Brevet FR3028662A1 — publié le 20160520

Actionneur électromagnétique à bobines multiples DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique dont l'immunité aux chocs électriques a été renforcée. Elle concerne en particulier les actionneurs électromécaniques qui sont utilisés en association avec des serrures de déclenchement d'appareils électriques de protection de lignes, par exemple des appareils différentiels et/ou de disjonction dépendants de la tension secteur. Ces appareils doivent déclencher dans des conditions bien particulières, typiquement lorsqu'il se produit un déséquilibre entre la somme des courants entrants et la somme des courants sortants de la ligne protégée par l'appareil en question, ce qui correspond à une protection « différentielle » suite à un défaut différentiel, ou lorsque l'intensité du courant est anormalement élevée, ce qui correspond à une protection « magnétique » suite à un défaut de court-circuit. Un actionneur comporte classiquement des bobines entourant un noyau magnétique mobile susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines. Plus précisément, il comporte : - une bobine dite « différentielle » générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ; - une bobine dite « magnétique » générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger. Il s'agit en réalité d'un actionneur à enroulement multiple, qui consiste en une solution compacte permettant d'assurer différents types de protections 30 avec un même actionneur. 3028662 2 ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION Le problème que se propose de résoudre cette invention est le suivant : les circuits protégés par des appareils électriques tels que ceux mentionnés auparavant subissent des tests et sont soumis à des essais de compatibilité 5 électromagnétique (CEM), afin de vérifier s'ils sont suffisamment immunisés contre les perturbations provenant des autres équipements, ou plus généralement de l'environnement. Ces essais sont normés, et consistent à envoyer plusieurs ondes de courant 8/20s, puis une onde de tension 1,2/50s dans l'appareil électrique. 10 Ce dernier ne doit pas déclencher dans ces conditions. Cela signifie qu'en appliquant de telles ondes, il ne doit pas survenir de claquage diélectrique, ni de détérioration de composant à l'intérieur de l'appareil. Il est d'usage qu'un tel actionneur soit piloté par un élément de commande, par exemple un thyristor, lui-même activé lorsque le circuit de 15 détection de l'appareil détecte un défaut. Une varistance protège l'élément de commande en cas d'onde de surtension comme une onde de tension 1,2/50s. Cette varistance devient passante au-delà d'un seuil de tension défini et permet ainsi de limiter la tension aux bornes de l'élément de commande à une valeur inférieure à la tension de claquage de l'élément de 20 commande. Lorsqu'une onde de tension 1,2/50s circule dans la bobine différentielle, elle peut provoquer un déclenchement intempestif de l'appareil sous 2kV, alors que la norme exige que l'actionneur soit capable de supporter des chocs sans déclenchement en dessous de 2kV. 25 Lorsqu'une onde de courant 8/20s circule dans la bobine magnétique, et si les spires de la bobine différentielle sont imbriquées dans les spires de la seconde bobine magnétique, par couplage électromagnétique, apparaît une importante tension induite aux bornes de la première bobine différentielle, ce qui provoque des claquages diélectriques avec une destruction de la protection différentielle. 3028662 3 Pour pallier à ces deux problèmes, une solution actuelle consiste à placer une varistance additionnelle aux bornes de la bobine différentielle. Cette solution permet d'éviter les claquages en onde de courant 8/20s, mais a pour inconvénient d'augmenter la tension (de l'ordre de 1000V) aux 5 bornes de l'élément de commande lors d'une onde de tension 1,2/50s à cause du très fort courant (de l'ordre de 1000A) drainé par les deux varistances en série. L'élément de commande, pour ne pas se dégrader prématurément, doit donc être capable de supporter une telle tension. Il consistera donc, par exemple, en un thyristor 1200V ou un IGBT, c'est-à-dire 10 un composant relativement cher. Il est possible d'ajouter une résistance en amont de la bobine différentielle afin de limiter le courant qui traverse les varistances, mais cela remet en cause la compacité de l'actionneur, et l'élément de commande sera tout de même choisi parmi des composants chers pour supporter à la fois les 15 ondes de tension 1,2/50s et les ondes de courant 8/20s. La solution employée actuellement s'avère donc relativement coûteuse. RÉSUMÉ DE L'INVENTION L'objectif poursuivi, dans le cadre de la présente invention, réside donc à 20 développer un actionneur électromagnétique capable de supporter des chocs provoqués par des surtensions brèves non provoquées par un dysfonctionnement du circuit proprement dit, sans induire de déclenchement de l'appareil dans lequel l'actionneur est intégré. La fabrication d'un tel actionneur électromagnétique devra de plus être simple de mise en oeuvre et 25 peu coûteuse. L'actionneur électromagnétique selon l'invention comporte, de façon classique : une bobine différentielle générant un champ magnétique en réponse 30 à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ; 3028662 4 - une bobine magnétique, imbriquée avec la bobine différentielle, et générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger. Cet actionneur se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte 5 également une troisième bobine enroulée en court-circuit et imbriquée avec lesdites bobines différentielle et magnétique, générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine magnétique. L'idée principale de cette invention consiste à prévoir une bobine supplémentaire court-circuitée au lieu d'une varistance supplémentaire 10 comme cela était le cas dans l'art antérieur. Cette solution est autant avantageuse d'un point de vue économique, puisqu'une bobine est moins coûteuse qu'une varistance, que d'un point de vue compacité, car la bobine supplémentaire est imbriquée dans le volume défini par les bobines déjà existantes et ne prend donc pas de place supplémentaire. 15 Lorsque la bobine magnétique est traversée par une onde de courant 8/20s, elle génère un champ magnétique. La bobine court-circuitée capte ce champ magnétique de par son positionnement au voisinage de la bobine magnétique, et créé naturellement, par couplage magnétique, un courant induit qui la traverse dans le sens opposé au courant qui circule dans la 20 bobine magnétique. Ce courant induit créée alors un champ magnétique qui s'oppose à celui créé par la bobine magnétique. Le champ magnétique résultant est nettement inférieur à celui initialement créé par la bobine magnétique, ce qui permet de réduire la tension induite sur la bobine différentielle. 25 Cette configuration permet d'éviter les claquages provoqués par les ondes de courant 8/20s, sans influencer sur le bon fonctionnement de l'actionneur lors d'une onde de tension 1,2/50s. De plus, puisque la tension induite sur la bobine différentielle est réduite, les composants situés en aval, c'est-à-dire la varistance aux bornes de 30 l'élément de commande et l'élément de commande, peuvent être sélectionnés dans une gamme inférieure et donc moins coûteuse. 3028662 5 L'invention est axée sur le fait que les trois bobines sont localisées dans un même espace défini afin d'avoir un couplage magnétique entre elles. Les trois bobines peuvent même être coaxiales afin de simplifier leur bobinage et leur positionnement au sein de l'actionneur. Cette configuration permet 5 d'assurer une compacité maximale de l'actionneur. Selon une possibilité, la troisième bobine court-circuitée et la bobine différentielle ont un point en commun pour le bobinage, par exemple au niveau d'une broche d'une chemise cylindrique autour de laquelle sont enroulées simultanément les spires des deux bobines lors de l'étape de 10 bobinage pendant la fabrication de l'actionneur. Ce point commun permet ainsi de faciliter le bobinage simultané des deux bobines et l'intégration de la bobine court-circuitée au sein de l'actionneur. De manière générale, la bobine court-circuitée est dimensionnée de sorte à ce qu'elle n'interfère pas sur le fonctionnement normal des bobines 15 magnétique et différentielles. L'invention protège également un appareil électrique de protection de ligne comprenant un actionneur électromagnétique tel que décrit ci-dessus. La présente invention va être mieux comprise à partir de la description 20 détaillée ci-après et des dessins annexés qui sont fournis à titre d'illustration uniquement, sans limiter la présente invention. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux 25 figures annexées, pour lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique de l'actionneur selon l'invention ; - la figure 2 consiste en un graphique montrant l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur lors d'une onde de courant 8/20s. 30 L'actionneur de l'invention tel qu'illustré en figure 1 comporte une bobine magnétique (1) et une bobine différentielle (2) connectées en parallèle dans 3028662 6 la ligne protégée, c'est-à-dire typiquement entre phase Ph et neutre N. Cet actionneur est placé classiquement en amont d'une charge présente sur la ligne à protéger. Ces bobines (1, 2) entourent un noyau magnétique mobile (non 5 représenté) susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines (1, 2), de manière à fermer ou ouvrir les contacts (8) positionnés en amont de la charge. Cet actionneur est piloté par un élément de commande (5), un thyristor 10 en l'occurrence, lui-même activé lorsque le circuit de détection (non représenté) de l'appareil détecte un défaut. Ce thyristor (5) est placé en aval de la bobine différentielle (2) entre la phase Ph et le neutre N. Une varistance (4), connectée en parallèle du thyristor (5), protège ce dernier en cas d'onde de surtension. 15 Cet actionneur comporte de plus une bobine court-circuitée (3) sur elle- même. Les trois bobines (1, 2, 3) sont séparées les unes des autres sur la figure 1, mais sont en réalité imbriquées les unes dans les autres de manière à générer un couplage magnétique. La bobine (3), de par sa formation en court-circuit, générera toujours un 20 champ magnétique opposé au champ généré par la bobine magnétique (1) lors d'une onde de courant 8/20s, et ce peu importe le sens de bobinage. Par conséquent, la tension aux bornes de la bobine différentielle (2) est réduite, ce qui permet d'éviter les claquages diélectriques et la détérioration de la varistance et du thyristor adjacents. 25 La bobine court-circuitée (3) et la bobine différentielle (2) peuvent être reliées au niveau d'un point commun (7), qui se trouve alors au potentiel phase. La liaison est représentée en pointillé sur la figure 1. Elle sert de point d'ancrage pour le bobinage simultané des deux bobines (2, 3). La figure 2 permet d'illustrer la réduction de la tension induite sur la 30 bobine différentielle lors d'une onde de courant 8/20s de 3000A. Dans cet 3028662 7 exemple, la bobine magnétique comporte 7 spires, et la bobine différentielle comporte 1000 spires. La courbe (10) montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur de l'art antérieur tel que décrit précédemment, sans varistance 5 additionnelle. La tension induite présente un pic qui grimpe au-delà de 12000V. La courbe (11) montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur selon l'invention, avec une troisième bobine ayant 100 spires mises en court-circuit et imbriquées dans les deux autres bobines. Par 10 rapport à la courbe (10), la tension induite est divisée par 3, et monte à 4000V au maximum. La courbe (12) enfin montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur selon l'invention, avec une troisième bobine ayant 200 spires mises en court-circuit et imbriquées dans les deux autres bobines. 15 L'augmentation du nombre de spires en court-circuit permet encore de diminuer la tension induite, et cette dernière s'élève à moins de 3000V. Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l'invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS1. Actionneur électromagnétique de protection de ligne, comprenant plusieurs bobines entourant un noyau magnétique mobile susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines, et comportant : - une bobine différentielle (2) générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ; - une bobine magnétique (1), imbriquée avec la bobine différentielle (2), et générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger ; caractérisé en ce qu'il comporte également une troisième bobine (3) enroulée en court-circuit et imbriquée avec lesdites bobines différentielle (2) et magnétique (1), générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine magnétique (1). 2. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les trois bobines (1, 2, 3) sont coaxiales. 3. Actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la troisième bobine (3) court-circuitée et la bobine différentielle (2) ont un point en commun (7) pour le bobinage. 4. Appareil électrique de protection de ligne comprenant un actionneur électromagnétique tel que décrit dans les revendications précédentes.