Brevet FR3145061A1 — publié le 20240719

Contacteur éle ctrique à dispositif de coupure intégré Un contacteur électrique (10, 10’) à dispositif de coupure intégré, comprenant au moins un dispositif de coupure (20) d’arc comportant un premier guide (21), un second guide (22) raccordé au contact (12), et un module de coupure à ailettes (23) comportant une succession d’ailettes conductrices (24) s’étendant entre le premier guide (21) et le second guide (22). Le dispositif de coupure d’arc (20) comprend un interrupteur commandé (26) raccordé entre deux ailettes conductrices (24) du module de coupure à ailettes (23) et commandé par une unité électronique de commande (27). Figure pour l’abrégé : Fig. 8 Contacteur électrique à dispositif de coupure intégré L'invention concerne un équipement de protection électrique, et plus particulièrement un contacteur et disjoncteur électrique de coupure de courant destiné à être monté sur un circuit électrique, par exemple d’un aéronef. Sur les figures 1 à 5 sont représentées schématiquement différentes vues en coupe d’un contacteur électrique 1 selon l’état de la technique. Le contacteur électrique 1 selon l’état de la technique comprend deux contacts électriques fixes 2 électriquement distincts, un pont mobile 3, et un dispositif de coupure d’arc 4 pour chaque contact électrique fixe 2, soit deux dispositifs de coupure d’arc 4. Chaque dispositif de coupure d’arc 4 comporte un premier guide d’arc 5, un second guide d’arc 6 électriquement raccordé au contact électrique fixe 2 auquel le dispositif de coupure d’arc est associé, et un module de coupure à ailettes 7 s’étendant entre le premier guide d’arc 5 et le second guide d’arc 6, à distance du pont mobile 3 et du contact électrique fixe 2 associé. Les deux premiers guides d’arc 5 des deux dispositifs de coupure d’arc 4 sont électriquement couplés ensemble. Et chaque module de coupure à ailettes 7 comprend une série d’ailettes 8 disposées successivement les unes au-dessus des autres entre le seconde guide d’arc 6 et le premier guide d’arc 5, chaque ailette 8 étant espacée des autres ailettes par un espace vide. L’ailette 8 au sommet de l’empilement est séparée du premier guide d’arc 5 par un espace vide, et l’ailette à la base de l’empilement est séparée du second guide d’arc 6 par un espace vide. Le pont mobile 3 est mobile entre une première position et une seconde position. Dans la première position illustrée sur la , le pont mobile 3 est en contact mécaniquement et électriquement avec les deux contacts électriques fixes 2 et à distance des deux premiers guides d’arc 5, et une seconde position en contact avec les premiers guides d’arc 5 et à distance des contacts électriques fixes 2. Dans cette première position, les deux contacts électriques fixes 2 sont électriquement raccordés via le pont mobile 3, permettant ainsi au courant électrique de circuler d’un contact électrique fixe 2 à l’autre via le pont mobile 3 comme illustré par les flèches 9 en traits mixtes. Dans la seconde position illustrée sur la , le pont mobile 3 est mécaniquement séparé des deux contacts électriques fixes 2 et en contact mécaniquement et électriquement avec les deux premiers guides d’arc 5. Dans cette seconde position, les deux contacts électriques fixes 2 sont découplés électriquement l’un de l’autre, et aucun courant ne peut donc normalement circuler d’un contact électrique fixe 2 à l’autre. Cependant, lors de la séparation du pont mobile 3 avec les deux contacts électriques fixes 2, un arc électrique A peut se former par ionisation de l’air à chacun des deux endroits de séparation comme cela est illustré sur la . Un courant électrique 9 circule alors toujours d’un contact électrique fixe 2 à l’autre via le pont mobile 3 comme illustré par les flèches en traits mixtes. Comme illustré sur les figures 4 et 5, les arcs électrique A vont ensuite se déplacer vers l’extérieur via les premiers guides d’arc 5 et les seconds guides d’arc 6 grâce à la force de Laplace qui se crée entre le courant électrique 9 et le champ magnétique 11. Les arcs électriques A, sous l’effet du champ magnétique 11 créé par des aimants permanents, se courbent et viennent lécher les premiers et seconds guides d’arc 5 et 6. Comme illustré sur la , les arcs électriques A se déplacent ainsi jusque dans les modules de coupure à ailettes 7. Une fois les arcs électriques A entrés dans les ailettes 8 du module de coupure à ailettes 7, l’arc va se diviser en de multiples arcs qui vont abaisser le courant à zéro et provoquer la coupure du réseau, c’est-à-dire l’ouverture du circuit électrique entre les deux contacts électriques fixes 2. Ce phénomène d’arc est dépendant des propriétés de l’air au moment de sa création (pression et température) et est fortement influencé par l’altitude lorsque le dispositif de coupure est dans l’air ambiant. Il se peut alors, suivant la géométrie et les conditions environnementales ou de niveau de courant que l’arc dépasse les ailettes 8 du module de coupure à ailettes 7 et que l’arc électrique les traverse et ressorte de l’autre côté. L’arc ne s’étant pas coupé dans les ailettes 8, il se reforme alors complètement et ne s’éteindra pas comme cela est illustré sur la . Un arc électrique A étant un plasma qui peut atteindre plusieurs milliers de degrés Celsius, s’il est maintenu trop longtemps, il peut endommager le reste du contacteur électrique et potentiellement se propager. Il y a donc besoin d’un système de protection supplémentaire permettant de contenir et/ou limiter la propagation des arcs électriques. L’utilisation d’un interrupteur électronique de type SSPC, c’est-à-dire un convertisseur de puissance à semi-conducteurs, permet de couper un courant électrique sans création d’un arc et avec un nombre de cycles d’ouverture beaucoup plus élevé par rapport à un contacteur électromécanique. On peut considérer les SSPC comme une option intéressante pour les applications aéronautiques. Toutefois, ce type d’interrupteur possède une perte en conduction très importante qu’il faut donc refroidir avec un radiateur de taille importante ou de circuit dédié de refroidissement fluidique également volumineux à installer et ne permet pas d’isolation électrique par une vraie séparation physique des conducteurs électriques en cas de défaillance. Le concept d’hybridation permet d’optimiser les capacités d’un contacteur électromécanique en diminuant très significativement la présence d’arcs entre les contacts. Pour cela, on associe un contacteur électromécanique (branche principale) en parallèle de composants électroniques (branche secondaire). De façon générale deux topologies sont très utilisées dans la branche secondaire. La première est basée sur l’utilisation d’un dispositif de commutation (IGBT, MOSFET, THYRISTOR, etc) et la deuxième basée sur l’utilisation d’un banc de condensateurs qui produit un courant inverse à celui de la banche principale. De tels dispositifs sont connus des documents US 8 638 531, US 2018/0082814 et US 2018/0350533. Les typologies restent cependant assez complexes et lourdes car chacune est dimensionnée pour le niveau de puissance nominal en combinant d’une certaine façon les inconvénients des deux technologies et sont difficiles à mettre en place dans un système électrique de distribution d’un aéronef à haute tension continue (HVDC) par leurs dimensions et facteurs de formes non homogènes. L'invention vise à fournir une solution technique offrant un contacteur électrique capable de contenir des arcs électriques pour éviter leur propagation à l’extérieur et ainsi les supprimer afin de garantir une isolation mécanique et électrique. Dans un premier objet de l’invention, il est proposé un contacteur électrique à dispositif de coupure électrique intégré, ledit contacteur électrique comprenant au moins un dispositif de coupure d’arc comportant un premier guide d’arc, un second guide d’arc, et un module de coupure à ailettes comportant une succession d’ailettes conductrices s’étendant entre le premier guide d’arc et le second guide d’arc. Selon une caractéristique générale de l’invention, le dispositif de coupure d’arc comporte en outre un interrupteur commandé raccordé entre deux ailettes conductrices du module de coupure à ailettes et commandé par une unité électronique de commande. L’interrupteur commandé couplé entre deux ailettes conductrices du module permet de générer artificiellement une augmentation progressive de la chute de tension au niveau des ailettes conductrices. Une fois l’arc formé, l’interrupteur commandé est fermé pour permettre au courant circulant dans l’arc électrique d’être détourné dans l’interrupteur commandé pendant un temps et ainsi sectionner le plasma de l’arc électrique entre les deux ailettes couplées à l’interrupteur commandé. Ensuite, l’interrupteur commandé est à nouveau ouvert pour générer artificiellement une chute de tension additionnelle de courte durée. La coupure du plasma a provoqué une diminution des électrons libres entre les ailettes conductrices couplées à l’interrupteur commandé, augmentant la tension et rendant la formation d’un plasma et son entretien plus compliqués. Le contacteur électrique selon l’invention agit ainsi comme une protection qui permet de profiter des avantages d’un contacteur mécanique conventionnel qui permet la décharge d’énergie et le refroidissement de l’arc. Dans un premier mode de réalisation du contacteur électrique selon l’invention, les deux ailettes conductrices électriquement raccordées à l’interrupteur commandé peuvent être deux ailettes conductrices successives, aucune autre ailette conductrice étant disposée entre lesdites deux ailettes successives. La tension entre deux ailettes conductrices successives est généralement au maximum de 40 V. Ces faibles contraintes électriques permettent d’utiliser un IGBT de petit calibre, et donc de petite taille sans avoir besoin de circuit parallèle pour la protection des surtensions. En plus, le système de refroidissement qui est normalement utilisé dans les topologies hybrides n’est pas nécessaire puisque le produit de l’intensité du courant par le temps de conduction reste très faible. Dans un deuxième mode de réalisation du contacteur électrique selon l’invention, ledit module de coupure à ailettes dudit au moins un dispositif de coupure peut comprendre une lame isolante disposée entre lesdites deux ailettes conductrices auxquelles est raccordé l’interrupteur commandé, la lame isolante ayant, dans un plan orthogonal à une direction d’empilement des ailettes conductrices, des dimensions supérieures ou égales aux dimensions des ailettes conductrices entre lesquelles elle est disposée, et la lame isolante et les deux ailettes conductrices entre lesquelles elle est disposée étant centrées sur l’axe d’empilement des ailettes conductrices. L’introduction d’une lame isolante entre les deux ailettes conductrices couplées à l’interrupteur commandé permet d’augmenter la résistance de la colonne d’arc par élongation du chemin que l’arc doit parcourir pour se former. Ses dimensions et son positionnement par rapport aux ailettes conductrices entre lesquelles elle est disposée permettent de s’assurer qu’aucune portion d’une des deux ailettes conductrices ne soit directement en regard de l’autre ailette conductrice. Cela permet ainsi de s’assurer que le chemin à parcourir pour l’arc est plus long et donc d’augmenter la résistance électrique. Dans un troisième mode de réalisation du contacteur électrique selon l’invention, l’unité électronique de commande peut comprendre un bloc de détection électriquement raccordé auxdites deux ailettes conductrices raccordées à l’interrupteur commandé, et un bloc de de déclenchement électriquement raccordé à l’interrupteur commandé, le bloc de détection étant configuré pour mesurer la tension aux bornes des deux ailettes conductrices raccordées à l’interrupteur commandé et générer un signal d’activation au bloc de déclenchement lorsque la tension mesurée est supérieure à un seuil de tension, et le bloc de déclenchement étant configuré pour générer un signal de fermeture de l’interrupteur commandé pendant une période fixe donnée à la suite de la réception d’un signal d’activation. De préférence, l’interrupteur commandé est un transistor bipolaire à grille isolée. Un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) est capable de conduire des courants d’arc élevés mais pendant une durée très courte. Dans un quatrième mode de réalisation du contacteur électrique selon l’invention, le contacteur électrique à dispositif électrique de coupure intégré comprend au moins deux contacts électriques fixes électriquement distincts, un pont mobile, et un dispositif de coupure d’arc pour chaque contact fixe, chaque dispositif de coupure d’arc comportant un premier guide d’arc, un second guide d’arc électriquement raccordé au contact fixe associé, et un module de coupure à ailettes s’étendant entre le premier guide d’arc et le second guide d’arc, à distance du pont mobile et du contact fixe associé, les premiers guides d’arc des différents dispositifs de coupure d’arc étant électriquement couplés ensemble, et le pont mobile étant mobile entre une première position en contact avec lesdits contacts fixes et à distance des premiers guides d’arc, et une seconde position en contact avec les premiers guides d’arc et à distance desdits contacts fixes. Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un système électrique de distribution pour un aéronef caractérisé en ce qu’il comprend au moins un contacteur électrique tel que défini ci-dessus. Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un aéronef comprenant un système électrique de distribution tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La , déjà décrite, représente schématiquement une vue en coupe d’un contacteur électrique 1 selon l’état de la technique dans une première position. La , déjà décrite, représente schématiquement une vue en coupe du contacteur électrique 1 selon l’état de la technique dans une seconde position. La , déjà décrite, représente schématiquement une vue en coupe du contacteur électrique 1 de l’état de la technique de la avec l’apparition d’arcs électriques. La , déjà décrite, représente schématiquement une vue en coupe du contacteur électrique 1 de l’état de la technique de la avec le déplacement des arcs électriques vers l’extérieur. La , déjà décrite, représente schématiquement une vue en coupe du contacteur électrique 1 de l’état de la technique de la avec les arcs électriques plus à l’extérieur. La , déjà décrite, représente schématiquement une vue en coupe du contacteur électrique 1 de l’état de la technique de la avec les arcs électriques déplacés dans le module de coupure à ailettes. La , déjà décrite, représente schématiquement une vue en coupe du contacteur électrique 1 de l’état de la technique de la avec la reformation des arcs électriques à l’extérieur du dispositif de coupure à ailettes. La présente schématiquement une vue en coupe d’un contacteur électrique 10 selon un mode de réalisation de l’invention dans une première position. La présente schématiquement une vue en coupe du contacteur électrique 10 de la dans une seconde position. Sur la est présentée schématiquement une vue en coupe d’un contacteur électrique 10 à dispositif électrique de coupure intégré selon un mode de réalisation de l’invention. Dans le mode de réalisation illustré sur la , le contacteur électrique 10 comprend deux contacts électriques fixes 12 électriquement distincts, un pont mobile 13, et, pour chaque contact fixe 12, un dispositif de coupure d’arc 20, autrement dit deux dispositifs de coupure d’arc 20. Comme cela est illustré sur les figures 8 et 9, le pont mobile 13 est mobile entre une première position illustrée sur la , dans laquelle le pont mobile 13 est en contact avec les contacts fixes 12 et à distance des premiers guides d’arc 21, et une seconde position, illustrée sur la , dans laquelle le pont mobile 13 est en contact avec les premiers guides d’arc 13 et à distance des contacts fixes 12. Dans la première position, le courant circule d’un contact fixe 12 à l’autre contact fixe 12 via le pont mobile 13. Dans la seconde position, aucun courant n’est censé circuler d’un contact fixe à l’autre, sauf si un arc électrique se forme entre le pont mobile et un contact fixe 12. Comme cela est illustré sur les figures 8 et 9, chaque dispositif de coupure d’arc 20 comporte un premier guide d’arc 21, un second guide d’arc 22 électriquement raccordé au contact fixe 12 associé, et un module de coupure à ailettes 23 comportant une pluralité d’ailettes 24 électriquement conductrices et s’étendant entre le premier guide d’arc 21 et le second guide d’arc 22. Le module de coupure à ailettes 23 est disposé à distance du pont mobile 13 et du contact fixe 12 adjacent. Les premiers guides d’arc 21 des deux dispositifs de coupure d’arc 20 sont électriquement couplés ensemble. Les ailettes 24 d’un module de coupure à ailettes 23 sont superposées successivement les unes au-dessus des autres entre le seconde guide d’arc 22 et le premier guide d’arc 21. Le module de coupure à ailettes 23 comprend ainsi un empilement d’une pluralité d’ailettes 24 conductrices. Chaque ailette 24 est séparée d’une autre ailette 24 par un intervalle vide 240, et n’est donc pas en contact électrique avec une autre ailette 24. L’ailette 24 au sommet de la superposition est séparée du premier guide d’arc 21 par un intervalle vide 241 de sommet, et l’ailette à la base de la superposition est séparée du second guide d’arc 21 par un autre intervalle vide 242 de base. Chaque dispositif de coupure d’arc 20 comprend en outre une lame isolante 245 disposée entre deux ailettes 24 conductrices successives. La lame 245 est électriquement isolante et présente des dimensions supérieures aux dimensions des ailettes 24 dans un plan orthogonal à la direction d’empilement des ailettes 24. Les ailettes conductrices successives entre lesquelles est disposée la lame isolante 245 sont notés 24a et 24b sur les figures 8 et 9. Chaque dispositif de coupure d’arc 20 comprend également un circuit électrique de protection 25 comprenant un interrupteur commandé 26, ici un IGBT, et une unité de commande 27 comprenant un bloc de détection 272 et un bloc de déclenchement 274. Le bloc de détection 272 est électriquement raccordé aux deux ailettes 24a et 24b disposées en regard de la lame isolante 245. La première 24a de ces deux ailettes est couplée à au collecteur de l’IGBT 26, tandis que la seconde 24b est couplée à l’émetteur de l’IGBT 26. Le bloc de déclenchement 274 est couplé en entrée au bloc de détection 272 et en sortie à la grille de l’IGBT 26 pour commander l’ouverture ou la fermeture de l’IGBT en fonction de la tension mesurée aux bornes des ailettes 24a et 24b couplées à l’IGBT. Le bloc de détection 272 est configuré pour mesurer la tension aux bornes des deux ailettes conductrices 24a et 24b raccordées à l’IGBT 26 et générer un signal d’activation au bloc de déclenchement 274 lorsque la tension mesurée entre les deux ailettes 24a et 24b est supérieure à un seuil de tension. Le bloc de déclenchement 274 est configuré pour générer un signal de fermeture de l’IGBT 26 pendant une période fixe donnée à la suite de la réception d’un signal d’activation du bloc de détection 272. Le bloc de détection 272 est configuré pour mesurer constamment la tension V A entre les ailettes 24a et 24b séparées par la lame isolante 245, autrement dit pour mesurer la tension V A aux bornes de l’IGBT 26. Si la tension V A aux bornes de l’IGBT 26 est supérieure à une tension de seuil, le bloc de détection 272 délivre un signal d’activation au bloc de déclenchement 274 qui génère en réponse un signal de fermeture vers la grille de l’IGBT 26. Le signal de fermeture délivré à la grille de l’IGBT 26 par le bloc de déclenchement 274 est un signal en créneau positif. L’amplitude et la période du créneau positif du signal de déclenchement sont fixes. Le temps de fermeture, c’est-à-dire la période du créneau, dépend de la taille et des caractéristiques de l’interrupteur commandé 26 utilisé. Le chemin de conduction de l’IGBT 26 généré par la fermeture de la grille de l’IGBT 26 permet de basculer du courant de l’arc de l’air ionisé entre les ailettes 24a et 24b vers la jonction collecteur-émetteur de l’IGBT 26. Cette dérivation de l’arc entre les ailettes 24a et 24b vers l’IGBT 26 engendre une extinction du plasma entre les ailettes conductrices 24a et 24b. Ainsi, la colonne globale de plasma est sectionnée en deux parties : une première section de plasma s’étendant entre le guide supérieur 21 et l’ailette 24a connectée au collecteur de l’IGBT 26 en passant par les différentes ailettes 24 conductrices situées entre ces deux éléments, et une seconde section de plasma accrochée à l’ailette 24b connectée à l’émetteur de l’IGBT 26 et au guide inferieur 22 en passant par les différentes ailettes 24 conductrices situées entre ces deux éléments. L’étape suivante dans la coupure de courant est de provoquer une augmentation significative de la chute de tension au niveau des ailettes. En altitude cependant, un mécanisme basé sur les chutes de tension dans les ailettes reste assez faible pour couper le courant de façon optimale. On génère donc artificiellement une chute de tension additionnelle de courte durée provoquée par le blocage du passage du courant par l’IGBT 26, c’est-à-dire l’ouverture de l’interrupteur commandé 26, après la période de conduction précédente. Ainsi, les pieds d’arc de la première section et de la seconde section de plasma présents sur les ailettes 24a et 24b sont déstabilisés par un freinage intempestif du courant. Cela entraine une diminution des électrons libres pour entretenir le plasma, ainsi, la tension globale au niveau des ailettes 24a et 24b augmente et le courant est coupé. L'invention fournit ainsi une solution technique offrant un contacteur électrique capable de contenir des arcs électriques pour éviter leur propagation à l’extérieur et ainsi les supprimer afin de garantir une isolation mécanique et électrique. Contacteur électrique (10, 10’) à dispositif de coupure électrique intégré, ledit contacteur électrique (10, 10’) comprenant au moins un dispositif de coupure d’arc (20) comportant un premier guide d’arc (21), un second guide d’arc (22), et un module de coupure à ailettes (23) comportant une succession d’ailettes conductrices (24) s’étendant entre le premier guide d’arc (21) et le second guide d’arc (22), caractérisé en ce que le dispositif de coupure d’arc (20) comporte en outre un interrupteur commandé (26) raccordé entre deux ailettes conductrices (24a et 24b) du module de coupure à ailettes (23) et commandé par une unité électronique de commande (27). Contacteur électrique (10, 10’) selon la revendication 1, dans lequel les deux ailettes conductrices (24a et 24b) électriquement raccordées à l’interrupteur commandé sont deux ailettes conductrices (24) successives, aucune autre ailette conductrice (24) étant disposée entre lesdites deux ailettes successives (24a et 24b). Contacteur électrique (10) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit module de coupure à ailettes (23) dudit au moins un dispositif de coupure (20) comprend une lame isolante (245) disposée entre lesdites deux ailettes conductrices (24a et 24b) auxquelles est raccordé l’interrupteur commandé (26), la lame isolante (245) ayant, dans un plan orthogonal à une direction d’empilement des ailettes conductrices (24), des dimensions supérieures ou égales aux dimensions des ailettes conductrices (24a et 24b) entre lesquelles elle est disposée, et la lame isolante (245) et les deux ailettes conductrices (24a et 24b) entre lesquelles elle est disposée étant centrées sur l’axe d’empilement des ailettes conductrices (24). Contacteur électrique selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’unité électronique de commande (27) comprend un bloc de détection (272) électriquement raccordé auxdites deux ailettes conductrices (24a et 24b) raccordées à l’interrupteur commandé (26), et un bloc de déclenchement (274) électriquement raccordé à l’interrupteur commandé (26), le bloc de détection étant configuré pour mesurer la tension aux bornes des deux ailettes conductrices raccordées à l’interrupteur commandé et générer un signal d’activation au bloc de déclenchement lorsque la tension mesurée est supérieure à un seuil de tension, et le bloc de déclenchement étant configuré pour générer un signal de fermeture de l’interrupteur commandé pendant une période fixe donnée à la suite de la réception d’un signal d’activation. Contacteur électrique selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’interrupteur commandé (26) est un transistor bipolaire à grille isolée. Contacteur électrique (10, 10’) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant au moins deux contacts électriques fixes (12) électriquement distincts et raccordés chacun à un second guide d’arc (22) distinct, un pont mobile (13), et un dispositif de coupure d’arc (20) pour chaque contact fixe (12), le module de coupure à ailettes (23) de chaque dispositif de coupure d’arc (20) étant disposé à distance du pont mobile (13) et du contact fixe (12) associé, les premiers guides d’arc (21) des différents dispositifs de coupure d’arc (20) étant électriquement couplés ensemble, et le pont mobile (13) étant mobile entre une première position en contact avec lesdits contacts fixes (12) et à distance des premiers guides d’arc (21), et une seconde position en contact avec les premiers guides d’arc (21) et à distance desdits contacts fixes (12). Système électrique de distribution pour un aéronef caractérisé en ce qu’il comprend au moins un contacteur électrique selon l’une des revendications 1 à 6. Aéronef comprenant un système électrique de distribution selon la revendication 7.