Brevet FR3152080A1 — publié le 20250214

L'invention porte sur un contacteur électrique de puissance (13) comportant: - une chambre de coupure (15), - au moins un contact fixe (16.1, 16.2) disposé à l'intérieur de la chambre de coupure (15), et - un contact mobile (17) apte à se déplacer entre: - une position fermée dans laquelle le contact mobile (17) est en contact avec le contact fixe (16.1, 16.2), - une position ouverte dans laquelle le contact mobile (17) est éloigné du contact fixe (16.1, 16.2), - un détecteur optique (20) disposé à l'intérieur ou à proximité de la chambre de coupure (15), - un organe de coupure électrique (21), et - un dispositif de commande (25) configuré pour activer l'organe de coupure électrique (21) lorsqu'une durée d'un arc électrique détecté par le détecteur optique (20) est supérieure à un temps de réponse à l'ouverture nominal du contacteur électrique de puissance (13). Figure pour abrégé: Figure 3 CONTACTEUR ÉLECTRIQUE DE PUISSANCE MUNI D'UN DISPOSITIF DE PROTECTION OPTIQUE La présente invention porte sur un contacteur électrique de puissance muni d'un dispositif de protection optique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine de l'aéronautique avec les contacteurs utilisés avec des moteurs électriques de propulsion d'aéronef mettant en œuvre des niveaux de tension continus électrique élevés de plusieurs centaines de volts. De façon connue en soi, un contacteur électrique de puissance disposant d’une chambre de coupure pour courant continu bidirectionnel comporte généralement: - deux contacts fixes, et - un contact mobile conçu pour se déplacer entre: une position fermée dans laquelle le contact mobile est en contact avec les contacts fixes, et une position ouverte dans laquelle le contact mobile est éloigné des contacts fixes. Une telle chambre de coupure est dite à "double coupure" car le contact mobile se sépare de deux contacts fixes. Lors de l’ouverture de la chambre de coupure, un arc électrique survient entre le contact mobile et chaque zone de contact. Ces arcs électriques sont susceptibles de générer un départ de feu si le contacteur ne parvient pas à les éteindre lors de l’ouverture du circuit. Par ailleurs, lors d’un court-circuit de forte valeur, les contacts électriques d’un contacteur sont soumis à des efforts de répulsion importants qui peuvent entrainer la séparation du contact mobile par rapport aux contacts fixes. Ce phénomène, dit "de lévitation du contact mobile" peut occasionner une soudure des contacts conduisant directement, ou lors de la manœuvre à l’ouverture du contacteur, à un départ de feu. En effet, lors d'un court-circuit, les forces de Laplace s’opposent au ressort qui maintient les contacts en pression, de sorte que les contacts s’écartent les uns des autres. Cela conduit à la création d'un arc électrique ayant une densité de courant telle que les matériaux de contact fondent et se collent ensemble. Si le court-circuit perdure, l’échauffement détruit la zone de contact amenant à un départ de feu. Lors de l’ouverture ultérieure du contacteur, le problème peut également survenir dans la mesure où si le ressort de rappel du contacteur ne peut écarter que partiellement les contacts les uns des autres, l’arc électrique s’installe et ne peut pas être interrompu, ce qui engendre également un départ de feu. La montre un circuit électrique 10 comportant une source de tension électrique 11 ayant une borne HV+ et une borne HV-. La source de tension électrique 11 est reliée à une charge électrique 12. Un contacteur 13 unipolaire est relié électriquement en série avec la charge électrique 12. Il est possible de détecter un court-circuit susceptible de générer une défaillance par une surveillance de tension 14 en aval du contacteur 13 au-delà d’un temps d’ouverture nominal du contacteur 13. Si la panne est confirmée alors le défaut doit pouvoir être identifié et supprimé (on dit aussi clarifié) avec un temps de réponse très court, typiquement de l’ordre d’une dizaine de millisecondes. On entend par "supprimer" ou "clarifier" un défaut, le fait d’activer, suite à la détection du défaut, un organe de coupure électrique prévu en série avec le contacteur. La montre un circuit électrique 10 comportant des sources de tension électriques 11.1, 11.2 connectées électriquement à une masse commune et ayant une borne HV+ et une borne HV-. Un contacteur 13 bipolaire est apte à établir ou couper la connexion électrique avec les deux bornes du circuit électrique 10. Pour un tel circuit, la surveillance de tension 14 est plus délicate, car si un des contacts de puissance est en défaut mais que le deuxième est opérationnel, il existe une panne cachée, dans la mesure où pendant l’ouverture, le contact fonctionnel va couper le courant du circuit et ainsi masquer le problème du contact défaillant. Cela est dû au fait que les deux contacts de puissance sont mécaniquement dépendants. Cette particularité impose un nombre important de mesures de tension afin d'obtenir une image complète de l’état des contacts, ce qui induit une complexité de câblage et de surveillance associée. Il existe donc le besoin d'une solution simple et robuste de détection d'une défaillance liée à la présence d'un arc électrique susceptible d’occasionner un départ de feu, permettant une détection d’un défaut et la mise en œuvre d’une solution de secours le tout en un temps très court. L'invention vise à combler efficacement ce besoin en proposant un contacteur électrique de puissance comportant: - une chambre de coupure, - au moins un contact fixe disposé à l'intérieur de la chambre de coupure, et - un contact mobile apte à se déplacer entre: - une position fermée dans laquelle le contact mobile est en contact avec le contact fixe, - une position ouverte dans laquelle le contact mobile est éloigné du contact fixe, - un détecteur optique disposé à l'intérieur ou à proximité de la chambre de coupure, - un organe de coupure électrique, et - un dispositif de commande configuré pour activer l'organe de coupure électrique lorsqu'une durée d'un arc électrique détecté par le détecteur optique est supérieure à un temps de réponse à l’ouverture nominal du contacteur électrique de puissance. L'invention permet ainsi, grâce à la fonction de surveillance optique de la chambre de coupure, de garantir la détection d'un défaut du contacteur et une protection efficace et distincte de la fonction de commutation principale. En effet, l’arc électrique génère un flash lumineux large spectre ayant une amplitude lumineuse forte ainsi qu'une durée suffisamment discriminantes pour que l'arc électrique soit détectable par le détecteur optique. L'invention présente également l'avantage de pouvoir être mise en œuvre de façon simple et robuste. Selon une réalisation de l'invention, le temps de réponse nominal à l’ouverture est de l'ordre de 30ms. Selon une réalisation de l'invention, l'organe de coupure électrique est un interrupteur pyrotechnique. Selon une réalisation de l'invention, le détecteur optique est choisi parmi un phototransistor, une résistance photosensible, une photodiode ou une fibre optique. Selon une réalisation de l'invention, le dispositif de commande est configuré pour mettre en œuvre une fonction de surveillance d'un bon fonctionnement d'une chaîne de détection allant du détecteur optique jusqu'au dispositif de commande. Selon une réalisation de l'invention, le dispositif de commande est configuré pour émettre un signal de défaut dans le cas où aucun arc électrique n’est détecté par le détecteur optique lors de l’ouverture du contacteur. Selon une réalisation de l'invention, ledit contacteur électrique de puissance comporte un moyen d'émission d'une lumière artificielle disposé à proximité du détecteur optique. Selon une réalisation de l'invention, ledit contacteur électrique de puissance est de type électromécanique. L'invention a également pour objet un circuit électrique comportant une source de tension électrique, une charge électrique et un contacteur électrique de puissance tel que précédemment défini. Selon une réalisation de l'invention, l'organe de coupure électrique est monté électriquement en série avec le contacteur électrique. La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentés à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles: La , déjà décrite, est un schéma électrique illustrant un défaut de coupure d'arc dans le cas d'un contacteur électrique de type unipolaire; La , déjà décrite, est un schéma électrique illustrant un défaut de coupure d'arc dans le cas d'un contacteur électrique de type bipolaire; La est un schéma d'un circuit électrique comportant un contacteur électrique de puissance de type unipolaire muni d'un dispositif de protection optique selon la présente invention; La est une représentation schématique fonctionnelle détaillée du dispositif de commande apte à piloter un organe de coupure électrique selon la présente invention; La est une représentation schématique fonctionnelle détaillée d'une variante d'un dispositif de commande d'un dispositif de protection optique selon l'invention intégrant une fonction de détection du bon fonctionnement de la chaîne de détection; La est un schéma électrique illustrant une variante de réalisation d'un contacteur électrique de puissance de type unipolaire à simple contact muni d'un dispositif de protection optique selon la présente invention. Il est à noter que, sur les figures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. La montre un circuit électrique 10 comportant une source de tension électrique 11 ayant une borne HV+ et une borne HV- et reliée à une charge électrique 12. En l'occurrence, la source de tension électrique 11 est une source haute tension à courant continu. Un contacteur électrique de puissance 13 est relié électriquement en série avec la charge électrique 12. Le contacteur électrique de puissance 13 comporte une chambre de coupure 15, et des contacts séparables, dans l’exemple deux contacts fixes 16.1, 16.2 et un contact mobile 17. Les deux contacts fixes 16.1, 16.2 sont disposés à l'intérieur de la chambre de coupure 15. Le contact mobile 17 est apte à se déplacer entre une position fermée dans laquelle le contact mobile 17 est en contact avec les contacts fixes 16.1, 16.2, respectivement en des premières et deuxièmes zones de contact, et une position ouverte dans laquelle le contact mobile 17 est éloigné des contacts fixes 16.1, 16.2. Le contacteur électrique de puissance 13 peut être de type électromécanique. Dans ce cas, le déplacement du contact mobile 17 est commandé par un organe de commande, tel qu'une bobine associée à une palette ou un moteur électrique. En outre, un détecteur optique 20 est disposé à l'intérieur ou à proximité de la chambre de coupure 15. En effet, l’arc électrique peut être visible au travers du matériau de la chambre de coupure 15 ou, lorsque celle-ci n’est pas hermétique par un interstice constitué par exemple par un jeu dans la chambre de coupure 15 ou un espace ménagé à cet effet. Dans ce cas, le détecteur optique 20 est disposé à l'extérieur et à proximité de la chambre de coupure 15 de façon à pouvoir capter l'illumination de l'arc électrique. Le détecteur optique 20 est choisi parmi: un phototransistor, une résistance photosensible, une photodiode ou une fibre optique. En particulier, la fibre optique nue est un capteur naturellement omnidirectionnel ayant l'avantage de présenter une grande surface de détection peu sensible aux phénomènes d’encrassement, tels que des dépôts de suies ou des projections métalliques. La chaîne de détection optique, allant du détecteur optique jusqu'au dispositif de commande permet de capturer et détecter le flash électrique dans un temps compatible avec le temps attendu d’apparition du défaut du contacteur 13. Il est également prévu un organe de coupure électrique 21 prenant avantageusement la forme d'un interrupteur pyrotechnique dénommé "pyroswitch" selon la terminologie anglosaxonne. Lorsque l'interrupteur pyrotechnique 21 est activé, une charge pyrotechnique permet d’ouvrir le circuit électrique 10, en particulier la connexion électrique entre la source de tension électrique 11 et la charge électrique 12 de manière rapide et efficace. L'interrupteur pyrotechnique 21 est monté électriquement en série avec le contacteur électrique 13. L'activation de l'interrupteur pyrotechnique 21 est effectuée via une résistance de déclenchement 23 reliée électriquement à un dispositif de commande 25 décrit plus en détails ci-après appartenant à un circuit électrique distinct du circuit 10. En variante, l'organe de coupure électrique 21 peut prendre la forme d'un contacteur additionnel, tel qu'un contacteur électromécanique. Le dispositif de commande 25 est configuré pour activer l'organe de coupure électrique 21 lorsque la durée d'un arc électrique est supérieure à un temps de réponse à l’ouverture nominal du contacteur 13. A cet effet, comme cela est visible sur la , le dispositif de commande 25 comporte un module de mise en forme 25.1 destiné à traiter, notamment filtrer, le signal électrique généré par le détecteur optique 20 pour isoler le signal correspondant à l'arc électrique généré par le contacteur 13. En outre, un module de supervision 25.2 est apte à effectuer une comparaison entre la durée de la détection de l'arc électrique et le temps de réponse à l’ouverture nominal du contacteur 13. Un module de commande 25.3 est apte à générer un courant circulant à travers la résistance de déclenchement 23 activant l'interrupteur pyrotechnique 21 en cas de besoin, en particulier si la durée de détection de l'arc électrique est supérieure au temps de réponse à l’ouverture nominal du contacteur 13. On décrit ci-après le cas de fonctionnement nominal du contacteur électrique de puissance 13. Lors de sa fermeture, le contacteur 13 permet de connecter électriquement la source de tension électrique 11 avec la charge électrique 12. Le contacteur 13 est capable de résister aux passages de courant, tels que cela est spécifié dans sa fiche technique. Lors de l’ouverture du contacteur 13, des arcs électriques se produisent entre les contacts fixes 16.1, 16.2 et le contact mobile 17 ayant une durée de quelques millisecondes. Lorsque la valeur de force contre-électromotrice de ces arcs additionnés atteint la valeur de la tension du réseau alors le courant s’annule et le circuit électrique 10 est dit ouvert. En cas de défaut, lors de l’ouverture du contacteur 13, des arcs électriques se produisent entre les contacts fixes 16.1, 16.2 et le contact mobile 17. Toutefois, une détérioration interne du contacteur 13 ne permet pas aux arcs électriques d’atteindre la valeur de force contre-électromotrice permettant d’annuler le courant. Si le détecteur optique 20 détecte que la durée de l’arc électrique est supérieure au temps de réponse à l’ouverture nominal du contacteur 13, typiquement de l'ordre de 30ms, alors le dispositif 25 commande l'activation de l'interrupteur pyrotechnique 21 via la génération d'un courant à travers la résistance de déclenchement 23. Le dispositif de commande 25 peut également être configuré pour mettre en œuvre une fonction de surveillance d'un bon fonctionnement d'une chaîne de détection allant du détecteur optique 20 jusqu'au dispositif de commande 25. Le dispositif de commande 25 est configuré pour émettre un signal de défaut dans le cas où aucun arc électrique n’est détecté lors de l’ouverture du contacteur 13. A cet effet, comme cela est illustré sur la , le dispositif de commande 25 comporte une porte ET 27 recevant en entée un signal d'ouverture du contacteur 13 et un signal généré par le détecteur optique 20 mis en forme par le module 25.1. Un module de surveillance 28 génère un signal de défaut si aucun signal n'est généré par le détecteur optique 20 alors qu'est généré un signal d'ouverture du contacteur 13. Le signal de défaut peut être émis à destination d'un module de maintenance (non représenté) faisant remonter la présence d'une anomalie à l'utilisateur via une interface homme-machine, tel qu'un écran, ou un voyant de défaut ou un signal sonore. Le contacteur 13 peut également comporter un moyen d'émission 30 d'une lumière artificielle, tel qu'une diode électroluminescente, disposée à proximité du détecteur optique 20 de manière à l'illuminer. Le moyen d'émission 30 est apte à générer une lumière artificielle lors de la mise sous tension du circuit électrique 10 afin de vérifier l’intégrité de la chaîne de détection. Si la lumière artificielle générée par le moyen d'émission 30 est détectée par le détecteur optique 20, alors la chaîne de détection est considérée comme étant fonctionnelle. Si la lumière artificielle générée par le moyen d'émission 30 n'est pas détectée par le détecteur optique 20, alors la chaîne de détection est considérée comme étant défaillante. Bien que l'invention ait été décrite pour une mise en œuvre avec un contacteur électrique de puissance 13 unipolaire, elle pourra également être mise en œuvre avec un contacteur électrique de puissance bipolaire. Dans le mode de réalisation de la , le contacteur électrique de puissance 13 comporte un seul contact fixe 16.1 disposé à l'intérieur de la chambre de coupure 15 et un contact mobile 17 conçu pour se déplacer entre une position fermée dans laquelle le contact mobile 17 est en contact avec le contact fixe 16.1 et une position ouverte dans laquelle le contact mobile 17 est éloigné du contact fixe 16.1. Les différents éléments précédemment décrits à savoir le détecteur optique 20, l'organe de coupure électrique 21, et le dispositif de commande 25 restent inchangés. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association. Contacteur électrique de puissance (13) comportant: - une chambre de coupure (15), - au moins un contact fixe (16.1, 16.2) disposé à l'intérieur de la chambre de coupure (15), et - un contact mobile (17) conçu pour se déplacer entre: - une position fermée dans laquelle le contact mobile (17) est en contact avec le contact fixe (16.1, 16.2), - une position ouverte dans laquelle le contact mobile (17) est éloigné du contact fixe (16.1, 16.2), caractérisé en ce que ledit contacteur électrique de puissance (13) comporte en outre: - un détecteur optique (20) disposé à l'intérieur ou à proximité de la chambre de coupure (15), - un organe de coupure électrique (21), et - un dispositif de commande (25) configuré pour activer l'organe de coupure électrique (21) lorsqu'une durée d'un arc électrique détecté par le détecteur optique (20) est supérieure à un temps de réponse à l’ouverture nominal du contacteur électrique de puissance (13). Contacteur électrique de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de réponse à l’ouverture nominal est de l'ordre de 30ms. Contacteur électrique de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe de coupure électrique (21) est un interrupteur pyrotechnique. Contacteur électrique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur optique (20) est choisi parmi un phototransistor, une résistance photosensible, une photodiode ou une fibre optique. Contacteur électrique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de commande (25) est configuré pour mettre en œuvre une fonction de surveillance d'un bon fonctionnement d'une chaîne de détection allant du détecteur optique (20) jusqu'au dispositif de commande (25). Contacteur électrique de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de commande (25) est configuré pour émettre un signal de défaut dans le cas où aucun arc électrique n’est détecté par le détecteur optique (20) lors de l’ouverture du contacteur (13). Contacteur électrique de puissance selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'émission (30) d'une lumière artificielle disposé à proximité du détecteur optique (20). Contacteur électrique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est de type électromécanique. Circuit électrique (10) comportant une source de tension électrique (11), une charge électrique (12) et un contacteur électrique de puissance (13) défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. Circuit électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe de coupure électrique (21) est monté électriquement en série avec le contacteur électrique (13).