FR 2884962 A1 20061027 FR 0504141 A 20050422 BREVET D' INVENTION Intitulé Contacteur disjoncteur à ouverture par déclenchement a l'aide d'un actionneur piézo électrique Le 4 juin 1999, la Société NORBERT BEYRARD FRANCE et Monsieur Norbert BEYRARD, inventeur, déposaient deux brevets: - le premier en Europe, intitulé Contacteur à moteur Piézo électrique , déposé sous le N 99401358.9. le deuxième en France, intitulé Moteur à micro crémaillère , déposé sous le N 9907101 Ces deux brevets sont complémentaires, en décrivant en effet dans le premier brevet un dispositif disjoncteur particulier conçu de telle sorte que l'ouverture des contacts s'effectue sous l'action d'un actuateur Piézo Electrique tel que décrit, par exemple, dans le second brevet. Néanmoins d'autres actuateurs Piézo Electriques peuvent être utilisés pour un contacteur 20 disjoncteur tel que décrit dans le premier brevet, et le moteur Piézo Electrique décrit dans le second brevet peut être utilisé dans d'autres applications. Au surplus l'actuateur Piézo Electrique est monté de telle sorte qu'un système électronique était susceptible, sous l'effet d'une anomalie dans le circuit principal (surtension, surintensité, ou autre), d'agir sur le dit actuateur pour déclancher l'ouverture du circuit principal alimenté en courant alternatif, à un instant précis, par exemple au moment où l'intensité ou la tension de ce dit circuit passe par un point d'intensité ou de tension nulle (le point zéro) , ou en tout autre moment choisi de manière appropriée. Ces brevets ont été étendus en l'an 2000, notamment aux Etats Unis, où ils ont été accordés 30 en 2002. L'inventeur a poursuivi ses recherches pour perfectionner l'invention concernant le disjoncteur dans des conditions qui entraînent un amélioration technique et économique évidente. Les travaux de réalisation d'un prototype et d'un banc d'essais ont été confiés par contrat à CEDRAT TECHNOLOGIE, société française spécialisée notamment dans le domaine de la piézo électricité et réalisés sous l'égide de l'inventeur M. Norbert BEYRARD docteur d'Etat. Ce contrat financé par NORBERT BEYRARD FRANCE prévoit expressément que le résultat des recherches en ce qui concerne en particulier le domaine des disjoncteurs bénéficiait à NORBERT BEYRARD FRANCE, notamment dans le domaine des brevets. Il a été alors constaté que pour obtenir une coupure rapide lorsque la pression de contact est élevée il est nécessaire de disposer d'un actuateur Piézo électrique puissant et donc actuellement encore relativement coûteux. L'idée est alors apparue de provoquer l'ouverture du circuit en libérant par déplacement d'un cliquet l'énergie potentielle d'un ressort puissant. Le perfectionnement apporté par ce nouveau brevet concerne le fait que la fermeture du circuit électrique peut s'effectuer par un actionnement mécanique à commande manuelle ou électrique ou pneumatique ou hydraulique, de sorte qu'à à l'issue de cette fermeture un Copyright Norbert BEYRARD 2005 1 dispositif de verrouillage maintienne les contacts à une pression suffisante, tout en permettant de conserver disponible l'accumulation d'énergie, jusqu'au moment de l'ouverture. L'ouverture s'effectue en libérant par une gâchette ou un cliquet, l'énergie accumulée pendant la fermeture ce qui provoque une ouverture extrêmement rapide du circuit. Le déclenchement de la gâchette ou du cliquet s'effectue grâce à un actuateur Piézo agissant directement ou indirectement par exemple par l'intermédiaire d'un levier. Dès que le verrouillage est libéré, le ressort comprimé agit sur le système des contacts, pour provoquer une ouverture extrêmement rapide. L'expérience a montré qu'au bout d'environ deux millisecondes le circuit était suffisamment ouvert et que le délai de réaction de l'actuateur Piézo électrique était aussi de l'ordre de 2 millisecondes. Ainsi, le dispositif électronique peut fonctionner pour permettre au dispositif de s'ouvrir très exactement à un moment où par exemple l'intensité est proche de zéro, sans qu'il ne soit ainsi provoqué d'arc ou d'étincelle susceptibles de nuire à la vie de l'appareil et au fonctionnement des systèmes électriques en aval ou en amont dudit appareil. De manière plus précise, le disjoncteur réalisé est constitué d'un boîtier en matière isolante de petite dimension voir Planche N 2, la vue à droite qui montre le prototype à côté d'un 20 appareil classique de même intensité nominale. Ses dimensions sont les suivantes: Longueur 65 mm Profondeur 30mm Hauteur 50mm L'intérieur de l'appareil apparaît aussi dans la Planche N 2 à gauche qui montre l'actuateur Piézo de CEDRAT TECHNOLOGIES retenu par Norbert BEYRARD Le mécanisme dans son ensemble est présenté dans la Planche N 1 qui montre: - A gauche le câble d'amenée du courant principal, les contacts, le câble souple lié au contact situé sur le bras mobile et qui comprime un ressort susceptible d'agir pour provoquer l'ouverture. - Au centre le bras mobile, dont le mouvement rotatif est obtenu par le mouvement de la manette. A droite, le mécanisme de verrouillage du bras mobile par un cliquet ce cliquet peut basculer sous l'effet de l'actionneur Piézo électrique ce qui permet au bras mobile de se déplacer librement vers le haut provoquant ainsi l'ouverture rapide des contacts. Mais un autre type de cliquets peuvent être utilisés. La Planche N 5 décrit un mécanisme de cliquet relativement simple: - Un ressort à la partie droite maintien le système en place. - L'actuateur Piézo en agissant sur un bras horizontal libère le verrouillage central qui à son tour permet au bras mobile de tourner en entraînant l'ouverture des contacts. Dans ce cas l'actuateur Piézo peut agir à la fermeture pour laisser passer le bras vertical et à l'ouverture pour le libérer. Le mécanisme mis en place dans le prototype, essayé par CEDRAT, visible dans la Planche N 2, photo de gauche est plus simple car l'actuateur Piézo n'agit que pour libérer un verrouillage. Le cliquet est dessiné pour que la rotation entraîne le déplacement du bec de verrouillage qui dépasse la position du cliquet, ce qui bloque les contacts en position de fermeture.Pour éviter le câble souple un pont électrique a été établi en deux contacts mobiles Copyright Norbert BEYRARD 2005 2 qui en position de fermeture viennent au contact de deux contacts fixes liés respectivement à l'amenée et à la sortie du courant électrique, ce dispositif réduit la pression des contacts si il diminue l'inertie de la mécanique de coupure. L'ouverture se fait grâce à un ressort rotatif placé sur le bras portant les contacts mobiles 5 constituant un pont dès que le déverrouillage est effectué par l'actuateur Piézo. Le fonctionnement à l'ouverture est alors facile à décrire: a) Dans un premier temps le cliquet est soulevé par l'actuateur. b) Dans un deuxième temps le bras tourne entraînant le déplacement des contacts et 10 l'ouverture du circuit électrique principal. On a pu constater expérimentalement qu'un tel appareil est du point de vue de la coupure à un niveau élevé de performance, puisqu'il permet la coupure à point zéro, ce qui est illustré par la photographie d'oscillogramme donnée en annexe Planche N 9, prise au cours d'essais effectués dans les laboratoire de Norbert BEYRARD. On voit en effet sur cette photo d'oscillogramme que l'intensité s'annule bien au point zéro, sous l'effet d'une anomalie déclenchée au point zéro juste précédent. Les caractéristiques de fonctionnement de cet appareil apparaissent dans la Planche N 3, le tableau contient les éléments dimensionnels de l'appareil, les caractéristiques fonctionnelles, 20 notamment les temps de fonctionnement du dispositif. Ce qu'il faut retenir, c'est que l'éloignement à 3 mm, après 2.5 millisecondes est largement suffisant pour interrompre un arc ou une étincelle pour des tensions de 220 à 230 Volts, et que les délais de libération du cliquet sont de 0.5 millisecondes et que le délai de perte de contact de 0.8 millisecondes, au total, entre l'impulsion donnée 10 millisecondes avant le point zéro, un retard de l'ordre de 6 à 8 millisecondes suffit après l'ordre pour aboutir à une ouverture du circuit à un moment correct. La rapidité d'intervention de la coupure est un élément considérable de sécurité dans le fonctionnement du disjoncteur et dans le rôle qu'il joue pour la protection des circuits 30 alimentés à travers lui. Dans le dispositif décrit, la fermeture s'effectue par action manuelle sur le bras porteur des contacts qui se déplace de sorte à provoque en même temps le verrouillage et la fermeture des contacts. Mais il importe maintenant d'examiner les conditions dans lesquelles intervient l'ordre de déverrouillage. La commande de coupure à point zéro a été mise en oeuvre par un circuit électronique qui traduit la logique suivante voir Planche N 6, laquelle explicite la commande électronique 40 décrite dans le brevet européen cité au début de ce texte: A) un dispositif par exemple constitué par une boucle inductive mesure l'intensité ou la tension du courant (voir sur la Planche 6 le rectangle contenant le texte prise de mesure du courant ) B) ce dispositif alimente deux chaînes électroniques C) la première chaîne est constituée de la séquence suivante: 1 - un redresseur de courant (voir rectangle contenant le texte redressement> )) 2 - un comparateur permettant de comparer l'intensité instantanée avec le niveau de seuil réglable par exemple par un potentiomètre. Ce comparateur peut être complété pour prendre Copyright Norbert BEYRARD 2005 3 en compte une baisse de tension ou un défaut de masse ou d'équilibre du courant en amont et en aval des contacts (voir rectangle contenant le texte comparaison ) 3 - un pas logique de fonction ou permettant d'introduire soit un ordre manuel direct soit un ordre provenant d'un dispositif retardateur, par exemple un bilame ou un circuit analogique fonctionnant comme un bilame (voir rectangle contenant le texte ou ). 4 - une mémoire alimenté par le défaut constaté par les étapes antérieures (voir rectangle contenant le texte mémoire défaut ). D) une deuxième chaîne parallèle comprenant la séquence suivante 1 - un dispositif de filtrage pour éliminer les anomalies, tels que bruits électriques etc.... (voir 10 rectangle contenant le texte filtrage ) 2 - un détecteur de passage à zéro (voir rectangle contenant le texte détection point zéro ) 3 - un dispositif retard permettant de retarder le déclenchement du disjoncteur jusqu'au point retard. Le retard peut être ajusté pour tenir compte du temps d'activation du système mécanique (voir le rectangle contenant le texte retard ). E) les deux chaînes sont reliées à un circuit logique ET (voir rectangle contenant le texte ET ). F) le signal passant est alors ajusté et amplifié (voir rectangle contenant le texte traitement du signal ). G) ce signal commande alors l'actuateur Piézo d'ouverture du circuit (voir rectangle 20 contenant le texte Commande ouverture ). Un tel dispositif explicite le système de commande électronique décrit dans le brevet européen cité au début de ce texte Ce système est complété par des signaux ou commandes suivants: a) un signal fonctionnel annonçant que le circuit est fermé et ou que le courant passe dans les contacts. b) un signal de défaut en cas de surintensité ou tout autre défaut susceptible d'activer le disjoncteur. c) un signal indiquant que le contact est ouvert. Le déverrouillage est contrôlé électroniquement pour provoquer le déclenchement de l'actuateur Piézo et l'ouverture du circuit électrique. Dans le prototype, la fermeture du circuit est effectuée manuellement grâce à la languette qui apparaît sur la photo de l'appareil (Planche 2 en haut à droite) ; ou à la manette telle que celle 35 apparaissant dans la planche 1. Mais la fermeture du circuit peut aussi être commandée de manière électrique par un actuateur Piézo, ou un actuateur électromagnétique, constitué par exemple par un électro-aimant fonctionnant uniquement pendant la phase de fermeture, de sorte à ce que le circuit étant fermé, la consommation d'énergie soit nulle. Pour des intensités élevées on peut aussi agir par pression pneumatique ou hydraulique ou par pression de vapeur enfermée dans une enceinte, de même que le ressort agissant sur l'ouverture du circuit peut être remplacé par d'autres systèmes analogues La Planche N 4 intitulée Schéma de contacteur disjoncteur montre dans un cas simple le fonctionnement du dispositif selon l'invention. La lecture de ce schéma est la suivante: a) le circuit du courant principal est dessiné sous forme de lignes épaisses à gauche du dessin. Copyright Norbert BEYRARD 2005 4 b) le câble souple apparaît à gauche dans la partie supérieure en trait plus fin. c) les contacts sont fermés lorsque la barre sur laquelle le contact mobile est fixé a basculé autour du pivot en provoquant la compression du ressort indiqué sur le dessin. d) le mouvement de basculement de la barre pivotante permet de passer la langue d'un cliquet qui maintiendra le circuit en position de fermeture. e) Le solénoïde agit sur la barre porte contact pour permettre la fermeture du circuit, grâce à la translation de la tige mobile. f) Une fois le contact établi le cliquet de verrouillage maintient la position fermée. g) l'actuateur Piézo agit directement ou par un levier pour déverrouiller le cliquet afin que la barre porte contact puisse se déplacer. h) le ressort dessiné dans un petit manchon agit sur le bras porte contact pour provoquer un déplacement rapide et l'ouverture du contact. Dans ce schéma de contacteur disjoncteur on peut mettre en oeuvre simultanément ou non: 15 des dispositifs hydrauliques ou pneumatiques ou à pression de vapeur pouvant se substituer au ressort. un dispositif Piézo électrique peut se substituer au solénoïde, lequel peut être remplacé de la même manière par des dispositifs hydrauliques ou agissant par pression de vapeur dans une enceinte fermée contenant deux électrodes et un liquide conducteur vaporisable lorsque les électrodes sont alimentées électriquement. Ce dispositif de fermeture du circuit peut être alimenté seulement pendant un temps très court jusqu'au verrouillage. Un système de commande à pression de vapeur est décrit schématiquement dans la 25 Planche N 7 intitulée Commande à pression de vapeur grâce à une résistance liquide vapeur: Cet élément est montré sur cette planche, qui peut être lue ainsi: - A gauche en l'absence de vapeur le soufflet extensible est en position basse. - A droite lorsque la vapeur est produite par l'échauffement du au passage du courant, le soufflet est en position haute et son mouvement a provoqué le déplacement de la tige agissant sur le bras porte contact. Dans une telle enceinte l'eau peut être remplacée par un gaz qui sous l'effet d'un échauffement produit par exemple par une résistance électrique provoque le déplacement du soufflet, lequel à son tour agit pour provoquer la fermeture des contacts en lieu et place du solénoïde (voir Planche N 8). De tels systèmes sont bistables et dans ces conditions si l'alimentation de l'actuateur de coupure tel que le solénoïde (ou les dispositifs qui se substituent à lui), dessiné sur la planche 4 est coupé lorsque son action est terminée, la consommation d'énergie est nulle en dehors des périodes de fonctionnement. Un tel dispositif de contacteur disjoncteur peut être miniaturisé ce qui lui permet d'utiliser un actuateur Piézo pour la fermeture et un autre pour l'ouverture, ceci l'autorisera à fonctionner très rapidement et donc à des fréquences plus élevées. Le dispositif sera ainsi susceptible de commander les séquences de fonctionnement des faisceaux à rayons X ou laser utilisés en particulier dans des scanners médicaux, tels que ceux décrit dans les demandes de brevets N 04.06497 du 16 juin 2004, intitulé Méthode de traitement du signal applications à l'imagerie et au traitement médical , et N 04.52677 du 18 novembre 2004, intitulé Procédé destiné à réduire l'exposition à des radiations, des faisceaux à lumière infrarouge, ultrasoniques ou des impulsions magnétiques dans des dispositifs d'imagerie médicale . Copyright Norbert BEYRARD 2005 5 Revendications 1- L'objet de l'invention est de réaliser un contacteur disjoncteur électrique tel qu'au moment de la fermeture une des barres de contact se déplace en comprimant un ressort mécanique pneumatique ou hydraulique ou à pression de vapeur, jusqu'au moment ou la barre est verrouillée par un cliquet, et de sorte à ce que le cliquet puisse être libéré rapidement par l'action d'un actuateur Piézo électrique, et provoquer ainsi dans un temps extrêmement bref, la coupure du circuit. 2- Le déplacement de la barre peut être réalisé au moyen d'un système électromagnétique ou Piézo électrique, pneumatique, hydraulique ou à pression de vapeur. 3 La pression de vapeur peut être obtenue par action électrique directe en plaçant dans une enceinte pratiquement étanche,un conducteur liquide, par exemple un électrolyte, entre deux électrodes de sorte à ce que le passage du courant entraîne la vaporisation partielle du liquide, vaporisation qui à son tour crée une pression de vapeur suffisante pour actionner un piston ou produire une déformation d'une partie de l'enceinte pouvant déplacer directement ou grâce à une tige, le bras porte contact. 4- Un système analogue au dispositif selon la revendication 3, dans lequel le liquide est remplacé par un gaz qui peut agir de la même manière pour verrouiller et déverrouiller le circuit, grâce au chauffage du gaz par une résistance électrique ajustable. 5- L'actuateur Piézo électrique est déclenché par l'action d'un circuit électronique comportant la mesure et l'enregistrement d'anomalies telles que surtension ou surintensité, la vérification que l'intensité se rapproche de zéro en courant alternatif et ainsi la conjonction de la détection d'anomalies avec le passage au point zéro. Un tel circuit électronique comprend donc: - une prise de mesure de courant - une chaîne contenant des sous circuits ayant les fonctions suivantes: - redressement - comparaison avec seuil préétabli - mémoire du défaut après comparaison - une deuxième chaîne comprenant: - un filtre un détecteur du point zéro une boucle de retard Ces deux chaînes convergent pour déclencher la commande d'ouverture. 6- la fermeture ou l'ouverture du circuit peuvent résulter d'une action mécanique commandée manuellement ou par action pneumatique, engendrée par échauffement du gaz contenu dans une enceinte ou par pression de vapeur, engendrée par vaporisation d'un électrolyte, sous l'effet du passage du courant entre les électrodes, ou par pression hydraulique; en rappelant que conformément à la revendication N 1, l'ouverture du circuit est déclenchée après libération du verrouillage, grâce à l'action d'un actuateur Piézo. 7- la miniaturisation d'un contacteur disjoncteur tel que décrit dans les revendications 1 et suivantes, permettra son utilisation à des fréquences plus élevées et un fonctionnement beaucoup plus rapide grâce en particulier à la mise en oeuvre d'actuateurs Piézo à la fermeture et à l'ouverture; ce dispositif permettra de commander des séquences rapides de fonctionnement ouverture/fermeture, notamment pour commander le fonctionnement et le déplacement de faisceaux X ou laser utilisés dans des scanners médicaux. Copyright Norbert BEYRARD 2005 6