Brevet FR3053850A1 — publié le 20180112

DISPOSITIF DE PROTECTION D'UNE CHARGE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des dispositifs disjoncteurs notamment pour les réseaux électriques continus et les systèmes ou équipements électriques en général. Ces dispositifs disjoncteurs que l'on insère dans un circuit électrique à protéger permettent de couper le courant circulant dans le circuit en cas de conditions anormales de fonctionnement, par exemple en cas de court-circuit apparaissant dans le circuit électrique. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Les dispositifs disjoncteurs sont largement utilisés dans diverses applications industrielles, aéronautiques, automobiles ou de distribution d'énergie. Ils permettent d'ouvrir en pleine charge un bus ou une ligne de courant longue distance, qui a donc un comportement inductif, afin d'isoler une source d'énergie d'un réseau ou d'une charge. On connaît différents types de dispositif disjoncteurs utilisés dans un circuit électrique, et notamment : - les disjoncteurs thermiques, - les disjoncteurs mécaniques, et - les disjoncteurs hybrides. Les disjoncteurs thermiques sont généralement composés de deux lames de métaux qui ont pour propriété de se dilater différemment en chauffant. Le passage du courant, s'il est supérieur à une valeur de consigne, provoque l'échauffement et donc la dilatation des lames. En se dilatant, les lames se déforment en torsion jusqu'à venir en appui avec un contact mécanique pour ouvrir le disjoncteur thermique. Ce type de 3053 850 2 disjoncteur thermique permet de couper un circuit électrique après un certain temps t1, de l'ordre de la dizaine de secondes. Les disjoncteurs mécaniques sont généralement composés de deux pièces 5 conductrices qui sont en contact mécanique lorsque le disjoncteur mécanique est fermé (fonctionnement normal) et qui se séparent mécaniquement lorsque le disjoncteur mécanique est ouvert (fonctionnement anormal en cas de surintensité). Ce type de disjoncteur mécanique permet de couper un circuit électrique après un temps t2 de l'ordre de la centaine de millisecondes. 10 Les disjoncteurs hybrides sont quant à eux généralement composés à la fois d'une partie électronique à base de semi-conducteurs et d'une partie mécanique. L'article "Micro-Arcing and Arc Erosion Minimization Using a DC Hybrid Switching Device"de J. Swingler et J. McBride, publié dans le journal IEEE Transactions on Components 15 and Packaging Technologies, vol. 31, n°2, publié le 2 juin 2008, décrit un disjoncteur hybride comportant une série de trois disjoncteurs mécaniques et un transistor à effet de champ de type MOSFET. Ce type de disjoncteur hybride permet de couper un circuit électrique après un temps t3 de l'ordre de la milliseconde. 20 Les disjoncteurs thermiques, mécaniques et hybrides présentent néanmoins des inconvénients notamment lorsqu'ils sont traversés par des courants importants. En effet, il est connu qu'à forte puissance, l'ouverture d'une ligne de courant continu génère de forts arcs électriques à cause de l'énergie stockée dans le réseau 25 électrique. Cet arc électrique dégrade d'une part par érosion les pièces conductrices faisant contact et d'autre part le milieu environnant le disjoncteur par ionisation. Ainsi le courant met un certain temps à s'interrompre à cause de cette ionisation. La figure 1 est un graphique illustrant des courbes d'intensité dans un circuit électrique 30 en fonction du temps suite à l'ouverture de disjoncteurs thermiques, mécaniques et hybrides. Comme on peut le constater sur cette figure, l'intensité électrique 11, 12, 13 peut atteindre : - 100 kA (11) suite à la fermeture d'un disjoncteur thermique, - 10 kA (12) suite à la fermeture d'un disjoncteur mécanique, - 1kA (13) suite à la fermeture d'un disjoncteur hybride. 3053850 3 Ces surintensités peuvent dégrader le circuit électrique, ce qui nécessite des opérations de maintenance contraignantes et coûteuses. Un autre inconvénient de ces surtensions est qu'elles peuvent dégrader le disjoncteur lui-même, ce qui 5 nécessite d'utiliser des disjoncteurs thermique, mécanique ou hybride complexes onéreux et volumineux pour garantir leur robustesse. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de protection d'une charge permettant de pallier au moins l'un des inconvénients précités. 10 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose un dispositif de protection d'une charge électrique incluant 15 - une borne d'entrée destinée à être raccordée électriquement à une source d'alimentation en énergie électrique par l'intermédiaire d'un disjoncteur thermique et/ou mécanique et/ou hybride monté en série avec ledit dispositif de protection, - une borne de sortie destinée à être raccordée électriquement à la charge 20 électrique, remarquable en ce que le dispositif de protection comprend une unité de pilotage pour : - limiter une chute de tension aux bornes dispositif de protection lorsque le disjoncteur est dans un état fermé, 25 - limiter un courant aux bornes de la charge pendant une phase de transition entre l'état fermé du disjoncteur et un état ouvert du disjoncteur. Des aspects préférés mais non limitatifs du système selon l'invention sont les suivants : 30 - le dispositif de protection peut comprendre : une première branche de conduction entre la borne d'entrée et la borne de sortie, une deuxième branche de limitation de courant montée en parallèle de la branche de conduction, 3053850 4 l'unité de pilotage étant adaptée pour commander l'activation des première et deuxième branches afin d'induire le passage du courant à travers : ola deuxième branche de limitation de courant si une anomalie de fonctionnement est détectée, 5 ola première branche de conduction sinon ; - la première branche de conduction peut comprendre un interrupteur statique commandé par l'unité pilotage ; - l'unité de pilotage peut être adaptée pour : ocomparer une tension mesurée aux bornes de la première branche de 10 conduction à une valeur seuil, ocommander l'ouverture de l'interrupteur statique si la tension mesurée est inférieure à la valeur seuil ; - la deuxième branche de limitation de courant peut comprendre un limiteur de courant constitué de composants semi-conducteurs ; 15 - le limiteur de courant peut comprendre un composant unitaire en silicium ou en carbure de silicium ; - le limiteur de courant peut comprendre une cellule source de courant et un élément résistif de dissipation thermique monté en série avec la cellule source de courant ; 20 - la cellule source de courant peut comprendre : oau moins un transistor de type JFET, et/ou oau moins un transistor de type MOSFET, et/ou oau moins un transistor bipolaire à grille isolée ; - la deuxième branche de limitation de courant peut être adaptée pour limiter le 25 courant circulant dans la charge à un courant de limitation supérieur ou égale à « n » fois un courant nominal de fonctionnement de ladite charge, « n » étant compris entre 1 et 20, préférentiellement entre 1 et 10 ; - l'unité de pilotage peut être adaptée pour : omesurer un temps de limitation pendant lequel l'unité de pilotage a 30 commandé le passage du courant à travers la deuxième branche de limitation de courant, ocomparer le temps de limitation mesuré à une durée seuil, ocommander la désactivation de la deuxième branche de limitation de courant lorsque le temps de limitation est supérieur à la durée seuil. 3053850 5 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques du système selon l'invention ressortiront mieux 5 de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est un graphique illustrant des courbes d'intensité en fonction du temps, - La figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif de protection de charge, 10 - La figure 3 est un schéma électronique d'un circuit électrique dans lequel le dispositif de protection de charge est utilisé, - La figure 4 est un autre graphique illustrant des courbes d'intensité en fonction du temps. 15 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On va maintenant décrire différents exemples de 1 à 4 selon l'invention. Dans ces différentes figures, les éléments équivalents sont désignés par la même référence numérique. 20 1. Généralités concernant le dispositif de protection En référence à la figure 2, le dispositif de protection d'une charge électrique comprend une borne d'entrée 31 destinée à être raccordée électriquement en série à 25 un disjoncteur 5 relié électriquement à une source d'alimentation 6 en énergie électrique, et une borne de sortie 32 destinée à être raccordée électriquement à la charge électrique 7 à protéger. Le disjoncteur 5 positionné entre la source 6 et le dispositif peut être un disjoncteur 30 thermique ou un disjoncteur mécanique ou un disjoncteur hybride, le choix du type de disjoncteur dépendant de l'application visée. 3053850 6 Entre les bornes d'entrée et de sortie 31, 32, le dispositif comprend deux branches 1, 2 ayant chacune une fonction respective : - Une première branche 1 - dite « branche de conduction » - permet d'assurer l'alimentation de la charge lorsque l'interrupteur est dans un état fermé (i.e. 5 état passant), à cet effet, l'impédance de la branche est très faible (inférieur à 1 ohm, et préférentiellement inférieur la centaine de milliohm), - Une deuxième branche 2 - dite « branche de limitation de courant » - permet de limiter le courant circulant au travers de la charge lorsqu'une anomalie de fonctionnement - telle qu'un défaut électrique (par exemple un court-circuit) 10 - est détectée. Le dispositif comprend également une unité de pilotage 3 permettant de commander l'activation et la désactivation des première et deuxième branches 1, 2, pour permettre le passage du courant : 15 - soit au travers de la première branche 1 durant une période de fonctionnement normal, - soit au travers de la deuxième branche 2 durant une période de fonctionnement anormal. 20 Ce dispositif permet de protéger efficacement la charge 7 d'un circuit électrique en limitant le courant le traversant lorsqu'une anomalie de fonctionnement est détectée. En effet dans ce cas, le disjoncteur 5 positionné en amont du dispositif de protection passe d'un état fermé à un état ouvert pour déconnectée électriquement la source de 25 la charge. Durant la phase de transition entre les états fermé et ouvert du disjoncteur 5, le courant circulant dans le circuit électrique augmente très rapidement et peut occasionner des dégradations de la charge 7. En limitant le courant circulant dans la charge 7, le dispositif de protection illustré à la figure 2 permet de réduire les risques de dégradation des composants électriques situés en aval du disjoncteur 5. 30 2. Branche de conduction 3053850 7 La première branche de conduction 1 permet d'assurer la circulation du courant électrique lors du fonctionnement normal d'un circuit électrique. Elle présente avantageusement une faible résistance. 5 La première branche de conduction 1 comprend un interrupteur commandable par l'unité de pilotage 3. Cet interrupteur peut être de tout type connu de l'homme du métier. Notamment, 10 l'interrupteur est par exemple un interrupteur mécanique ou un interrupteur hybride. Toutefois l'interrupteur de la première branche de conduction 1 doit pouvoir passer d'un état fermé à un état ouvert très rapidement après la détection d'une anomalie de fonctionnement. 15 C'est pourquoi l'interrupteur de la première branche de conduction 1 est de préférence un interrupteur statique. Celui-ci présente l'avantage de commuter très rapidement entre un état fermé et un état ouvert (temps de commutation inférieur ou égal à la centaine de microsecondes). Un autre avantage de l'utilisation d'un 20 interrupteur statique est qu'il peut supporter de fortes tensions et de forts courants. L'interrupteur de la première branche de conduction 1 est par exemple composé d'un (ou plusieurs) composant(s) semi-conducteur(s), pour fermer ou ouvrir le circuit électrique. L'utilisation de composant(s) semi-conducteur(s) permet de faciliter le 25 pilotage de l'interrupteur statique par l'unité de pilotage 3. L'interrupteur est par exemple constitué d'au moins un thyristor (connectés en série si plusieurs thyristors), le nombre de thyristor formant l'interrupteur statique dépendant notamment de la tension maximale dans le circuit électrique. 30 Avantageusement, l'interrupteur de la première branche de conduction 1 est agencé de sorte que sa résistance soit inférieure à 1 ohm, préférentiellement inférieure à 0.5 3053850 8 ohm, et encore plus préférentiellement inférieure à 0.05 ohms. Ceci permet de limiter les chutes de tension aux bornes du dispositif de protection. 3. Branche de limitation de courant 5 La deuxième branche de limitation de courant 2 assure la circulation du courant électrique lorsqu'une anomalie de fonctionnement est détectée. Elle permet de limiter le courant circulant dans la charge 7 à une valeur d'intensité cible. 10 Avantageusement, la valeur d'intensité cible est supérieure ou égale à une valeur d'intensité requise pour permettre le bon fonctionnement du disjoncteur 5, et notamment son passage : - d'un état fermé (i.e. état passant) dans lequel la source 6 est connectée électriquement à la charge 7, 15 - à un état ouvert (i.e. état non passant) dans lequel la source 6 est déconnectée électriquement de la charge 7. La valeur d'intensité cible est par exemple égale à « n » fois un courant nominal de fonctionnement de la charge, « n » étant compris entre 1 et 20, préférentiellement 20 entre 1 et 10. Ceci permet de limiter les risques de dégradation de la charge 7 tout en garantissant le bon fonctionnement du disjoncteur 5. 25 La deuxième branche de limitation de courant 2 comprend un limiteur de courant. Un limiteur de courant de défaut (ou « FCL », de l'anglais « Fault current limiter ») est un système électriques permettant de limiter la valeur du courant en cas de défaut électrique et notamment de court-circuit. 30 Le limiteur de courant peut être constitué de composants semi-conducteurs. Ceci permet de faciliter le pilotage de la deuxième branche par l'unité de pilotage 3. Cela 3053850 9 permet également d'améliorer la rapidité d'activation de la deuxième branche 2, notamment par rapport à un limiteur de courant passif de type à inductance. Cela permet en outre d'intégrer une fonction de blocage du courant dans la deuxième branche 2, notamment dans le cas où le disjoncteur 5 disposé en amont du dispositif 5 est défectueux. Dans une variante de réalisation, le limiteur de courant comprend un composant unitaire en silicium ou en carbure de silicium. Ceci permet de limiter l'espace occupé par la deuxième branche, et donc l'encombrement du dispositif de protection. 10 Dans une autre variante de réalisation, le limiteur de courant comprend une (ou plusieurs) cellule(s) source de courant et un (ou plusieurs) élément(s) résistif(s) de dissipation thermique monté(s) en série avec la (les) cellule(s). Dans ce cas, la (chaque) cellule source de courant peut comprendre : 15 - au moins un transistor de type JFET, et/ou - au moins un transistor de type MOSFET, et/ou - au moins un transistor bipolaire à grille isolée (ou « IGBT », de l'anglais « lnsulated Gate Bipolar Transistor »). 20 Le choix entre chacun des types de transistors précités pour réaliser la cellule source dépend de l'application visée : - l'utilisation d'un (de) transistor(s) JFET permet d'assurer une meilleure tenue du dispositif en court-circuit, - l'utilisation d'un (de) transistor(s) MOSFET permet de réduire les coûts de 25 fabrication du dispositif, - l'utilisation d'un (de) transistor(s) IGBT permet un fonctionnement du dispositif à forts courant et tension d'alimentation. 4. Unité de pilotage 30 3053850 10 L'unité de pilotage 3 permet de commander l'activation et la désactivation des première et deuxième branches 1, 2. Plus précisément, l'unité de pilotage 3 permet de commander le basculement du 5 passage du courant de la première branche de conduction 1 vers la deuxième branche de limitation de courant 2 lorsqu'une anomalie est détectée. L'unité de pilotage 3 est connectée aux première et deuxième branches 1, 2 pour permettre leur activation/désactivation. La connexion électrique de l'unité de pilotage 10 3 à la première branche de conduction 1 permet en outre de mesurer des paramètres du circuit électrique (tension et intensité circulant dans la branche de conduction) lorsque le courant circule au travers de la branche de conduction. Cette mesure meut être réalisée par une unité de mesure 3' intégrée ou distante de l'unité de pilotage 3. 15 On va maintenant décrire le principe de fonctionnement de l'unité de pilotage 3 en référence à la figure 3. En fonctionnement normal, le disjoncteur 5 disposé en amont du dispositif de protection de charge est dans un état ferme. De même, l'interrupteur de la première 20 branche de conduction 1 est dans un état fermé, de sorte que le courant issu de la source d'alimentation 6 traverse la première branche 1 du dispositif de protection de charge. L'unité de pilotage 3 mesure à intervalle régulier la tension aux bornes de la première 25 branche de conduction 1 par l'intermédiaire de l'unité de mesure 3', et la compare à une valeur seuil pour détecter une éventuelle anomalie de fonctionnement du circuit électrique. Si aucune anomalie n'est détectée (tension mesurée supérieure à la valeur seuil), 30 l'unité de pilotage 3 ne désactive pas la première branche de conduction 1. 3053850 11 Si une anomalie est détectée (tension mesurée inférieure à la valeur seuil), alors l'unité de pilotage commande la désactivation de la première branche de conduction. Plus précisément, l'unité de pilotage 3 commande l'ouverture de l'interrupteur 12 de la première branche de conduction 1 par l'intermédiaire d'un circuit de blocage 11 de 5 ladite première branche de conduction 1. Cette ouverture de la première branche de conduction 1 induit le passage du courant au travers de la deuxième branche de limitation de courant 2 raccordée en parallèle de la première branche de conduction 1. 10 En circulant dans la deuxième branche 2, le courant généré par la source d'alimentation 6 est limité à la valeur d'intensité cible. Cette valeur d'intensité cible étant supérieur ou égale à la valeur d'intensité requise 15 pour le bon fonctionnement du disjoncteur 5 placé en amont du dispositif de protection, celui-ci peut passer d'un état fermé à un état ouvert. A partir de la commande de désactivation de la première branche de conduction 1, l'unité de pilotage 3 mesure périodiquement un temps de limitation représentatif de la 20 durée de cette désactivation de la première branche de conduction 1. Ce temps de limitation qui augmente au fur et à mesure que la durée de désactivation de la première branche de conduction augmente, est périodiquement comparé à une durée seuil. 25 Cette durée seuil correspond à une durée limite pendant laquelle le limiteur de courant peut supporter l'application d'un courant fort à ses bornes sans subir de dégradation. Lorsque le temps de limitation dépasse la durée seuil, l'unité de pilotage 3 commande 30 la désactivation de la deuxième branche de limitation de courant 2, par exemple en 3053850 12 bloquant le limiteur de courant si celui-ci est réalisé à partir de composants semiconducteur. Les première et deuxième branches 1, 2 sont alors ouvertes de sorte qu'aucun 5 courant n'est transmis vers la charge 7. Le fait de pouvoir commander l'ouverture de la deuxième branche de limitation de courant 2 permet de limiter les risques de dégradation du dispositif de protection d'une part, et de la charge 7 d'autre part, notamment dans le cas où le disjoncteur 5 10 disposé en amont du dispositif est défectueux. Lorsque le problème ayant provoqué le disfonctionnement du circuit électrique est résolu, le circuit électrique peut reprendre un fonctionnement normal. L'unité de pilotage 3 commande le passage de la première branche de conduction 1 d'un état 15 ouvert vers un état fermé et réactive la deuxième branche de limitation 2 (si le limiteur de courant avait été bloqué). En référence à la figure 4, on a illustré une courbe d'intensité 14 obtenue avec le dispositif de protection de charge selon l'invention afin de la comparer aux courbes 20 d'intensité 11, 12, 13 de la figure 1. Comme on peut le constater sur cette figure, le dispositif de protection de charge permet en cas de disfonctionnement du circuit électrique de rapidement (t4) limiter le courant circulant dans la charge de sorte à réduire les risques de dégradation de 25 celle-ci lors du passage du disjoncteur d'un état fermé à un état ouvert. Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention décrite précédemment sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici. Par conséquent, toutes les modifications 30 de ce type sont destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée des revendications jointes. REVENDICATIONS1. Dispositif de protection d'une charge électrique (7) incluant : - une borne d'entrée (31) destinée à être raccordée électriquement à une source d'alimentation en énergie électrique (6) par l'intermédiaire d'un disjoncteur thermique et/ou mécanique et/ou hybride (5) monté en série avec ledit dispositif de protection, - une borne de sortie (32) destinée à être raccordée électriquement à la charge électrique (7), caractérisé en ce que le dispositif de protection comprend une unité de pilotage (3) pour : - limiter une chute de tension aux bornes dispositif de protection lorsque le disjoncteur (5) est dans un état fermé, - limiter un courant aux bornes de la charge (7) pendant une phase de transition entre l'état fermé du disjoncteur (5) et un état ouvert du disjoncteur (5). 2. Dispositif de protection selon la revendication 1, lequel comprend : - une première branche de conduction (1) entre la borne d'entrée (31) et la borne de sortie (32), - une deuxième branche de limitation de courant (2) montée en parallèle de la branche de conduction (1), l'unité de pilotage (3) étant adaptée pour commander l'activation des première et deuxième branches (1, 2) afin d'induire le passage du courant à travers : ola deuxième branche de limitation de courant (2) si une anomalie de fonctionnement est détectée ola première branche de conduction (1) sinon. 3. Dispositif de protection selon la revendication 2, dans lequel la première branche de conduction (1) comprend un interrupteur statique commandé par l'unité pilotage (3). 4. Dispositif de protection selon la revendication 3, dans lequel l'unité de pilotage (3) est adaptée pour : - comparer une tension mesurée aux bornes de la première branche de conduction (1) à une valeur seuil, 3053850 14 - commander l'ouverture de l'interrupteur statique si la tension mesurée est inférieure à la valeur seuil. 5. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans 5 lequel la deuxième branche de limitation de courant (2) comprend un limiteur de courant constitué de composants semi-conducteurs. 6. Dispositif de protection selon la revendication 5, dans lequel le limiteur de courant comprend un composant unitaire en silicium ou en carbure de silicium. 10 7. Dispositif de protection selon la revendication 5, dans lequel le limiteur de courant comprend une cellule source de courant et un élément résistif de dissipation thermique monté en série avec la cellule source de courant. 15 8. Dispositif de protection selon la revendication 7, dans lequel la cellule source de courant comprend : oau moins un transistor de type JFET, et/ou oau moins un transistor de type MOSFET, et/ou oau moins un transistor bipolaire à grille isolée. 20 9. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel la deuxième branche de limitation de courant (2) est adaptée pour limiter le courant circulant dans la charge (7) à un courant de limitation supérieur ou égale à « n » fois un courant nominal de fonctionnement de ladite 25 charge (7), « n » étant compris entre 1 et 20, préférentiellement entre 1 et 10. 10. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel l'unité de pilotage (3) est adaptée pour : - mesurer un temps de limitation pendant lequel l'unité de pilotage (3) a 30 commandé le passage du courant à travers la deuxième branche de limitation de courant (2), - comparer le temps de limitation mesuré à une durée seuil, - commander la désactivation de la deuxième branche de limitation de courant (2) lorsque le temps de limitation est supérieur à la durée seuil. 35