Brevet FR3028663A1 — 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 avec un même actionneur. 3028663 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, placée en aval de la bobine différentielle, 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 20 tension de claquage de l'élément de 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 bobine magnétique, par couplage électromagnétique, apparaît une importante tension induite aux bornes de la bobine différentielle, ce qui provoque des claquages diélectriques avec une destruction de la protection 30 différentielle. 3028663 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, ni de détérioration de composants. La fabrication d'un tel actionneur électromagnétique devra de 25 plus être simple de mise en oeuvre et peu coûteuse. Pour répondre à cet objectif, 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 ; 3028663 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 imbriquée avec lesdites bobines différentielle et magnétique, traversée par un courant dont le sens est inversé par rapport à celui de la bobine différentielle lorsqu'un courant circule entre la phase et le neutre de l'actionneur, et générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine différentielle, ladite 10 troisième bobine étant connectée en parallèle de la bobine différentielle, entre la phase Ph et le neutre N de la ligne à protéger, et pilotée par des moyens de commande. Selon l'invention, lesdits moyens de commande consistent en un composant à commande par seuil de tension, du type varistance, ajouté en 15 série en aval de la troisième bobine, entre la phase Ph et le neutre N de la ligne à protéger. Ce composant permet d'autoriser ou non la troisième bobine à être traversée par du courant en fonction d'un seuil de tension dépendant du composant en lui-même. Sans l'existence d'un tel composant, la troisième bobine serait traversée en permanence par du courant, et soit 20 finirait par brûler, soit provoquerait des déclenchements en permanence. Ainsi, lors d'une onde de tension 1,2/50s, les deux varistances (celle en aval de la bobine différentielle, et celle en aval de la troisième bobine) deviennent passantes simultanément puisque le seuil de tension est dépassé, et la bobine différentielle ainsi que la troisième bobine sont alors 25 traversées par du courant. Le courant qui circule dans la troisième bobine crée un champ magnétique qui s'oppose à celui créé par la bobine différentielle, ce qui permet d'inhiber la force magnétique exercée sur le noyau magnétique mobile de l'actionneur électromagnétique. Cela est possible par exemple si le sens de bobinage de la troisième 30 bobine est inversé par rapport au sens de bobinage de la bobine différentielle. Il existe cependant d'autres moyens, pour inverser le sens d'un 3028663 5 courant, avec les deux bobines en question bobinées dans le même sens. Dans ce cas il suffit par exemple de retourner une bobine par rapport à l'autre, en l'occurrence de retourner la troisième bobine par rapport à la bobine différentielle. En d'autres termes, l'extrémité de début de la troisième 5 bobine se retrouve au voisinage de l'extrémité de fin de la bobine différentielle. Cette configuration permet ainsi de supprimer les déclenchements intempestifs et les dégradations matérielles liés aux ondes de tension 1,2/50s, et ce jusqu'à 4000V. 10 Par ailleurs, lorsque la bobine magnétique est traversée par une onde de courant 8/20s, elle génère un champ magnétique. La troisième bobine 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 15 dans la 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. 20 Cette configuration permet d'éviter les claquages provoqués par les ondes de courant 8/20s. Puisque la tension induite sur la bobine différentielle est réduite, les composants situés en aval, c'est-à-dire la varistance aux bornes de l'élément de commande et l'élément de commande, peuvent être sélectionnés dans 25 une gamme inférieure et donc moins coûteuse. L'invention est donc en partie 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 30 configuration permet d'assurer une compacité maximale de l'actionneur. 3028663 6 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 5 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 10 figures annexées, pour lesquelles : - la figure 1 représente un schéma électrique de l'actionneur selon une première configuration de l'invention ; - la figure 2 illustre un schéma électrique de l'actionneur selon une seconde configuration de l'invention. 15 L'actionneur de l'invention tel qu'illustré aux figures 1 et 2 comporte une bobine magnétique (1) et une bobine différentielle (2) connectées en parallèle de 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. 20 Ces bobines (1, 2) entourent un noyau magnétique mobile (non 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 (7) positionné en amont de la charge. 25 Cet actionneur est piloté par un élément de commande (5), un thyristor 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 30 dernier en cas d'onde de surtension. 3028663 7 En référence à la figure 1, cet actionneur comporte de plus une troisième bobine (3) dont le sens de bobinage est inversé par rapport à celui de la bobine différentielle (2), comme cela est illustré par les deux flèches. En référence à la figure 2, cet actionneur comporte de plus une troisième 5 bobine (3) ayant un sens de bobinage identique à celui de la bobine différentielle (2), mais qui est positionnée à l'envers par rapport à la bobine différentielle (2). En d'autres termes, ces deux bobines (3, 2) sont retournées l'une par rapport à l'autre. Ainsi, l'extrémité de début (11) de la troisième bobine (3) se retrouve au voisinage de l'extrémité de fin (10) de la bobine 10 différentielle (2), et l'extrémité de fin (9) de la troisième bobine (3) se retrouve au voisinage de l'extrémité de début (8) de la bobine différentielle (2). Les trois bobines (1, 2, 3) sont séparées les unes des autres sur la figure 1 pour une raison de clarté, mais sont en réalité imbriquées les unes dans les autres de manière à générer un couplage magnétique. 15 La bobine (3), de par ce couplage magnétique, générera toujours un champ magnétique opposé au champ généré par la bobine magnétique (1), notamment lors d'une onde de courant 8/20s. 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 20 adjacents. Une varistance supplémentaire (6) est ajoutée en aval de la troisième bobine (3), afin que cette dernière ne soit pas alimentée en permanence. Lors d'une onde de tension 1,2/50s, les varistances (4, 6) deviennent simultanément passantes, et les bobines (2, 3) sont alors traversées par du 25 courant. Le courant circulant dans la troisième bobine (3) crée un champ magnétique qui s'oppose à celui créé dans la bobine différentielle (2) puisque les sens de bobinage sont inversés. Ces deux champs magnétiques opposés permettent d'inhiber la force magnétique exercée sur le noyau mobile afin que ce dernier ne se déplace pas sous l'effet d'une onde de 30 tension 1,2/50s, et qu'il n'y ait donc pas de déclenchement de l'actionneur non souhaité. 3028663 8 De manière générale, il est préférable que le champ magnétique généré par la bobine différentielle soit dans le même sens que celui généré par la bobine magnétique. Cependant, l'inverse pourrait être possible, à condition de temporiser la fonction différentielle afin de laisser le temps nécessaire à la 5 bobine magnétique pour déclencher le produit car il pourrait y avoir une interférence entre les deux bobines (magnétique et différentielle) en cas de fonctionnement simultané. Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l'invention qui englobe au contraire les 10 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) imbriquée avec lesdites bobines différentielle (2) et magnétique (1), traversée par un courant dont le sens est inversé par rapport à celui de la bobine différentielle (2) lorsqu'un courant circule entre la phase Ph et le neutre N de l'actionneur, et générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine différentielle (2), ladite troisième bobine (3) étant connectée en parallèle de la bobine différentielle (2), entre la phase Ph et le neutre N de la ligne à protéger, et pilotée par des moyens de commande. 2. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande consistent en un composant à commande par seuil de tension (7), du type varistance, ajouté en série en aval de la troisième bobine (3), entre la phase Ph et le neutre N de la ligne à protéger. 3. Actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sens de bobinage de la troisième bobine (3) est inversé par rapport à celui de la bobine différentielle (2). 3028663 10 4. Actionneur électromagnétique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le sens de bobinage de la troisième bobine (3) est identique à celui de la bobine différentielle (2), et en ce que la troisième bobine (3) est retournée par rapport à la bobine 5 différentielle (2). 5. Actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trois bobines (1, 2, 3) sont coaxiales. 6. Appareil électrique de protection de ligne comprenant un actionneur 10 électromagnétique tel que décrit dans les revendications précédentes.