la figure 2, un composant statique 501 est placé sur un support 510 plan rectangulaire disposant en ses deux extrémités des contacts électriques 511 et 512 permettant le passage d'un courant électrique au travers du composant statique 501. Ses connexions 511 25 et 512 sont mises en contact électriquement avec des connexions 521 et 522 amont et aval du circuit électrique dans lequel l'organe de coupure est à insérer. L'insertion des contacts 111 et 112 est réversible. Un actionneur 530, par exemple un électroaimant, permet de faire translater le support 510 perpendiculairement à la ligne des connexions 521 et 522, c'est à dire 30 également perpendiculairement à la ligne des contacts 511 et 512, provoquant la connexion ou déconnexion électrique du composant statique. L'actionneur reçoit un ordre de commande en fonction du courant et/ou de la tension mesuré. Des 3007 1 9 1 9 ressorts 531 et 532 permettent de rendre l'ouverture et la fermeture du système électromécanique élastique afin d'éviter les rebonds des contacts électriques, ce qui pourrait avoir l'inconvénient de créer des arcs électriques secondaires. Le dispositif est de préférence positionné de manière verticale, c'est-à-dire avec la 5 succession ressort 531, support 510, ressort 532 du haut vers le bas. Deux pôles électriques 541 et 542 positionnés par rapport aux broches 521 et 522 à une certaine distance parallèlement à l'axe de translation permettent d'accueillir les contacts électriques 511 et 512 après une translation du composant statique et de son support et, si ces pôles sont connectés à un circuit, d'opérer une 10 commutation de circuit, comme cela sera discuté en relation avec la figure 7. Entre les pôles 521 et 541 et les pôles 522 et 542 sont installées des chambres de coupure 551 et 552 comprenant par exemple des ailettes de coupure, et un mélange gazeux favorisant l'extinction des arcs électriques. Le système de soufflage des arcs électriques est similaire à celui décrit précédemment. Il implique une polarisation avec des champs magnétiques B1 et B2 dans les chambres 551 et 552, à contresens l'un de l'autre, pour souffler les arcs vers l'extérieur de l'organe de coupure 500. Les arcs sont représentés ici dans l'hypothèse d'un déplacement du support 510 des pôles 541, 542 vers les pôles 521, 522. Le sens du courant est indiqué par des flèches il, i2 et la force de soufflage par des flèches 561, 562. Ce mode de réalisation basé sur un système en translation est particulièrement intéressant pour la coupure de courants élevés, car en cas de dégradation de la surface des contacts et pôles 511, 512, 521, 522, 541 et 542, la fonction de contact sera toujours assurée et la translation toujours possible. Ainsi le système est particulièrement robuste même pour des puissances élevées. En figure 6, on a représenté un exemple de reconfiguration de circuit utilisant l'organe de coupure 500. On reconnait à nouveau la plupart des éléments du circuit de la figure 1, mais les couples fusibles + composant statique 41, 46 d'une part, 42, 47 d'autre part et enfin 43, 48 sont remplacés respectivement par des dispositifs de coupure hybride 500. La reconfiguration présentée est effectuée dans l'hypothèse d'une panne de l'organe de commande commandant l'organe de coupure protégeant la charge 51 (panne représentée par un éclair). L'organe de coupure est alors écarté, à l'aide de la fonction électromécanique de l'organe. Si la charge 51 est un système prioritaire dont on doit assumer une continuité de service, ce qui n'est pas le cas de la charge 52, on choisit alors d'utiliser l'organe de coupure protégeant la charge 52 pour alimenter et protéger la charge 51. Cela passe par une translation de l'organe de coupure de la charge 52 des pôles 521 et 522 qui sont placés pour amener le courant à la charge 52, au pôles 541 et 542 qui sont placés pour amener, en secours, le courant à la charge 51. En figure 7, on a représenté un autre exemple de reconfiguration de circuit, très similaire à celui de la figure 6, mais utilisant l'organe de coupure hybride 100, basé sur une rotation. A nouveau, la charge 51 est considérée comme prioritaire, mais son organe de coupure est en panne. On le retire en effectuant une rotation de celui-ci, puis on effectue également une rotation de l'organe de coupure alimentant la charge 52, de manière à ce que celui-ci ne soit plus en contact avec les pôles 121 et 122 placés pour l'alimentation de la charge 52, mais avec des pôles 141 et 142 placés pour alimenter en secours la charge 51. Les reconfigurations du réseau présentées en figures 6 et 7 permettent d'augmenter la fiabilité du système. Elles peuvent être mises en oeuvre sur le réseau secondaire mais également sur le réseau primaire, grâce à la capacité des 20 organes de coupure présentés de couper des courants élevés. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés. Notamment, il n'est pas absolument indispensable, pour appliquer les principes de l'invention de déplacer les deux contacts du support portant le composant de coupure statique. Ainsi, un système avec une rotation autour d'un axe placé au niveau d'un des 25 deux contacts peut également remplir les fonctions évoquées, avec trois pôles au lieu de quatre. REVENDICATIONS1. Organe hybride de coupure (100 ; 500) pour circuit électrique comprenant un composant de coupure statique (101 ; 501) et un composant de coupure électromécanique, caractérisé en ce que le composant statique (101 ; 501) est fixé sur un support (110 ; 510) portant des contacts électriques (111, 112 ; 511, 512) pour le composant statique, ledit support (110 ; 510) étant configuré pour se mouvoir, à réception d'une commande de coupure, de manière à retirer au moins un desdits contacts électriques (111, 112 ; 511, 512) de sa broche respective, formant ainsi ledit composant de coupure électromécanique. 2. Organe hybride de coupure (100) selon la revendication 1, dans lequel le support est configuré pour se mouvoir en rotation. 3. Organe hybride de coupure (500) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le support est configuré pour se mouvoir en translation. 4. Organe hybride de coupure selon la revendication 3, dans lequel le mouvement du support est amorti pour éviter les rebonds. 5. Organe hybride de coupure selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le support est configuré pour se mouvoir de manière à retirer ses deux contacts électriques de leurs broches respectives. 6. Organe hybride de coupure selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant de plus un système d'extinction d'arc électrique (151-154 ; 551-552). 7. Organe hybride de coupure selon la revendication 6, dans lequel le système d'extinction d'arc électrique comprend une chambre de coupure polarisée par un aimant. 300 7 1 91 12 8. Organe hybride de coupure selon la revendication 6 ou la revendication 7, dans lequel le système d'extinction d'arc électrique met en oeuvre un gaz à haute rigidité diélectrique ou une extinction dans le vide. 9. Organe hybride de coupure selon l'une des revendications 1 à 8, dans 5 lequel le composant statique est configuré pour couper des courants nominaux ou de faibles courants alors que le composant de coupure électromécanique est configuré pour couper des courants de court-circuit ou de surcharge et assurer l'isolement galvanique. 10. Commande d'un organe hybride de coupure selon l'une des revendications 10 1 à 9, selon une séquence de coupure, pour un courant de court-circuit, au cours de laquelle le composant statique est actionné après un temps d'attente après l'ouverture électromécanique, permettant ainsi de dissiper une partie de l'énergie de coupure dans un arc électrique. 11.Commande d'un organe hybride de coupure selon l'une des revendications 15 1 à 10, selon une séquence de coupure, pour un courant nominal ou de faible intensité, au cours de laquelle le composant statique est actionné avant l'ouverture électromécanique. 12.Circuit électrique en courant continu comprenant un organe de coupure selon la revendication 1. 20 13.Circuit électrique en courant alternatif comprenant un organe de coupure selon la revendication 1. 14.Circuit électrique selon la revendication 12 ou la revendication 13, le mouvement du support se faisant entre deux positions de contact correspondant à deux configurations du circuit distinctes. 25 15. Réseau électrique pour aéronef comprenant un circuit électrique selon l'une des revendications à 14, l'organe de coupure étant placé dans le circuit primaire du réseau, ou dans un circuit secondaire du réseau.